1、1 港珠澳大桥水道大回淤条件下 沉管结构的工程处治研究 孙 钧 同济大学岩土力学与地下工程研究所 上海市城建集团院士工作室 港珠澳工程技术专家组 2013年12月5 日 上海市 2 介绍纲目 一 . 工程总体概况 二 . 大回淤水道管段接头预应力索筋设计 半刚性管节，留置永久性预应力索筋的思考 管段接头有拉开情况下，预应力索筋的处置 预案 3 一 港珠澳大桥项目简介 国内首座于外海建设的 超大型海洋工程 项目，又是一桥连接三地，一国两制条 件下的 重大跨界工程 （附总平面走向布置图） 桥、岛、隧三为一体的 特大型交通集群工程 ， 全长36km 。 三地总投资1,000亿元人民币，将历时6 年
2、（不连前期工作约 8年），计划于 2016年底建成 通车。 4 港珠澳桥位地处伶仃洋下游，距珠江出海口以上不远位置处， 海床稳定性好、最大水深在 22m以内，海底流速小，而年平均“风平浪静”的天数高达 250天以上；加之，沉管隧道对软弱地基适应性好，等等 ，这些是大桥在通航跨内选用 修建沉管隧道方案的绝佳条件 。 大桥主体工程中的控制性工程 “岛隧工程” ，含： l =5, 770m 沉管隧道，宽38m ，高 11.4m；沉放处海床面最大水深 22m，隧道最大埋深 23m，正常情况下覆土 1012m，除岛、隧局部过渡段外，均属浅埋。双向 6 车道高速公路，设计寿命120年。 在通航航道两侧,东
3、、西两座面积各约 10 万 m2，长度各 625 m、最宽处 105 m 的长腰形 离岸深水人工筑岛，作为桥隧过渡段 。（ 附图若干） 大桥筑岛工程已于2010年12月全面兴工，预计 2015 年5月底完成全部筑岛土建海上花园施工，工期4年5个月。 其总体规模和技术难度居世界之最 。 5 6 1）水下基槽开挖底标高达- 45m，深槽作业最深达 23m ，其海上施工风险控制难度大； 2）外海海域，要历经45年的长时间施工作业期，遇突发热带气旋和强雷暴恶劣气象条件，可能导致深基槽坡壁失稳、坍槽，也对沉管浮运沉放构成威胁，并引起已沉放落底沉管（挤密砂桩复合地基/ 天然地基）其横向沿圆弧面剪切滑动；在
4、强风、暴雨期，需停止水上一切作业； 3）泥砂回淤量大，开挖时基底清淤和结构面上淤土清除工作量大、难度高；因来不及随淤随清，日后淤土有可能厚积到原海床面位置，且沿隧道长度呈不均匀分布； 工程难点及其成败要害（此处单就与此次介绍的有关问题作归纳，未涉及其它沉管工程自身方面的设计施工难点）： 7 4）通道位于具有一定高烈度（ ）地震频发区，海床局部地段其浅部有松散饱和粉细砂地层（海床下 15m以上部位），而浅表部又有 3m 5m的中、薄层淤泥质软粘土。这种情况，对砂土地震液化的可能性大，将在相当程度上影响场基的地震稳定性。 5）隧道位于主通航孔下方，海上航运频繁，且有 3条交错航道。船舶流量达 40
5、00艘次 /日，施工船只500艘；在深槽开挖、沉管浮运和沉放作业时，双方互为影响，干扰程度大。 8 大桥与海底隧道平面图 9 港珠澳大桥总平面图 人工岛与长引桥全貌示意 （左首未能示出的为水下沉管隧道） 10 沉管隧道纵剖面示意 11 沉管结构横剖面示意 12 深厚软基刚性钢管桩沉管基础 (现在大部分已改用挤密砂桩复合地基 ) 13 中部海床的浅埋管节天然基础 14 主体工程项目与工期 15 二. 水道大回淤条件下，沉管隧道 结构的工程处置问题“半刚性 管节”设计构思： 管段间小接头预应力索筋不再切断，保留成永 久性的，形成“半刚性”； 由制定的小接头“预应力度”作设计控制，使 仍可保留小接头
6、一定的柔性；不使全管节的变形 都集中到大接头一处截面，而致 GINA 止水失效、 管节接头张开而渗漏。 16 沉管管段工厂预制图照 17 18 管节 /管段大、小接头剪切键布置 19 GINA止水带（天然橡胶） 管节大接头止水 20 此处GINA的 最大设计 压缩量, 达122mm ； 而变形后仍需 保留的最小 残余设计压缩量，为82mm 止水带（天然橡胶、薄钢钣条带） 大、小接头止水 21 三. 对大回淤荷载情况下，为保证管段间小接头受力和变形安全的设计研究 22 1. 上世纪80年代之前，早前修建的沉管隧道，因为其时还没有“GINA止水带”和“水力压接法”工艺，所有当时的管段接头都普遍做成
7、为“刚性接头”；而由于它的水密性差，就必然要求将地基沉降量减至最小，因而相应地都采用了刚性桩基。晚近三十年来，在出现“复合地基”和“水力压接法”之后，管段柔性接头已全面取代了刚性接头，而复合地基（如此处采用的“挤密砂桩”作地基处理）则取代了刚性长桩。 2. 管段间的小接头原先都设计成“柔性接头”，这是为了能以做到协调、分摊、均衡和适应软基运营期间后续小幅度的不均匀/差异沉降；所以，在地基沉降基本稳定之后，需将管节预应力索筋全部切断，接头抗剪和抗弯安全则由水力压接产生的轴压力来保证。 23 24 3. 管段间采用柔性小接头：待地基沉降基本稳定以后，将大管节内的预应力索筋全部切断。此时，整个180
8、m管节适应地基差异沉降的情况就会很好，如图示： 22.5m/管段8段=180m/管节 大接头 大接头 预应力索筋 4. 此处问题的提出：水下开挖深槽后，珠江下游出海口水道的回淤情况将严重加剧，就航道疏濬工作言， “随淤随清”已不可能做到； 在大幅度回淤的土压力荷载且沿隧道纵向呈不均匀分布的作用下，因沉管地基持续差异沉降使相邻管段间小接头（原设计为柔性的）的接头张开、并且剪移错动大，其受力安全和变形控制均不能保证，因接头错动和张开从而产生渗漏、甚至突涌水都将难以避免。寻求解决对策，已成当务之急！ 25 26 5. 此处在大回淤荷载条件下，如仍沿用上述的管段柔性小接头构造，必将导致管段接头拉开、张
9、角扩大和因剪切变形过大而错动，产生渗漏，如图示: 大接头 大接头 大回淤土压荷载 小接头 6. 有如上述，此处由于回淤荷载太大，使管段间如仍沿用传统的柔性接头，将产生小接头大量渗漏和剪切破坏。这就想到了能否保留部分或全部预应力索筋不再切断，而永久性地留置在管段小接头处通过，并贯通大管节的全长（180m），这就形成了所谓的“半刚性管节”。现该法已在港珠澳深厚软基地段获设计采用。这在国外，尚只有荷兰海音（Hein )沉管隧道一处先例。 27 7. 但如果管段小接头的刚性因而过大，则将使整个管节的刚性过大，而其沉降量则都将大部集中于管节大接头一处，从而导致GINA止水带预压量（约120125mm）耗
10、尽而被拉开、相邻管节间在大接头处也因张角过大以及管节大接头的剪切键变形过大、甚至破坏。最终将使大接头渗漏，甚致突水、涌水，从而沉管内浸水，而导致修复工作极其困难的风险。 28 29 8. 如设计的管段小接头刚性过大，将导致整个管节的沉降变形向管节大接头一处集中，致使GINA止水带被拉开、接头张角过大和剪切键变形位移大、甚至剪断，产生接头处突、涌水破坏，如图示： 管段小接头刚性过大后，将不能有效调节、均衡和适应地基大的不均匀沉降，导致管节大接头变形过度而破坏，造成突涌水。 大接头破坏 大接头破坏 四. 在按上述方法进行接头处治的情况下，预期还有可能将出现的问题：管段小接头有不可预计的（因各种随机因素所引起）“拉开”，则临时性切断所留存的部分预应力筋，将势在必行。 1. 正常情况下，管段小接头在承受有预压应力和水力压接产生的轴向压力以后，其接头是不允许被“拉开的”，但在各种不可预计到的随机因素作用时，仍有可能会有个别管段出现“拉开”的危象。这主要是因为小接头张角过大而引起的，也有可能因剪切键错移过大而产生；此时，如不能及时按事前切断预应力筋的设计预案处理，将会因接头渗漏出现始料未及的风险。 30
