深中通道沉管隧道预制推出式最终接头缩尺模型试验研究_宋神友.pdf

公路 年月第期 基金项目：广东省重点领域研发计划项目，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：深中通道沉管隧道预制推出式最终接头缩尺模型试验研究宋神友，郭亚唯，徐国平，金文良，付佰勇，宁进进（深中通道管理中心中山市 ；中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司北京市 ；中交公路规划设计院有限公司北京市 ；中交第一航务工程局有限公司天津市 ）摘要：沉管隧道最终接头施工工艺作为深中通道工程建设重难点之一，“预制推出式”最终接头方案以其潜水作业的依赖性较小、施工难度低、施工速度较快等特点拟在实际工程中得到应用。依托深中通道沉管隧道最终接头实际项目，设计了缩尺模型试验，模拟最终接头推出段推出过程，对顶推系统进行工程可行性验证。试验结果表明：通过缩尺模型试验，验证了千斤顶推出、横向纠偏工艺的可行性，为施工图设计参数提供了有力支撑。关键词：深中通道；沉管隧道；最终接头；千斤顶推出系统沉管隧道最终接头需要水下施工，影响因素复杂多变，其设计和施工是目前境内外学者关注的重点和难点。深中通道沉管隧道在调研世界范围内各种最终接头方案后，结合深中通道沉管隧道工程所处环境及工期要求，提出了“预制推出式”最终接头方案。“预制推出式”最终接头形式，其接头在陆上进行预制施工作业，易于质量控制，该方法减少了水下工作量，且施工工艺便捷，能大大提高工作效率，但超宽变宽也带来了诸多核心技术难题，包括：（）大断面双钢板混凝土组合沉管隧道推出系统设计及施工工艺的可行性；（）最终接头推出管节纠偏系统设计及纠偏工艺如何实施；（）千斤顶推出系统、止水带构造在推出过程中是否能够正常运行；（）最终接头在实施阶段如何保证各项量测控制精度等。为了更好地解决上述问题，本项目通过开展缩尺模型试验，模拟最终接头关键构造施工工艺，完整呈现最终接头水下推出过程，验证关键构造及施工工艺的工程可行性，最终根据模拟试验验证结果为优化完善相关构造提供依据，研究成果将在深中通道海底沉管隧道等项目中进行应用示范，为“一带一路”倡议中的海底沉管隧道建设提供技术支撑，为我国跨海峡通道工程（琼州海峡、渤海海峡、台湾海峡）提供技术储备。工程概况经综合研究，确定深中通道沉管段的最终接头设于 管节与 管节间，长度为 ，最终接头处的水底缘水深 ，管节深圳端设置扩大段，最终接头推出段设置于 管节扩大段内，管节沉放后顶推推出段与 管节对接，完成最终接头施工，最终接头在隧道全线位置关系如图所示。单位：图预制推出式最终接头位置关系模型试验设计 试验模型设计 截面尺寸拟定根据试验平台实际条件，为充分反映最终接头 年第期宋神友等：深中通道沉管隧道预制推出式最终接头缩尺模型试验研究断面水环境作业特性，将最终接头设计截面大致按:等比例缩尺，同时考虑本项目试验重点为千斤顶推出工艺模拟，故试验模型中部分参数不作为模型设计控制条件，最终确定模型推出段和扩大段截面见图所示。单位：图试验模型截面试验模型总长度，其中推出段长度，钢壳扩大段长度，模拟管节均为 。推出段、扩大段及 试验模型段均采用钢壳结构，钢板厚度取为。端封门采用双层钢板钢结构，总厚度 ，钢板厚度。端封门顶底面通过水密焊缝与试验模型相连接。原型结构与试验模型截面相似比如表所示。表原型结构与试验模型截面相似比类型模型宽高重量浮力惯性矩重心位置比例水头扩大段原结构 模型 相似比 推出段原结构 模型 相似比 千斤顶推出纠偏系统设计为模拟机械式推出形式，在推出段舱内设置纵向水平顶推千斤顶，实现推出段推出，同时设置钢套筒方式实现千斤顶穿端封门达到防水效果，顶推千斤顶布置形式见如图所示，千斤顶参数见表所示。本试验在扩大段内壁两侧底部各设置两处千斤顶实现横向纠偏功能，纠偏系统预埋布置如图所示，纠偏千斤顶参数见表所示。止水带总体设计参照深中通道最终接头设计图，试验模型止水带包括型、型与 型等种。型充气止水带安装于模型扩大段内侧一圈，并与推出段外侧一圈形成面接触，在推出段和扩大段空隙中可实现单向滑动，形成类似“注射器针筒结构”；型止水带两端分别安装于扩大端端头一圈与推出端外侧一圈，止水带完全包裹推出段和扩大段空隙；型止水带安装于推出端端头一圈，在推出就位后，可与模拟管节实现封闭止水，止水带布置见图所示。试验加载及测点布置水下推出试验共计分为个加载工况，见表所示。试验测试主要内容包括。（）顶推纠偏值：单位：图顶推千斤顶布置表顶推千斤顶参数油缸最大推力 工作压力 油缸缸径最大拉力 缸径 ，杆径 单位：图纠偏系统布置表纠偏千斤顶参数型号负载 行程本体高度外径活塞直径重量 单位：图止水带总体布置纠偏千斤顶及顶推千斤顶顶力值。（）位移：推出段纵向推出位移量。（）水深：坑内水位、扩大段注水舱水位。（）倾角：测试推出段推出过程管节下倾或上扬角度。（）管节三维定位：测试推出管节两角点推出过程的三维变化情况。（）视频监控：观测水下推出过程。试验测点布置如图所示。现场模型试验过程见图。表推出试验工况工况名称工况内容描述第一工况推出段匀速向前推进 ，静止后用全站仪进行观测记录。第二工况纠偏千斤顶从左往右纠偏，静止后用全站仪进行观测记录。第三工况 匀速前推进 ，静止后用全站仪进行观测记录。第四工况 纠偏千斤顶进行纠偏，静止后用全站仪进行观测记录。第五工况 推出至管节就位，用全站仪进行观测记录。试验结果分析由图可以看出，初始推出过程中管节左右两 公路 年第期 年第期宋神友等：深中通道沉管隧道预制推出式最终接头缩尺模型试验研究图测点布置图现场模型试验过程侧位移速度不一致，考虑原因是滑板加工精度导致两侧摩阻力不同，后期推出过程中顶推千斤顶一定程度上发挥调整两侧位移同步作用。管节推出速度约为，推出过程总体较均匀。由图可知，整个推出过程中，推出管节最大上倾 ，推出管节横向偏转最大角度 ，推出过程总体稳定性良好。图推出过程位移时程曲线图推出过程倾角时程曲线由表可以得出，全站仪观测推出管节两角点三维姿态过程中，推出过程管节总体稳定，横向制造偏位 后，纠偏千斤顶纠偏后相差，管节纠偏基本归位，纠偏系统发挥了纠偏功能。管节角点定位见图。表管节角点坐标变化工况 坐标移动量 坐标移动量第一工况 第二工况 第三工况 第四工况 第五工况 注：代表横向坐标值，代表纵向坐标值，代表竖向坐标值。由图 和图 可得，因基坑内和扩大舱内不连通，推出段推进时，坑外水位会小幅上升，扩大舱内水位会明显下降，进而造成一定的水压推力。对滑板摩擦系数进行分析：实测管节推力 ，管节所受水压推力（），滑板所受竖向作用力 （为推出管节自重，取值 ；为推出管节所受水浮力，取值 ）；滑板摩擦系数（）。图 管节角点定位图 推出过程纵向推力时程曲线图 推出过程水深时程曲线通过缩尺模型试验模拟水下推出过程，可以得出以下结果。（）最终接头水下推出过程均匀平稳，未发生卡位及推出困难情况，系统设计方案及施工工艺是可行的。（）在推出过程中人为制造推出偏位工况，通过纠偏系统能够使得推出管节纠偏归位后顺利推出，纠偏系统发挥了预期效果，但在纠偏过程中发现，纠偏精度难以精准控制，纠偏过程的可视化程度不高；同时，为防止纠偏时出现局部过大变形，对管节局部刚度要求较高。因此，实际工程需优化改进纠偏系统设计，或采用更加合理的限位导轮装置防止发生管节偏位。（）止水带是最终接头核心构造，通过类 止水带加工安装，并在整个推出过程中观察止水效果，可以看出止水带发挥了止水性能。止水带安装空间较小，对止水带折叠工艺要求较高；同时，在水下推出时，止水带受水压作用，需尽可能减小扩大段外部与内部水压差，防止止水带受过大水压作用而膨胀，影响整个推出过程。（）推出过程中，推出段推出过程量测方案布置合理，监测数据能够反映实际管节推出变化，能够为实际工程量测方案测点布置优化提供借鉴参考。结语本文以深中沉管隧道预制推出式最终接头为工程背景，通过推出式最终接头模型试验，模拟最终接头推出段的推出过程，主要试验结论如下。（）千 斤 顶 推 出 工 况 下，滑 板 摩 擦 系 数 取 值 ，符合工程设计预期参数范围，考虑施工精度及滑板摩擦系数计算取值偏差影响，总体推出力与预期符合。（）千斤顶总体推出过程平稳，可以实现匀速稳定推出，推出过程水平及竖向倾角均控制在 以内，推出效果良好，横向纠偏测试工况成功实现既定目标，千斤顶推出系统方案总体具备工程可行性。（）止水带发挥了预期止水效果，实际工程中需尽可能确保内外水压差平衡，防止出现止水带受力变形过大影响。（）通过缩尺模型试验，最终接头关键构造及相应施工工艺得到了有效验证，为优化设计参数及实际工程应用提供了有力支撑。参考文献：徐国平，黄清飞 深圳至中山跨江通道工程总体设计 隧道建设，（）：中交公路规划设计院有限公司，中交水运规划设计院有限公司，上海市隧道工程轨道交通设计研究院有限公司 深 圳 至 中 山 跨 江 通 道 工 程 施 工 图 设 计 文 件 北京：中交公路规划设计院有限公司，陈韶章沉管隧道设计与施工北京：科学出版社，吴凤亮，李家林，李金峰，等港珠澳大桥沉管隧道最终接头 合 龙 施 工 技 术 中 国 港 湾 建 设，（）：公路 年第期公路 年月第期 文章编号：（）中图分类号：文献标识码：衬砌植锚栓网喷混凝土加固技术研究桂滨，陈泽，蒋楠，杨玉民（中交基础设施养护集团有限公司北京市 ；武汉二航路桥特种工程有限责任公司武汉市 ；公路与桥梁高效养护及安全耐久国家工程研究中心武汉市 ；中国地质大学（武汉）工程学院武汉市 ）摘要：以武山隧道为依托工程，针对衬砌厚度略欠、裂损中等的段落，提出采用衬砌植锚栓网喷钢纤维混凝土的方式进行加固治理，结合武山隧道的地质背景，利用有限元数值软件分析了加固前后隧道复合式衬砌的受力特征，并引入隧道设计规范中的安全系数作为评判标准，分析了该加固方式在隧道断面不同位置不同应力类型的加固效果，为武山隧道安全性设计提供指导。关键词：隧道工程；隧道病害；衬砌加固；安全系数交通建设的快速发展使得隧道工程的应用日益广泛，受到运营时间长、早期设计技术水平有限等因素的影响，许多隧道开始出现裂缝、空洞、剥落、渗水等情况，这种病害情况不仅严重影响了隧道的安全稳定性及使用寿命，还会提高出现运营期安全事故的可能性。年月，万山寺隧道、兴安岭隧道、清凉山隧道相继因衬砌掉落发生交通事故。年月 日，美国马萨诸塞州的一条隧道也同样发生了顶部混凝土块掉落的情况。截止到 年底，中国公路总里程达到 万，其中公路养护里 程 达 到 万，占 公 路 总 里 程 比 重 。因此，维护已建隧道的安全稳定性，并针对已存在病害情况的 隧 道进 行加 固 治 理 具 有 重 要意义。目前，应用于隧道衬砌维护的加固措施有很多，境内外许多学者针对隧道衬砌病害加固措施和效果评价进行了大量相关研究。霍润科等提出碳纤维筋补强加固方式，利用 对隧道衬砌不同位置加固效果进行计算分析，为现场施工提供指导。柳献等基于试验分析，发现钢板混凝土组合结构加固盾构隧道衬砌结构不仅可以有效提高衬砌的抗裂性能以及耐久性，还可有效降低钢材消耗量（相比于内张钢圈加固法）。房士波以浙赣铁路周里冲隧道为工程背景，集中分析了隧道衬砌的病害情况，并引入注浆锚杆、钢带以及喷射钢纤维混凝土等加固技术，取得了很好的加固效果。蒋宇静等 利用纤维增强聚合物水泥砂浆基复合材料对隧道衬砌进行加固，通过有限元软件进行数值计算分析，发现该加固方法能有效增强衬砌的刚度与强度，并在此基础上进一步提出新的量化指标（断面修复率）来评价加固效果。刘德军等 为解决常规加固方式无法有效提高衬砌内表面强度的问题，提出使用纤维编织网增强混凝土进行隧道衬砌加固，借助数值模拟方法分析了该方法的加固效果。本文基于武山隧道中存在的典型病害情况，采用衬砌植锚栓网喷钢纤维混凝土方式进行加固处置，利用 有限元数值软件对加固前后隧道衬砌的受力特征进行对比分析，结合收稿日期：吴凤亮，李家林，刘兆权 超大型沉管隧道可逆式主动止水楔形接头的研发建造 中国港湾建设，（）：林鸣，林巍，刘晓东，等 整体式主动止水最终接头技术及其与沉管管节的一体化中国港湾建设，（）：胡健中，王勇，徐国平 沉管隧道国产化 止水带试验研究及选型设计 现代隧道技术，（）：陈聪 港珠澳大桥沉管最终接头临时主动防水系统中型止水带的应用公路，（）：