沉管隧道接头型式发展及变形机制研究进展.pdf

引用格式:单联君,郭建民,倪芃芃,等.沉管隧道接头型式发展及变形机制研究进展J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):14.SHAN Lianjun,GUO Jianmin,NI Pengpeng,et al.Review on development of joint type and deformation mechanism of immersed tunnel under differential foundation settlementJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):14.收稿日期:2023-02-27;修回日期:2023-05-27基金项目:国家自然科学基金面上项目(52078506);广东省自然科学基金面上项目(2023A1515012159)第一作者简介:单联君(1979),男,山东高密人,2005 年毕业于湖南大学,岩土工程专业,硕士,高级工程师,从事地下结构及隧道设计工作。E-mail:hdslj 。通信作者:李剑锋,E-mail:lijf77 。沉管隧道接头型式发展及变形机制研究进展单联君1,郭建民1,倪芃芃2,3,李剑锋2,马会环2,3,孙 伟2(1.广州市市政工程设计研究总院有限公司,广东 广州 510060;2.中山大学土木工程学院,广东 广州 510275;3.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 519082)摘要:在沉管隧道建设中,基础不均匀沉降容易使沉管隧道发生差异变形,进而严重威胁沉管隧道的安全稳定性。因此,如何分析、控制基础不均匀沉降对沉管隧道使用安全和运营寿命的影响,是建设沉管隧道必须面对的难点和挑战。首先总结沉管隧道建设的发展和沉管隧道接头的特征;其次,概述当前通过模型试验、数值模拟和理论解析已取得的研究进展,研究结果反映了目前沉管隧道在控制变形方面的发展水平,但在接头精细化模型以及复杂地质条件下沉管隧道全寿命研究方面尚存在不足;最后,建议在有限元的研究基础上开展多场多尺度的精细化耦合分析,并针对复杂地基特性提出考虑地基随循环荷载-时间变化的沉管隧道受力变形分析方法。关键词:沉管隧道;基础;不均匀沉降;接头型式;变形机制DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.003中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0014-11R Re ev vi ie ew w o on n D De ev ve el lo op pm me en nt t o of f J Jo oi in nt t T Ty yp pe e a an nd d D De ef fo or rm ma at ti io on n MMe ec ch ha an ni is sm m o of f I Im mm me er rs se ed d T Tu un nn ne el l SHAN Lianjun1,GUO Jianmin1,NI Pengpeng2,3,LI Jianfeng2,*,MA Huihuan2,3,SUN Wei2(1.Guangzhou Municipal Engineering Design and Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510060,Guangdong,China;2.School of Civil Engineering,Sun Yat-sen University,Zhuhai 510275,Guangdong,China;3.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai),Zhuhai 519082,Guangdong,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:During the construction of immersed tunnels,differential foundation settlement can easily induce uneven tunnel deformations,which seriously affects the safety and stability of immersed tunnels.Therefore,how to analyze and control the adverse effects of differential foundation settlement on the safety and operation of immersed tunnels is a difficult problem and a great challenge.First,the authors summarize the development of immersed tunnel construction and joint characteristics.Then,it followed by the research progress achieved through model-scale experiments,numerical simulations,and theoretical analyses is discussed.The results reflect the current level of development in controlling the deformation of immersed tunnels to some extent,but there are still deficiencies in the study of joint refinement modeling and analysis of immersed tunnels under complex geological conditions during the service life.Finally,it is suggested to carry out multi-field and multi-scale coupling analysis based on the finite element,and propose a force-deformation analysis method for immersed tunnels considering the time-varying behavior of the foundation under cyclic loads.K Ke ey yw wo or rd ds s:immersed tunnel;foundation;differential settlement;joint type;deformation mechanism 增刊 1单联君,等:沉管隧道接头型式发展及变形机制研究进展0 引言近年来,随着经济的高速发展,隧道被广泛应用于交通、市政等各类基础设施建设中。其中,沉管隧道具有埋深浅、断面布置形式灵活、地质条件适应能力强、两岸接线距离短、对岸线环境影响小、工程造价低等优点;同时,还具有便于后期运营使用的优势,已被广泛应用为一种可越江跨海的现代大型水下隧道。2021年 12 月 9 日,国务院印发“十四五”现代综合交通运输体系发展规划,提出“到 2025 年,综合交通运输基本实现一体化融合发展,智能化、绿色化取得实质性突破”,要求“有序建设各种运输方式共享通道资源的越江跨海通道”,展望“2035 年基本建成交通强国”。因此,亟待更科学、高效、经济的技术工艺和计算理论指导高速发展的沉管隧道建设。1894 年,美国波士顿成功修建了首条沉管输水管线;其后,1910 年,在底特律河修建了世界上第一条用于铁路交通的沉管隧道。目前,沉管隧道工法已广泛应用于世界各地,已建、在建的沉管隧道达上百座。1942 年,荷兰在欧洲修建了鹿特丹的 Maas 水下公路隧道,采用箱式矩形断面的钢筋混凝土结构,并逐步成为主流结构型式;1944 年,日本在亚洲修建了大阪阿吉河水下隧道,采用了美式的单层钢壳结构;1972 年,中国香港修建了跨越维多利亚港的红磡道路海底隧道,采用了双圆形断面的钢壳钢筋混凝土复合结构;1993 年,中国大陆修建了广州珠江隧道,采用了矩形三孔断面。目前,沉管隧道不断涌现并应用于中国的隧道工程中,诸如上海外环隧道、广州仑头生物岛隧道、港珠澳大桥沉管隧道、深中通道沉管隧道、大连湾海底隧道等。近年来一些公开报道的监测数据显示1-2,实际量测的沉管隧道沉降值远远高于预测值。总沉降量最大为 450 mm,平均值为 108 mm3。过大的沉降量容易导致管节开裂、渗漏等病害,严重威胁沉管隧道的使用安全和运营寿命。无论是施工期沉降还是运营期沉降,大部分均与地基土层的压缩(固结)变形有关。此外,接头是沉管隧道区别于其他隧道的结构特性,显著影响沉管隧道的纵向变形响应机制。最初,沉管隧道管节之间采用现浇钢筋混凝土连接,称为刚性接头。随后,为了控制热效应和混凝土收缩所引起的裂缝,采用接头连接的节段管节于 1966 年被引入鹿特丹地铁隧道,著名案例包括荷兰的 Hemspoor 隧道、德国的Ems 隧道、丹麦和瑞典之间的 resund 隧道以及韩国的釜山巨济隧道等。随之发展的柔性接头主要由剪力键、GINA 与 OMEGA 止水带等构件组成。与刚性接头相比,柔性接头的刚度较低,能够协调由混凝土收缩、温差、地层刚度不均、淤积、地震、落锚等因素产生的附加荷载。随着接头工艺的不断发展,新型接头工艺也开始被应用到实际工程当中,影响沉管隧道管节间的变形协调。因而,在隧道结构或基础出现不均匀沉降时,预制推出式最终接头的变形协调和适应性是亟待研究问题。本文首先对沉管隧道建设的发展及沉管隧道接头的特征进行总结;其次,通过试验研究、数值模拟和理论解析 3 个方面论述目前关于基础不均匀沉降诱发沉管隧道变形研究的进展,研究成果在一定程度上反映了目前沉管隧道在控制变形方面设计和分析的发展水平;最后,在此基础上,总结现有研究的不足,以期为未来研究提供参考。1 沉管隧道接头结构型式发展如今,随着技术的发展,可按功能、刚度、材料类型及作业环境将沉管隧道接头分 3 类:1)依据受力特点与赋予的功能定位,可分为常规接头和最终接头;2)依据接头刚度与管节本体接近程度,可分为刚性接头、柔性接头、准刚性接头或假刚性接头;3)依据使用的材料种类,可分为钢筋混凝土、钢构件和钢-混凝土组合结构等。以下将从常规接头和最终接头 2 种主要接头型式对沉管隧道接头的发展进行介绍。1.1 常规接头型式 常规接头包括 2 种结构形式:管节接头和节段接头。管节接头主要包括竖向剪力键、水平剪力键、GINA 止水带、止水带、剪力键垫层及端钢壳等部件。与管节接头相比,节段接头主要由竖向剪力键、水平剪力键、止水带、可注浆式止水带、预应力钢拉索组成,不需要设置 GINA 止水带。值得注意的是,港珠澳大桥沉管隧道沿纵向划分为 33 段管节,将每个管节的纵向临时预应力保留为永久预应力,形成半刚性接头4。与柔性接头相比,半刚性接头的刚度较高,对沉管隧道抵抗变形的贡献更大。1.2 最终接头型式 沉管隧道最后 1 节沉放的管节的端面连接处被称为最终接头,其不确定性因素比较多,决定着整个隧道的防水质量与安全稳定。最终接头按不同作业环境分为水下最终接头和干地最终接头,按不同浇筑方式可分为现浇最终接头和预制最终接头。国内外沉管隧道最终接头型式施工工艺如表 1 所示。51隧道建设(中英文)第 43 卷表 1 国内外沉管隧道最终接头型式施工工艺Table 1 Main construction methods for final joint of immersed tunnel in China and abroad序号 工程名称 结构型式 最终接头型