“半刚性”管节隧道贯通港珠澳，成就“前无古人”大国桥

科普中国科普融和创作 2017-06-02

　　出品：科普中国

　　制作：鹤运

　　监制：中国科学院计算机网络中心

　　5月2日13时许，伶仃洋上，重达6000吨的最后接头像“楔子”一样将海底隧道连为一体，这意味着迄今世界最长跨海大桥——港珠澳大桥主体工程即将全线贯通。5月6日最终接头开始实施焊连作业，公众翘首期盼历史性时刻的到来。

　　图片来源网络

　　前无古人之“半刚性”管节结构设计

　　不同于许多跨海大桥，港珠澳大桥是一座桥—岛—隧一体的大桥，其岛隧工程由沉管隧道、东西人工岛三大部分组成，其中沉管隧道是目前世界上综合难度最大的沉管隧道之一。

　　但若要问港珠澳隧道与其他的海底隧道最大的不同在哪里？回答一定是它的结构设计方案，也即使得这座大桥的海底隧道“前无古人”的关键所在——“半刚性”管节的结构设计与实施方案。

　　清华大学土木工程系地下工程研究所宋二祥教授团队，为其中的可行性论证提供了关键的技术支撑。

　　“半刚性”管节设计由来

　　1. 隧道沿线地质情况

　　在地下工程中，稳定问题和变形问题尤为重要。因地形和地质条件复杂，港珠澳这样的海底长大隧道中，变形问题十分突出。

　　例如，隧道两侧填筑了两个人工岛，用于海上大桥和海底隧道接驳，人工岛附近隧道位置较高，由人工岛过渡到深埋段的中间过渡段的地质条件变化较大，若处理不好极易产生不均匀沉降。

　　图：隧道沿线地质情况

　　针对这种情况，一方面，需要对软弱地基进行处理。为了减小过渡段的不均匀沉降，不同位置采用不同的地基处理方式。另一方面，结构本身也应当具备抵抗不均匀沉降的能力。

　　一般而言，海底隧道有“刚”与“柔”两种结构形式。对于较短的海底隧道而言，隧道沿线地质情况变化较小，可做成整体式的刚性结构；但对较长的隧道而言，柔性结构通常因其适应变形的能力更强而更加合适。

　　2. “刚”“柔”之选，进退维谷

　　原先的设计主要考虑到了两个导致不均匀沉降的原因，一是作为岛隧结合部位的人工岛在施工完成后较长时间内的持续沉降，二是沿隧道长度方向地基不均匀引起的沉降。

　　这两点柔性隧道都能应对——隧道安装完成后，将剪断预应力钢筋，节段之间能更自由地变形。这一柔性方案被称为“节段式”方案。

　　图：预制完成的钢筋混凝土隧道节段

　　然而，港珠澳工程中，情况则更为复杂。与通常埋深较浅的沉管隧道不同，港珠澳隧道完工后，其中间部分将深埋于海底的深厚淤泥中。

　　长远来看，海底淤泥淤积深度预计将随时间增加、影响巨轮通行，将要在隧道沿线进行两处航道疏浚，分别是靠近香港一侧的铜鼓航道和靠近珠海澳门一侧的伶仃西航道。

　　航道疏浚清淤则会直接导致隧道上方的荷载变化。简单而言，在施工刚完成、淤泥尚未淤积时和淤泥淤积过程中，沿隧道长度方向，淤泥的淤积荷载的空间变化并不剧烈。而航道疏浚后，主航道的淤泥面比其他部位低20m左右。

　　图：远期疏浚区域

　　“半刚性”管节——刚柔并济，游刃有余

　　后来，相关负责人提出一想法：不剪断串联节段的预应力钢筋，利用其预应力。在预应力的作用下，节段和节段之间的摩擦力增加，依靠增加的摩擦力抗剪，以此解决剪力增加带来的问题。

　　这样处理之后，隧道的结构和之前不同，在长期使用过程中，多了很多条预应力钢筋，相当于永久地改变隧道结构。这种结构下，隧道能否正常工作，隧道的各项指标是否仍然满足要求？团队的心中也有疑问。

　　宋二祥教授说，结构设计本身就有两种思路：一种是柔性结构，允许有一定的差异沉降，利用设置沉降缝等方法减小差异沉降对结构的影响；另一种思路是通过增大结构的刚度和强度，控制差异沉降。这两种思路总结成两个字，“让”和“抗”。定性地看，只要能符合设计要求，两种思路都合理。但定量地看，一味地“让”不仅会有接头抗剪承载力不足的风险，在差异沉降较大时还会增加隧道漏水的风险；不剪断预应力筋的这一做法是符合力学原理的，但结构刚度增大后，内力也会相应地增加。

　　经过团队详细周密的结构-地基整体分析，保留预应力后的“半刚性”管节节段间的抗剪承载力有效提升，能够抵抗疏浚导致的较大剪力，差异沉降也能控制在允许范围内。

　　虽然刚度增加也会引起混凝土沉管构件内力增大，但由于预应力筋不剪断使得节段接头永存最小压力提高，摩擦抗剪所带来的抗力的提升较内力提高更大，节段接头的抗剪安全度反而提高了。

　　在这个特殊的问题中，传统的柔性结构和刚性结构都解决不了实际问题，正所谓“柔不丝屈，刚不玉折”（取其本义）。在钢筋混凝土沉管构件已经定型、结构方案不可能做大幅度调整的情况下，“半刚性”管节方案无疑是最合适、最安全的方案。