1、1试述沉管隧道工程技术的发展【摘要】：在水下隧道建设的各种工法中，沉管隧道工法尤为重要。其中，海河隧道工程采用沉管法工艺施工,在中国北方首次应用。沉管隧道管段的主要构成部分是大量的混凝土构件，并且其结构形式在一定程度上非常复杂，在浇筑混凝土的过程中，由于混凝土水化热的原因，导致了温度裂缝现象的发生，从而在很大程度上削弱了混凝土管段的抗渗性和耐久性。 【关键词】: 隧道工程， 沉管隧道，裂缝，混凝土 中图分类号： U45 文献标识码： A 文章编号： 钢壳沉管工法和混凝土沉管工法,都涵盖了管节预制、管节浮运、基槽浚挖、管节沉放和水力连接、管节基础处理和回填等关键工序。然而,两种工法除了管节预制工
2、艺技术不同,其水上工法和基础处理也各具特色。要提高结构本身的抗渗透性能，就必须减少沉管隧道混凝土成型有害裂缝，并在此基础上降低混凝土裂缝宽度，这在管段制作中是相当关键的技术。从理论上进行计算分析，管段制作上采用纵向分段、竖向分层工艺，外侧墙采用循环冷却水工艺，混凝土采用双掺技术，并结合国内沉管施工经验，对施工工艺和方法进行优化。本文从以下几个方面对混凝土裂缝控制技术进行了阐述： 一、 结构设计 采用合理的结构设计不仅可降低工程成本，还可有效降低混凝土出2现有害裂缝的概率。合理的结构设计包括: 合理的平面和立面; 合理布置分布钢筋;避免截面的突变; 多选用中低强度等级混凝土。 1 、构造配筋 在
3、构件中配置构造钢筋可控制裂缝的宽度并限制其发展，其实质是通过减少裂缝间距，使裂缝宽度能够控制在可接受的范围内。配筋后混凝土的极限拉伸应变会有所增加; 同样的配筋率，较细的钢筋能对抗裂起到更好的作用。我国习惯采用的用于控制收缩的钢筋配筋率约为 0. 2% ，美国混凝土设计规范 ACI 为 0. 25% 。也有研究认为，ACI 规定的数值在构造配筋率多数情况下不适用，对配筋率为 0. 25% 的管涵结构调查表明，其裂缝间距约为 8m，裂缝宽约为 1. 5mm，根据经济和适用性的折中考虑，认为 0. 4% 的配筋率比较适当。 2、 降低外部约束度 如果沉管混凝土浇筑采用分阶段浇筑工艺则可以设置各种连
4、接缝( 伸缩缝、控制缝、后浇带、施工缝) 以及在约束界面上设置滑动层、缓冲层等来降低外部约束度。而从国内外沉管施工的成功经验来看，分段浇筑设置后浇带并通过设置止水带的伸缩缝进行止水是可行的。将结构混凝土按施工缝分层分段浇筑，一方面是施工的需要，另一方面则能减少构件混凝土的水化热积聚，而且施工停顿间隔可使已浇的混凝土能够在较小约束下完成部分体积收缩，这些均能降低混凝土的收缩应力，对混凝土的防裂有重要的作用。后浇带通常宽 0. 7 1. 5m，在两侧混凝土浇筑后的 1 2 月内构筑，此时两侧的混凝土已完成部分干缩( 1 个月龄期的混凝土干缩可完成全部干缩的 35% 340% ) 和水化热引起的温降
5、收缩，并已获得较高的抗拉强度。 二、 混凝土配合比设计 沉管预制时合理选择原材料，在满足各项性能指标的前提下，在混凝土中掺入优质矿物掺和料，以降低水泥用量; 在保证施工可泵性的条件下，尽可能减小水灰比，控制砂石质量。通过掺加粉煤灰、聚羧酸高效减水剂的双掺技术，进行沉管混凝土配合比试验，管段混凝土的配比确定分为正常条件施工配合比和冬季施工配合比确定。 大多数情况下，在调研的沉管隧道中，混凝土强度等级最高为 C40，但所有的混凝土中都使用了矿物掺和料取代部分水泥，一方面可有效降低混凝土早期的水化温升，降低混凝土出现温度裂缝的概率; 同时矿物掺和料与水泥水化产物 Ca( OH)2 的水化反应，可以提
6、高混凝土的密实度降低混凝土的渗透性。如厄勒海峡交通工程，其沉管隧道全长 3 520m，沉管隧道宽 38. 8m，每段管节长 176m，是世界上首次采用工厂法预制沉管管节的隧道。混凝土配合比试验采用了 1 种矿渣水泥，2 种硅酸盐水泥，2 种骨料，同时掺入粉煤灰与硅灰，配制了 6 组不同的混凝土配合比，最终通过开裂敏感性试验选择了上述配合比。如仑头-生物岛沉管隧道，管段混凝土强度等级为 C35，抗渗等级为 P10，为配制出高抗裂性沉管混凝土，室内共进行了 18 次混凝土配合比试验，进行 122次试拌，制作 1 235 件试件。通过对各组混凝土试件进行强度、坍落度、抗渗、密度、水化热、膨胀率、收缩
7、值、及现场施工性能等技术指标的测试，并进行比较和论证。 三、 改善混凝土浇筑、养护工艺及混凝土表面处理 41、施工根据理论计算分析结合管段每次混凝土浇注的供应量，每节管段分为 5 小段。管段制作时，先中间后两端，后浇带的施工则必须在相邻小段混凝土浇注时间41 天，且沉降基本稳定即连续 7 天 沉降 2mm/天 后进行。后浇带采用分步浇注，与沉管其他部位浇注工艺相同。沉管混凝土施工前，对施工阶段浇筑管节的温度、温度应力及收缩应力进行有限元计算，确定施工阶段沉管大体积混凝土的升温峰值、内外温差及降温速率的控制指标，在此基础上制订温度控制施工的技术措施包括: 混凝土成型前原材料的选择及降温措施，混凝
8、土搅拌运输过程中的降温措施，混凝土浇筑完后的保温养护措施及温度监测方法等，以防止和控制有害裂缝的产生。 2、养护时间是根据混凝土绝热温升计算的，确定混凝土中心最高温度从而确定养护时间，夏季蓄水、洒水养护14 天，冬季蓄热养护28天。 3、在底板和顶板混凝土浇注至标高后，将水泥浆和泌水排除，消除水对混凝土间黏结力的影响，并在初凝前打抹压平，初凝后终凝前再抹压 1 遍，采用二次抹压收水，密实混凝土表面，闭合收水裂缝，避免收缩裂缝的产生。 由此可见，国内外对沉管隧道工程混凝土管段裂缝控制研究的重点主要集中在以下两个方面: 内部最高温度及内外温差控制和降低混凝土的收缩变形。根据国内外沉管预制成功经验，
9、早期裂缝所要解决的关键问题是解决混凝土的约束或者限制收缩变形、温度变形、弹性变形等问题; 对于混凝土沉管管段这类特殊结构，既要保证适当的温控措施，又5要提高混凝土自身的抗变形能力。 四、控制混凝土裂缝的措施 总结国内外沉管隧道混凝土裂缝控制技术，可采用以下措施控制混凝土裂缝。 1) 合理的结构设计改善约束条件，合理选择施工缝间距，减小作业段长度，在管节间设置后浇带，以降低新旧混凝土间的约束应力。 2) 合理的混凝土配合比设计可以降低温升。尽量降低水泥用量，在混凝土中掺入大掺量的矿物掺和料，以降低大体积混凝土的水化放热，提高混凝土的抗裂性及耐久性。 3) 改善混凝土浇筑和养护工艺，并对混凝土结构
10、内部温度实施监测，降低混凝土的出机和入模温度，加强内部温度、湿度养护，减小混凝土内外最大温差和混凝土的收缩变形。 五、结 语 通过几大标志性沉管隧道工程,包括首座混凝土隧道工程 Maas 隧道、首次实现盾构与沉管对接的香港地铁过海隧道、采用竖向立模全断面浇筑节段混凝土的 Tuas 电缆隧道、工厂化全天候预制节段的 Oresund 海峡隧道、干坞内移动模架全断面水平浇筑节段的 Bus-an 隧道和目前最深的海底沉管隧道 Bosphorus 海峡隧道,展现和代表了当代沉管隧道的技术发展方向: 1)发展更灵活、更可靠的混凝土管节预制技术,包括全断面节段浇筑技术,消除施工冷缝,以提高管节的自防水可靠性; 2)工厂化、流程化预制管节,以适应跨越更宽阔的河口、海峡水道的6工程要求; 3)吸收预应力混凝土箱梁桥的预制节段拼装工法、工艺的优点,开发沉管节段预制、管节连接和管节运输最优的施工工艺和结构体系; 4)融合钢壳沉管工法,开发混凝土管节分部预制和浮态浇筑技术,以及先铺法碎石基础的精细工法; 5)结合各项目特别的水文地质和海流技术条件,发展独特的管节拖运、沉放、基础和结构连接等设计和施工技术。 参考文献： 【1】刘行，许晓华，熊建波，沉管隧道管段混凝土裂缝控制技术。施工技术，2013（03） 【2】杨文武，沉管隧道工程技术的发展。隧道建设， 2009（04）
