钢壳沉管隧道耐火极限标准与防火保护技术研究——以深中通道沉管隧道为例

为提高我国超大断面钢壳沉管隧道火灾防控水平,以深中通道海底沉管隧道为例,采用热力耦合模拟和材性试验等方法开展钢壳沉管隧道耐火极限标准研究,考虑到龙骨、拼缝等防火构造薄弱环节,进行管节结构和管节接头耐火试验,并提出相应的防火保护技术方案。主要结论如下:1)管节结构的耐火极限标准为火灾时,应将结构内侧钢壳最高温度控制在300℃以内;2)OMEGA橡胶管节接头的耐火极限标准为OMEGA橡胶超过70℃的时间小于2 h,超过100℃的时间小于1 h,且最高温度不得超过150℃;3)GINA橡胶管节接头的耐火极限标准为GINA橡胶超过100℃的时间小于1 h,且最高温度不得超过150℃;4)管节结构可采用35 mm单层防火板L型拼缝,对接面涂热膨胀胶;5)管节接头可采用35 mm防火板+50 mm陶瓷纤维毯双层防火保护体系,龙骨自由端取500 mm,拼缝处采用防火胶封堵。

SV波斜入射下海底沉管隧道地震响应研究

为避免近场斜入射地震波对海底沉管隧道造成灾难性后果,对沉管隧道及其剪力键在斜入射地震作用下的动力响应规律进行深入研究。首先,基于时域有限元方法并结合黏弹性人工边界,将地震波转换为模型边界节点的等效节点力,建立基于波动理论的三维平面SV波斜入射方法,并采用半空间算例验证该方法的准确性;然后,在该地震波输入方法的基础上,利用ABAQUS软件建立土体-沉管隧道节段三维精细化有限元模型,研究地震SV波斜入射作用下不同入射角度对沉管隧道及其剪力键动力响应的影响。研究结果表明:1)当SV波入射角接近临界角时,斜入射对隧道竖向和纵向响应达到最大值,水平响应与入射角呈反比关系;2)斜入射会使结构中对称部位产生非对称剪力,剪力键的剪力承担比也发生改变;3)剪力键根部易产生拉伸裂缝,端角也可能因应力集中而产生局部破坏。

内河中游区大型沉管隧道建造关键新技术——以襄阳鱼梁洲隧道为例

为解决内河中游区沉管隧道建造面临的河床冲刷强、强透水地层深厚、防洪要求高等问题,依托襄阳鱼梁洲沉管隧道工程,通过工程调研、理论分析、物模试验、数值模拟、现场测试等手段,对内河沉管隧道建造关键技术进行创新及应用,首次形成如下创新成果:1)提出沉管隧道冲刷安全量化评价方法,给出沉管结构横向稳定性安全系数等5项评价指标及其评价标准体系,填补了沉管隧道防冲安全量化评价方法的空白;2)研发利用管周摩擦力抵抗止水带回弹力的摩擦止推型最终接头,解决常规陆域接头需设置大型圬工结构的问题;3)研发并量产可满足0.3 MPa外水压水密性、100年设计使用寿命的沉管接头外侧止水带国产化产品,其百年应力松弛衰减率仅25.5%,预测使用寿命144年,使中国实现沉管隧道全产业链技术的国产化;4)提出整体式管节不设后浇带全断面顺浇预制工法,实现沉管结构预制工效提高52%、结构接缝减少61%、浇筑裂缝减少60%;5)在内河沉管隧道中采用先铺卵石垫层基础,并研发出全浮式高精度先铺卵石基床整平船;6)研发应用沉管无焊接装配式端封门和柔性水袋压载水系统,可实现舾装设施的便捷循环使用和施工效率的提升。

深中沉管隧道火灾烟气流动与控制数值研究

为了研究采用横向联络排烟道结合侧壁排烟口新型排烟方式对沉管隧道火灾烟气流动的控制效果,以深圳-中山隧道为例,采用理论分析与计算流体力学相结合的方法,通过分析临界风速、烟气逆流长度和烟气分岔低温区域来研究烟气的流动特性。提出了沉管隧道火灾临界风速和烟气逆流长度的修正模型,同时还建立了烟气分岔流动低温区域长度的预测模型。结果表明,当无量纲热释放率小于0.139时,临界风速与无量纲火源热释放速率的1/3次方成正比。当纵向风速从1.5 m/s增加到4.0 m/s时,10、20、30、50 MW火灾时的峰值温度分别降低了35%、48%、46%和43%。在强纵向风速的作用下会发生烟气分岔现象,对隧道中心线和侧壁温度进行分析,得到了分岔流动低温区域长度预测模型,预测结果误差在10%以内。

知识-数据驱动的沉管隧道接头安全状态分析方法——以港珠澳大桥海底沉管隧道为例

为解决沉管隧道接头安全状态不断变化且难以直接感知的技术难点,以港珠澳大桥海底沉管隧道为工程背景,通过分析既有监测数据,总结管节接头的变形模式,揭示管节接头张合量与结构温度的强相关性,明确潮位变化对接头剪切变形的显著影响。在此基础上提出一种基于知识-数据驱动的沉管隧道接头变形快速推演方法,通过建立沉管隧道精细化有限元模型,开展海量典型变形模式下的沉管隧道结构力学行为分析,构建沉管隧道变形服役行为数据集;利用BP神经网络,建立基于仿真接头服役行为特征的沉管隧道接头全断面变形推演模型,实现基于有限实测数据的接头全断面变形快速重构。该方法在港珠澳大桥海底沉管隧道的现场管养中得到成功应用。以2023年台风“苏拉”为例,基于台风登陆过程中接头的局部位移实测数据,推演接头剪力键及止水带关键点位处管节接头的变形情况。结果表明,该沉管隧道接头系统整体受台风影响较小。

基于Kerr地基模型的沉管隧道纵向变形与内力的分析

假定软土地区沉管隧道地基土为三参数Kerr模型,同时沉管隧道管节等效为Timoshenko梁,采用竖向弹簧及旋转弹簧模拟管节接头,建立沉管隧道的简化计算模型。基于Kerr地基上Timoshenko梁理论,推导出沉管隧道整体结构的解析表达式。通过对比基于空间实体有限元的数值模拟结果,合理选取Kerr地基模型中的参数值,然后对Kerr地基模型上土层厚度与压缩模量的敏感性因素进行了分析。结果表明:合理的Kerr地基模型参数使沉管隧道纵向变形结果与实际符合程度好。另外,Kerr地基上土层厚度的增加以及土层压缩模量的减小都会使沉管整体结构纵向变形以及两端弯矩增大。

交通荷载下软土复合地基海底沉管隧道动力响应特性分析

以港珠澳大桥沉管隧道管节为研究对象,利用MIDAS GTS NX软件建立三维动力有限元模型,采用界面单元模拟管节接头,通过施加重载车辆模拟振动荷载,对沉管隧道管节以及高压旋喷桩软土复合地基的动力响应特性进行分析。研究结果表明:车辆振动荷载可诱发海底沉管隧道管节及其复合地基产生明显的环境振动效应。当120级挂车以80 km/h的运行速度通过海底沉管隧道时,在沉管隧道管节接头处产生的最大竖向位移量达3.21 mm,最大加速度峰值达17.77 mm/s^(2);高压旋喷桩复合地基顶面最大位移达1.98 mm,加速度峰值达2.38 mm/s^(2)。沉管隧道管节接头处加速度振动级达81.9 d B,重载车辆运行对软土复合地基海底沉管隧道动力稳定性的影响不可忽视。

软硬不均地层沉管隧道碎石基床力学特性研究

为揭示软硬不均地层下沉管隧道碎石基床力学特性,通过有限元分析及理论计算,对沉管隧道纵横向地基沉降及刚度的分布规律、参数敏感性及结构纵向受力响应问题进行量化分析,结果表明:岩基段基底压力分布中间小两侧大,中间位置会出现脱空,软基段为两端小中间大,结构两端会出现脱空;岩基与软基的基底应力值较为接近,但地基刚度相差较大,岩基段为软基段的14倍;岩基段地基纵向刚度受垫层厚度、模量及预压荷载等参数影响变化大,应以岩基段垫层设计厚度作为全线的控制标准;软基段接头平均剪力约为岩基段的3倍;软硬不均地层沉管隧道碎石基床力学特性研究为沉管法隧道在复杂地质条件下推广应用提供了重要参考意义。

大连湾海底沉管隧道施工中管节变形规律监测分析

沉管管节间及节段间张合量、沉降变形是沉管隧道工程结构安全的重要指标。以大连湾海底沉管隧道为依托,通过分析水文环境、上覆荷载变化、特殊施工工艺等条件与沉管管节间张合量、沉降量变形的相关性,得到沉管沉降在不同载荷条件的变化规律,管节间及节段间张合量与管内温度呈负相关,钢绞线剪切后一段时间内沉管沉降变形明显增大。为后续管节安装及调整提供可靠依据,确保施工安全,指导后续设计和施工。

城市中长距离沉管隧道风机开启策略及污染物分布规律研究

城市内中长距离沉管隧道工程由于受到地质地貌条件的限制,可能存在W型复合坡度且中间不设置风塔的结构特点。针对城市内不设风塔的沉管隧道,其运营风机开启策略及污染物分布规律有待进一步研究。采用数值模拟,主要考虑隧道不同区段的阻滞(入口段、中间段、出口段及全线阻滞)和不同风机的开启数量(3、5、6、7组),来研究隧道内污染物分布规律。研究结果显示:1)随着风机开启台数的增多,隧道内顶部流速增大;2)在阻滞时,阻滞段对风机射流发展段的流场分布影响较为显著,增加隧道风机开启台数对阻滞段污染物体积分数的影响较小,主要影响非阻滞段的污染物体积分数;3)在隧道中心变坡点放置风机对隧道内流场分布以及稀释CO污染物的作用有限,原因是射流在坡度变化的影响下提早撞击隧道壁面,从而影响了射流的发展;4)隧道污染物容易在隧道后半段积累,因此在设计时应考虑在隧道后半段增设射流风机;5)通过综合分析类似工程出口CO体积分数后发现,目前国内规范所采用的CO体积分数设计标准较保守,容易造成资源的浪费。

深中通道沉管隧道碎石整平精度控制技术研究

为了提高外海沉管隧道的基础处理精度与承载能力、减小沉管隧道的不均匀沉降,依托深中通道沉管隧道工程,介绍船架分离式整平船水下整平系统的组成、工作原理和适用条件,并分析影响整平精度的2个因素,即料斗口高程变化和料斗内碎石料高度控制;同时,结合ANSYS数值计算方法,分析水下大、小车轨道在自重情况下的变形,以及基架在不同工况组合下的变形,由此提出碎石整平系统精度控制技术,并采用接近式料位传感系统,实现料斗总成内碎石料位高度持续、实时监控和多点监测。该水下碎石整平系统精度控制技术在深中通道沉管隧道E32—E24管节碎石基础铺设中成功应用,其整平平均偏差为15.3 mm,可满足±40 mm的偏差设计要求,实现了设计要求的基础铺设精度控制目标。

深中通道沉管隧道深层水泥搅拌桩复合地基沉降计算分析

基于深中通道沉管隧道深层水泥搅拌(DCM)桩复合地基现场试验结果,考虑厚垫层和高置换率DCM桩对复合地基荷载传递机理及沉降特性的影响,将碎石垫层、DCM桩复合地基和桩端下卧层作为协同作用的系统,考虑系统各部分在接触面上的应力与变形协调,通过分析典型单元体,推导海底DCM桩复合地基桩土应力比和沉降的理论计算公式.将理论计算得到的DCM桩复合地基荷载-位移曲线和桩土应力比变化曲线与现场静载试验实测曲线进行对比,相对误差均不超过±10%,验证了所提理论计算公式的合理性.分析置换率和垫层柔度系数对海底DCM桩复合地基的荷载传递机理及沉降特性的影响规律,结果表明:复合地基沉降随垫层柔度系数的增大而增大,随置换率的增大而减小;复合地基桩土应力比随置换率的增大而增大,随垫层柔度系数的增大而减小;置换率对复合地基沉降和桩土应力比的影响较垫层柔度系数更大.

深中通道沉管隧道复合地基沉降特性研究

深中通道是国内首次大规模使用水下深层水泥搅拌桩处理沉管隧道地基的超级工程,具有碎石垫层厚度大、深层水泥搅拌桩置换率高等特点,目前相关研究较少.为了研究厚垫层和高置换率深层水泥搅拌桩复合地基的沉降变形规律,在现场荷载板试验结果的基础上,将碎石垫层、复合地基和桩端全风化岩层视为一个共同作用的系统,假设在桩土分界面处桩土位移模式非同步,同一深度处桩间土体的位移模式非协调,考虑系统各部分在交界面上应力和变形连续,通过对典型单元体的分析,推导了复合地基桩土应力比和沉降的求解公式,最后将计算结果与现场荷载板试验结果和传统方法进行了对比验证.研究结果表明:本文方法计算所得沉降与实测沉降相比误差在8.0%以内,计算精度优于传统方法,并且沉降随荷载的变化趋势大体相同,说明本文方法能较好反映沉管隧道复合地基的沉降特性;根据本文方法计算得到的桩土应力比与实测桩土应力比相比误差在-7.0%以内,可以认为理论计算的结果可靠.

基于AHP-DEMATEL的沉管隧道施工质量控制关键影响因素研究

介绍基于AHP-DEMATEL方法得到的沉管隧道施工质量控制关键影响因素并进行分析。首先通过WBS方法对一般的沉管隧道施工质量问题及原因进行分析,总结得到质量控制影响因素集,包括“人-机-料-法-环”的5维度17个因素;其次构建基于AHP-DEMATEL的关键因素研究模型并进行实例应用。结果表明:管理人员水平、质量意识、机械选择、管理环境和方案合理性是综合影响程度最大的5个影响因素,也是沿江项目沉管隧道施工质量控制最关键的5个影响因素。

港珠澳大桥沉管隧道基槽试挖槽及航道疏浚影响分析

外海沉管隧道基槽边坡坡率取值对工程经济性和施工风险有较大的影响,基槽附近的航道疏浚可能导致基槽回淤异常,影响基槽边坡稳定性从而影响施工进展。通过开展隧址区原位试挖槽试验和临近航道疏浚数值模拟分析基槽边坡稳定和回淤情况,为港珠澳大桥沉管隧道基槽方案设计与施工提供技术支持,研究结果表明:1)经历汛期影响周期的观测显示,1∶5、1∶6、1∶8、1∶10坡比的基槽边坡均未出现结构性的变化,整体稳定。2)试挖槽槽底区域呈持续回淤状态,边坡外区域呈现出回淤与冲刷交替出现的现象,但整体变化幅度不大。3)航道疏浚距离基槽位置越近对基槽回淤影响越大,基槽淤厚最大的位置出现在基槽与航道交汇处。

超宽断面沉管隧道侧壁排烟口间距研究

为了确保超宽断面沉管隧道运营安全,设置合理的侧壁排烟模式下排烟口参数是至关重要的。本文依托某八车道沉管隧道工程,开展了1∶15模型试验,以烟气温度扩散范围、烟气蔓延范围为评价条件,分析了当火源位于两个排烟口中间位置时,20 MW火灾工况下侧壁排烟口不同设置间距下的烟雾流态特性,得到如下结论:①烟气温度扩散范围以及烟气蔓延范围均与排烟口间距呈正相关关系;②侧壁排烟模式下,排烟口间距大于84 m时烟气扩散的控制效果较差,因此间距设置不宜超过84 m。

穿越变化地层的沉管隧道接头地震响应的解析解

沉管隧道接头是穿越变化地层的沉管隧道抗震设计的关键。介绍了穿越变化地层的沉管隧道接头地震响应的理论分析模型。分析模型包含两个柔性接头和3个管节单元,利用Pasternak双参数地基模型模拟下卧地层,利用Euler-Bernoulli梁模型模拟沉管隧道管节,考虑了穿越变化地层的沉管隧道接头的力和变形传递,立足于两端连接人工岛的沉管隧道类型,以自由边界模拟结构两端连接方式。基于矩阵传递原理,建立了考虑行波效应的沉管隧道接头的地震响应解析解。利用有限元模拟结果验证了解析解的可靠性。发现使用柔性接头可以明显减小变化地层界面的剪力和弯矩,自由边界条件下,接头剪切刚度主要影响接头剪力,接头弯曲刚度主要影响接头弯矩。当沉管隧道接头的受力呈现同向最大值时,对应的地震波相位角并不一致。地震波垂直入射时,接头受力最小。

沉管隧道管节对接水下摄影测量定位方法

利用卫星测量塔将水下定位转换为水上定位是国内外沉管隧道管节定位的主要方法。然而,测量塔变形和管节变形的耦合影响定位精度,且无法适应大水深安装对接。本文提出了一种水下主动光源编码合作靶标摄影测量管节对接定位方法,利用主动光源增加光学作用距离,抑制后向散射,靶标编码克服悬浮颗粒、浮游生物影响。结合透射光分离成像和折射率作为未知参数的测量平差,克服水体浑浊和折射率诱导的光学畸变对水下摄影测量的影响。通过在待沉管节对接端两侧顶部安装摄影测量系统,已沉管节对应位置安装合作靶标并贯通测量确定其在施工坐标系的位置和姿态,通过后方交会计算得到待沉管节在施工坐标系的位置,与需要沉放到的理论位置对比,生成待沉管节位姿调整信息辅助对接。深中通道和大连湾沉管隧道工程应用表明,管节对接线形精度达到2 cm和100 m,为未来大水深沉管隧道建设提供关键技术支撑。

沉管隧道管段系泊系统水动力学分析

沉管隧道管段系泊系统是管节在安装过程中抵抗水流作用力和提供准确定位的前提保障,而系泊系统下的整体结构运动响应和锚缆受力则影响着施工阶段的安全性和经济性。文章以广州市荔湾区如意坊沉管隧道工程为实例,采用基于势流理论的水动力学仿真软件AQWA进行计算分析。根据实际数据进行结构三维有限元建模,先对系泊系统进行频域分析,再增加时域耦合分析,并考虑JONSWAP波浪谱和水流的共同作用,研究波浪入射角、环境组合方式等因素对该系统下运动响应和锚缆受力的影响。结果表明:管段在低频区域波动较大,随着频率增加逐渐趋于稳定;有效波高对管段运动响应影响较大;该系统下波浪入射角为90°时,锚缆张力出现最大值。

基于不同接头模拟方法的沉管隧道地震响应分析

沉管隧道是将沉管管节通过接头相连而成的纵向细长结构,接头的合理模拟至关重要。结合某沉管隧道工程提出两种接头模拟方法:沿截面均匀等效设置弹簧的方法和基于截面剪切键作用设置弹簧的方法。对于计算结果的对比分析表明:在纵向地震作用情况下由两种模拟方法得到的结果吻合较好,但在横向地震作用下沿截面均匀等效设置弹簧方法无法体现接头的抗剪特性。另外,横向地震作用时接头水平相对位移是纵向地震作用时的2~3倍,因此更应关注沉管隧道横向抗震性能。研究成果对沉管隧道合理简化模型的建立和应用有一定参考价值。