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。

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合理布置形式研究

深层水泥搅拌桩(DCM)复合地基应用于沉管隧道工程在国内尚无先例,其在沉管隧道工程的适应性、受力特点及布置形式方面有待深入研究。针对深中通道沉管隧道深层水泥搅拌桩(DCM)的合理布置形式,通过建立三维有限元模型,研究出4种不同的布置形式,得出沉管隧道深层水泥搅拌桩(DCM)复合地基的合理布置形式,并开展现场载荷板试验验证。研究表明:1)深层水泥搅拌桩(DCM)浅层成桩质量较差、桩身强度较低,采用壁式布置时,短桩部分质量难以保证;2)在置换率相近的条件下,单桩式布置比壁式布置数值计算得到的沉降小,因此深层水泥搅拌桩(DCM)采用单桩式布置较壁式布置优;3)横纵向桩间距3 m×4 m布置方案的复合地基容许承载力不小于158.3 kPa,横纵向桩间距3 m×3 m布置方案的复合地基容许承载力不小于211.1 kPa,试验结果与三维有限元计算结果规律一致;4)根据沉管隧道基底荷载的分布模式及载荷板试验,3~5 m不等间距布置方案是深中通道沉管隧道深层水泥搅拌桩(DCM)复合地基最优布置形式。

深中通道管节港内系泊动力响应试验研究(Ⅰ:单管节试验)

系泊寄存于港内的待浮运管节在大风大浪等强动力条件下存在系泊安全风险,明晰管节港内系泊动力响应规律对科学评估及优化设计系泊方案、提升系泊安全性具有重要意义。文章以深中通道沉管隧道工程为依托,通过物理模型试验方法,测量了单个管节港内系泊的运动响应及系缆力等参数,系统分析了港内波浪发育规律、不同向波浪对港内泊稳条件影响以及不同类型动力条件下的管节动力响应特征及规律。研究主要结论有:外海波浪作用方向及时长对港内波浪分布及大小影响显著,进而影响系泊管节的动力响应;不同类型动力条件下空载或半载是管节系泊寄存的较不利载况,风是管节系泊动力响应的主控动力因素;风浪联合作用下,管节最显著的运动分量为横移和横摇,且均发生在空载、吹开风叠加波浪作用条件下。

深中通道沉管隧道水下推出式最终接头构造研究

为应对复杂外海建设条件、保障工程建设安全、提高工程可靠性以及降低工程造价,在深中通道沉管隧道工程中首次采用整体预制水下推出式最终接头施工工艺。深中通道沉管隧道水下推出式最终接头由扩大段、推出段和后焊段3部分组成,推出段藏于扩大段内,推出对接后隧道内进行后焊段焊接。根据工艺特点和结构受力规律,研究确定采用水力+千斤顶推出系统控制推出段推出,采用纠偏千斤顶系统控制推出段的姿态,通过高精度自润滑滑道系统减少推出段底部摩擦力,采用充气止水带+M止水带双重施工临时止水系统,管节对接后通过锚拉系统进行临时锁定,提出双向受力端封门、临时压载水箱以及水平钢剪力键等新型构造,形成完整的水下推出式最终接头创新构造形式,并根据构造形式研究确定施工工序。

深中通道最终接头充气式止水带安装工艺研究与应用

深中通道采用水下整体推出式最终接头新技术,为确保后焊接工序处于无水环境,在推出段及扩大段之间设置“M止水带+充气式止水带”作为后焊段施工期临时止水措施;其中充气式止水带是第2道止水措施,起到至关重要的作用。最终接头充气式止水带安装空间狭窄,安装难度大,因此采用定制工装件整体吊装定位安装的新工艺。该工艺解决了狭窄空间内充气式止水带的超长构件安装难题,提高了安装效率,确保了安装质量。通过深中通道最终接头现场实践,该工艺可在类似工程中参考应用。

基于沉管隧道工程的高精度多波束测深技术

在沉管隧道的施工过程中,碎石整平的质量控制是沉管顺利沉放的重要前提。以深中通道沉管隧道基础碎石整平为例,针对该工程提出的±4 cm高精度施工要求,结合工程现场实际对多波束测量方法进行一系列优化调整,提出一种深度直接标定法提升精度,并通过点状法、线状法等多重手段对多波束数据进行比对验证。结果表明,该多波束测深技术可满足工程的精度要求;可应用该套多波束测深技术进行现场的碎石整平、管节回填等多个环节的成果检测。

深中通道沉管隧道基槽整平多波束检测方法

沉管隧道基础的质量控制是管节顺利沉放的前提,也是隧道施工环节的重要内容。深中通道沉管隧道位于珠江口海域,基槽回淤特征明显,为确保管节顺利施工,对基槽定期进行回淤监测至关重要。隧道的碎石基础整平限差要求极高(±4 cm),为满足施工要求,对多波束测量流程进行优化,提出了深度绝对值标定的方法,提高了多波束的绝对测深精度。采用回淤盒、整平架声呐、管内贯通测量等手段,验证了多波束测深数据的准确性,通过历次多波束扫测,对基槽区域进行测量验证,满足了±4 cm的碎石整平精度施工要求,为沉管隧道基础整平提供了有效的检测方法。

港珠澳跨海集群工程海底沉管隧道防火设计

港珠澳跨海集群工程海底隧道是目前世界上最长的公路沉管隧道,运营期设置有主动与被动的双重防火系统。结合港珠澳海底沉管隧道的主要技术特点,提出防火设计中热释放率、火灾次数、耐火等级以及采取防护措施后构件的主要耐火指标。依据工程防火的具体实施条件,通过综合比较,沉管结构防火设计采用防火板直接覆面方式,沉管接头防火采用由刚性防火板与柔性防火隔断共同组成的具有自主知识产权的双层防护系统。

深中通道沉管隧道沿线水沙环境特征研究

文章基于深中通道隧道沿线定点连续水流、含沙量同步监测资料,对隧道基槽沿线的水沙环境特征进行了研究。研究结果表明:(1)隧道基槽沿线潮流均呈往复运动,大潮流速较大、小潮流速较小,各站大小潮表层落潮流均较强,挖沙坑水域底部涨潮流较强,东滩及试挖槽水域底部落潮流较强;(2)隧道基槽沿线水域底部含沙量变化与流速变化密切相关,最大含沙量出现在涨、落急前后时刻,大潮时含沙量较高而小潮时含沙量较低。隧道基槽沿线底部含沙量,以挖沙坑水域最大,东滩水域次之,试挖槽水域最小;(3)隧道基槽沿线挖沙坑水域和东滩水域底部含沙量大于试挖槽附近,基槽开挖后挖沙坑水域和东滩水域的回淤强度会大于试挖槽附近。

深中通道工程沉管隧道基槽大风过程回淤研究

以深圳至中山通道沉管隧道基槽工程为背景,建立二维水动力泥沙数学模型,采用现场实测资料进行验证,预测了大风过程基槽内的回淤分布。结果表明,基槽开挖后,最大下挖深度约30 m,大风过程引起的基槽淤积明显,回淤分布特征为中间大、两头小,最大淤厚为0.78 m。

深中通道管节浮运阻力特性试验研究

管节浮运是沉管隧道施工的重要环节,浮运阻力是此环节的关键水动力学参数。准确评估浮运阻力可为拖轮配置、缆系选择及航道设计提供依据。以深中通道沉管隧道长大箱型管节为研究对象,通过物理模型试验方法,研究了纯水流作用时不同流速、不同水深条件下的管节纵向及横向浮运阻力,分析了管节浮运阻力特性。试验结果表明:管节浮运阻力受水流流速、流向及水深的影响均很显著,随流速增大而增大,随水深增加而减小,纵向浮运阻力明显小于横向浮运阻力;浮运阻力系数随流速的变化相对较小,但受流向及水深的影响较为显著;控制航道水深及管节迎流方向是降低浮运阻力的有效措施。

深中通道管节浮运指挥系统研究

深中通道项目沉管段管节在浮运安装过程中操控性较差,易出现失控乃至搁浅等事故。针对管节浮运过程中的位置服务进行了研究,综合采用定位精度实时评估、网络化分布式实时导航定位数据处理和BIM、三维激光扫描结合应用等方法,为管节浮运全过程提供无缝高精度位置服务和可视化工作拖轮指挥调度。文章分析了深中通道管节浮运指挥系统架构,详细介绍了硬件设备管理、数据融合计算、二维平面和三维立体显示等各个模块的主要功能,以及系统所涉及的关键技术。

深中通道沉管隧道推出式最终接头设计原理分析及试验研究

为解决推出式最终接头关键构造设计及施工工艺等问题,通过自主研发最终接头推出试验平台开展关键构造缩尺模型试验研究。在试验中对注水参数、滑道摩擦因数、推出稳定性等进行重点记录分析,对关键结构受力进行数值分析。试验结果表明:1)最终接头水力推出实现机制符合伯努利方程,推出段内侧流体雷诺数控制在2000以下可保持流速在层流范围;2)推出过程管节下挠角度小于0.1°,左右偏位3 mm,水力推出实现过程效果良好;3)水压作用下的管节关键结构受力安全,数值分析与试验实测值基本一致,验证了最终接头关键构造方案的合理性,推出方式具备可行性,滑道设计摩擦因数可取0.13。

冲击映像法在深中通道沉管隧道钢壳混凝土界面脱空检测的应用研究

深中通道海底隧道的沉管结构是国内首次大规模采用的钢壳混凝土“三明治”沉管结构。这种新型结构形式复杂,自密实混凝土在浇筑过程中易在钢板与混凝土交界面形成脱空缺陷,局部脱空导致抗压强度降低,影响结构的整体安全。为实现钢壳混凝土脱空缺陷的快速、准确检测,以深中通道海底沉管隧道为研究背景,基于冲击映像法开展大型沉管隧道钢壳混凝土脱空质量检测方法研究。首先,通过研究近源波场响应特性的变化规律,研发包括设备、软件及模型在内的钢壳混凝土脱空检测技术。然后,以此为基础,提出钢壳混凝土脱空质量评价指标。最后,通过足尺模型试验对方法的效果进行验证,经验证,检测结果的准确率为91%。试验结果表明:采用冲击映像法能够准确描述钢壳混凝土病害分布、定量评价脱空状况,为深中通道高质量建设和结构优化提供技术支撑。

深中通道钢壳混凝土沉管隧道总体设计综述

深中通道是集“桥、岛、隧、水下枢纽互通”于一体的超大型集群工程,海底沉管隧道国内首次采用了钢壳混凝土组合结构,面临国内全产业链技术空白。基于项目控制性建设条件,从技术标准、总体布置、管节结构、自密实混凝土材料制备和工作性能、管节防火和防腐体系等方面,系统阐述钢壳混凝土沉管隧道总体设计,供同行借鉴。

深中通道工程关键技术及挑战

深中通道工程是我国继港珠澳大桥之后又一个世界级集桥、岛、隧、水下互通立交为一体的跨海交通集群工程。工程面临着建设条件复杂、超宽钢壳混凝土沉管隧道设计与建造、超宽变宽隧道运营安全、离岸海中悬索桥设计与施工、堰筑段深基坑及东人工岛近接影响等多种挑战。本文在对深中通道工程面临的建设挑战进行详细梳理的基础上,按照问题导向、需求引领、吸收借鉴、创新提升、资源整合、高效组织的原则,对深中通道主要工程单元面临的关键科学问题与关键技术问题进行提炼与归纳,针对海洋环境超宽特长钢壳混凝土沉管隧道建设关键技术、饱和交通下钢壳沉管和互通隧道火灾防控及智能交通管控关键技术、离岸海域大型桥梁多灾害极端作用及安全性能控制研究、跨海集群工程全寿命管理及耐久性保障关键技术、跨海集群工程智能建造关键技术、起伏风化岩人工岛成岛及海域互通立交建设关键技术6大课题分别开展研究及创新规划,给出主要研究内容及创新点,形成详细的创新规划实施方案。

深中通道沉管隧道主要建造技术

深圳至中山跨江通道是国家高速公路网G2518跨越珠江口的关键性工程,通过多方案比选,确定了桥、岛、隧组合的设计方案。项目线路全长约24 km,按双向8车道高速公路设计;其中,线路长度为6845 m的水下隧道采用沉管法建造技术。通过试验研究和分析论证,确定矩形钢壳混凝土组合结构、先铺法基础碎石垫层、水下深层水泥搅拌桩的基础处理等关键技术的技术要求和施工工艺,并研发管节浮运安装一体船等施工专用设备。

深中通道钢壳沉管管节自密实混凝土智能化浇筑工艺

为解决深中通道钢壳混凝土沉管管节预制过程中混凝土性能控制难度大及管节浇筑参数控制严格等难题,节约人工成本和提高施工效率,针对深中通道沉管管节特定的结构型式,结合预制场选址条件,因地制宜地提出钢壳沉管自密实混凝土智能化浇筑工艺。该工艺在研制智能浇筑台车和折臂布料机的基础上联合"BIM+物联网+智能传感"的信息化和自动化技术,实施效果表明,钢壳沉管自密实混凝土智能化浇筑工艺减少了浇筑过程中人为因素引起的质量风险及机械伤害,有利于提高管节预制质量及降低施工安全风险。

深中通道钢壳混凝土沉管隧道智能建造体系策划与实践

根据深中通道海底沉管隧道工程建设实际,分析深中通道钢壳混凝土沉管隧道工业化、智能化建造面临的主要技术挑战,包括沉管钢壳制造、沉管自密实混凝土浇筑、钢壳沉管自密实混凝土密实度定量检测、钢壳管节长距离浮运安装等。为保障沉管隧道全过程高质量建设、降低工程建设风险、保障项目总工期,提出"标准化、工业化、装配化、智能化、精细化"建设理念,策划深中通道沉管隧道智能建造体系,围绕沉管钢壳智能制造、混凝土智能浇注、智能检测、管节智慧安装及智慧工地建设等方面进行探索和实践。