全力保障港珠澳大桥隧道工程抗震安全
编者按：今天（29日）上午10时30分，经港珠澳大桥管理局确认，港珠澳大桥主体桥梁成功合龙。作为世界上最长的跨海大桥，港珠澳大桥于2009年12月15日开工建设，它拥有世界上最长的沉管海底隧道，是中国建设史上里程最长、投资最多、施工难度最大的跨海桥梁。就像很多超级工程一样，我校专家同样全面深入地参与了这项史无前例的大工程，在其中发挥技术支撑作用。学校新闻中心记者对我校港珠澳桥梁科研工作进行了采写报道。
2014年3月25日凌晨1时40分，经过近19小时的持续作业，港珠澳大桥海底隧道工程的第10节沉管放到水深40-43.5米的海底，安装到基槽之上。至此，海底隧道已安装的10节沉管总长突破1600米，尚余23节。这样巨大长度和重量的沉管在深寂的海底连接起来，其中的空洞就构成了双向六车道的繁忙交通线，万一发生地震怎么办？同济大学科学家2011年开始对此展开研究，全力保障港珠澳大桥隧道工程抗震安全。
（沉管隧道预制件车间）
港珠澳大桥隧道安全保障难在哪？
全长5664米的海底隧道，将由33节的钢筋混凝土结构的沉管对接而成，除了四个位于接口处的沉管短一些，其余29个沉管长度为180米、宽38米、高11.4米，每节沉管的重量近8万吨。
“超长沉管隧道在地震条件下安全性的试验研究，日本、欧美等国都开展过，但像港珠澳大桥这样长度的海底隧道的地震反应，还未见相似研究。”多点非一致地震激励下超长沉管隧道设计方法与振动台试验模拟技术研究负责人、我校土木学院地下系教授袁勇介绍，随着大桥的立项，国家随即将“海外厚软基大回淤超长沉管隧道设计与施工关键技术”列入科技支撑计划，全国范围内召集精兵强将展开研究。
国际工程界曾有一种普遍的认识，那就是隧道的抗震性能较好，其抗震性能随埋深的增加同步增加，未见有埋深超过300米的隧道受到地震的严重破坏。但是1995年日本阪神地震动摇了这种认识，那里的大型地下结构遭受严重破坏，神户市内两条地铁线路的18座车站中，神户高铁的大开站、长田站及它们之间的隧道部分，神户市营铁道的三宫站、上泽站、新长田站等都发生十分严重的变形、破损，以致交通瘫痪，那以后隧道的抗震研究成为了热门话题。
港珠澳大桥隧道所在的海域既是繁忙的航道，也是航线必经之地，采用节段式管节，且具有管节长度长、水深大、管顶回淤厚度大、地基软弱且不均匀、沉降控制难、岛隧结合部受力和施工复杂等特点。“处于深厚软弱地层上，地层分布差异大，基岩埋藏在海床面下50米以上，这样的水下环境设计抗震设防标准高的沉管隧道，如何保其抗震安全性，是课题探讨的重点内容。”袁勇介绍，针对港珠澳的实际，我们把课题分成沉管隧道土—结构动力相互作用快速实用计算方法研究、多点非一致地震激励下超长沉管隧道地震响应快速分析方法、沉管隧道减震控制技术、沉管隧道振动台试验模拟技术研究等四个专题展开研究。
（沉管，远远望去就像一艘巨轮。）
实验室中这样模拟隧道场景
“地震发生时，其冲击波可能是纵向的，可能是横向的，也可能是纵横混合的。对物体的冲击力可能是挤压、抬升、扭曲，也可能是多点、多类型受力状态。”袁勇说，在平均水深超过40米、深厚淤泥上的隧道要想在8度设防烈度地震的极端状态下不发生扭曲变形，就得有可靠的试验和精准的计算。
所以，沉管躺下的地方必须是平整坚硬的“床”，要做这样一张床，首先要在在淤泥中均匀齐整地打入挤密砂桩，把“软豆腐”做成“硬豆腐”；然后，再铺上一条42米宽、30厘米厚的平坦“石褥子”，高低差必须保持在4厘米以内。“用于铺设的每个石子，大约2-6厘米直径，铺好这张‘褥子’非常难，我们用上了GPS定位系统，以保证其高差不超过两厘米。”岛隧项目部综合部负责人介绍，这些工作都要在40米的水下完成。
实验室中如何模拟隧道现场情景？袁勇课题组想了很多办法，采用分层铺装的方法模拟海床纵横向坡度变化；为了模拟上部海水压力，试验将各种荷载进行折算以等效覆土压力代替。同时，为了模拟的真实性，实验采取了可拼装式节段箱体，再输入各种地震波，以测试土体自由场地震响应，得出沉管场地的反应特点。
“沉管隧道减震控制技术的关键在接头处”
“最复杂、最难的就是多点输入振动台模型试验了。”袁勇说，用什么来模拟沉管环境，是运来当地的淤泥、海水，还是采取别的方式？沉管呢，用什么材料制作？采用什么样的振动方式？如何利用已有四个离散振动台面来实现实际的连续多点地震动输入？袁勇介绍，由于本工程中沉管隧道沉放于海底开挖基槽上，我们采用以一定比例拌合的砂子和锯末来模拟原状土的动力特性；沉管模型采用刚度和惯性力等效的铝材立模浇铸管段主体结构，接头处GINA止水带采用力学性能相近的硅胶产品代替；至于振动方式，因为港珠澳隧道的超长特点，将平日单独使用的4个独立振动台（台面4×6米，承重为30或70吨）并到一起，组成线状分布的多点台阵，这样就形成了长度40米的多点输入振动台，输入可以自由改变地震波的幅值、相位角、周期等关键控制因素，方便地获得长大沉管的地震响应规律了。
（双向六车道沉管，为了施工的需要，它的口被封上了。现在，它已经在珠江口伶仃洋水下50米左右的海底了）
有了振动台的支撑，课题组对四个专题展开了深入研究。经过近3年不懈的努力，课题组深入探讨了沉管隧道在多种因素影响下的土与结构间的动力相互作用，在结构形式不变、结构参数不变的情况下，通过改变结构埋深、土体模量，地震动输入水平，外部激励频率等参数来考察沉管隧道结构的地震反应，通过编程建立超长沉管隧道土－结构动力相互作用的快速实用计算方法。“我们的方法充分考虑了不同区段的不同地基和不同海底覆盖土层厚度对弹簧系数和阻尼系数的影响等因素，还有自由土层输入的影响等。”袁勇介绍，实验测试了150个地震工况下的隧道结构—地层动力响应。
“沉管隧道减震控制技术的关键在接头处。”袁勇告诉我们，目前世界上隧道接头分为刚性接头、半刚性接头、半刚半柔性接头和柔性接头四大类，各有所长。我们针对四种接头情况进行了模拟试验和计算，得出柔性接头的效果最好。这种柔性接头主要由端钢壳、GINA止水带、Ω止水带、连接预应力钢索、剪切键等组成。试验和计算表明，地震作用下，沉管的位移、滞回并不伤害管节，加上我们在管内布放减震钢索以增强其柔性，应该说，布置在这一海域的隧道的安全是有保障的。
新闻链接：
“为港珠澳大桥沉管隧道设计施工撑腰” http://news.tongji.edu.cn/classid-8-newsid-44128-t-show.html
我校成果支撑港珠澳大桥人工岛建设 http://news.tongji.edu.cn/classid-8-newsid-42221-t-show.html