“为港珠澳大桥沉管隧道设计施工撑腰”
“深水隧道管节铺设难题无数”
港珠澳大桥的岛隧工程为目前在建的世界最大超级工程之一，其隧道部分长度接近6公里。问题是，工程所在伶仃洋海上区域是广州、香港、澳门等地船舶出海要道，大型船舶来往穿梭，一刻不停；而且，这里的地基是厚达数十米的淤泥，“要想在这里建设隧道，难题无数”。我校土木工程学院教授丁文其介绍，隧道采用沉管技术，其中包括33个沉管管节，每个管节由8个或5个节段构成，总计有252个节段，每个管节长度都在110米以上，其中29个管节长度达到180米。
（沉管隧道示意图）
“国际上的沉管隧道，沉放建造过程中一不小心就会出事，水越深难度及风险就越大。”丁文其说，港珠澳大桥的沉管管节多，水又深，如何做到万无一失？沉管隧道安装涉及到的问题包括地基的不均匀沉降、大回淤、高水压、沉船、车辆荷载、潮水变化、地震、温度作用、混凝土收缩徐变等，都会影响到沉管隧道接头处的状况；更加上结构受力、防水要求、止水带选型和施工对管节接头和节段接头的影响，所有可能的因素都要综合考虑、细密研究，才有可能实现120年的设计目标。
（沉管在海面上拖运）
2013年5月2日，首节隧道沉管浮运。“11时，在八艘总马力超过4万匹的拖轮牵引下，浮在海面的首节沉管以缓慢的速度向预定施工海域移动。首节沉管比标准管节要短一些，长112.5米，宽37.95米，高11.4米，吃水深度约为11.1米，总重量为44000吨，总排水量为47000吨。虽然该管节比较小，但光上部平面的面积，就相当于10个篮球场。”当地媒体形容沉管的首次海底对接“难度堪比太空对接”，首节沉管的对接直到5月6日方才完成。这还是最浅的海域，沉管安放最深的地方深度超过40米。
（尚未下沉的巨型沉管）
“如何保证接头处滴水不漏是难题之一”
沉管躺在漆黑的海底，“床”若是不适意，隧道歪斜扭曲那可就出大麻烦了。于是，工程人员使用形如钻井平台的打桩船在厚厚的淤泥层中，每隔一定间距就打一根挤密砂桩，对淤泥地基进行排水加固，把“嫩豆腐榨成老豆腐”，6公里的海底大约打了6万根挤密砂桩，在40米深的海底，硬是铺设出一条42米宽、30厘米厚的平坦“石褥子”，以供安放沉管。
再者，沉管隧道跨越珠江口的主航道，要求埋得深，约为46－47米，但埋得越深，沉管隧道上面海水带来的荷载就越大；三车道的公路隧道宽度大，也加重了沉管的荷载；隧道建成后，泥土的回淤压力多大？沉管的设计寿命要达到120年，沉管隧道的自防水结构如何构成？
（沉管下的挤密砂桩示意图）
2011年5月港珠澳大桥沉管隧道建设之初，丁文其团队承担的“沉管隧道接头张开位移量控制技术研究”也紧张开展起来。在收集整理国内外沉管隧道整体结构与接头构造技术资料，整理现有沉管隧道接头张开位移量控制的理论、计算和试验方法的基础上，结合工程实际，发现了实施方案中存在的不足之处。
设想一下，一件排水量75000吨的庞然大物，要放入40多米深的海底，水下基槽开挖，海流的作用，自身的摇晃，要在水底安家，分毫不差，难度有多大？沉放施工过程中，沉管由水下定位系统进行定位并不断优化调整，保证两个沉管海底对接时的误差控制在2厘米以内；对接完成后，对接端的止水带将通过水力压接密封，使管节一个个紧密连接起来。安放好以后，基底的平整稳固程度、回淤、地震等等影响因素都得一一计算明白。两年多的时间里，丁文其团队研究分析了沉管节段接头的横向和纵向力学特性和变形特性，建立横向和纵向内力和位移计算模型，同时考虑节段接头不同构造对隧道力学和变形特性的影响；考虑基槽开挖、碎石基础和不同地层条件等，建立在不均匀沉降条件下节段接头张开量计算方法，并进行计算分析，提出应对方法；考虑水土压力、不均匀地基、回淤、沉船等多种施工及运营工况、温度应力变化和混凝土收缩条件下的沉管隧道节段接头张开变形量，计算分析这些影响因素作用下各接头的张开量及其变化；开展地震对不同连接情况下节段接头影响的计算分析。
结合工程，课题组给出各种工况下的应对模型
“考虑接头的细部构造，节段接头止水带、GINA止水带和Ω止水带的不同特点，得出完善的在弯矩、扭曲、剪切和轴向力等作用下，管节与节段接头张开量的计算公式或计算方法。”丁文其介绍，不均匀沉降的位移值和计算方法也是重要的研究内容之一。
两年多的时间里，课题组多次前往施工现场，在广泛调研的基础上，通过理论分析和数值模拟，对节段式沉管隧道接头张开位移量的影响因素进行了分析，计算了数百种组合工况下节段式沉管隧道的接头张开位移量，确定了管节与节段变形特性与张开量控制指标，探讨了地震和温度场对于沉管隧道接头张开位移量的作用，建立了考虑土层不确定性的地基基床系数确定方法，开展并建立了海相软土结构性本构模型。“研究团队建立了基于荷载—结构法的三维沉管隧道管节精细化计算模型，模型考虑了管节（4个）、管节接头（3个）、GINA止水带、节段、节段接头等细部构件；计算了7种不同地基处理情形下的沉管隧道整体沉降、不均匀沉降量和各管节与节段接头的张开与错位量。“像汽车、沉船、回淤等荷载，我们计算了29组工况，结论和措施也不同；节段接头的构造对管节接头的张开量影响规律，管节与节段接头的位移量控制标准，提高沉管隧道的安全性措施等，这些成果都在工程中一一被应用了。”丁文其说。
（沉管接头处的止水带）
沉管隧道中设置的锚索效果如何？丁文其团队优化研究了节段式沉管隧道剪力键安装时机，沉管隧道接头全刚性、柔性、半刚性方案，预应力锚索不同粘结方案、不同剪断方案、优化布置等。计算了数十种工况，得出结论：在沉管管节有预应力锚索时，节段处相对位移小，管节接头处的相对位移则比较大，而管节接头的抗变形能力大，需要协调平衡节段接头和管节接头处的相对位移，充分发挥接头的变形调整作用。课题组论证并支撑了工程实际采用的节段接头半刚性方案的实施。
课题组还根据港珠澳工程实际，提出了沉管隧道接头张开位移量的监测方案，制定了监测内容，建立了数字化远程监测平台和确立了监测评价预警体系。其中数字化监测平台通过监测数据采集模块采集传感器的数据，然后通过GPRS数传模块传输至采集工作站来获取采集数据。数字化监测平台中建立各种不同数据库和评价预警指标，对采集的数据实时分析和处理。
“随着管节的沉放，了解管节及节段接头实测张开量和错动量，获取各接头的初始位移张开量和初始沉降量及其随后的变化规律，与计算结果进行比较与反馈分析，以校正完善计算模型与方法，验证设计、指导后续施工。”丁文其介绍，港珠澳大桥沉管隧道难度大，技术攻关成果多，后续理论方法的进一步完善与成果的总结、推广，还有很多工作要做。