“半剛性”管節隧道貫通港珠澳，成就“前無古人”大國橋

出品：科普中國

制作：鶴運

監制：中國科學院計算機網絡中心

5月2日13時許，伶仃洋上，重達6000噸的最后接頭像“楔子”一樣將海底隧道連為一體，這意味著迄今世界最長跨海大橋——港珠澳大橋主體工程即將全線貫通。5月6日最終接頭開始實施焊連作業，公眾翹首期盼歷史性時刻的到來。

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前無古人之“半剛性”管節結構設計

不同于許多跨海大橋，港珠澳大橋是一座橋—島—隧一體的大橋，其島隧工程由沉管隧道、東西人工島三大部分組成，其中沉管隧道是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道之一。

但若要問港珠澳隧道與其他的海底隧道最大的不同在哪里？回答一定是它的結構設計方案，也即使得這座大橋的海底隧道“前無古人”的關鍵所在——“半剛性”管節的結構設計與實施方案。

清華大學土木工程系地下工程研究所宋二祥教授團隊，為其中的可行性論證提供了關鍵的技術支撐。

“半剛性”管節設計由來

1.隧道沿線地質情況

在地下工程中，穩定問題和變形問題尤為重要。因地形和地質條件復雜，港珠澳這樣的海底長大隧道中，變形問題十分突出。

例如，隧道兩側填筑了兩個人工島，用于海上大橋和海底隧道接駁，人工島附近隧道位置較高，由人工島過渡到深埋段的中間過渡段的地質條件變化較大，若處理不好極易產生不均勻沉降。

圖：隧道沿線地質情況

針對這種情況，一方面，需要對軟弱地基進行處理。為了減小過渡段的不均勻沉降，不同位置采用不同的地基處理方式。另一方面，結構本身也應當具備抵抗不均勻沉降的能力。

一般而言，海底隧道有“剛”與“柔”兩種結構形式。對于較短的海底隧道而言，隧道沿線地質情況變化較小，可做成整體式的剛性結構；但對較長的隧道而言，柔性結構通常因其適應變形的能力更強而更加合適。

2.“剛”“柔”之選，進退維谷

原先的設計主要考慮到了兩個導致不均勻沉降的原因，一是作為島隧結合部位的人工島在施工完成后較長時間內的持續沉降，二是沿隧道長度方向地基不均勻引起的沉降。

這兩點柔性隧道都能應對——隧道安裝完成后，將剪斷預應力鋼筋，節段之間能更自由地變形。這一柔性方案被稱為“節段式”方案。

圖：預制完成的鋼筋混凝土隧道節段

然而，港珠澳工程中，情況則更為復雜。與通常埋深較淺的沉管隧道不同，港珠澳隧道完工后，其中間部分將深埋于海底的深厚淤泥中。

長遠來看，海底淤泥淤積深度預計將隨時間增加、影響巨輪通行，將要在隧道沿線進行兩處航道疏浚，分別是靠近香港一側的銅鼓航道和靠近珠海澳門一側的伶仃西航道。

航道疏浚清淤則會直接導致隧道上方的荷載變化。簡單而言，在施工剛完成、淤泥尚未淤積時和淤泥淤積過程中，沿隧道長度方向，淤泥的淤積荷載的空間變化并不劇烈。而航道疏浚后，主航道的淤泥面比其他部位低20m左右。

圖：遠期疏浚區域

“半剛性”管節——剛柔并濟，游刃有余

后來，相關負責人提出一想法：不剪斷串聯節段的預應力鋼筋，利用其預應力。在預應力的作用下，節段和節段之間的摩擦力增加，依靠增加的摩擦力抗剪，以此解決剪力增加帶來的問題。

這樣處理之后，隧道的結構和之前不同，在長期使用過程中，多了很多條預應力鋼筋，相當于永久地改變隧道結構。這種結構下，隧道能否正常工作，隧道的各項指標是否仍然滿足要求？團隊的心中也有疑問。

宋二祥教授說，結構設計本身就有兩種思路：一種是柔性結構，允許有一定的差異沉降，利用設置沉降縫等方法減小差異沉降對結構的影響；另一種思路是通過增大結構的剛度和強度，控制差異沉降。這兩種思路總結成兩個字，“讓”和“抗”。定性地看，只要能符合設計要求，兩種思路都合理。但定量地看，一味地“讓”不僅會有接頭抗剪承載力不足的風險，在差異沉降較大時還會增加隧道漏水的風險；不剪斷預應力筋的這一做法是符合力學原理的，但結構剛度增大后，內力也會相應地增加。

經過團隊詳細周密的結構-地基整體分析，保留預應力后的“半剛性”管節節段間的抗剪承載力有效提升，能夠抵抗疏浚導致的較大剪力，差異沉降也能控制在允許范圍內。

雖然剛度增加也會引起混凝土沉管構件內力增大，但由于預應力筋不剪斷使得節段接頭永存最小壓力提高，摩擦抗剪所帶來的抗力的提升較內力提高更大，節段接頭的抗剪安全度反而提高了。

在這個特殊的問題中，傳統的柔性結構和剛性結構都解決不了實際問題，正所謂“柔不絲屈，剛不玉折”（取其本義）。在鋼筋混凝土沉管構件已經定型、結構方案不可能做大幅度調整的情況下，“半剛性”管節方案無疑是最合適、最安全的方案。

圖：拼接好的管節準備從生產基地啟程拖運就位