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【媒体】水滴石不穿!超级工程海底隧道是如何防水的?

中国交建2018-05-20 21:39:50

导读


海底复杂荷载的作用下,有三种情况最有可能导致隧道漏水:混凝土开裂、节段之间张开、管节之间“硬碰硬”,而港珠澳大桥海底隧道都一一做好了防范。

2017年3月7日,万众瞩目的港珠澳大桥海底隧道完成了最后一个管节的安装,意味着这个“世纪工程”打赢沉管安装的“收官之战”。这条5.6公里的海底隧道,在攻破重重技术难关之后,保证了40米水压下的“滴水不漏”,打破了世界纪录。


港珠澳大桥示意图,大桥中段的隧道是建设中难度最高的部分


水底的沉管隧道与常见的山区隧道不同:山区隧道只要“钻洞”,一边钻一边做支护结构;而海底隧道是将预先制作好隧道结构,沉到水下,并在水下安装。


沉管隧道一般是由一节节的钢筋混凝土管子拼接起来的。港珠澳大桥海底隧道是先把8个22.5m长的小段(专业术语叫“节段”)拼接成180m的大段(“管节”),然后在工厂把8个节段用钢筋串成一个整体的管节,再拖到海面上,在预定的沉放位置使下沉,最终33个管节在海底连成一个整体。


需要补充说明的是,港珠澳隧道首末两端的管节只有6个节段。隧道两端是两个人工填筑的小岛,在岛上完成海上大桥到海底隧道的接驳。


掩埋于伶仃洋的淤泥中,“任尔东西南北风”


提起海底隧道,很多人都会产生这样的疑问——隧道如长龙般卧在海底,经受海浪日复一日的冲刷,隧道真的就不漏水吗?


实际上“海浪冲刷”的问题只存在于人工岛附近的隧道浅埋段,隧道大部分都掩埋于伶仃洋的淤泥之中。由于周围环境和水陆空交通的要求,港珠澳大桥岛隧工程成为了世界上第一个也是唯一的深埋沉管隧道。


可能你的想象中的海底隧道是这样的:


但其实它是这样的:

港珠澳大桥海底对到施工时首先会清理海底深厚的淤泥,并对隧道下方的地基做处理。然后沉放隧道管节,并在两侧和上部回填碎石,短期内碎石可以减弱海浪的袭扰。完工后,“随波逐流”的淤泥很快就会重新“淤”到隧道上方。即使在大风大浪之中,隧道也能在淤泥的怀抱里安眠。


虽然说无惧风浪,但另外一个问题来了——常年的海水浸泡,而且还要忍受海底那么高的水压。古巴的Havana's Bay隧道,就是预制混凝土管节的沉管隧道,曾经出现过开裂导致的漏水事故,裂缝处渗水速度达每小时40升。


这么长的隧道要做成“百年工程”,任务十分艰巨,但在“中国建造”中,没有什么不可能——从工程设计到材料选择再到施工管理和施工工艺,它都做到了极致。


在海底复杂荷载的作用下,有三种情况最有可能导致隧道漏水,港珠澳隧道都一一做好了防范。


裂缝要不得——混凝土“百炼成砼”


港珠澳大桥的每个节段都是钢筋混凝土做的巨型结构。港珠澳大桥海底沉管隧道全长5664米,由33节沉管组成,单个标准管节长达180米,重约8万吨。负责项目建设的中交港珠澳大桥岛隧工程师曾这样形容:每个管节使用近9000吨钢筋,相当于搭建一座埃菲尔铁塔的用量。


混凝土是一种脆性材料,它在受力状态下容易开裂,抗压不抗拉。正是由于混凝土的这一特性,工程师常常将混凝土与钢筋组合起来,在结构的受压区发挥混凝土的作用,在结构的受拉区发挥钢筋的作用。


民用建筑中的混凝土结构都是允许带裂缝工作的,大家经过混凝土天桥下时可以抬头看一看,桥下一般都布满了裂缝,混凝土裂了钢筋才能发挥出更大的作用。


图:混凝土结构常常带裂缝工作,图为某桥底板


在山里面打隧道,挖洞之后做支护和衬砌,支护结构和衬砌也是会带裂缝工作的,所以隧道的漏水也不可避免。山区隧道的工程师能想得开——漏水就漏水呗,少量的渗漏不影响安全。


但是海底隧道更加特殊,一方面产生裂缝后,含盐的海水渗透可能会加速钢筋的锈蚀,另一方面渗水也会威胁到隧道内的电子设备,甚至影响司机的情绪。


所以,海底隧道对混凝土提出了更高的要求:

一是强度要满足要求,各种常见的受力情况(荷载组合)下,隧道结构混凝土的最大拉力不能超过混凝土的抗拉强度;

二是混凝土有耐久性,在使用期内保持其性能;

三是满足施工要求,若混凝土流动性很差,很容易出现浇注不密实的情况,产生缺陷。


制作混凝土并不仅仅是简单地把原料混合在一起,原料的比例直接决定了混凝土性能。而某些性能往往是此消彼长的,技术人员要调配出合适的比例,满足所有的要求,一定要经历千百次的试验。


在港珠澳大桥岛隧工程沉管预制厂内,两节180米长的管节预制完成


人们常说“百炼成钢”,而在港珠澳过程中,我们“百炼成砼”(砼tóng:人工石,混凝土的简称),牛头山岛上看似简单的混凝土,浸透了工程技术人员挥洒的汗水。

而且,混凝土还很敏感和“调皮”,在浇注完成后还需在严格的养护条件下保养一个月左右。真可谓“杨家有砼初长成,养在深闺人未识”。


隧道设计方案


“深海之吻”——不能硬碰硬


对混凝土质量的控制可以确保每一个节段完成好自己的使命:不开裂,而节段与节段之间的空隙也得保证滴水不漏。


橡胶止水带——防止节段与节段间产生裂缝


隧道的结构编号和美剧正好是反的,美剧第二季第三集叫S2E3,而隧道中第二个管节第三个节段叫E2S3。一个管节的8个节段大概结构如下图所示,八个节段分别是S1~S8。他们之间若不做处理,可是硬碰硬地接触的,稍有受力就易张开。


图:管节的立面图和平面图


所以,我们的工程师在两个节段硬碰硬的地方垫上一层橡胶,这一层我们称其为“止水带”。不过,光有止水带是不行的。医生给人打绷带,并不是把绷带松松地缠起来,而是紧紧地裹起来,要给力!像下图一样,我们用很多预应力钢筋把这8个节段串起来,然后把钢筋张拉得很紧,这样相邻两个节段就挤在了一起,他们之间的橡胶也压得很紧。


图:管节中张拉预应力钢筋示意图


Gina止水带——避免管节与管节之间产生裂缝


8个节段组成管节,管节被一节一节地拖到预定位置并下沉,最终在水下组合到一起才形成整个隧道。管节和管节之间的接触在水下完成,难度非常之高,专家说这甚至是比“嫦娥”和“天宫”对接难度还要大的“深海之吻”。


管节之间的连接至关重要,这里工程师们则使用了一种更大的橡胶止水带:Gina止水带。橡胶块头大,压缩后变形也很大:

图:Gina止水带压缩示意图


挤压的过程让我不禁想起了可爱的娘口三三:

图:娘口三三脸压在玻璃上


连接区域止水的唯一的要求就是:压紧压紧再压紧!管节在水下压紧使用了一种特殊的技术——“水力压接”。 对接前,新来的管节两侧都有水压力;对接后,抽掉中间的水,新来的管节就被牢牢地压住了!


对流体压强有所了解的人不难理解这个物理过程,这就是工程师的智慧吧,借助水的力量,成就大自然的鬼斧神工。


图:水力压接过程


使用止水带是国内外广泛采用已经过检验的方案,但这并不意味着使用橡胶止水带产品就可以保证隧道安全。在工程设计阶段,摆在设计人员面前的是更具体的问题:选用什么样的结构形式才能让结构的受力和变形都在容许范围之内?怎样尽可能提高隧道的安全性?现有的施工技术能否保证隧道在水下顺利对接,在施工中精确复现图纸上的设计?


来源:网易新闻


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