1香港地铁沙中线(南北线)过海沉管隧道设计与施工

横两个方向，运用弹性地基梁理论分别考虑。纵向分析时，主要采用自由场变形方法考虑地震波横波分 量产生的内力，沉管节点扭转变形，及纵波分量引起的沉管节点水平压缩和拉伸变形。同时，考虑土体结构相互作用。横向分析时，等效静力法用于分析由横向地震波引起的内力。 2.5.1 地震设防要求 根据 记录，本港有记录烈度最强的地震发生于 1918 年，震中为距离香港 300 公里的汕头，香港的地 震烈度估计为七度, 参考 GB50011-2010，在该沉管隧道抗震设计中，最大水平地面加速度值为 0.15g，最 高竖向地面加速度值为 0.075g，此地震为 1000 年一遇。 2.5.2 隧道结构纵向设计 自由场变形法是运用弹性封闭函数公式计算自由场中的土体应力应变方法。此处自由场变形为在不 考虑开挖等情况下的，由地震横波引起的地面应变。同时，采用相应内力折减系数从而考虑土体-结构相 互作用。 在具体结构设计中，隧道设计模型为 2.4.1 所述，此时忽略土体-结构相互作用。在计算由横向地震波 产生的内力（轴力，弯曲及剪力）时，设计横波的弹性反应普根据 BS EN 1998-1 Eurocode 8: ‘Design of structures of earthquake’确定，自由场中的场地轴向和弯曲应变根据 St.John and Zahrah [1]提出解析公式 得出，然后依据弹性梁理论，根据隧道截面性质和短期弹性模量得到作用于结构的纵向轴力及弯矩。由 于考虑土体-结构相互作用机制，上述内力值需要修正。John 和 Zahrah [1] 建议引入土体动力弹性常量， 从而考虑以下两点（1）隧道和周围土体的压力比；（2）隧道使土体变形的减少。轴力和弯矩的折减系 数可由土体弹性常量和所考虑的地震波长得出[2]。修正后的内力值，用于计算承载力极限状态下结构承 载力。由于纵向弯矩产生的水平剪力用于确定计算隧道底板剪力腱的剪力设计值。 2.5.3 隧道结构横向设计 横向分析时，采用简化的等效静力法，同时考虑动力土体-结构相互作用。其中有几个因素影响这种 相互作用，包括土体结构相对刚度，结构的几何形状和隧道埋置深度等，尤以柔度比最为重要，即土体 的剪切刚度和所支撑的隧道结构水平刚度的比值。在本设计中，单位集中水平何载作用于横向结构设计 有限元模型中的顶板处，由顶板位移得到结构水平刚度。 简化的框架计算模型如图 7。计算所得的结构在横向地震作用下水平侧移于正负两个方向作用于结构 顶板。原因是，矩形截面的沉管隧道具有一定的埋置深度，大部分的水平位移都是由顶板面的剪力导致。 具体横向地震分析遵循如下步骤进行[1]:（1）计算自由场中地震横波引起的场地剪切应变（free-field）； (2)用前述方法计算隧道结构水平刚度，然后计算柔度比；（３）根据柔度比及泊松比可以得到横向变形 系数（R）；（４）得出结构水平侧移 structure=R x free-field），将此位移作用于结构设计模型中。 structure
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图 3 横向计算模型（永久条件）
2.3.2 横向结构分析模型-临时条件 临时条件分为临时浮运和下沉阶段。在浮运阶段,因为沉管管节处于正浮力状态,所以作用在隧道上的 不同荷载处于平衡, 如自重和静止水压力。因此在分析模型中, 两个名义支座(即支座反力为零)设置于如图 4 所示位子以确保模型分析中的数字平衡。线性分析用于此模型。 3
2.沉管隧道设计
2.1 隧道设计的边界条件 2.1.1 地质条件 沉管隧道结构设计的重点是正确理解及模拟土体-结构相互作的，因此地质条件的确定至关重要。本 项目根据已有的地质资料得出结论，土层分布基本均匀，局部变化较大。具体为：在隧道纵向范围内， 现有海床标高在-3 米到-21 米之间变化，最上层包括人工沉积层(AD)和海相沉积层(MD),主要土质为淤泥 质粘土和淤泥质粘土混合沙，为软弱土层；在此土层下，是冲积土层，土层厚度变化为由 6 米到 40 米,超 固结且主要为粉质砂土；此土层以下，即为强/全风化花岗岩。土层断面见图 2。
图 2 土层断面分布图
2.1.2 偶然荷载 本项目在承载力极限状态下，考虑以下偶然荷载作用： 行驶火车相撞荷载 沉船货船荷载 掉锚荷载 极端高水位（洪水）荷载 地震作用 超载 积淤 2.2 竖向平衡分析 竖向平衡分析是决定隧道截面尺寸的重要依据。本项目中，运用 3D 参数模型,模拟在临时状态(浮运, 下沉)及永久状态下竖向稳定,从而确定隧道横向最小设计要求截面尺寸。 2.2.1 分析模型 在 3D 参数模型中,隧道各个管节几何形状被定义为一系列几何参数,包括管节长度,横面截面尺寸以及 门洞,集水井等的典型特征.管节根据几何形状不同,分别考虑以下五个模型。 标准管节(E2-4, E7 和 E8) 弯曲管节(E1,E10 和 E11) E5 ( 排水井) E6 (通风设备室) 2
1.2 隧道设计难点 隧道设计中,主要难点有: (1)在临时和永久荷载下,沉管的竖向平衡; (2)沉管结构纵横截面分析; (3)地震 作用分析;(4)基础抗液化性能及不均匀沉降。在第二节,按照上述四点依次介绍隧道设计重点。 1.3 隧道施工难点 隧道施工中,主要难点有：(1)沉管管节预制及浮运；(2)沉管管节安装；(3)沉管水底合拢；(4)碎石基 础铺设。 在第三节中,按照上述四点依次介绍隧道施工重点。
图 5 纵向计算模型（永久条件）
2.4.2 纵向结构分析模型-临时条件 类似与横向分析,临时条件分为临时浮运和下沉阶段。 在浮运阶段，两个名义支座(即支座反力为零) 设置于如图 6 所示位子以确保模型分析中的数字平衡，线性分析用于此模型。 在下沉阶段, 真实支座设置于悬挂设备的位置,从而模拟管节被趸船悬挂的真实情况。在此条件下, 需 要保证隧道管节不会在悬挂设备失效前破坏。相应的,超载荷载被用于分析。即用悬挂设备的承载力极限 值作为设计值, 运用合适的荷载系数, 实现“强管节, 弱悬挂”体系。
在下沉阶段, 管节受到下沉力, 真实支座设置于外墙,从而模拟管节被趸船悬挂的真实情况。同样,线性 分析用于确定各个荷载下隧道管节的内力。
图 4 横向计算模型（临时条件）
2.4 纵向结构分析 在结构纵向分析中,弹性基础梁理论用于结构分析,整个隧道管节被模拟为一系列由铰接连接的线性梁, 按照永久条件和临时条件,设置不同支座,从而进行截面内力分析,用于纵向预应力钢筋,普通抗弯,抗剪钢筋 和剪力腱的设计。 2.4.1 纵向结构分析模型-永久条件 在纵向分析中,管节模拟为由铰接节点连接的线性梁,铰节点可以传递截面剪力。对于混凝土结构和预 应力结构的设计，采用不同的旋转刚度。 弹性梁的支座为动力弹性弹簧支撑，间距 5 米。同时，通过移走不同位置的弹性支座,模拟支座失效 的情况。 通过分析,临界截面及该截面相应的荷载组合得以确定。对于特殊位置,如排水沟(E9)和通风管(E6),采 用单独的分析模型以保证完全确定其结构性能。 不同于横向分析,沿着隧道纵向板墙的温度差别,会产生局部纵向弯矩。有限元板模型用于分析此局部 弯矩。根据分析结果,纵向抗弯钢筋可以满足设计要求。 对于弯曲管节,同样适用上述模型分析,然后采用 3D 模型进行结果对比评估。
SC L1121
图 1 SCL 1121
1.1 工程概况及主要内容 SCL1121 沉管隧道全长 1663.4 米, 分别在里程 U99+780 处与红磡明挖隧道相连及里程 U98+096.600 处与铜锣湾避风塘内 ME4 隧道相连接。此过海隧道分为十一个管节, 由北往南依次编号为 E1 至 E11。E1E10 长度为 156 米左右, E11 长度约为 100 米, 这是考虑铜锣湾避风塘内施工空间以及预留足够空间给部分 防波提复原工作。管节总宽度为 18 米，内含三通道，上行北向，下行南向及一个通风管。管节重量约为 2.3 万顿。最大水深为 27 米。十一个管节均为钢筋混凝土结构, 纵向采用 (后张) 预应力。管节之间有剪力 踺,防水胶条，Gina Gasket 及 Omega seal 相连接，形成柔性连接。沉管隧道采用名义厚度为 800 厚碎石基 础,同时根据合同规定,下卧土层静力触探测试 (CPT) 锥尖阻力 (qc)不小于 2Mpa。 钢筋混凝土管节在香港岛南部的石澳预制场预制完成后,浮运至将军澳安装沉管所须要装备,随后托运 至隧道沉放地点。管节沉放之前,自行设计建造的碎石铺石机铺设碎石基础。具体管节沉顺序为 E10,E11 （暂时放置 E10 上），E1，E2， E3 及 E4；待铜锣湾防风堤完成后，完成 E11 下沉及同铜锣湾内已有隧 道 ME4 的水底合拢。随后安装 E5 至 E9，最后完成 E9 同 E10 间的水下合拢（最终合拢）。 1
E9 (放置架空线设备平衡装置的壁龛) 2.2.2 竖向平衡设计准则 根据施工阶段不同,隧道结构竖向稳定验算分考虑临时状态及永久状态。其中,临时状态包括(1)管节浮 运；(2)管节下沉；(3)下沉后,回填完成前。永久状态则为回填完成后，隧道的正常使用状态。各阶段设计 准则如下： 管节浮运阶段，管节的总重量包括 454 吨沉管安装所需设备，同时考虑 0.25%施工误差。最小出水高 度要求为 200mm, 最小安全系数为 1.02。为了保证浮运过程中管节稳定，不同侧倾角下稳心高度和恢复弯 矩需要满足设计要求，其中最小正稳心高度为 200mm。 管节下沉阶段，需要满足最小下沉力要求，具体为最小负浮力绝对值不小于 30kN/m。此阶段，会采 用临时压载配重水使沉管下沉；最小安全系数为 1.02。 管节下沉后，回填土完成前，压载混凝土将替换压载配重水以及替换工作完成后轨道安装前，最小 抗浮安全系数为 1.04；在计算安全系数时，最小结构混凝土及压载混凝土容重和最大水容重会被采用； 在永久状态下，由结构混凝土，压载配重混凝土和允许回填土重量产生的最小向下平衡力必须大于 沉管隧道置换的水产生的静止水浮力。在考虑 1.5 米厚回填土重的前提下，最小安全系数不小于 1.2。 按照以上各阶不同要求，相应使用最大及最小结构混凝土，压载配重混凝土及水容重，检验现有横 截面条件下，安全系数是否满足要求。 2.2.3 竖向平衡设计 按照 2.1.1.分析模型，每个隧道管节都会进行竖向平衡设计，从而满足临时状态及永久状态的平衡要 求。在临时状态下，因为需要达到 200mm 的出水高度要求，20%压载配重混凝土需要在浮起前放置于沉 管火车通道；对于弯曲管节，在临时状态下，压载配重混凝土的放置位子需要按照管节不同平面形状进 行更为详细的分析。但是，因为在海面平面内具有更大的截面惯性矩，弯曲管节在理论上比直段管节稳 定性能更为良好。在永久状态下，控制临界状态为考虑 1.5 米覆土高度，安全系数 1.2 的情况。此时，弯 曲管节竖向平衡性能和平直管节类似。经计算，沉管倾斜角扶正力矩远大于倾覆力矩。在倾斜角 10 度时， 出水高度约 200mm。 2.3 横向结构分析 在竖向平衡分析的同时,一系列二元有限元结构模型被用于隧道结构结构分析 ,以保证在 120 年设计 使用年限内,在临时荷载和永久荷载作用下,隧道满足承载力极限及正常使用极限设计要求。 横向分析中模型中,纵向为 1 米的横向截面模型用于 Lusas 有限元分析软件中,进行截面内力分析,进而 用于横向弯曲钢筋和抗剪钢筋的设计。 2.3.1 横向结构分析模型-永久条件 在永久条件下,隧道底板放置于碎石基础之上。因此结构模型中, 底板由一系列弹性支座支撑, 从而考 虑碎石基础及下卧土层的变形 (图 3) 。弹性支座的刚度基于基础地基反应系数,此系数的上下限值被平均 用于所有弹性支撑。同时, 为了模拟碎石基础不规律表面, 首先假设所有弹性支座只能承受压力, 然后设置 数值为+/-5mm 的不均匀支座沉降。经过非线性分析后, 即可得到不同荷载组合下的结构内力。
1.项目介绍
香港地铁沙田至中环线(沙中线)连接大围至金钟,是一项跨越香港多区,连接多条现有铁路线的大型扩 展项目,旨在加强香港地铁服务覆盖范围及新界和香港岛的连接.该项目分为两部分: (1) 东西线-由现有马鞍 山线在大围向南延伸,到达东九龙,随后经过启德到达现有西铁红磡站,实现西铁贯通,形成东西走廊;(2)南北 线-此部分由现有东铁线红磡站向南延长,经过建设中的第四条过海铁路到达香港铜锣湾及岛湾仔附近,最后 以金钟为终点站,从而形成南北走廊。 其中南北线的合同编号为 SCL1121,全长约为 1.6 公里,由红磡明挖地下隧道和维多利亚港沉管过海隧 道组成。
香港地铁沙中线(南线)过海沉管隧道 设计及施工
潘树杰，陈长卿，王国良，杨柳，韩冰 （中国建筑工程（香港）有限公司，香港 ）
摘要：香港地铁沙中线(南北线)过海沉管隧道,是香港第四条过海铁路隧道,全长 1663.4 米,连接红磡和 港岛金钟。该隧道为三孔沉管,最大水深 27 米。本论文将介绍沉管设计及施工。设计方面着重于隧道管 节结构竖直平衡、纵横截面分析,以及地震作用分析;施工方面侧重于沉管管节预制、浮运,水下合拢和碎 石基础施工。 关键词：沉管隧道;地震分析;基础沉降;浮运沉降;水底合拢;碎石基础铺设
图 6 纵向计算模型（临时条件）
2.5 地震分析 因为处于中低地震区域，所以目前为止香港没有任何一个已建沉管隧道有抗震设防要求。但是，潜 在的地震灾害不能忽视。根据合约要求，该项目的抗震设计及分析应遵循日本工程师协会地震工程委员 会出版的文章“Earthquake-resistant Design Features of Submerged Tunnels in Japan”。隧道结构分析分为纵 4