中国港湾建设
General review on overall design of steel shell-concrete immersed tunnel
in Shenzhen-Zhongshan Link
JIN Wen-liang 1，SONG Shen-you 1,CHEN Wei-le 1,HUANG Qing-fei 2,CHEN Yue 1,FU Bai-yong 3
（1.Shenzhen-Zhongshan Link Administration Center,Zhongshan,Guangdong 528400,China;2.CCCC Highway Consultants
Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;3.School of Civil Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China ）
Abstract ：Shenzhen-Zhongshan Link is a magnificent cluster project integrating bridge,artificial island,immersed tunnel and under-water crossing interchange.The steel shell-concrete composite structure is adopted for subsea immersed tunnel for the first time in China,which is facing a technological gap in the entire industry chain.Based on the regulatory management on construction conditions of the project,we systematically elaborated the overall design of steel shell -concrete immersed tube tunnels in terms of technical standards,overall layout,tube element structure,self-compa
cting concrete material preparation and working performance,fire prevention system and corrosion protection system.Relevant experience can be used for industry reference.
Key words ：Shenzhen-Zhongshan Link;immersed tunnel;steel shell-concrete composite structure;overall layout
摘要：深中通道是集“桥、岛、隧、水下枢纽互通”
于一体的超大型集工程，海底沉管隧道国内首次采用了钢壳混凝土组合结构，面临国内全产业链技术空白。基于项目控制性建设条件，从技术标准、总体布置、管节结构、自密实混凝土材料制备和工作性能、管节防火和防腐体系等方面，系统阐述钢壳混凝土沉管隧道总体设计，供同行借鉴。关键词：深中通道；沉管隧道；钢壳混凝土组合结构；总体设计中图分类号：U459.5 文献标志码：A
文章编号：2095-7874（2021）03-0035-06
doi ：10.7640/zggwjs202103008
深中通道钢壳混凝土沉管隧道总体设计综述
特雷诺指数
金文良1，宋神友1，陈伟乐1，黄清飞2，陈越1，付佰勇3
（1.深中通道管理中心，广东
中山
528400；2.中交公路规划设计院有限公司，北京
100088；
3.清华大学土木工程系，北京
100084）
第41卷第3期2021年3月
Vol.41
No.3
Mar.2021
收稿日期：2020-12-06
修回日期：2021-01-11
基金项目：广东省重点领域研发计划项目（2019B111105002）
作者简介：金文良（1980—），男，湖南邵东人，硕士，高级工程师，主要从事沉管隧道建设管理工作。E-mail ：***************
0引言
沉管隧道源于美国，兴盛于欧洲与日本，发展于中国。沉管隧道按结构类型可分为钢筋混凝土（含预应力）与钢壳混凝土组合结构两类。两类沉管隧道在国际上均有不少应用案例，美国基本以钢壳混凝土结构为主，欧洲是以钢筋混凝土结构为主，而日本则兼而有之。选择何种形式，主要取决于国家及地区习惯及经验、施工装备、材料供给、工程地质条件、预制厂条件、水深条件、
作用荷载等因素。
钢壳混凝土组合结构是一种在双面钢板间充填混凝土，并通过焊在钢板上的连接件将钢板与混凝土组合成整体而共同受力的结构形式。这种结构中，钢板主要用于承受拉力，并对内部混凝土有一定的约
束作用，同时还能够抗渗、抗裂；连接件主要用于传递钢板与混凝土之间的界面剪力，并有较强的抗拔作用，能够提高钢板的稳定性；内部的混凝土主要用于承受压力，并对钢板
中国港湾建设2021年第3期
表1航道通航尺度表
Table1Navigation scale of channel requirements
隧道名称口门最小
宽度/m
穿越
航道
通航
代表船型
安全航深/
m安全航深
宽度/m
矾石
隧道4960
大铲
水道
1000吨级
港澳线货船-5300机场
支航道
5千吨级
油船-11330矾石
水道
10万吨级
集装箱船-20600
起到约束作用，防止钢板失稳。钢壳混凝土组合结构是钢与混凝土组合结构的一种新型结构形式，具有材料应用率高、承载能力大、抗震性能好、防水性能高等显著优点[1]。
深中通道沉管隧道是在国内首次采用了钢壳混凝土新型组合结构，面临国内全产业链技术空白，其工程规模、建设条件、技术标准、工程复杂程度均居同类型工程之最。本文立足其工程技术特点和难点，阐述钢壳沉管隧道总体设计方案，
供同行借鉴。
1工程概况
深中通道位于粤港澳大湾区核心区域，是集“桥、岛、隧、水下互通”于一体的超大型集工程。该项目采用“东隧西桥”方案，路线起终点桩号为K5+695—K29+669，全长23.974km。项目东接机荷高速（K5+695），由东向西设置东人工岛、机场枢纽互通立交、海底隧道、西人工岛、非通航孔桥、伶仃
洋大桥（主跨1666m海中悬索桥）、万顷沙互通、中山大桥（主跨580m斜拉桥）、非通航孔桥、马鞍岛陆域段桥梁，止于横门互通（K29+669）。其中海底隧道全长6845m（其中沉管段长5035m），钢壳沉管隧道概算总额约103.59亿元[2]。
2主要控制性建设条件
2.1工程沿线水沙环境
工程所处伶仃洋水域潮汐属不规则半日潮，潮流属不规则半日潮流，赤湾站多年平均潮差为1.35m。观测期间赤湾站大潮最大潮差2.96m，平均潮差1.87m，小潮最大潮差1.06m，平均潮差0.9m。隧道基槽沿线潮流均呈往复运动，表层落潮流较强，底层涨潮流较强，大潮各站表层涨落潮平均流速介于0.39~0.78m/s之间，底层涨落潮平均流速介于0.2~0.42m/s之间。试挖槽回淤监测期间，槽水域底部平均含沙量为0.067kg/m3，大潮时为0.1kg/m3，小潮时基本在0.02~0.04kg/m3之间；试挖槽淤积主要以悬沙落淤为主；碎石基床铺设后非台风期平均淤强约为1.0~1.4cm/d，“天鸽”台风期平均淤强约为6.2cm/d。
2.2航道及航运条件
沉管隧道从东至西依次穿越3条航道：大铲水道、机场支航道、矾石水道。按照最低通航水位-1.04m基准设计，不同航道安全航深及对应宽度见表1。2.3航空限高
根据项目航空限高批复，隧址区域永久设施东人工岛航空限高为35m，西人工岛航空限高为
20m。沉管隧道施工时，根据施工设备需求和周边区域控制条件向民航管理部门报备并发布航行通告。
2.4水利防洪
根据本项目防洪影响批复意见，岛隧段防洪要求如下：1）伶仃泄洪通道内阻水比控制在10%以内，横门东航道阻水比控制在5%以内；2）伶仃洋东西侧治导线之间最多设置一处人工岛，岛面长度不得超过625m。
2.5浮运、安装气象窗口
借鉴临近类似工程，浮运沉放天气窗口条件取值见表2。
3沉管隧道总体设计
3.1主要技术标准
项目采用设计速度100km/h的双向8车道高速公路标准建设；主体结构设计使用年限100a；行车孔建
筑限界为宽0.75+0.75+4×3.75+1.00+0.5= 18m，高5.0m（需要说明的是本项目为超宽沉管隧道，采用两孔一管廊横断面，设有中间管廊，用于日常巡检和安装管道、电缆、水管等设施，表2浮运沉放天气窗口参数
Table2Weather window parameters for floating and
sinking
作业阶段和内容
流速/
（m·s-1）
波高
H s/m波浪周期/s风速/级能见度/m
国际海事组织浮运
航道浮运0.80.8≤6≤6≥1000
基槽内纵拖0.60.8≤6≤6≥1000
槽内系泊0.60.8≤6≤6≥1000
沉放
系泊等待 1.30.8≤6≤6≥1000
沉放实施0.60.8≤6≤6≥1000潜水作业0.50.8≤6≤6≥1000
36··
2021年第3期
隧道纵面形式直接关系到隧道最大埋深、最大及最小纵坡、水下作业难度以及基槽开挖量等。根据隧道区航道布置情况，为了尽可能提高隧道设计标高、减少基槽开挖量，并满足隧道内最小排水纵坡0.3%的需要，本项目纵断面采用非对称W 形设计。在保证航道最小安全航深前提下，隧道顶部最小回填厚度2m [3]；两主航道间采用W 形纵断面，尽可能减少在两航道间的开挖疏浚深度，保证行车的舒适性，在机场支航道与浅滩区之间采用0.54%的最小纵坡，满足纵向排水的需求；西岛洞口段以2.98%起坡，以便尽快出洞，最大程度缩短西人工岛长度，有效降低阻水率，并保证相接的非通航孔桥桥面合理标高。3.3管节主体结构
钢壳混凝土沉管隧道采用新型组合结构形式，管节构造是由内、外面板，横、纵隔板，横、纵加劲肋及焊钉组成。横隔板间距为3m ，纵隔板间距为3.5m ，组成封闭的混凝土浇筑隔仓。内、外面板作为主受力构件，承受拉压应力。横、纵隔板为受剪主要构件，且连接内、外面板成为受力整体。纵向加劲肋T 形钢、角钢及焊钉作为抗剪、抗拔复合连接件，以保证面板和混凝土的有
实现了检修道的基本功能。为降低设计与施工难度、造价控制，经调研，设置侧向宽度及余宽，取消了右侧检修道）。
浮运时管节的干舷高度≥15cm ；管节抗浮安全系数：1）管节沉放期间为1.01~1.02；2）管节沉放就位后为≥1.05；3）管节回填覆盖完成后为≥1.15。
设计水位参数和有效波要素[2]见表3。3.2沉管隧道平纵设计
海底隧道起终点桩号为K5+695—K12+540，全长6485m 。其中沉管曲线段长约536.5m （以右幅计），半径5000m ，直线段长4498.5m 。根据管节体量、浮运沉放设备能力、工期要求及施
工组织等，标准管节长165m ，曲线变宽管节长123
m ，最终接头设置在E22/E23之间，管节划分为：26×165m+2.2m （最终接头）+6×123.8m=5035m [2]。平纵面总体布置情况见图1和图2。
表3
设计水位和有效波要素
Table 3
Design water level and effective wave elements
极端高水位/m 3.84 3.61 3.34 3.09 2.85极端低水位/m -1.45
-1.41-1.38-1.33
-1.28有效波高H s /m
3.31 2.84 2.31 1.87 1.44周期/s 8.067.46 6.80 6.04 5.35波长/m
60.254.247.840.734.31000300
100
30（对数插值）
10
项目重现期/a
图2沉管隧道纵断面图
Fig.2Longitudinal layout of immersed tunnel
图1沉管隧道平面布置图Fig.1Plane layout of immersed tunnel
深圳东人工岛广深沿江高速
大铲水道
东风烈
平均水位+0.52m 设计最高进航
水位+3.01m 机场支航道
-12.04岩层粉质黏土层
最终接头
矾石水道
设计最低通航水位+1.01m
碎石垫层+二片石层
粉质黏土层
碎石垫层+二片石层
PHC 桩桩基础岛面高程+4.90
中山
西人工岛
m
淤泥层深层水泥搅拌桩
碎石垫层+二片石层粉质黏
土层
混凝土垫层搅拌桩局部超挖换填
旋喷桩+搅拌桩岛面高程+4.90
E12E11
E13
E14
E10E17
E16
vip客户管理E18E19E15E22
E21E23E24
E20E27E26
E31
E32
E25E28E29
E30E9
E8
E7
E6
E5
E4
E3
E2
E1深层水泥搅拌桩
高压旋喷桩桩基础
西人工岛
K13
K12
K11K10矾石水道
K8K9道
机场
支航道
水大
铲R -5000K7K6
R -5000
东人工岛
混凝土垫层
金文良，等：深中通道钢壳混凝土沉管隧道总体设计综述
37··
中国港湾建设2021年第3期
表5
自密实混凝土配合比
Table 5
Mix preparation of self-compacting concrete
水泥（P.Ⅱ42.5）粉煤灰（Ⅰ级）
矿渣粉（S95）
水砂（中砂）大石（10~20cm ）小石（5~10cm ）
减水剂275
192
83
176
804
482
322
5.5
效连接。纵向加劲肋与横向扁肋共同作用增强面板刚度。主体结构内外侧面板采用Q420C ，最大板厚40mm ；横向隔板采用Q390C ，最大板厚30mm ；其余采用Q345C ，填充混凝土采用C50自流平混凝土[2]。
沉管横断面见图3。
3.4钢壳隔仓浇筑孔和排气孔设置
开展了2个长度18m 足尺模型试验和30余组隔仓模型试验，结合混凝土流动规律确定了工艺孔的合理构造。沉管隧道标准隔仓为3m×3.5m×1.5m 规格，单个隔仓开1个浇筑孔、10个排气孔，浇筑孔规格为D 273×8，排气孔规格为D 89×8，在厚薄板位置开设1个排气孔D 48×7。顶板顶、底板顶纵肋排气孔按间距30cm 开U 形
排气孔（R 30+60）[2]
。隔仓构造布置见图4。
3.5自密实混凝土性能参数及脱空标准
钢壳混凝土沉管隧道填充C50自密实混凝土，要求具备高稳健、低收缩、自流动等优越的工作性能[4-8]。通过1000多组原材料配合比试验分析，优选出自密实混凝土配合参数。自密实混凝土性能指标[6]和配合比如表4和表5所示。混凝土
允许脱空高度<5mm ，分格（10cm×10cm ）整体脱
空高度≥5mm 但<8mm ，分格脱空高度≥5mm 但<8mm 且未连成片，1个隔仓（3m×3.5m ）中脱空总面积超过0.1m 2，以及脱空高度≥8mm ，需要进行钻孔注浆补强处理；脱空检测可采用冲击映像法和中子法检测[7]。
表4自密实混凝土工作性能指标
Table 4Working performance of self-compacting
concrete
项次检查项目规定值或允许偏差
1坍落扩展度/mm 600~7202T500/s
2~5
3V 形漏斗时间/s 5~154L 形仪H 2/H 1≥0.85含气量/%≤46重度/（kg ·m -3）2300~24007温度/℃出机≤30；入仓≤32
8
强度等级
C50
kg
图4钢壳沉管隔仓构造图
Fig.4Structure configuration of steel shell-concrete
chamber
焊钉（ϕ22mm ）
R 80排气管
（ϕ89mm ）
钢壳Ⅲ类T 肋U 形槽
横肋
（ϕ40mm ）
混凝土液面
三脚架
预留间隙（30mm ）
T 形纵肋
图3
沉管隧道横断面图（cm ）
Fig.3
华中师范大学信息门户Cross section of immersed tunnel （cm
）
1830
200150
1.5%
200150
1.5%
1501830
480
80
4600
80
150
设计标高
排烟道安全通道管线通道设计标高
200
38··
2021年第3期
表6
沉管隧道不同地层基础处置方案
Table 6Foundation treatment plans for different layer under immersed tunnel
3.6
沉管基础及垫层
为实现沉管隧道地基总沉降与纵向差异沉降协调和刚度的平顺过渡，考虑施工工艺和技术可
行性，沉管隧道依次采用了PHC 桩基础、高压旋喷桩、深层水泥搅拌桩、天然地基等不同类型地基，具体处置方案[2]见表6。
纵向分段东岛上段、堰筑段机场支航道及
东侧沉管E22—E32浅埋中间段E13—E21矾石水道两侧E6—E12西岛斜坡段E1—E5
西岛暗埋段地层
全强风化、残积土
全强风化、残积土
淤泥质土、粉质黏土、
砂层
全强风化、中风化
淤泥质土
岛内堆载预压淤泥质土
基础及地基方案素混凝土垫层30cm 局部换填/搅拌桩1m 厚碎石垫层1.1m 厚振密块石层1m 厚碎石垫层
1.1m 厚振密块石层5~6m 桩长DCM
局部2~3m 夯平块石
1m 厚碎石垫层1.1m 厚振密块石层
1m 厚碎石垫层
1.1m 厚振密块石层
深层水泥搅拌桩
E1局部高压旋喷
直径0.6m PHC 桩复合地基3.7
钢壳管节防火体系
参照类似工程建设案例，钢壳沉管主体结构耐火等级：一类隧道按RABT 标准升温曲线要求，耐火极限不低于2h 。在耐火极限时间内，混凝土表面≤380℃，钢壳表面温度≤300℃；橡胶止水带温度不得持续1h 以上超过100℃或不得持续2h 以上超过70℃，且其最高温度不得超过150℃，采用挂防火板设计方案[2]。3.8钢壳沉管防腐体系
钢壳混凝土沉管其迎水侧钢壳防腐采用“预留腐蚀厚度+重涂装+
外置牺牲阳极块”三重防腐措施，空气侧钢壳（车孔内底板顶上表面有压舱混凝土，采取50μm 环氧富锌底漆防腐措施）防腐采用“重涂装+定期维护”双重防腐措施[5]。3.8.1涂装方案
1）车孔底板顶上表面：环氧富锌底漆50μm 。
2）底板下表面除两侧各8m 范围：三道玻璃
鳞片漆，2×350+300=1000μm 。
3）其余外露钢结构表面：双道玻璃鳞片漆，2×350μm=700μm 。
4）车道孔表面的侧墙及顶板，在喷涂永久玻璃漆之前应辅底漆，要求采用50μm 环氧富锌底漆。
3.8.2牺牲阳极主要技术要求
1）阳极材料为Al-Zn-In （铝-锌-铟），测试及取样方法符合DNV B 401标准。
2）阳极与铁芯之间接触电阻小于0.001Ω。3）牺牲阳极材料要求在80Ω·cm 电阻率海水中，工作负电位足够大，能够达到-1.15V ，其长期性能需做专业机构认可实验。
钢壳沉管隧道牺牲阳极块的布置方案如图5所示。
图5
淮北赵斌钢壳沉管隧道牺牲阳极块布置图
Fig.5
Arrangement of sacrificial anode for steel shell of immersed tunnel
金文良，等：深中通道钢壳混凝土沉管隧道总体设计综述
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