立即下载 知乎日报 每日提供高质量新闻资讯

圆形隧道这么常见,为啥港珠澳大桥非要挖成方形的?

图片:张巍 / 知乎

港珠澳大桥的隧道沉管为何不做成圆形截面,而做成方的?

张巍,Ph.D,大连湾海底隧道&深中通道进行中

首先说结论:各类隧道不同的断面形式是由工法特点决定的

沉管法之所以采用类矩形断面形式,是因为钢筋混凝土沉管管节要求顶部必须有平坦的操作空间。

题主你平常见到的“半圆形”隧道,其实应该叫“马蹄形”,上半部分近似半圆,下半部分是一个弧线,是专门用来敷设一部分管线以及铺设路基和路面的。这种隧道相对成本较低,所以最常见。

最常见的山岭公路隧道(单孔两车道)

马蹄形隧道典型的建筑设计布置图(双向两孔,每孔三车道,中间增设人行逃生通道)

钻爆法、矿山法、新奥法等等工法,建造好的隧道一般都是马蹄形断面。因为这一类隧道的挖掘,都是用炸药和机具一点点挖出来的。相信大家小学的自然科学课本上都学到过,倒扣的鸡蛋壳是拱形,能承受更大的重量。而这一类马蹄形隧道外壁的初衬、二衬,就是那层薄薄的蛋壳(上图中外侧灰色的那一圈)。

而题主说的圆形隧道,都是盾构机挖出来的。盾构机这个钢铁巨兽应该已经被很多人所熟悉了。盾构机的形状决定了隧道断面的形状。

国产的圆形盾构机,长三角地区轨道交通工程中常用的是外径6.6m的盾构机

盾构机在掘进的过程中,后部直接把用于受力的衬砌环拼装起来,就是题主说的“抗压性更好”的圆形。

圆形隧道衬砌结构(错缝拼装)

相比起马蹄形结构,圆形的下半部分空余更多,所以可以满足对空间要求更高的排布要求。

典型的双向盾构隧道建筑设计图(注意,在路面下方设置了人行逃生通道)

但盾构隧道并非都是圆形,随着技术的进步,工程师觉得圆形的隧道空间太浪费了,从而发明了“矩形盾构”和“类矩形盾构”,这样挖出来的断面利用率就大大提高了。

上海虹桥商务区与中博会人行地下通道东段工程下穿嘉闵高架段的功臣:一台10.1m*5.3m超大截面矩形盾构机

至于题主问到的沉管隧道,一般都是矩形的。或者类似于刚刚通车的港珠澳或者我们新做的深中通道和大连湾海底隧道,在外肩部设一个斜折板。这种“两孔一管廊”的断面形式,一般会把主要的水电通道、排烟通道、设备区和逃生通道集中安排在中间的管廊,也算是对空间的充分利用。

沉管隧道典型断面(外角部增设斜折板)

为什么沉管隧道必须要顶面平整而不能选用圆的或者马蹄形呢?这是由沉管的建造施工方法决定的。

首先,一般钢筋混凝土沉管隧道管节是在干坞的地面上支模现场浇筑的,既然要用到模板体系现浇钢筋混凝土结构,那么从事土木的同学肯定都知道,异型(如圆形)模板体系成本肯定要比平面直角的模板体系要高得多,对于沉管管节这种动辄六七万吨重的钢砼构件,更是没有条件做成其他样子了。

其次,港珠澳的宣传片相信不少人都看过,那么对管节沉放的过程应该有个印象:

港珠澳沉管管节拖运过程中

上图中,漂浮在水面上的那个灰白色大家伙就是 180 米长的沉管隧道管节,横跨在沉管管节上的两个密布了各种花花绿绿设备的叫沉放舶。而沉管管节顶部和沉放舶上都会安装设置许多辅助沉放定位的装置。比如测量塔、人孔(用于工人在特殊时刻进入管节内部)、导向杆、导向架、锚点、绞缆盘、羊角轮、系缆柱等等,统称舾装件。有机会的话我会再专门给大家讲讲沉管隧道设计和施工中有哪些有意思的点和需要特别注意的事项。

在干坞里面、还没准备好出海的管节+沉放舶,管节顶面(只比水面高一点点的平面)上的舾装件还未全部安装就位

沉放过程中的管节和沉放舶。管节顶部部分舾装件未显示

所以我们得出了结论,为什么港珠澳隧道采用了近似于矩形的断面形式而没有采用圆形或者马蹄形:

一是因为现浇的钢筋混凝土结构做圆形并不经济,尤其是这种长度近两百米、宽度超过三十米、高度十米、板厚一米五、自重近十万吨的大家伙。

二是因为沉管管节顶部需要与沉放舶一起配合安装大量的舾装件(钢结构),都在一个平面内会更容易定位施工和保障沉放的精度。

三是有几位同学提到的空间利用率的问题,但利用率不是决定性因素。

至于进一步的问题,在实际工程中应采取何种工法,比如在什么情况下应该选择钻爆法、什么情况下应该选择盾构法、或者什么情况下选择沉管法,这需要设计者依成本和风险性等多方面因素来权衡考虑,那就是另外一个问题了。

扫描二维码下载知乎日报

支持 iOS 和 Android
二维码下载知乎日报
阅读更多 你看,6 岁前学 / 不学外语,差距还蛮大的 下载 「知乎日报」 客户端查看更多