获奖等级：特等奖
项目名称：钢壳混凝土沉管隧道结构受力机理、关键构造及设计方法
深中沉管隧道效果图
深中通道位于珠江中游核心区域，沉管隧道段长5035米，具有大回淤、高水压、地质条件复杂、超长超宽等特点，管节结构选型与纵向结构体系成为隧道建设的关键技术问题。国家发展和改革委员会以（发改基础〔2015〕3007号）文批复同意建设深中通道，要求切实做好水下变截面大跨度隧道关键技术研究。
在水下变截面大跨度隧道关键技术研究过程中，项目组发现钢壳混凝土沉管隧道方案与传统钢筋混凝土方案相比具有显著优势。沉管隧道出坞运输中要求航道底标高至少低于浮态管底1米。传统钢筋混凝土沉管隧道自重大、截面高，航道疏浚费用高，且影响海域生态。相比之下，承载力高、防水性好、场地要求低、施工速度快的钢壳混凝土结构更加合适，同时能够节省1500万立方米的挖泥量，经济效益超9亿元。
亟待研究攻关的几大难题
目前，钢壳混凝土沉管隧道依然存在技术壁垒。考虑钢壳受力的沉管隧道只在日本那霸隧道、新若户隧道等个别工程上得到过应用，大量技术细节还处于未公开状态，亟待我国工程人员针对超大深埋沉管隧道结构开展研究攻关。
在弯剪受力方面，传统设计方法在大跨深埋的新环境下面临新挑战。连续钢腹板与传统的分散连接件在抗剪受力方面有本质区别，多传力机制使得该类型钢壳混凝土结构具有更强的抗剪承载能力。传统设计方法也没有充分考虑混凝土侧向约束下的多轴效应，使得抗弯承载力设计方法过于保守。对此，亟需揭示钢壳混凝土结构弯剪受力机理，形成适用于超大深埋沉管隧道的设计方法。
在连接件设计方面，剪力连接件设计方法尚不明确。剪力连接件是实现钢壳混凝土沉管隧道结构组合作用的关键部件，但国外沉管隧道采用的连接件型式多样，无统一设计方法。此外，为避免复杂连接件形成的残余应力影响结构性能，有必要对尚不明确的双向加劲面板残余应力模式开展研究。
而混凝土脱空缺陷是普遍存在于钢壳混凝土组合结构中的问题，需要通过合理构造解决。受流动性的影响，混凝土在角钢、栓钉与翼缘连接处等空间形态复杂的区域难以浇筑密实。对隔仓规格布置、抗剪连接件流通孔、浇筑孔及排气孔的优化设置是减少混凝土脱空病害的重要构造方法。为保障钢壳混凝土沉管隧道使用效果，亟需形成一套合理构造形式与脱空控制标准。
在耐久设计方面，要实现深中通道的百年防腐目标仍存在一些挑战。海水作为含多种盐类的腐蚀介质，会对长期使用的结构钢带来巨大的腐蚀破坏风险。目前Q390C工程结构钢在复杂海底的电化学腐蚀机理尚不明确，“不完整涂层+牺牲阳极”复合防腐系统对腐蚀发展规律研究较少。对此，有必要研究揭示钢壳外壁在服役工况下的腐蚀发展规律及影响因素，设计一套长期防腐监测系统验证效果。
四大创新点
为适应项目超宽、变宽、深埋、大回淤建设条件及技术特点，深中通道创新性提出了世界首例双向八车道钢壳-混凝土新型结构沉管隧道。为攻克复杂海洋环境下钢壳混凝土沉管隧道在结构设计、构造设计与耐久防腐设计方面的技术难题，填补国内技术领域空白，实现我国超大深埋沉管隧道设计建造与运维技术的国际引领，深中通道管理中心协同施工单位、设计单位、院校和相关高科技产业公司共同组建攻关团队，依托深圳至中山跨江通道项目，针对水下变截面大跨度沉管隧道结构，系统开展了钢壳混凝土沉管隧道结构受力体系、结构关键构造、长期防腐耐久等重大关键技术方面的研究工作，并在深中通道项目中投入实际应用，形成的主要创新点主要有4个方面。
创新点一：在结构弯剪受力机理及设计方法方面，明确了浇筑缺陷、界面性能、局部稳定等因素对抗弯能力的影响，提出了考虑多轴效应的抗弯承载力计算方法；明确了剪跨比、含钢率、隔板布置、界面连接、销栓作用等因素对抗剪能力的影响，揭示了考虑销栓作用与剪切滑移等不同剪力传递机制的钢壳混凝土组合结构抗剪机理，给出了考虑多机制协同作用的抗剪承载力计算方法；形成了钢壳混凝土沉管隧道结构受力分析的新理论与新方法，指导了深中通道沉管隧道工程的施工图设计与工程建设。
创新点二：在连接件设计方法及合理构造方面，提出了基于弹性地基梁模型的角钢连接件抗剪刚度、抗剪承载力计算方法，以及考虑混凝土脱空的角钢连接件抗剪刚度计算方法；首次提出钢壳混凝土沉管隧道T钢连接件抗剪承载力计算方法，建立了双向加劲板的残余应力分布新模型。
创新点三：在结构关键构造与设计方法方面，依据钢壳混凝土沉管结构统一设计理论，提出钢壳顶底板、纵横隔板、抗剪连接件在内的主体结构合理构造，以及节点设计方法；提出了适用于钢壳混凝土沉管隧道抗剪连接件的合理构造型式；揭示了流通孔、浇筑孔与排气孔的构造和布置形式对混凝土流动及浇筑质量的影响规律，确定了混凝土与钢壳脱空的控制标准；开展钢壳混凝土沉管舾装件构造研究，提出典型舾装件合理构造和主体结构补强构造型式；融合设计方法与合理构造研究成果，编制钢壳混凝土沉管隧道结构设计指南。
创新点四：研制了高电阻率介质中具有长期稳定电化学性能的铝合金牺牲阳极材料，发明了海底环境混合介质中牺牲阳极评价方法；全球首次大规模采用铝合金牺牲阳极保护钢壳混凝土沉管隧道钢壳外壁，首次提出沉管钢壳100年寿命的牺牲阳极保护设计方法；创建了海底隧道牺牲阳极保护仿真计算模型，建立了具有自感知功能的钢壳混凝土沉管100年耐久性防护监测系统，提出了“钢壳带压原位更换”和“复合线缆一体化安装”两套腐蚀监测传感器的安装方法。首次利用全尺度隧道管节验证了仿真模型，并实现了沉管E32管节腐蚀监测系统的安装应用。
实际应用成效显著
该项研究成果的应用情况主要体现在4个方面。
首先，钢壳混凝土沉管隧道的抗弯抗剪统一设计方法有力支撑了深中通道建设，填补了国内空白，引领我国钢壳混凝土沉管技术发展，为后续类似结构设计提供技术支撑，市场前景广阔，具有巨大经济价值。深中通道沉管隧道钢壳混凝土沉管隧道方案有效控制了沉管隧道管节重量，与传统钢筋混凝土方案相比单根管节质量减少1.2万吨，降低约 15%，同时避免多层配筋影响混凝土浇筑的工程缺陷，节省管节预制场地与航道疏浚成本，降低后期维修成本及运营风险。
其次，抗弯承载力计算方法在深中通道沉管隧道应用后，管节变形最大位置约占控制值的36%，钢壳结构应力变化趋势平缓，两者均在安全范围内，验证了该计算方法的适用性。
再次，抗剪连接件合理构造与钢壳结构关键构造在深中通道沉管隧道工程中应用后，各管节疑似脱空面积占比可控制在0.1%。以脱空高度5毫米作为控制标准，则超限脱空占比仅有0.00015%。检测结果证实项目提出的脱空控制标准适用于现有混凝土浇筑技术，不影响结构受力性能，同时也能够判别出存在明显施工缺陷，对关键位置进行结构补强。
最后，钢壳沉管隧道外壁阴极保护技术、监测及状态评估等技术已在深中通道、海洋平台等重大海洋工程中进行示范应用，初步结果表明工程效果良好，推动我国海洋环境重大基础设施腐蚀防护保障技术体系的全面建立，特别是提升海洋钢结构物腐蚀防护设计准确度，以及深埋钢壳混凝土沉管隧道的耐久性保障及监测能力，具有巨大的社会价值。
经济社会效益双丰收
与预应力混凝土方案、钢筋混凝土方案相比，钢壳混凝土沉管隧道结构具有承载能力高、防水性能好、预制场地要求低、施工速度快等显著优点。通过该项目研究，八车道海底沉管隧道的断面高度由纯钢筋混凝土管节的12.4米降低到10.6米，减小基槽开挖深度和浮运航道的道管力深度，节省挖泥量1500万立方米，直接经济效益超过9亿元。
采用钢壳混凝土沉管方案后，从钢壳智能制造、钢壳混凝土智能浇筑、管节一体式智慧安装等多方面实现了水下隧道建设跨越式发展,充分践行了“标准化、工业化、装配化、智能化、精细化”建设理念，驱动了交通基础设施高质量发展,为打造“安全舒适、优质耐久、经济环保、和谐美观” 的品质工程奠定了基础。
项目各部分成果均已成功应用于深圳至中山跨江通道重大海底沉管隧道工程，并为其他跨江、跨海沉管隧道工程提供技术储备，社会经济效益显著，推广应用前景广阔，攻克了沉管隧道建设领域核心关键技术、“卡脖子”技术问题，形成技术首创，显著提升了我国沉管隧道设计建造技术的核心竞争力，对推进 “粤港澳大湾区”等国家重大战略实施，培育隧道交通顶尖技术人才队伍，具有十分重要的意义。
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