港珠澳大桥的隧道沉管为何不做成圆形截面,而做成方的?

没错,我们看见的常见的隧道有很多是圆形或半圆形,但并不排除另外一些隧道是矩形结构。而决定隧道的结构形状的最直接一个因素就是施工方法。

传统矿山法施工方法修建的三心圆隧道
盾构施工方法的圆形结构隧道
明挖施工方法、沈管方法修筑的矩形结构隧道

其实上面三张图的图片描述就已经回答了你的问题:即港珠澳大桥沈管隧道之所以选择矩形结构是因为沈埋施工方法的性质决定的。具体为什么,根据下面这张示意图可以说明。

沈埋施工方法示意图

沈埋法简单来说就是首先在海底海床挖一个基槽(如上图梯形槽),然后把预制好的矩形隧道结构放入基槽,然后在基槽内回填土体。那么问题来了,基槽底部当然只能开挖成水平,所以这就决定了,放入基槽的隧道结构底部也必须是水平的,这样才能放稳。所以沈埋法隧道均是矩形结构。

关于题主问题描述的 5 点,也分别说下

1.很多隧道都不是用盾构工法挖的,但实际上也是圆形?

我想你说的是传统的山岭隧道(就是高铁的那种隧道)。传统的山岭隧道大多数是如下的三心圆形状。

矿山法三心圆隧道结构

确实,如果只看路面以上部分确实是像半圆形、圆形。但事实上路面以下的隧道结构是扁平的。这种隧道不是盾构工法修筑的,而是传统矿山法修筑的(也称作钻爆法),却给人一种圆形隧道的感觉。所谓矿山法即沿着隧道轮廓向山体内部一点一点开挖,之所以采用这种开挖轮廓,是由于围岩(即开挖后受影响的那部分地层土石)的成拱效应确定的,即在地下开挖一个洞室后,洞室顶部会自然坍落成一个拱形。(岩土力学相关理论能够解释成拱效应的形成)

2.圆形抗压性更好,用材也更省?

圆形结构抗压性能确实更好,有时候对于圆形结构来说,围压反而是有利荷载,但是抗压性能好不好并不是确定结构形状的唯一或主要因素,施工方法才是。关于用材更省见 5。

3.圆形密封性更好?

并非。题主之所以这么认为可能是觉得圆形结构是一个整体没有缝隙。然而事实恰好相反,盾构隧道结构的圆环是由一片一片管片组成的,缝隙比较多,止水全靠其他防水材料。二矩形结构和三心圆结构每一环都是先搭设模板然后整体一次性浇筑的,反而是缝隙更少,止水主要靠结构自防水。

4.圆形结构更容易自动化制造?

这一点确实,盾构隧道都是由盾构机机械化拼装而成的。而矩形隧道、三心圆隧道还要搭设模板再浇筑,但还是那句话:自动不自动不是主要的,适合工法的才是最好的。

5.圆形隧道空间利用好?

空间利用好不好,主要看隧道除了行车空间外,还有没有其他要求。你看看我上面发的圆形隧道断面,如果这个隧道只需要一个行车空间,不需要排烟等消防疏散通道(一般来说是因为隧道太短所以不需要),那圆形的空间利用率是最低的。只有在隧道需要设置排烟、疏散、机电、管廊等空间时,圆形结构的空间利用率才会比较高,而这一点矩形隧道一样能够满足。所以回到第 2 点的圆形结构用料更省的问题,就可以理解:空间利用率都不高,用料怎么可能省呢。。。

 

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