20Y.Ge,Y.Yuan/Engineering5(2019)15–21sections;andthen?xingthealignedtubewithback?lledcover.Intheconstructionofthe?rstimmersedtunnels,ditchesweremainlydugbymeansofadiggerinstalledonabarge,andtugboatswereusedtotowthesections.Inordertolowerasectionoftubesuspendedbetweenbarges,cablemachineswerehired.Severaldifferentmethodscanbeusedto?xthefoundationofanimmersedtunnel.Onemethodinvolvespouringjettingsandorsand?owafteraligningthesectionsofthetube;anothermethodistospreadagravelbasewithcrushedstonesbeforesinkingtheelements.Pilefoundationmayalsobeusedinsoftground.4.2.TBMtunnelsAlthoughonlythreeoftheBITtunnelswereconstructedusingTBMs,eachTBMtunnelbroketheexistingrecordsforcompositegroundorsoftground(Table4).TheGreatBeltFixedLink[18]isusedforrailtransportation.Thedualtunnelsofthe9.6kmTrans-TokyoBayHighway[19]wereshieldedusingeightTBMs,eachofwhichconstructedabout2.4km.Whentwoofthefacedshieldingmachinesmetinthecenterofthetubeportion,aconnectingactionwasperformedusingground-freezingtechnol-ogyat60mbelowsealevel.Toaccommodateseismicactionandensuredurability,asecondaryliningwithathicknessof300mmwasdesigned,inadditiontothesegmentallining.Ventilationisanotherkeyissueforlongunderseatunnels[20].IntheTrans-TokyoBayHighwayproject,aprefabricatedRCcaissonwastowedtothesiteandthensunkasastartingshaftforfourTBMs.TheShanghaiYangtzeRiverTunnelandBridge[21]heldtherecordsatthattimeforthelargestdiameterTBMmachine(15.43m)usedforaroadtunnelinoperation,andforthelongestshieldingdistancewithoutachangecutter(7.0km)insoftground.Morerecently,startingin2013,alargerearthpressurebalance(EPB)TBM(/17.45m)wasusedintheSeattleSR99TunnelprojectinWashington,USA.TheTuenMun–ChekLapKokLink,whichpro-videsanalternativeroutetothearti?cialislandofHongKongInternationalAirportviasubseatunnel,hasalengthof4.2km;itsconstruction,whichbeganin2015,useda/17.6mmix-shieldTBM.Large-diameterTBMtunnelscontinuetobeindemand,asillustratedinFig.6.Table4
TBMtunnelsofBITprojects.
GreatBeltFixedLinkConditionsFunctionLength(km)Depthtobottom(m)(belowwaterlevel)StrataEarthquakezoneLiningsSegmentsDimensions(mm)Innerlining(mm)TBMTypeDiametera(m)NumberRail8.02+8.0275Glacierresiduals,mudlimestoneNo5+1400?1650WithoutEPB/8.74Trans-TokyoBayHighwayRoad9.6+9.660SoftdepositsYes11+1650?1500300(RC)Slurry/14.148ShanghaiYangtzeRiverTunnelandBridgeRoad7.47+7.4750Softclay,mediumsandYes9+1650?200WithoutMixed-slurry/15.432DesignConstructionEPB:earthpressurebalance.aHere,diameterreferstotheborediameteroftheTBMtunnel.Fig.6.Cross-sectionofaTBMtunnelformixedvehicles.(a)Onedeck,threelanes;(b)doubledeck,threelanes.Unit:mm.Source:CCCCHighwayConsultantsCo.,Ltd.Y.Ge,Y.Yuan/Engineering5(2019)15–21215.ConclusionsThisarticlereviewsthestate-of-the-artconstructiontechnologyforbridges,arti?cialislands,andtunnelsthatwasusedtobuildeightSCFLprojectswithBITcombinations.Thekeyconstructiontechnologiesofsea-crossingbridgescanbecategorizedintonavigationalchannelbridges,non-navigationalapproachbridges,anddeepfoundations.Themostoutstandingtechnologicalcontributionstonavigationalchannelbridgescomefromlong-spansuspensionbridgesandcable-stayedbridgeswithsingleordoublemainspans.Themostsigni?cantaspectsofnon-navigationalapproachbridgesarethemethodofwhole-spangirder-hoistingconstructionusingahuge?oatingcrane,andtheevolutionofstructuralmaterialsfromconcrete,tosteel,and?nallytosteel–concretecompositestructures.Thedeepfoundationsofsea-crossingbridgesareprimarilycreatedaspilefoundationsofdrivenorboredpiles,orcaissonfoundationsmadewithconcreteorsteel.Thetwomainmethodsofarti?cialislandconstructionareasfollows:①First?llinanexistingisletorreef,andthenprotectthebank;or②?rstreclaimthesea,andthen?llitin.Thetwomainunderseatunnel-constructionmethodsincludetheimmersed-tubetunnelmethodandtheTBMmethod.Signi?cantchallengesthatmustbeovercomewithtechnicalinnovationintheconstructionofimmersed-tubetunnelsinclude:diggingatrenchtoholdthetubeelements(orsections);improvingthefoundationinsoftground;prefabricatingtheelements;ship-ping,sinking,andaligningthesections;and?xingalignedtube.TheselectionofmachineinaccordancewithgroundconditionisimportantintheTBMmethod.Ventilationandevacuationsystemsaredetrimentalissueforunderseatunnels.Inregionswithseismicactionthewaystoimproveseismicresistance,suchasbymeansofasecondaryliningTBMtunnelandaseis-micjointforimmersedtunnel,arealsoveryimportanttechnologies.References[1]Listofbridge–tunnels[Internet].Wikipedia;[cited2018Dec24].Availablefrom:https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_bridge–tunnels.[2]NagaiM,YabukiT,SuzukiS.DesignpracticeinJapan.In:ChenW,DuanL,editors.Bridgeengineeringhandbook.BocaRaton:CRCPress;1999.[3]ShaoC.Conceptualdesignoflongspancontinuouscompositeboxgirderbridge.BridgeConstr2008;1:41–3.[4]MiddlebrookRF,MoldovaRV.SanFrancisco-OaklandBayBridge.StructMag2014Feb:26–8.[5]YordySW.TheChesapeakeBayBridgeandtunnelparallelcrossing.In:ProceedingsoftheStructuresCongress;2006May18–21;St.Louis,MO,USA.Reston:ASCE;2006.[6]ZuoM.Designandconstructionofbridgeover?resundStrait.ChinaHarbourEng2001;1:5–9.[7]LuY,ShaoC.EngineeringdesignandkeytechnologyresearchofShanghaiYangtzeRiverBridge.ShanghaiConstrSciTechnol2006;2:5–8.Chinese.[8]HuY,ZhouP.IntroductionofBusan–GeojeFixedLink.WorldBridges2006;4:5–6.Chinese.[9]GimsingNJ.Cablesupportedbridges—conceptanddesign.NewYork:Wiley;1997.[10]MillerFP,VandomeAF,McBrewsterJ.GreatBeltFixedLink.Riga:AlphascriptPublishing;2010.[11]ShioiY,ArakawaT.Man-madeislands,Trans-TokyoBayHighway,Japan.StructEngInt1993;3(3):155–7.[12]HamptonRoadsBridge–Tunnelhistory[Internet].Norfolk:VDOT.c2019[cited2018Dec24].Availablefrom:http://www.hrbtexpansion.org/learn_more/hrbt_history.asp.[13]YuHT,YuanY,XuGP,SuQK,YanX,LiC.Multi-pointshakingtabletestforlongtunnelssubjectedtonon-uniformseismicloadings—partII:applicationtotheHZMimmersedtunnel.SoilDynEarthquakeEng2018;108:187–95.[14]GrantzWC.Steel-shellimmersedtunnels:fortyyearsofexperience.TunnUndergrSpaceTechnol1997;12(1):23–31.[15]RasmussenNS.Concreteimmersedtunnel:fortyyearsofexperience.TunnUndergrSpaceTechnol1997;12(1):33–46.[16]JanssenWPS,LykkeS.The?xedlinkacrossthe?resund:tunnelsectionundertheDrogden.TunnUndergrSpaceTechnol1997;12(1):5–14.[17]JanssenW,HaasPD,YoonYH.Busan-GeojeLink:immersedtunnelopeningnewhorizons.TunnUndergrSpaceTechnol2006;21(3–4):332.[18]Odg?rdA,BridgesDG.DesignandriskanalysesfortheGreatBeltEastTunnel.StructEngInt1995;5(4):216–7.[19]UchidaK.Trans-TokyoBayHighway.StructEngInt1998;8(1):7–9.[20]YamadaN,OtaY.SafetysystemsfortheTrans-TokyoBayHighwayTunnelproject.TunnUndergrSpaceTechnol1999;14(1):3–12.[21]HuangR.TheShanghaiYangtzeRiverTunnel.Theory,design,andconstruction.BocaRaton:CRCPress;2008.Engineering 2 (2016) xxx–xxxContents lists available at ScienceDirect
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Engineering Achievements桥岛隧组合跨海通道的最新建设技术葛耀君, 袁勇State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China1.引言通常有两种结构用于跨越河流、运河、海洋或其他障碍物：上跨障碍物的桥梁结构和下穿障碍物的隧道结构。尽管桥梁和隧道的建造可以追溯到几千年前，但使用岛屿作为跨海通道（SCFL）的桥隧组合跨海通道仅有82年的建造史。第一条桥隧组合SCFL可能是美国的旧金山—奥克兰海湾大桥，海湾大桥长6.4 km，于1936年竣工。最近建造的集桥梁、隧道和岛屿于一体的SCFL是港珠澳（HZM）大桥，港珠澳大桥于2018年 10月24日通车，是世界上最长的桥岛隧组合SCFL，全长29.6 km。在桥隧组合SCFL 82年的建造史中，全球已经建成了10个著名的工程项目[1]。继旧金山—奥克兰海湾大桥之后，同样位于美国的汉普顿道路桥隧是第二个已建的桥隧组合SCFL。该桥隧组合SCFL长9.72 km，于1956年建成，是第一个在桥梁段和隧道段之间建造人工岛的SCFL。随后，1964年在美国建成的切萨皮克湾跨海大桥是港珠澳大桥建成之前最长的桥隧组合SCFL。切萨皮克湾跨海大桥项目包括22.2 km桥梁、3.2 km隧道和4个人工岛。在20世纪90年代，世界各地完成了3个桥岛隧（BIT）组合SCFL项目：美国的Monitor–Merrimac纪念桥隧、日本的东京湾跨海公路及其联络线和丹麦的大贝尔特桥。在21世纪，除了港珠澳大桥之外，迄今为止还建造了3个BIT组合项目：连接丹麦和瑞典的厄勒海峡大桥、中国的上海长江隧桥，以及韩国的巨济大桥。表1提供了这10条BIT组合SCFL的基本信息。由于SCFL组合通常由一个或多个桥梁、隧道、天然岛或人工岛及其连接线组成，因此SCFL体系的施工技术必然包括建造桥梁、隧道和人工岛的关键技术。为了将港珠澳大桥与其他BIT组合SCFL进行对比，对上述8个项目中桥梁、隧道和人工岛的施工技术进行了比较。由于缺乏关于Monitor–Merrimac纪念隧桥的详细资料，所以未对该项目进行对比。2.跨海大桥施工与许多其他桥梁相比，BIT组合跨海大桥具有长度长、跨度大、基础深等显著特点，同时也会遇到一些特殊的条件，如腐蚀性条件和恶劣的施工环境，这可能会影响其设计和施工。考虑到这些因素，表2对用于建造上述跨海大桥的最新技术进行了比较，包括通航孔桥、非通航孔桥和深水基础。2.1. 通航孔桥虽然BIT组合SCFL的主航道位于隧道上方，但是大跨度桥梁可作为一个或多个其他航道修建在通航孔下方。本次对比的8个BIT组合项目涉及4种通航孔桥：梁桥、桁架桥、斜拉桥和悬索桥（表2）。梁桥是最简单但使用最广泛的桥型，采用先简支后连续的结构体系。最长的梁桥是东京湾跨海公路及其16Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx表1?10条桥岛隧（BIT）组合跨海通道（SCFL）Name
12345678910Summary
San Francisco–Oakland Bay Bridge (USA)Hampton Roads Bridge–Tunnel (USA)Chesapeake Bay Bridge–Tunnel (USA)
Monitor–Merrimac Memorial Bridge–Tunnel (USA)Tokyo Bay Aqua-Line (Japan)Great Belt Fixed Link (Denmark)?resund Bridge (Denmark to Sweden)
Shanghai Yangtze River Tunnel and Bridge (China)Busan–Geoje Fixed Link (Korea)
Hong Kong–Zhuhai–Macau Bridge (China)Ten projects
Date of Bridge length completion(km)1936195719641992199719972000200920102018
3.141 + 3.102 = 6.2435.6
19 + 3.2 = 22.25.14.47.84516.6
1.87 + 1.65 = 3.5222.9
Number of islands
One natural islandOne arti?cial island
Tunnel length(km)0.160
Total length(km)6.40325.46.56314.021.42511.89525.56.7229.66.403–29.6
2.06 + 2.06 = 4.129.72
Four arti?cial islands1.6 + 1.6 = 3.2Two arti?cial islands1.463One arti?cial islandOne arti?cial islandOne natural islandTwo natural islandsOne to four islands
9.68.0244.0508.93.20.160–9.6
6.790 + 6.611 = 13.401One natural island
Two arti?cial islands6.7
1936–20183.52–22.9
表2 8条BIT组合SCFL建设中采用的技术对比Name
12345678Summary
San Francisco–Oakland Bay BridgeHampton Roads Bridge–TunnelChesapeake Bay Bridge–TunnelTokyo Bay Aqua-LineGreat Belt Fixed Link?resund Bridge
Shanghai Yangtze River Tunnel and BridgeBusan–Geoje Fixed LinkEight projects
Navigational channel bridge2 × 704 m suspension bridges427 m cantilever truss—
140 m steel truss span
Non-navigational approach bridge48 m concrete girder24 m concrete girder23 m concrete girder
Deep foundationPilesPiles
PC cylindrical pilesPilesRC caissonsRC caissonsPilesSteel caissonsTwo foundation types
2 × 240 m continuous steel box-130 m steel box-box girderbox girders80 m steel box girder1624 m suspension bridge490 m cable-stayed bridge730 m cable-stayed bridge220 m PC box girder
475 m cable-stayed bridge2 × 230 m cable-stayed bridgeFour bridge types
110 m concrete girder193 m steel box girder140 m composite girder120 m composite girder105 m composite girder90 m composite girderThree materials
PC: prestressed concrete; RC: reinforced concrete.
联络线的通航孔桥，这是一座最大跨度为240 m的10跨连续钢箱梁桥。上部结构完工后，发现存在涡激振动（VIV），振幅超过0.5 m。为了抑制这种振动，安装了16个调谐质量阻尼器（TMD），如图1所示。这是TMD在VIV控制中的最早应用之一[2]。上海长江隧桥拥有世界第二大梁桥，这是一座中央跨度为220 m的连续预应力混凝土（PC）箱梁桥[3]。19世纪70年代至20世纪30年代，钢桁架桥是一种常见的桥梁结构形式，建于1936年的旧金山—奥克兰海湾大桥通航孔桥就属于钢桁架桥。该桥的原东段由5个下承式桁架跨、一个桁架引桥和一个427 m长的双悬臂跨图1. 调谐质块阻尼器（TMD）。
Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx17（当时为世界第三长桥梁）组成，所有结构均采用双层桥面[4]。切萨皮克湾跨海大桥采用跨度为140 m的钢桁架梁作为其通航孔桥[5]。2000年，厄勒海峡大桥还使用了最大跨度为140 m的钢桁架与混凝土板组合梁[6]。斜拉桥是1955年后出现的最年轻的桥型，近年来在跨海通航孔桥项目中得到了广泛的应用。厄勒海峡大桥采用了能支承重载公路和铁路的跨度为490 m的双层斜拉桥，该斜拉桥是当时最长的铁路斜拉桥[6]。大约10年后，上海长江隧桥建成了一座730 m的双箱梁斜拉桥，巨济大桥建成了两座斜拉桥，其中包括一座475 m主跨桥和一座有两个230 m主跨的大桥[8]。虽然这8个BIT组合项目仅包括两座悬索桥，但大跨度跨海悬索桥的发展对桥梁施工技术做出了重大贡献。旧金山—奥克兰海湾大桥西段包括两座跨度为 701 m的单主跨悬索桥（当时为世界第二长桥梁）。如 图2（a）所示，这两座单主跨悬索桥通过中间共用锚碇连接，这在当时是一种保持力学平衡同时降低成本的绝好方法[4]。悬索桥的进一步发展促进了多主跨悬索桥的发展。多主跨悬索桥是一种具有两个边跨、多个主跨、两端只有两个锚墩的悬索桥，其他地方均不需要修建锚碇，如图2（b）所示[9]。悬索桥技术的另一个贡献是创造了一项新的跨度世界纪录：大贝尔特桥是钢箱梁悬索桥，桥长1624 m，其进一步的特点是采用角形导流板进行颤振和涡振控制的抗风技术。2.2. 非通航孔桥非通航孔桥因其长度长，出于工程经济和施工方便的考虑，几乎全部采用钢、混凝土、钢-混凝土组合结构的梁式桥。由于跨海大桥的建造条件恶劣，并且有深水基础，所以必须设计为大跨度并逐跨建造。非通航孔桥的跨度通常比通航孔桥的跨度小，因此出于经济原因，混凝土箱梁是首选。前3座组合跨海大桥建于1936—1964年，使用钢筋混凝土（RC）和预应力混凝土梁，其最大跨度从23 m至48 m不等。东京湾跨海公路及其联络线建于1997年，是第一座使用80~240 m跨度的连续钢箱梁组合跨海大桥[2]。大约在同一时间，大贝尔特桥采用了跨度为193 m的钢箱梁和跨度为110 m的PC梁。因此，在逐跨吊装施工时，每种类型的梁重量相同[10]。为了使材料强度和重量之间保持平衡，21世纪建造的3座最新的BIT组合桥梁均采用跨度为90~140 m的钢桁架和混凝土桥面板组合梁。有趣的是，我们可以得出这样的结论：跨海大桥非通航孔桥的发展已经从混凝土过渡到钢，然后又过渡到钢-混凝土组合结构。几乎所有的非通航孔桥均采用逐跨建造技术，这就需要建造大型船只或浮吊船来吊装整孔梁。桥梁建造中使用的最大浮吊船是荷兰于1991年制造的HLV“天鹅”号浮吊船，吊装能力为8700 t，吊装高度为76 m[图3（a）]。第二大的是日本于1995年制造的3000 t浮吊船。中国为了建造跨海大桥，专门制造了两台大型浮吊船，包括在2003年的东海大桥建造中首次使用的起吊能力为2500 t的“小天鹅”号浮吊船[图3（b）]，以及在2005年的杭州湾大桥建造中使用的起吊能力为3000 t的“天一”号浮吊船。这两台浮吊船，连同最近建造的另外两台浮吊船（起吊能力为3200 t的“长大海升”号浮吊船和起吊能力为4000 t的“一航津泰”号浮吊船）一起用于港珠澳大桥的吊装施工。2.3. 深基础 深基础是一种比浅基础更能将桥梁荷载传递至地表以下的土壤中的基础。深基础主要有两种类型：桩基础和沉井基础。（a）两座单主跨悬索桥；（b）一座双主跨悬索桥。单位：m。图2. 单主跨或双主跨悬索桥。
桥岛隧组合跨海通道的最新建设技术 - 图文
