一种基于三明治结构沉管隧道的隔舱优化设计方法及系统与流程

1.本发明属于隧道技术领域，尤其涉及一种基于三明治结构沉管隧道的隔舱 优化设计方法及系统。


背景技术：

2.沉管隧道结构在世界范围内的大型水下隧道建设工程中被广泛采用，其主 要有两种结构形式，即钢筋混凝土沉管隧道和以薄钢壳为外衬、内嵌钢筋混凝 土的组合沉管隧道。两种结构形式均以钢筋混凝土结构作为沉管结构的核心构 件，预制浇筑工序复杂，对预制场地有较高的要求。上世纪90年代，为解决工 程地址附近无预制场地可用的限制，日本将双层钢壳混凝土沉管结构进一步发 展，提出将钢结构全部制成封闭隔舱，并在浮运过程中进行自密实混凝土浇筑， 该工法被称为三明治结构钢-混凝土组合沉管。三明治结构沉管以钢材包裹混凝 土，同时结合钢材和混凝土两种材料的优秀特性，在施工和运行阶段充分利用 了钢材的性能，具有优越的抗弯、抗剪和防水性能，混凝土作为镇载物，主要 承受压力，具有施工便利、抗震性能好等优点，且能适用于高水压、大跨度的 施工条件，并在很大程度上节约了成本，是未来跨海隧道的重要发展方向。
3.三明治结构沉管通过舱室预留浇筑孔和排气孔进行自密实混凝土浇筑，浇 筑过程无法振捣，加之隔舱内部预埋的复杂抗剪构件对自密实混凝土流动的限 制，钢板和混凝土之间的结合面极容易出现浇筑不密实的空洞缺陷，已有的试 验研究发现，空洞缺陷的存在会降低沉管结构的承载力，甚至导致结构的局部 屈曲影响结构的整体安全。为提高沉管自密实混凝土的浇筑质量，一方面需要 确定合理的混凝土配合比，提高自密实混凝土的流动性，另一方面需要制定合 理的隔舱尺寸，优化浇筑孔、排气孔以及抗剪加劲构件的分布位置及数量，确 保混凝土流动路径的畅通。目前，世界上已完工运行的所有沉管隧道中仅有两 条隧道完全采用了三明治结构工法，且均位于日本境内，即那霸隧道和新若户 隧道。现有的工程经验较少，深中通道与目前同类工程相比为世界上规模最大 的三明治结构钢壳混凝土沉管隧道：(1)在管节宽度上，深中通道最宽管节 55.46m，是新若户隧道的1.99倍，那霸隧道的1.5倍。(2)在沉管隧道长度上， 深中通道长度5035m，是新若户隧道的8.9倍，那霸隧道的5.9倍。
4.深中通道建设面临钢壳结构复杂、构造复杂，以及自密实混凝土流态复杂 等多个工程难题，保证自密实混凝土高性能、高浇筑质量是工程亟待解决的技 术难题，其中，无损检测是确保钢壳混凝土高质量建设和长期运行安全的重要 保障。通过大量的模型试验研究，耦合冲击映像法和中子法的钢壳混凝土脱空 缺陷检测技术已达到毫米级精度，且通过现场盲检试验验证，耦合检测方法在 缺陷脱空面积中的识别准确率已到达90％以上，该方法已在深中通道工程中得 到了较好的应用。目前，冲击映像法已经完成深中通道项目6个管节的脱空缺 陷检测工作，包括2个非标管节，4个标准管节。共检测9004个隔舱，包括测 线472438条，测点14173140个。
5.三明治结构沉管隧道兼顾了钢结构和混凝土结构的优点，是未来解决高水 压、大
跨度海底隧道工程的首选方案，该结构沉管隧道在自密实混凝土预制浇 筑过程中无法振捣，钢板和混凝土之间的结合面极容易出现浇筑不密实的空洞 缺陷，降低沉管结构的承载力，甚至导致结构的局部屈曲，影响结构的整体安 全。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于三明治结构沉管隧道 的隔舱优化设计方法及系统，解决了三明治结构沉管隧道在自密实混凝土预制 浇筑过程中易出现脱空缺陷的问题。
7.为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
8.本方案提供一种基于三明治结构沉管隧道的隔舱优化设计方法，包括以下 步骤：
9.s1、获取三明治结构沉管隧道脱空缺陷的检测数据；
10.s2、对三明治结构沉管隧道采用不同的隔舱进行分类；
11.s3、根据所述分类结果以及检测数据，对不同隔舱的脱空缺陷概率进行统 计；
12.s4、根据所述统计结果，对三明治结构沉管隧道脱空缺陷规律及影响因素 进行分析得到最优隔舱设计策略，完成对隔舱的优化设计。
13.本发明的有益效果是：本发明通过对三明治沉管隧道脱空缺陷的检测以及 隔舱的分类，并通过对不同隔舱的脱空缺陷概率的统计，综合考虑由于季节因 素引起的浇筑温度不同对脱空缺陷的影响、不同的泵送距离对脱空缺陷的影响 以及隔舱尺寸和隔舱内部结构设置对脱空缺陷的分布规律的影响，分析引起隔 舱内部脱空缺陷分布不同的因素，得到最优隔舱设计策略，解决了三明治结构 沉管隧道在自密实混凝土预制浇筑过程中易出现脱空缺陷的问题。
14.进一步地，所述步骤s2包括以下步骤：
15.s201、根据横纵隔板的排布间隔不同，将三明治结构沉管隧道的钢壳结构 分隔为若干个不同结构尺寸的隔舱，其中，所述隔舱包括三明治结构沉管隧道 的底板隔舱和顶板隔舱；
16.s202、在所述隔舱的中心位置或一侧处预留浇筑孔，在所述隔舱四周布置 若干个排气孔以及在所述隔舱的顶板位置布置若干个t型加劲肋，使所述隔舱 内部结构不同；
17.s203、根据隔舱结构尺寸的不同以及内部结构的不同，完成对三明治结构 沉管隧道的隔舱的分类。
18.上述进一步方案的有益效果是：本发明通过对三明治结构沉管隧道所采用 的隔舱类型进行细致精确的分类，分类标准包括隔舱结构尺寸、隔舱内部结构 设置(包括t型加劲肋结构、浇筑孔位置和排气孔位置)，以及隔舱的位置(底 板隔舱和顶板隔舱)，有利于根据不同类型隔舱之间出现脱空缺陷的统计情况， 精确分析隔舱尺寸、隔舱内部结构设置等因素对隔舱浇筑过程中脱空缺陷出现 的影响规律。
19.再进一步地，所述步骤s3包括以下步骤：
20.s301、根据所述分类结果，对所述隔舱的顶板进行网格划分，其中，所述 网格的横向间隔依据t型加劲肋结构布置，并取网格纵向间隔为固定值1.0m
21.s302、判断网格中是否存在脱空缺陷，若是，则进入步骤s303，否则，重 复步骤s302；
22.s303、统计脱空缺陷的面积，并将脱空缺陷的面积作为易出现脱空缺陷的 面积；
23.s304、根据易出现脱空缺陷的面积，统计每类隔舱中网格出现脱空缺陷的 总面积；
24.s305、根据所述脱空缺陷的总面积，计算得到每类隔舱中出现脱空缺陷的 概率；
25.s306、根据所述每类隔舱中出现脱空缺陷的概率，对不同隔舱的脱空缺陷 概率进行统计。
26.上述进一步方案的有益效果是：明确脱空缺陷的分布规律，可以为后续检 测工作提供指导，可在易发生缺陷的区域加强测线的布置密度，同时在不易发 生脱空缺陷的区域减少测线的布置，通过合理安排测线的布置，使得在保证检 测质量的前提下，提高检测的效率。
27.再进一步地，所述步骤s305中脱空缺陷的概率的表达式如下：
[0028][0029]
其中，p(j)表示每类隔舱中出现脱空缺陷的概率，ai表示出现脱空缺陷的网 格面积，mi表示网格出现脱空的次数，k表示此类隔舱顶板的网格数目，a表示 此类隔舱的顶板面积，n表示此类隔舱的总数量，i表示此类隔舱顶板的网格个 数。
[0030]
再进一步地，所述步骤s4包括以下步骤：
[0031]
s401、根据所述统计结果，对不同隔舱中出现脱空缺陷的情况进行整体分 析，通过对比不同类型隔舱结构出现脱空缺陷概率的大小得到三明治结构沉管 隧道浇筑过程中易出现脱空缺陷的隔舱类型；
[0032]
s402、通过分析隔舱在历次管节浇筑中的脱空缺陷情况，分析由于季节因 素引起的浇筑温度不同对脱空缺陷的影响；
[0033]
s403、通过对比相同结构尺寸的隔舱结构在三明治结构沉管隧道的底板浇 筑与顶板浇筑时出现脱空缺陷的分布情况，分析不同的泵送距离对隔舱过程中 出现脱空缺陷的影响；
[0034]
s404、通过对比具有相同t型加劲肋结构和排气孔设置的不同结构尺寸的 隔舱在浇筑过程中出现脱空缺陷的概率，分析隔舱尺寸的不同对隔舱内部出现 脱空缺陷的影响，并通过比较不同结构尺寸隔舱出现脱空缺陷概率的大小，分 析最优隔舱尺寸的设计范围；
[0035]
s405、通过对隔舱内部出现脱空缺陷的位置进行统计分析，分析隔舱内部 浇筑孔、t型加劲肋结构以及排气孔位置的排布对脱空缺陷的影响；
[0036]
s406、根据步骤s401、步骤s402、步骤s403、步骤s404以及步骤s405 的脱空规律的分析结果，综合考虑由于季节因素引起的浇筑温度不同对脱空缺 陷的影响、不同的泵送距离对脱空缺陷的影响以及隔舱尺寸和隔舱内部结构设 置对脱空缺陷的分布规律的影响，分析引起隔舱内部脱空缺陷分布不同的因素， 得到最优隔舱设计策略，完成对隔舱的优化设计。
[0037]
上述进一步方案的有益效果是：明确在管节浇筑过程中各施工流程及施工 措施的改变对出现脱空缺陷的影响，可为后续优化沉管隧道的预制浇筑流程提 供指导，在本发明中主要分析了不同季节浇筑引起的温度影响以及沉管隧道底 板浇筑和顶板浇筑时不同
泵送距离带来的影响，研究结果表明在低温季节施工， 沉管隧道的浇筑质量更高，出现脱空缺陷的概率更低，而在高温季节浇筑时泵 管的高温暴晒会导致自密实混凝土的扩展度快速损失，管节浇筑质量下降的重 要因素，因此根据调整不同季节下环境因素调整的施工工艺，保证高温季节施 工自密实混凝土的工作性，是提高预制浇筑质量的重要手段。同时，本技术中 重点分析了隔舱结构尺寸、隔舱内部结构设计(包括浇筑孔设置，排气孔的数 量及设置)对脱空缺陷的影响规律，明确影响隔舱自密实浇筑质量的因素以及 易发生脱空缺陷的隔舱及相应位置，由此为沉管隧道的脱空缺陷检测提供测线 布置，同时为优化隔舱结构设计提供指导。
[0038]
基于上述方法，本发明提供了一种基于三明治结构沉管隧道的隔舱优化设 计系统，包括：
[0039]
脱空缺陷数据检测模块，用于获取三明治结构沉管隧道脱空缺陷的检测数 据；
[0040]
隔舱分类模块，用于对三明治结构沉管隧道采用不同的隔舱进行分类；
[0041]
脱空缺陷概率统计模块，用于根据所述分类结果以及检测数据，对不同隔 舱的脱空缺陷概率进行统计；
[0042]
隔舱优化模块，用于根据所述统计结果，对三明治结构沉管隧道脱空缺陷 规律及影响因素进行分析得到最优隔舱设计策略，完成对隔舱的优化设计。
[0043]
本发明的有益效果是：本发明通过对三明治沉管隧道脱空缺陷的检测以及 隔舱的分类，并通过对不同隔舱的脱空缺陷概率的统计，综合考虑由于季节因 素引起的浇筑温度不同对脱空缺陷的影响、不同的泵送距离对脱空缺陷的影响 以及隔舱尺寸和隔舱内部结构设置对脱空缺陷的分布规律的影响，分析引起隔 舱内部脱空缺陷分布不同的因素，得到最优隔舱设计策略，解决了三明治结构 沉管隧道在自密实混凝土预制浇筑过程中易出现脱空缺陷的问题。
附图说明
[0044]
图1为本发明的方法流程图。
[0045]
图2为本实施例中标准隔舱结构示意图。
[0046]
图3为本实施例中沉管标准管节结构构造布置示意图。
[0047]
图4为本实施例中底板隔舱脱空缺陷占比图。
[0048]
图5为本实施例中顶板隔舱脱空缺陷占比图。
[0049]
图6为本实施例中泵送距离对隔舱脱空缺陷的影响示意图。
[0050]
图7为本实施例中不同隔舱尺寸对脱空缺陷的影响示意图。
[0051]
图8为本实施例中隔舱网络划分示意图。
[0052]
图9为本实施例中隔舱不同网格区域脱空概率值的示意图。
[0053]
图10为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
[0054]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的 普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精 神和范围内，这些变化是显
而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保 护之列。
[0055]
实施例1
[0056]
三明治结构沉管隧道兼顾了钢结构和混凝土结构的优点，是未来解决高水 压、大跨度海底隧道工程的首选方案。该结构沉管隧道在自密实混凝土预制浇 筑过程中无法振捣，钢板和混凝土之间的结合面极容易出现浇筑不密实的空洞 缺陷，降低沉管结构的承载力，甚至导致结构的局部屈曲，影响结构的整体安 全。本发明基于冲击映像法和中子法对5根三明治结构沉管的脱空缺陷检测结 果，综合考虑季节温度、泵送距离、隔舱尺寸、浇筑孔设置、自密实混凝土流 动性等因素分析影响沉管隧道浇筑质量的因素，如图1所示，本发明提供了一 种基于三明治结构沉管隧道的隔舱优化设计方法，其实现方法如下：
[0057]
s1、获取三明治结构沉管隧道脱空缺陷的检测数据；
[0058]
s2、对三明治结构沉管隧道采用不同的隔舱进行分类，其实现方法如下：
[0059]
s201、根据横纵隔板的排布间隔不同，将三明治结构沉管隧道的钢壳结构 分隔为若干个不同结构尺寸的隔舱，其中，所述隔舱包括三明治结构沉管隧道 的底板隔舱和顶板隔舱；
[0060]
s202、在所述隔舱的中心位置或一侧处预留浇筑孔，在所述隔舱四周布置 若干个排气孔以及在所述隔舱的顶板位置布置若干个t型加劲肋，使所述隔舱 内部结构不同；
[0061]
s203、根据隔舱结构尺寸的不同以及内部结构的不同，完成对三明治结构 沉管隧道的隔舱的分类。
[0062]
本实施例中，在隔舱结构中，隔舱内部结构也存在不同，包括隔舱在中心 位置处或偏置一侧位置处预留浇筑孔，在隔舱四周布置排气孔的数量以及在隔 舱顶板位置处布置t型加劲肋的数量均不在不同的设计方案。根据隔舱尺寸的 不同以及隔舱内部结构设置的不同，可完成对三明治结构沉管隧道的分类。
[0063]
本实施例中，三明治结构沉管隧道的外部钢壳结构由内外面板、横纵隔板、 横纵加劲肋及焊钉组成，纵横隔板作为抗剪构件连接内外面板，同时在横纵隔 板的分隔下，整个钢壳结构被划分为若干不同尺寸的密闭隔舱，如图2(a)所 示。横向隔板的纵向间距一般取3.0m，而纵向隔板的横向间距则根据结构不同 位置处的抗剪承载力要求进行设置，在沉管隧道的底板上，纵向隔板的横向间 隔一般取为1.8m、3.5m、2.5m、2.4m；而在顶板上，横纵隔板的横向间隔一般 取2.5m、2.8m、3.5m、1.4m、4.5m、2.4m。由于纵向隔板在不同结构位置处采 用不同的间隔宽度，使得钢壳混凝土沉管的隔舱尺寸出现多种不同的种类，其 中，在底板结构上，共有4种隔舱类型，分别为1.8m
×
3.0m
×
1.5m、
…
、 2.4m
×
3.0m
×
1.5m；而在顶板隔舱中，则有6种隔舱类型，分别为 1.4m
×
3.0m
×
1.5m、
…
、4.5m
×
3.0m
×
1.5m、2.4m
×
3.0m
×
1.5m。
[0064]
本实施例中，在沉管管节中，隔舱预留浇筑孔的位置和排气孔的数量及分 布，在不同尺寸的隔舱结构中排布方案也不同，以隔舱尺寸3.5m
×
3.0m
×
1.5m为 例，如图2(b)所示，隔舱中心位置预留一个浇筑孔，隔舱四周共布置10个直 径为90mm的大排气孔，且在外侧t型加劲肋附近布置4个直径为50mm的小 排气孔。根据隔舱结构尺寸和构件布置的不同，本次共统计9种类型隔舱的脱 空缺陷情况，不同隔舱的细节参数见表1，分布情况如图3所示。
[0065]
表1
[0066][0067]
s3、根据所述分类结果以及检测数据，对不同隔舱的脱空缺陷概率进行统 计，其实现方法如下：
[0068]
s301、根据所述分类结果以及检测数据，对顶板隔舱进行网格划分，其中， 所述网格的横向间隔依据t型加劲肋的结构布置，并取网格纵向间隔为固定值 1.0m；
[0069]
s302、判断网格中是否存在脱空缺陷，若是，则进入步骤s303，否则，重 复步骤s302；
[0070]
s303、统计脱空缺陷的面积，并将脱空缺陷的面积作为易出现脱空缺陷的 面积；
[0071]
s304、根据易出现脱空缺陷的面积，统计每类隔舱中网格出现脱空缺陷的 总面积；
[0072]
s305、根据所述脱空缺陷的总面积，计算得到每类隔舱中出现脱空缺陷的 概率：
[0073][0074]
其中，p(j)表示每类隔舱中出现脱空缺陷的概率，ai表示出现脱空缺陷的网 格面积，mi表示网格出现脱空的次数，k表示此类隔舱顶板的网格数目，a表示 此类隔舱的顶板面积，n表示此类隔舱的总数量，i表示此类隔舱顶板的网格个 数；
[0075]
s306、根据所述每类隔舱中出现脱空缺陷的概率，对不同隔舱的脱空缺陷 概率进行统计。
[0076]
本实施例中，为准确统计不同结构类型隔舱中出现脱空缺陷的概率，得到 易出现脱空缺陷的隔舱类型，并分析影响脱空分布的因素，本发明提出基于面 积占比的缺陷统计
方法。首先，对隔舱的顶板进行网格划分，试验研究发现脱 空缺陷易出现在t型加劲肋结构两侧，因此网格横向间隔依据t型加劲肋结构 布置，根据隔舱结构尺寸的不同，t肋间距一般为0.5-0.7m；网格纵向间隔则取 为固定值1.0m。以标准隔舱3.5m
×
3.0m
×
1.5m为例，如图2(b)所示，隔舱被 分为15个0.7m
×
1.0m分格，若分格中存在脱空缺陷，则统计其面积，作为易出 现脱空缺陷的面积，统计每类隔舱中分格出现脱空缺陷的总面积，并引入下式， 计算每类隔舱中出现脱空缺陷的概率：
[0077][0078]
同时，为准确统计描述脱空缺陷在隔舱中的分布规律，对每类隔舱内部易 出现脱空缺陷的位置进行统计分析，本发明根据分格距离浇筑孔的距离不同， 将分格划分为5类，分别对应编号1#，2#，3#，4#，5#，见图4，考虑到结构 的对称性，相同构造的作为一类。
[0079]
s4、根据所述统计结果，对三明治结构沉管隧道脱空缺陷规律及影响因素 进行分析得到最优隔舱设计策略，完成对隔舱的优化设计，其实现方法如下：
[0080]
s401、根据所述统计结果，对不同隔舱中出现脱空缺陷的情况进行整体分 析，通过对比不同类型隔舱结构出现脱空缺陷概率的大小得到三明治结构沉管 隧道浇筑过程中易出现脱空缺陷的隔舱类型；
[0081]
s402、通过分析隔舱在历次管节浇筑中的脱空缺陷情况，分析由于季节因 素引起的浇筑温度不同对脱空缺陷的影响；
[0082]
s403、通过对比相同结构尺寸的隔舱结构在三明治结构沉管隧道的底板浇 筑与顶板浇筑时出现脱空缺陷的分布情况，分析不同的泵送距离对隔舱过程中 出现脱空缺陷的影响；
[0083]
s404、通过对比具有相同t型加劲肋结构和排气孔设置的不同结构尺寸的 隔舱在浇筑过程中出现脱空缺陷的概率，分析隔舱尺寸的不同对隔舱内部出现 脱空缺陷的影响，并通过比较不同结构尺寸隔舱出现脱空缺陷概率的大小，分 析最优隔舱尺寸的设计范围；
[0084]
s405、通过对隔舱内部出现脱空缺陷的位置进行统计分析，分析隔舱内部 浇筑孔、t型加劲肋结构以及排气孔位置的排布对脱空缺陷的影响，为优化设计 内部结构布置提供参考，同时为后续检测工作服务，不同隔舱中易出现脱空缺 陷的位置是后续检测工作中重点检测部位；
[0085]
s406、根据步骤s401、步骤s402、步骤s403、步骤s404以及步骤s405 的脱空规律的分析结果，综合考虑由于季节因素引起的浇筑温度不同对脱空缺 陷的影响、不同的泵送距离对脱空缺陷的影响以及隔舱尺寸和隔舱内部结构设 置对脱空缺陷的分布规律的影响，分析引起隔舱内部脱空缺陷分布不同的因素， 得到最优隔舱设计策略，完成对隔舱的优化设计。
[0086]
本实施例中，依据上述所述的统计方法，对5根管节的检测结果进行统计 分析，其中，e1管节仅统计顶板隔舱的数据。由于三明治结构沉管隧道在底板 结构和顶板结构上的浇筑生产方式略有差别，故将底板隔舱与顶板隔舱分开统 计，沉管底板结构中4类隔舱和顶板结构中6类隔舱出现脱空情况的统计结果 分别如图4和图5所示。
[0087]
本实施例中，由图4可知，在e2-e5管节底板隔舱中，1.8m
×
3.0m
×
1.5m隔 舱(以下
简称1.8m隔舱)出现脱空缺陷的占比最大，分别为1.62％、1.21％、 1.62％、2.12％，在4根管节中的平均占比为1.64％。2.4m隔舱和3.5m隔舱出现 脱空缺陷的占比较小，在4根管节中的平均占比分别为0.76％和0.745％。其中， 1.8m隔舱位于侧墙处，隔舱顶面为斜坡构造，导致自密实混凝土较难填充密实， 故其最容易出现脱空缺陷。从历次管节浇筑的整体情况看，从e3管节到e5管 节的浇筑中，出现脱空缺陷占比逐渐递增的现象，说明隔舱浇筑在e3管节时整 体质量达到较好的水平，但在e4、e5管节中整体浇筑质量有所下降。
[0088]
本实施例中，由图5所示，在顶板结构的隔舱中，e3管节的顶板结构整体 浇筑质量最好，6种类别隔舱中出现脱空缺陷的概率均小于0.8％，与沉管底板 隔舱中e3管节质量较好的统计结果一致。4.5m隔舱和2.4m隔舱在顶板结构浇 筑中表现出较好的质量性能，4.5m隔舱在5根管节中出现脱空缺陷的平均占比 仅为0.32％，其预留2个浇筑孔，且排气孔数量达24个，可能是保证浇筑质量 较好的重要原因。
[0089]
本实施例中，由管节的整体浇筑情况可知，1.8m隔舱和2.5m隔舱位于侧墙 附近，浇筑质量较差，说明底板侧墙附近的浇筑是施工质量的薄弱环节，应提 高底板侧墙附近的施工组织流程，同时改进隔舱顶板倾斜式设计，其不利于浇 筑时气体的排除。另外，由浇筑资料可知，e2和e3管节是在气温较低的季节 施工，而e4和e5管节是在气温较高的夏季施工，日平均气温可达30℃以上， 自密实混凝土对环境温度的敏感性比普通混凝土显著，泵管的高温暴晒会导致 自密实混凝土的扩展度快速损失，可能是导致e4和e5管节浇筑质量下降的重 要因素，调整不同季节下的施工工艺，做好混凝土原材料及浇筑运输过程中的 保温，保证高温季节施工自密实混凝土的工作性，同时降低混凝土入模温度， 避免高温季节施工混凝土过高的水化热温升是提高预制浇筑质量的重要手段。
[0090]
本实施例中，沉管顶板结构和底板结构中使用的(3.5m
×
3.0m
×
1.5m)隔舱 结构布置完全相同，但管节顶板和底板浇筑时，自密实混凝土泵送距离存在差 别，管节顶板浇筑需要垂直泵送14米左右，增加了自密实混凝土的泵损。本发 明通过比较3.5m隔舱在顶板浇筑和底板浇筑中出现脱空缺陷的情况，分析泵送 距离对沉管浇筑质量的影响。如图6所示，在e2-e4管节中顶板隔舱出现脱空 缺陷的占比基本在1.0％左右，而在底板隔舱中，脱空缺陷占比基本稳定0.8％左 右，相比顶板，3.5m隔舱在底板中的浇筑质量更好，说明泵送距离的增加等因 素对管节的浇筑质量产生一定的影响，但顶板和底板相差不大，说明只要保证 合理的混凝土配合比，严格控制浇筑时间和施工流程，其浇筑质量也能得到较 好的保证。
[0091]
本实施例中，隔舱的横向尺寸的不同，导致自密实混凝土需要填充的最远 距离不同，已有的试验研究发现，距离浇筑孔越远，自密实混凝土的流动性能 越差，对浇筑质量影响较大。本发明通过比较具有相同t型加劲肋结构和排气 孔设置的不同尺寸隔舱在浇筑过程中出现脱空缺陷的概率，研究隔舱尺寸对自 密实混凝土的浇筑质量的影响。图8(a)为沉管顶板结构3.5m隔舱和2.5m隔 舱的脱空缺陷情况，由图可知，2.5m隔舱在历次管节浇筑过程中出现脱空缺陷 的比率更小，说明在隔舱纵向尺寸固定为3m时，适当减小隔舱横向尺寸可以提 高隔舱的浇筑质量。但图8(b)却显示出相反的规律，沉管顶板1.4m隔舱和底 板2.4m隔舱具有相同的t型加劲肋结构布置和排气孔设置，且横向尺寸也比 2.4m隔舱小，自密实混凝土在隔舱横向需要填充的距离更近，但却更容易出现 脱空缺陷，对其乘平均折减系数0.8，以降低顶板隔舱混凝土远距离泵送引起的 劣势，其脱空缺陷占比仍差于2.4m隔
舱。由此本发明提出隔舱横纵比(b/l) 参数来评价隔舱尺寸的影响，3.5m隔舱、2.5m隔舱、2.4m隔舱、1.4m隔舱的 横纵比分别为1.17、0.83、0.8，0.46，统计结果发现，当横纵比为0.8左右时， 隔舱的浇筑质量最好。隔舱的浇筑孔一般设置在隔舱的中心，自密实混凝土在 浇筑过程中自中心向四周流动，在可填充范围内如果隔舱横向和纵向尺寸差别 较大，则导致自密实混凝土在横向端和纵向端液面差较大，不利于气体的排除， 同时考虑到t型肋板对横向混凝土的阻隔，降低了混凝土在隔舱横向方向的流 动性能，由此在隔舱尺寸设计时，根据布置t型肋的情况，缩短结构的横向尺 寸，使隔舱的纵横比在0.8-0.85之间可使隔舱的浇筑质量达到较好的结果。
[0092]
本实施例中，本发明通过对隔舱内部出现脱空缺陷的位置进行统计分析， 分析隔舱内部浇筑孔、t型加劲肋结构以及排气孔位置的排布对脱空缺陷的影 响，为优化设计内部结构布置提供参考，同时为后续检测工作服务，各类隔舱 中易出现脱空缺陷的位置是后续检测工作中重点检测部位。根据隔舱分格的编 号，统计隔舱中不同分格区域出现脱空缺陷次数，并计算其在该类分格总数量 中的占比，以表征该类分格易出现脱空缺陷的程度。
[0093]
本实施例中，如图9所示，相同浇筑孔和t型加劲肋结构布置的隔舱，具 有相似的脱空缺陷的分布规律，当浇筑孔布置在隔舱的中心位置时，浇筑孔附 近的2#、3#、4#分格最容易出现脱空缺陷，1#分格是浇筑质量相对较好的区域， 但当浇筑孔偏于右侧布置时，2#分格变为质量较好的区域，且1#分格区域出现 脱空缺陷的风险明显增大，说明浇筑孔位置是影响隔舱内部脱空缺陷分布的重 要因素。对比4种隔舱的缺陷分布情况可知，浇筑孔附近是最容易出现脱空缺 陷的区域，且位于长边方向的分格更容易出现脱空缺陷，如3.5m隔舱的b/l》1， 其最容易出现脱空缺陷的是2#分格，而2.8m、2.5m、2.4m隔舱的b/l《1，其最 容易出现脱空缺陷的是3#分格。5#分格是浇筑质量相对最优的区域，出现脱空 缺陷的概率最小仅为0.45％，由计算可知，在3.5m、2.8m、2.5m、2.4m隔舱中， 5#分格的形心距离浇筑孔形心的距离分别为1.4m、1.4m、1.2m、0.95m，而在 2.4m隔舱中，1#分格是浇筑质量最优的区域，其形心距离浇筑孔形心的距离为 1.379m。由此推测，距离浇筑孔的距离过近或过远会的区域出现脱空缺陷的概 率会更大，在浇筑孔直径330mm,隔舱纵向长度3m,高度1.5m情况下，距离浇筑 孔1.2-1.4m的区域是自密实混凝土流态较好的范围。
[0094]
本发明基于深中通道项目5根三明治结构钢壳混凝土沉管6995个隔舱的脱 空缺陷检测结果，分析自密实混凝土在隔舱浇筑中出现脱空缺陷的规律。通过 对比不同类型隔舱的脱空情况，分析影响隔舱浇筑质量的因素，主要结论如下：
[0095]
(1)从管节的整体浇筑情况看，低温季节的浇筑质量优于高温季节的浇筑 质量，自密实混凝土的工作性能受高温影响显著；由于泵送距离增长，相同尺 寸和结构设置的隔舱在顶板浇筑出现脱空缺陷的概率比在底板浇筑高0.2％左 右。
[0096]
(2)沉管底板1.8隔舱是浇筑质量最差的隔舱类型，应改进隔舱顶板倾斜 式设计，其不利于浇筑过程中气体的排除。统计结果显示，隔舱横向尺寸过大 或过小，都会导致出现脱空缺陷的概率增大，由此推测，由于纵向t型加劲肋 结构的阻隔作用，隔舱在横向的尺寸要略小于纵向尺寸，当隔舱横纵比为 0.8-0.85时，浇筑质量最好。
[0097]
(3)浇筑孔的位置和t型加劲肋结构布置影响隔舱内部脱空缺陷的分布， 同时，浇筑孔附近无排气孔，易出现脱空缺陷，且脱空最严重的分格出现在隔 舱长边方向上的浇筑孔两侧，是沉管隧道脱空缺陷检测的重点部位，在保证结 构受力安全的前提下，减少隔舱t
型加劲肋结构和浇筑孔附近增设排气孔的有 利于降低隔舱出现脱空缺陷的概率。
[0098]
(4)若距离浇筑孔过近，因浇筑搅动掺入的气体不易排出，过远则自密实 混凝土流动性能降低，隔舱内部浇筑质量最优的分格均出现在距离浇筑孔 1.2-1.4m的区域，由此推断，此范围是填充性能最优的区域。
[0099]
实施例2
[0100]
如图10所示，本发明提供了一种基于三明治结构沉管隧道的隔舱优化设计 系统，包括：
[0101]
脱空缺陷数据检测模块，用于获取三明治结构沉管隧道脱空缺陷的检测数 据；
[0102]
隔舱分类模块，用于对三明治结构沉管隧道采用不同的隔舱进行分类；
[0103]
脱空缺陷概率统计模块，用于根据所述分类结果以及检测数据，对不同隔 舱的脱空缺陷概率进行统计；
[0104]
隔舱优化模块，用于根据所述统计结果，对三明治结构沉管隧道脱空缺陷 规律及影响因素进行分析得到最优隔舱设计策略，完成对隔舱的优化设计。
[0105]
如图10所示实施例提供的基于三明治结构沉管隧道的隔舱优化设计系统可 以执行上述方法实施例所示的技术方案，其实现原理与有益效果类似，此处不 再赘述。