港珠澳大橋島隧工程設計施工關鍵技術

尹海卿

(中交聯合體港珠澳大橋島隧工程項目總經理部，廣東 珠海 519080)

港珠澳大橋島隧工程設計施工關鍵技術

尹海卿

(中交聯合體港珠澳大橋島隧工程項目總經理部，廣東 珠海 519080)

港珠澳大橋島隧工程是連接香港、珠海及澳門的大型跨海通道。主要介紹了：1)人工島的設計方案、鋼圓筒制作運輸及振沉技術；2)沉管隧道設計施工關鍵技術，如沉管隧道基礎、深埋大回淤節段式沉管、沉管管節預制、沉管浮運及安裝、曲線段管節等；3)各施工階段的主要專用設備，如8錘聯動大型圓筒同步振沉系統、定深平挖抓斗船(精挖)、耙頭定壓專用清淤船和全斷面預制液壓模板系統等。解決了工程中遇到的眾多問題，克服了重重困難，取得了一定進展。

港珠澳大橋；人工島；沉管隧道；鋼圓筒；振沉技術；基槽粗挖、精挖；基槽清淤；基礎拋石夯平；碎石基床鋪設；節段式沉管；沉管管節預制；大型液壓模板系統；沉管浮運及安裝

0 引言

港珠澳大橋東接香港特別行政區，西接廣東省(珠海市)和澳門特別行政區，是國家高速公路網規劃中珠江三角洲地區環線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關鍵性工程，將形成連接珠江東西兩岸新的公路運輸通道。文獻[1]闡述了港珠澳大橋的工程概況、建設條件及要求，介紹了工程的總體設計方案，分析了港珠澳大橋的技術挑戰及相應的策略。文獻[2]主要介紹了沉管隧道工程的施工難點及所應用的新技術，如沉管隧道管節工廠化生產、基槽開挖方法及設備、 碎石刮鋪處理基礎的方法及設備、體外定位系統及管節浮運與沉放等。在上述文獻的基礎上，本文著重對人工島和沉管隧道(沉管基礎、深埋大回淤節段式沉管、沉管管節預制、沉管浮運及安裝等)的設計施工關鍵技術進行了總結，并針對各施工階段的專用設備進行了介紹。

1 工程概況

1.1 港珠澳大橋項目

港珠澳大橋東連香港、西接珠海和澳門，是集橋、島、隧為一體的跨海通道，全長35.6 km。大橋共分為珠海和澳門接線、珠澳口岸人工島、大橋主體工程、香港連接線及香港口岸人工島6部分，其中島隧工程是控制性工程。港珠澳大橋總平面圖如圖1所示。

圖1 港珠澳大橋總平面圖Fig.1 General plan of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge (HZMB) Project

1.2 港珠澳大橋島隧工程

島隧工程總長7 440.5 m，包括5 664 m沉管隧道、2個面積10萬m2的離岸人工島及長約700 m的橋梁。港珠澳大橋沉管隧道是我國首條于外海建設的沉管隧道，是目前世界唯一的深埋大回淤節段式沉管工程，建成后將是世界上最長的公路沉管工程。

2 總體施工工藝

1)總體沉放方案。實施新人工島暗埋段，安裝首節沉管，實現西島與隧道的施工轉換，依次沉放E1至E29，E33至E30沉管管節，接頭位于E29與E30管節之間。

2)沉管預制、存放。沉管采用工廠化預制，預制廠位于桂山島，距離現場約13 km。工廠分為生產區、淺塢區和深塢區，可存放6節管節。沉管預制廠設置2條生產線，每2個月生產2節沉管。沉管節段以22.5 m為單元，在流水線上標準化預制，依次綁扎底板、側墻、中隔墻及頂板鋼筋，安裝全自動液壓模板，采用冰水混合骨料冷卻系統控制混凝土入模溫度低于25 ℃，泵送工藝進行混凝土澆筑。管節進行封閉恒濕養護，信息化手段全程監控，由計算機控制液壓自平衡支撐系統、導向系統和頂推系統。

3)基槽開挖、基床整平。采用耙吸船進行隧道基槽粗挖，采用大型定深平挖抓斗挖泥船和挖深精度控制系統進行精挖，開挖精度控制在0.5 m以內。研發專用清淤船進行基槽清淤。采用擠密砂樁船打設擠密砂樁并進行堆載預壓。采用拋石夯平船進行塊石基床拋填及夯平，控制平整度<30 cm。集成開發平臺式碎石整平船進行碎石基床整平，控制基床平整度<40 mm。

4)沉管浮運、安裝。管節從預制區移動到淺塢區，安裝壓載水系統，裝配式安裝封門等一次舾裝。關閉鋼塢門及深淺塢門，塢內灌水，管節起浮移至深塢區。塢內排水，打開深塢門，安裝沉放泊，測量塔完成二次舾裝。選擇沉管施工作業窗口，劃定專門的施工水域及沉管浮運航路，整管出塢，大馬力拖輪拖運至沉放現場。沉管定位，灌水下沉，深水無人沉放定位系統調位，千斤頂拉合，水力壓接，GINA止水帶充分壓縮，精調系統進行隧道軸線調整，完成沉管對接，鎖定回填，管頂回填及防護。

3 人工島設計施工關鍵技術

3.1 人工島設計方案

采用深插式鋼圓筒形成整島圍護止水結構，實現了快速成島、形成陸域，見圖2(a)；島內降水、大超載比堆載預壓，見圖2(b)；島內、島外同時施工，見圖2(c)。

(a)快速成島

(b)超載預壓

(c)島內、島外同時施工

3.2 人工島施工——鋼圓筒制作、運輸及振沉

鋼圓筒制作、運輸及振沉如圖3所示。

圖3鋼圓筒制作運輸及振沉
Fig.3 Fabrication,transportation and sinking of steel cylinder

采用8臺600 kW液壓振動錘同步聯動振沉系統進行振沉作業。 2011年5月15日西島首個鋼圓筒開始振沉，215 d完成了東西人工島120個鋼圓筒振沉施工，垂直度達到1/200。

4 沉管隧道設計施工關鍵技術

該沉管隧道是我國首條于外海建設的沉管隧道，是目前世界唯一的深埋大回淤節段式沉管工程。管段總長5 664 m，分33節，標準節長180 m，寬37.95 m，高11.4 m，單個管節重約7.8萬t，最大沉放水深44 m。

沉管隧道的關鍵主要是隧道基礎設計與施工、深埋段隧道縱向設計、沉管工廠化預制和沉管安裝。

4.1 沉管隧道基礎設計與施工

本工程沉管隧道座落在深厚軟基層上，為了保證整個基礎的剛度協調均勻，基礎設計進行了多方案比選優化，且對施工精度提出了嚴格要求。沉管隧道基礎如圖4所示。

PHC樁(Prestressed High-intensity Concrete)為預應力高強混凝土樁；SCP(Sand Compaction Pile)為擠密砂樁。

圖4沉管隧道基礎
Fig.4 Foundation of immersed tunnel

4.1.1 沉管隧道基礎設計

沉管隧道基礎設計采用SCP+堆載預壓+碎石墊層、高置換率SCP+拋石夯平+碎石墊層和天然地基+拋石夯平+碎石墊層。

4.1.2 精細化勘察

為獲得準確精細的地質資料，按英標組織島隧區地質勘察，國際地質工程師全程監督和全程參與設計。通過精細化勘察，獲得詳細準確的地質地層參數，并建立了數據庫及三維地質模型。

4.1.3 精細化基礎施工

沉管基礎施工質量是決定沉管隧道成敗的關鍵。主要關鍵工序包括：基槽粗挖、精挖，基槽清淤，基礎拋石夯平和碎石基床鋪設。

1)基槽精挖。由于開挖水深大(50 m)，開挖精度要求高(-60～+40 cm)，因此，開發了大型定深平挖抓斗挖泥船和挖深精度控制系統，已實際施工驗證滿足要求。

2)基槽清淤。沉管隧道橫臥珠江口，存在回淤可能，容易造成基礎沉降和沉管安裝期浮力突然增大而意外上浮，因此，研制了專用清淤船(見圖5)，此船不僅能夠進行系統定位和測量，能實時顯示基槽槽底縱坡，還能采用耙頭定壓，可滿足在不同類型基礎面上(塊石、碎石、黏土等)進行清淤施工。

(a)

(b)

3)基礎拋石夯平。由于拋石夯平作業水深大(46 m)、夯平精度高(小于30 cm)，夯平要順應基礎坡度，水下拋石、夯平工作量大，因此，開發了專用溜管式拋夯一體船(見圖6)，可實現溜管定點定量拋石、定點夯平。采用液壓振動錘(見圖7)水下夯平后，大幅度提高了夯平效率及質量。

4)碎石基礎鋪設。由于水深大(40 m)、整平精度要求高(允許偏差±40 mm)，且整平質量關系到沉管標高、接頭受力，整平工作量大(單節面積近1.5萬m2)，所以研制出了國內第1艘自升式拋石整平船(見圖8)，采用液壓抬升、皮帶輸送和拋石定位測控管理3大系統，基床鋪設采用自動化控制。

圖6 溜管式拋夯一體船

圖7 液壓振動錘

圖8 自升式拋石整平船

4.2 深埋大回淤半剛性節段式沉管設計

深埋大回淤條件下的節段式沉管(見圖9)，在世界范圍內無案例，為此開展了縱向設計接頭傳力機制研究、試驗和半剛性管節設計方法研究等。

管節結構采用混凝土自防水，設計使用壽命120年。

(a)

(b)

4.3 沉管管節預制

沉管隧道共33節管節，標準管節長180 m，由8個節段組成，單個節段長22.5 m，單節混凝土方量約3 400 m3，采用全斷面一次性連續澆筑，綜合考慮預制質量控制及工期要求，采用工廠法預制。

4.3.1 沉管預制廠

沉管預制廠位于桂山島，距離隧道軸線約13 km。2條流水線同時生產，每70 d生產2個管節。預制廠包括管節生產區、淺塢區和深塢區。

4.3.2 預制廠生產線配置

預制廠的生產線集成了當今世界多項先進技術和裝備，如流水化鋼筋生產加工線、一次全斷面澆筑液壓模板、混凝土攪拌及供應系統、混凝土溫控及養護系統和管節頂推系統。

4.3.2.1 流水化鋼筋施工生產線

由于鋼筋加工、綁扎量大，共設置2條生產線，每條生產線設置3個鋼筋加工、綁扎區，形成流水作業。綁扎完成后采用整體頂推進入澆筑臺座，如圖10所示。

(a)

(b)

(c)

4.3.2.2 大型液壓模板系統

模板系統由底模、側模、內模及針形梁組成，由液壓系統控制，端模采用分塊拼裝，如圖11所示。

4.3.2.3 混凝土攪拌及供應系統

采用4臺3 m3攪拌系統，攪拌能力要求大于150 m3/h；采用12臺泵車及6臺布料系統。

4.3.2.4 混凝土溫控及養護系統

設置制冰系統，采用冰水混合物進行混凝土拌制。從原材料到混凝土拌制、運輸、澆筑、養護全過程采取溫控措施，控制沉管混凝土入模溫度≤25 ℃(高溫季節28 ℃)，采用養護棚噴淋養護，全過程進行溫度監控。

圖11 大型液壓模板系統

4.3.2.5 管節頂推系統

每個管節質量約7.8萬t，管段下方設置4條頂推滑移軌道，沉管下部布置192臺主動支撐千斤頂，采用“三點”支撐。單個管節設128臺頂推千斤頂，多點分散同步頂推，在管節前后設置2套導向裝置。管節頂推系統如圖12所示。

圖12 管節頂推系統

4.3.3 管節起浮橫移

管節預制、一次舾裝完成后，關閉深、淺塢門，進行塢內灌水、管節起浮試漏。通過塢內絞纜系統，橫移管節至深塢區。

4.3.4 管節舾裝

沉管在淺塢內進行流水化一次舾裝和在深塢內進行二次舾裝。

4.4 沉管浮運及安裝

沉管浮運及安裝步驟如圖13所示。

港珠澳大橋為國內首條外海沉管隧道，工程經驗少，且位于珠江口航道運輸最繁忙水域，外海施工；水流、波浪條件復雜；深水安裝和潛水作業難度大；沉管對接安裝精度要求高；要求36個月完成33節管安裝，工期緊。

4.4.1 研發精細化作業窗口管理系統

作業窗口是指適合沉管安裝的時間段，窗口預報是沉管安裝決策最重要的依據。預報存在小區域、長時段、精度高、要素多等困難，因此建立了精細化作業窗口預報管理系統。在一年的觀測、對比基礎上，繼續開展模型的檢驗、修正工作，不斷提高預報精度。

4.4.2 沉管浮運存在的技術難點及解決措施

4.4.2.1 技術難點

1)管節尺度大，數量多；

2)水流、浪波條件復雜，拖航阻力大；

3)浮運線路位于目前我國航運最繁忙的珠江口水域，多段航道交叉；

4)需多拖輪協作，操控難度大。

4.4.2.2 措施

1)橫流、橫浪情況下狹窄基槽內長距離橫拖，開展了浮運阻力物理模型試驗、數值模擬計算；

2)進行了管節浮運拖帶操控船模擬試驗；

3)在施工海域開展了3次浮運演練；

4)采用10艘(總馬力數超過5萬馬力，約3.767 kW)大馬力全回轉拖輪協同作業；

5)開發了專用導航系統，輔助指揮各拖輪的操作；

6)實施海上臨時交通管制和護航。

圖13沉管浮運及安裝步驟
Fig.13 Procedure of towing and installation of tube element

4.4.3 外海沉管系泊

沉管系泊具有管節斷面巨大，受波浪、水流力大；流態多變，對錨泊系統威脅大；沉放駁與沉管組成多浮體柔性受力體系，動力響應規律復雜等特點。為此，從系泊系統受力(纜力、吊點力)，管節系泊、沉放過程中的動力響應，錨抓力試驗，雙體船沉放駁錨泊系統，設置系泊錨纜及沉放錨纜系統方面進行了物理模型、數值模擬試驗。

4.4.4 沉管沉放——深水無人沉放系統

采用扛吊法進行沉管安裝，通過信息技術和遙控技術，在安裝船控制室實現管節姿態調整、軸線控制和精確對接。無人沉放系統包括錨泊定位系統、壓載控制系統、數控拉合系統、深水測控系統和管內精調系統。

1)壓載系統。在控制室內遙控，實現管節壓載,水箱注水、排水，調節管節在水中的負浮力和姿態。

2)深水測控系統。采用GPS+聲納原理，可實現沉管水下絕對定位和相對定位，無水下線纜，安裝便捷。

3)數控拉合系統。沉管對接后，采用拉合系統使GINA止水帶初步壓縮。拉合系統采用反勾結構，通過遙控實現千斤頂拉合。

4)管內精調系統。 沉管水力壓接完成后，如出現軸線偏差超出設計要求，則需進行線形調整。管節與基床摩阻力大，GINA止水帶反力大，需設置多臺頂推和限位千斤頂。

5 專用設備

5.1 人工島專用設備

主要是8錘聯動大型鋼圓筒同步振沉系統，如圖14所示。

(a)

(b)

5.2 基礎施工專用設備

主要是定深平挖抓斗船(精挖)、耙頭定壓專用清淤船、溜管式拋夯一體船和平臺式整平船，如圖15所示。

圖15基礎施工專用設備
Fig.15 Tunnel foundation construction equipment

5.3 沉管預制專用設備

主要是全斷面預制液壓模板系統、攪拌系統、管節同步頂推系統和管節支撐系統，如圖16所示。

5.4 沉管浮運安裝專用設備

主要是壓載系統、拉合系統、GPS+聲納監控系統、精調系統、沉管安裝船和大馬力全回轉起錨船，如圖17所示。

6 體會

島隧工程是我國首個在外海建設的深埋沉管隧道，規模龐大，技術難度高。開工2年來受到社會各界及行業內的高度關注，通過不懈努力，解決了工程中遇到的眾多問題，克服了重重困難，取得了一定進展，目前，已完成了7個管節的安裝，總長度突破千米。沉管隧道設計施工技術得到了全面驗證。

后續工作仍面臨巨大的挑戰和風險，如曲線段管節的預制、安裝，最終接頭的優化設計等。

(a)全斷面液壓模板系統

(b)攪拌系統

(c)管節同步頂推系統

(d)管節支撐系統

圖17沉管浮運安裝專用設備
Fig.17 Tube element towing and installation equipment

[1]劉曉東.港珠澳大橋總體設計與技術挑戰[C]//第十五屆中國海洋(岸)工程學術討論會論文集.太原：中國海洋工程學會，2011.

[2]王吉云.港珠澳大橋島隧工程沉管隧道施工新技術介紹[J].地下工程與隧道,2011(1): 22-26.

KeyTechnologiesAppliedinDesignandConstructionofArtificialIslandsandImmersedTunnelofHongKong-Zhuhai-MacauBridge(HZMB)Project

YIN Haiqing

(ProjectManagementDept.forIsland&TunnelProjectofHongKong-Zhuhai-MacaoBridgeJointVentureofChinaCommunicationsConstructionCo.,Ltd.,Zhuhai519080,Guangdong,China)

Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge is a large scale sea-crossing project connecting Hong Kong,Zhuhai and Macao.In the paper,the following contents are presented: 1) The design of the artificial island and the fabrication,transportation and sinking of steel cylinders; 2) Key technologies applied in the design and construction of the immersed tunnel,including technologies related to the foundation of the immersed tunnel,tube element consisting of several segments under large overburden and serious silting conditions,prefabrication of tube elements,towing and installation of tube elements,and tube elements on curved alignment; 3) Major construction equipment used,including steel cylinder sinking equipment,dredging barges,silt cleaning barges and hydraulic full cross-section formwork equipment.Due to the key technologies described,the problems encountered have been solved and great progress has been achieved.

Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge (HZMB); artificial island; immersed tunnel; steel cylinder; vibration sinking technology; trench dredging; trench silt cleaning; foundation riprapping and tamping; crushed stone bedding layer; tube element consisting of several segments; tube element prefabrication; large scale formwork equipment; tube towing and installation

2013-12-20

尹海卿(1962—)，男，江蘇吳江人，1983年畢業于大連工學院海洋石油建筑工程專業，本科，高級工程師，主要從事水運工程、橋梁隧道工程施工技術研究及管理工作。現任中交聯合體港珠澳大橋島隧工程項目總部副總經理、常務副總工程師，是中國水運協會專家庫成員，上海港口工程專家庫成員。曾獲國家科技進步二等獎一項，上海市“科技進步”一等獎一項、二等獎一項。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.010

U 455

B

1672-741X(2014)01-0060-07