港珠澳大橋沉管隧道新技術(shù)

陳韶章，蘇宗賢，陳 越（.港珠澳大橋管理局，廣東珠海 5905；2.廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 50030）

港珠澳大橋沉管隧道新技術(shù)

陳韶章1，2，蘇宗賢1，陳 越1
（1.港珠澳大橋管理局，廣東珠海 519015；2.廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510030）

摘要：沉管法是20世紀(jì)初發(fā)展起來的一種專門修建水下隧道的工法，適用條件較為苛刻，隨著工程技術(shù)的發(fā)展，其適應(yīng)性越來越強(qiáng)。繼丹麥—瑞典的厄勒松海峽沉管隧道和韓國釜山—巨濟(jì)沉管隧道修建之后，我國正在珠江口伶仃洋30萬t主航道下修建港珠澳大橋沉管隧道，借鑒了國外技術(shù)與國內(nèi)施工經(jīng)驗(yàn)，自主創(chuàng)新，結(jié)合工程項(xiàng)目特點(diǎn)，在地質(zhì)勘察、結(jié)構(gòu)分析、耐久性設(shè)計(jì)、管節(jié)預(yù)制、地基與基礎(chǔ)處理等方面發(fā)展了一些新技術(shù)，并對這些新技術(shù)進(jìn)行了探討和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：港珠澳大橋；沉管隧道；管節(jié)安裝；地質(zhì)勘察

0　引言

隨著陸上交通和內(nèi)河、海洋航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，對越江跨海通道的需求越來越大，而由于水上通行輪船的噸位和密度的增大，要求橋下通航凈空越來越高，跨度越來越大，使得修建橋梁的成本和難度大增。同時(shí)，由于受到城市規(guī)劃的限制，跨江越海橋梁的兩岸接線條件隨城市發(fā)展變得更為困難。因此，近十年來陸續(xù)出現(xiàn)了一批水下隧道，其斷面不斷增大，水深不斷加深，工程技術(shù)水平得到快速提升。

目前修建水下隧道主要有礦山法、盾構(gòu)法、圍堰明挖法和沉管法。其中沉管法是20世紀(jì)初發(fā)展起來的一種專門修建水下隧道的工法，至今已有100 a歷史，適用條件較為苛刻［1］，而隨著工程技術(shù)的發(fā)展，其適應(yīng)性也越來越強(qiáng)。廣州珠江和寧波甬江水下隧道的成功修建標(biāo)志著我國沉管工法技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入了新的發(fā)展階段，繼丹麥—瑞典的厄勒松海峽沉管隧道和韓國釜山—巨濟(jì)沉管隧道之后，我國正在珠江口伶仃洋30萬t主航道上修建一座港珠澳大橋沉管隧道，該隧道是港珠澳大橋建設(shè)的關(guān)鍵性工程，建成后將成為世界最長的雙向6車道公路沉管隧道。為此，國內(nèi)工程師們在實(shí)踐過程中攻堅(jiān)克難，借鑒國外技術(shù)與國內(nèi)施工經(jīng)驗(yàn)，自主創(chuàng)新，結(jié)合工程項(xiàng)目特點(diǎn)，在地質(zhì)勘察、結(jié)構(gòu)受力分析、耐久性設(shè)計(jì)、管節(jié)預(yù)制、地基與基礎(chǔ)處理等方面發(fā)展了一些新技術(shù)。

1　工程概況與建設(shè)條件

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，連接香港、珠海和澳門，是一國兩制三地的海上通道。項(xiàng)目東起香港大嶼山石灣，西至珠海拱北和澳門明珠，總長約35.6 km，包括3項(xiàng)工程內(nèi)容［2］：1）海中橋隧主體工程；2）香港口岸及珠海、澳門口岸；3）香港連接線、珠海連接線和澳門連接線。其中，海中橋隧主體工程?hào)|自粵港分界線，穿越銅鼓、伶仃西主航道以及青州航道、江海直達(dá)船航道、九洲航道，止于珠澳口岸人工島，總長約29.6 km，島隧工程為海中橋隧主體工程的控制性工程，長約6.7 km，海中隧道采用沉管工法，沉管段長約5.7 km，人工島各長625 m，島隧平面及縱斷面圖見圖1。

圖1　港珠澳大橋主體工程島隧工程平面與縱斷面圖Fig.1 The plane and vertical profile of HZMB Island＆Tunnel Project

島隧工程建設(shè)的主要難點(diǎn)：

1）建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高。①國家一級(jí)公路，雙向6車道，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km／h；②設(shè)計(jì)使用壽命為120 a；③地震基本烈度為Ⅶ度。

2）水文氣象條件復(fù)雜。工程處于外海環(huán)境，臺(tái)風(fēng)頻繁，海流、涌浪復(fù)雜，受冬季季風(fēng)影響。

3）海底軟基深厚。工程所處海床面的淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土深厚，下臥基巖面起伏變化大，基巖埋深基本處于50～110 m范圍。

4）受規(guī)劃中的30萬t航道（通航深度－29 m）影響，隧道水深、埋深（回淤量）大。

5）隧道距離超長。沉管段長約5.7 km。

6）通航環(huán)境復(fù)雜。航線復(fù)雜，船舶流量大，最大日流量約4 000艘次。

7）環(huán)保要求高。工程穿越國家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物中華白海豚的保護(hù)區(qū)核心區(qū)。

8）珠江口防洪納潮要求高，阻水率要求控制在10%以內(nèi)。

因此，在如此苛刻的建設(shè)條件下建設(shè)大型海底沉管隧道，已有的內(nèi)河沉管隧道建設(shè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程需求，需要進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和突破。

2　地質(zhì)勘察

以往的沉管隧道一般位于河（海）床表面上，上覆荷載小，對地基承載力要求不高，即怕浮不怕沉。由于規(guī)劃航道的通航要求，隨著深埋回淤問題的出現(xiàn)，港珠澳大橋沉管隧道工程對地質(zhì)勘察的要求并非以往海上橋梁地質(zhì)勘察工作所能滿足，而且傳統(tǒng)鉆探獲取的土樣不可避免地受到擾動(dòng)而難以取得較為準(zhǔn)確的物理力學(xué)參數(shù)。為了降低海床軟土土體取樣受擾動(dòng)對勘察結(jié)果的影響、減少海上作業(yè)與通航運(yùn)營船舶的相互干擾，港珠澳大橋沉管隧道工程采用了以靜力觸探CPTu為主、傳統(tǒng)鉆探為輔的勘察技術(shù)。CPTu是帶孔壓的靜力觸探，主要適用于海、陸相交替的沖積層和沉積層，根據(jù)其儀器自動(dòng)采集的端阻、側(cè)阻和孔壓等數(shù)據(jù)，可快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行地質(zhì)分層［3］，見圖2。與傳統(tǒng)的鉆探勘察不同，CPTu主要是通過獲取間接指標(biāo)，以經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出變形參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出地基沉降量。

我國靜力觸探技術(shù)應(yīng)用歷史短，經(jīng)驗(yàn)少，相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)在20世紀(jì)90年代才開始被相關(guān)規(guī)范認(rèn)可，其適用范圍（主要用于陸上建筑）和深度與國際標(biāo)準(zhǔn)有較大的差別。目前，我國仍主要使用qt（錐頭阻力）、fs（側(cè)摩阻力）和Ps（比貫入阻力）指標(biāo)，而國際上已普遍使

用Bq（孔壓比）和Fr（摩阻比）進(jìn)行詳細(xì)的土體分類［3］。歐美國家形成的經(jīng)驗(yàn)公式也具有明顯的地區(qū)局限性，不一定適合我國廣大地區(qū)，因此，在工程具體應(yīng)用時(shí)還需要在原位或同類土質(zhì)地層使用靜載壓板試驗(yàn)或螺旋壓板試驗(yàn)進(jìn)行對比或修正，并結(jié)合鑒別孔和消散孔進(jìn)行綜合分析，甚至還要結(jié)合地區(qū)特性開展研究工作。

圖2　CPTu數(shù)據(jù)分析和地層判別示意Fig.2 Sketch diagram of CPTu data analysis and formation discrimination

此外，在沉管隧道設(shè)計(jì)過程中還需要考慮地基剛度的不確定性（包括勘察不確定性、基槽超欠挖和基礎(chǔ)不平整等因素）對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響，目前主要是以一定的偏差波動(dòng)（一般按經(jīng)驗(yàn)取20%，見圖3）結(jié)合管節(jié)長度計(jì)算出最不利的偏差波長，再以此作為沉管隧道結(jié)構(gòu)縱向受力最不利工況［4］。因此CPTu的布孔應(yīng)考慮管節(jié)長度和計(jì)算最不利偏差波長，并與鑒別孔、消散孔（孔壓消散試驗(yàn)）的布置相結(jié)合。

圖3　地基剛度變化示意曲線Fig.3 Sketch curve of the variation of foundation stiffness

港珠澳大橋島隧工程在約7個(gè)月的補(bǔ)勘工作中完成了CPTu孔374個(gè)、消散孔22個(gè)、原位測試孔39個(gè)以及技術(shù)孔41個(gè)［5］，在確保對主航道航運(yùn)影響最小的前提下，短時(shí)間內(nèi)完成了大量的地質(zhì)補(bǔ)勘工作，避開了臺(tái)風(fēng)期作業(yè)，通過精細(xì)化勘察，及時(shí)向設(shè)計(jì)和施工提供高質(zhì)量的地層參數(shù)。

3　管節(jié)長度與型式

對于超長距離沉管隧道，其管節(jié)的長度與型式直接影響到隧道結(jié)構(gòu)縱向受力、施工工藝、干塢（預(yù)制廠）規(guī)模、工期和造價(jià)，需綜合各因素進(jìn)行合理選擇。

3.1管節(jié)長度

在20世紀(jì)，世界上修建的沉管隧道長度一般在2 km以內(nèi)，每節(jié)管長一般在100～130 m［1］。目前，大型沉管隧道的長度已增加至3 km以上，隨著隧道長度的增加和建設(shè)工期的要求，管節(jié)長度需要進(jìn)一步增大：2000年建成的丹麥—瑞典的厄勒松海峽沉管隧道，沉管段長約3.5 km，其標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長176 m；2011年建成的韓國釜山—巨濟(jì)沉管隧道，沉管段長約3.3 km，其標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長180 m；港珠澳大橋沉管隧道的沉管段長約5.7 km，在綜合考慮裝備能力和工期的影響下確定標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長180 m；擬建的丹麥—德國的費(fèi)馬恩海灣沉管隧道，沉管段長約17.6 km，業(yè)主招標(biāo)方案的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)采用了長217 m的節(jié)段式鋼筋混凝土矩形管節(jié)。可見，跨海沉管隧道的管節(jié)長度有進(jìn)一步增長的趨勢。

3.2管節(jié)型式

沉管管節(jié)的結(jié)構(gòu)型式主要有鋼殼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)2種型式，也有鋼殼與鋼筋混凝土的復(fù)合結(jié)構(gòu)型式。憑借混凝土結(jié)構(gòu)防水及控裂技術(shù)的進(jìn)步、柔性接頭的出現(xiàn)和橫斷面利用的優(yōu)勢，矩形箱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)成為當(dāng)今沉管隧道的主流結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)港珠澳大橋建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)模要求，單向3車道的行車隧孔單孔跨度達(dá)14.55 m，加上隧道深埋回淤上覆荷載偏大，一般的矩形箱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已不能適應(yīng)，因此采用了折拱式橫斷面予以解決［6］，見圖4。

圖4　港珠澳大橋沉管隧道折拱式橫斷面Fig.4 Folded arch crosssection of HZMB Immersed Tunnel

整體式管節(jié)采用管節(jié)接頭把各管節(jié)通過沉放安裝連接為沉管段，每管節(jié)縱向分為若干施工段，各施工段通過縱向鋼筋連接在一起，各施工段之間為施工縫連接，加上可使用外包防水措施，因此管節(jié)本身具有良好的水密性；管節(jié)接頭通過水力壓接的GINA橡膠止水帶作為第1道密封，OMEGA橡膠止水帶作為第2道密封，加上設(shè)置接頭受力結(jié)構(gòu)件，管節(jié)接頭具有良好的水密性。節(jié)段式管節(jié)本身縱向亦分為若干節(jié)段，節(jié)段之間縱向鋼筋斷開，各節(jié)段通過臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉索連接在一起（在隧道完工后臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉索被剪斷），節(jié)段之間形成變形縫作用的節(jié)段接頭，這種結(jié)構(gòu)形式改善了管節(jié)受力條件，但變形縫（節(jié)段接頭）增多，這便將結(jié)

構(gòu)的受力矛盾轉(zhuǎn)嫁為水密性矛盾。隨著隧道總長度的增加和工期的要求，管節(jié)長度也需要相應(yīng)增加，而整體式管節(jié)的長度基本發(fā)展到了極限，難以滿足工期要求，同時(shí)又由于混凝土溫度應(yīng)力和收縮徐變等因素的影響，長管節(jié)需以節(jié)段式取代整體式。港珠澳大橋海中沉管隧道的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)采用8×22.5 m方案，島隧設(shè)計(jì)施工總承包商為提高長管節(jié)節(jié)段接頭的水密性，提出將浮運(yùn)沉放過程中的縱向臨時(shí)預(yù)應(yīng)力保留為永久預(yù)應(yīng)力。

3.3隧道縱向分析

傳統(tǒng)上，整體式管節(jié)和節(jié)段式管節(jié)也分別被稱為“剛性管節(jié)”和“柔性管節(jié)”。節(jié)段式管節(jié)在沉放完成后剪斷縱向臨時(shí)預(yù)應(yīng)力，在計(jì)算分析中一般不考慮其縱向剛度，以節(jié)段接頭的變形適應(yīng)地基的不均勻沉降，從而減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力。港珠澳大橋島隧設(shè)計(jì)施工總承包提出的保留縱向預(yù)應(yīng)力的目的，是利用節(jié)段接頭接觸面摩擦力提高節(jié)段接頭抗剪能力，通過增加節(jié)段接頭抗彎剛度以減小可能的張開量，在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)又提高了水密性。國外曾有個(gè)別工程保留浮運(yùn)沉放過程中的縱向臨時(shí)預(yù)應(yīng)力不剪斷，其目的主要是為了縮短工期，在結(jié)構(gòu)力學(xué)分析上并無重要突破，也難以證明結(jié)構(gòu)“增強(qiáng)”后對其受力是否有利。

其實(shí)，傳統(tǒng)的節(jié)段式管節(jié)在縱向軸力作用下也會(huì)存在一定剛度，因?yàn)樗航邮构芄?jié)接頭形成水密性能的GINA止水帶保持必要的壓縮量，其反作用于管節(jié)形成了縱向軸力。這個(gè)剛度與縱向軸力大小密切相關(guān)，見圖5，保留縱向預(yù)應(yīng)力，通過向管節(jié)“輸入”一定的軸力，可進(jìn)一步量化調(diào)節(jié)節(jié)段接頭的剛度，這與盾構(gòu)隧道橫向接頭抗彎剛度力學(xué)原理相同［7］。國外在節(jié)段式沉管隧道計(jì)算中一般偏于“保守”的視節(jié)段接頭為可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸，不考慮其抗彎剛度，雖然在分析理論上沒有繼續(xù)往前多走一步，但在實(shí)際工程中保留縱向預(yù)應(yīng)力的可靠性是值得關(guān)注的。

圖5　節(jié)段接頭力學(xué)分析示意圖Fig.5 Sketch figure of mechanical analysis of segment joint

判斷預(yù)應(yīng)力是否需要保留且進(jìn)一步量化，應(yīng)進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的縱向受力分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析結(jié)構(gòu)剛度增加所帶來的管節(jié)與接頭（包括管節(jié)接頭與節(jié)段接頭）的內(nèi)力（彎矩和剪力等）和抗力（截面壓力和摩擦力等）變化情況，以及接頭（包括管節(jié)接頭與節(jié)段接頭）變形和止水帶水密性安全系數(shù)的變化情況。對于節(jié)段接頭，若抗力增加快于內(nèi)力增加，保留或增加預(yù)應(yīng)力是有利的，但還需要考察管節(jié)接頭的內(nèi)力、張開量和GINA止水帶水密性的變化情況，從整體上進(jìn)行協(xié)調(diào)平衡，不能只著眼于對局部是否有利。因此，保留縱向永久預(yù)應(yīng)力的節(jié)段式管節(jié)的最大意義是可以通過預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)管節(jié)的剛度，以量化的剛度和變形指標(biāo)解決地基沉降、管節(jié)受力和水密性之間的矛盾。需要注意的是，這也帶來了永久預(yù)應(yīng)力應(yīng)用于水下隧道所需要面對的密封性和耐久性問題。

可見，大型沉管隧道的管節(jié)型式，從水密性良好但存在受力矛盾的整體管節(jié)，發(fā)展到將受力矛盾轉(zhuǎn)化為水密性矛盾的節(jié)段式管節(jié)，未來可能會(huì)向?qū)で笃胶馐芰εc水密性矛盾的保留合適預(yù)應(yīng)力管節(jié)的方向發(fā)展。

4　混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

以往修建的沉管隧道，大部分處于江河下游，耐久性問題并不突出。從20世紀(jì)90年代開始，沉管隧道工程從江河環(huán)境逐漸向江河入海口、海灣環(huán)境甚至跨海峽環(huán)境發(fā)展，暴露在海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性面臨進(jìn)一步挑戰(zhàn)。對于在海洋環(huán)境中采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沉管隧道（特別是沒有外包防水的節(jié)段式混凝土管節(jié)），混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)和控裂技術(shù)是實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)自防水的關(guān)鍵。

4.1傳統(tǒng)耐久性設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的耐久性設(shè)計(jì)方主要是建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)判斷—符合原則（deemtosatisfy rules）建立經(jīng)驗(yàn)理論體系，綜合經(jīng)驗(yàn)、摸索和直覺確定鋼筋混凝土鋼筋保護(hù)層的厚度，無執(zhí)行操作和設(shè)計(jì)使用年限定義的說明，依據(jù)的材料和工藝陳舊，試驗(yàn)方法存在較多缺點(diǎn)，沒有論述與設(shè)計(jì)使用年限有關(guān)的混凝土早期質(zhì)量要求。

發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)50年代中期起就投入大量人力、經(jīng)費(fèi)致力于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究。歐盟資助的Duracrete研究項(xiàng)目（1996—1999），在國際上首次提出了混凝土耐久性的可靠度設(shè)計(jì)方法，作為使用年限設(shè)計(jì)方法在厄勒海峽和釜山—巨濟(jì)通道等工程上得到了應(yīng)用。

近20年，我國在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性特別是暴露在海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究方面投入了大量的研究力量，發(fā)表了一批針對海洋環(huán)境鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕作用的研究成果，開發(fā)了實(shí)驗(yàn)室開展海洋環(huán)境研究的人工氣候箱（室），編制和更新了相關(guān)的國家與

行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在多項(xiàng)跨海工程建設(shè)中逐漸積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。然而在具體設(shè)計(jì)中，對于海底隧道混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)尚處于遵從經(jīng)驗(yàn)判定的階段，雖然可以給出對應(yīng)不同設(shè)計(jì)使用年限的混凝土耐久性控制指標(biāo)，但這些指標(biāo)是基于目前規(guī)范規(guī)定和傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，使得耐久性技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)使用年限之間缺乏可靠的理論對應(yīng)關(guān)系，滿足設(shè)計(jì)要求的工程是否就能達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限仍缺乏足夠的理論依據(jù)。

4.2耐久性設(shè)計(jì)發(fā)展

目前在國際上，基于設(shè)計(jì)使用年限的耐久性設(shè)計(jì)方法研究，對混凝土性能可分為2種不同等級(jí)：1）ACI（美國混凝土學(xué)會(huì)）的life365，僅僅對混凝土環(huán)境腐蝕而發(fā)生劣化過程這小部分作隨機(jī)（概率）分析，其余大部分則為判定性分析，原則上定為1級(jí)；2）歐盟的DuraCrete，除了對耐久性設(shè)計(jì)采用概率方法計(jì)算外，還考慮材料性能對耐久性設(shè)計(jì)的影響，原則上定為2級(jí)。

港珠澳大橋沉管隧道耐久性設(shè)計(jì)方法［8－9］，是基于結(jié)構(gòu)使用年限的定量耐久性設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的環(huán)境作用，基于近似環(huán)境的暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以全概率或近似概率方法建立耐久性數(shù)學(xué)模型對鋼筋混凝土的保護(hù)層厚度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、所處環(huán)境條件以及養(yǎng)護(hù)措施等變量進(jìn)行分析，對構(gòu)件的材料指標(biāo)或者結(jié)構(gòu)指標(biāo)提出量化要求。表1為目前各種耐久性設(shè)計(jì)方法特點(diǎn)對比，可見，港珠澳大橋沉管隧道耐久性設(shè)計(jì)方法不但結(jié)合了工程環(huán)境、材料和施工工藝，還從定性判斷提高到了定量控制。

表1　不同耐久性設(shè)計(jì)方法特點(diǎn)對比Table 1 Comparison of different durability design methods

5　管節(jié)工廠化生產(chǎn)

在傳統(tǒng)干塢中預(yù)制管節(jié)，從鋼筋綁扎、模板架立、混凝土澆筑到拆模養(yǎng)護(hù)等工作，都是圍繞著管節(jié)實(shí)體在固定的非常有限的空間內(nèi)進(jìn)行，工序和臺(tái)班易受擾動(dòng)、模板經(jīng)常拆卸移動(dòng)而使得預(yù)制質(zhì)量與工作效率不高。港珠澳大橋沉管隧道由于距離長、工期緊，需要預(yù)制的管節(jié)長、體積大、數(shù)量多，混凝土的控裂質(zhì)量也直接影響著結(jié)構(gòu)耐久性和防水，若使用傳統(tǒng)干塢，則還需要臨時(shí)系泊存放而占用較大的海域面積，造價(jià)高而效率低，因此，管節(jié)預(yù)制應(yīng)尋求更高效率的生產(chǎn)方式和工藝。

厄勒松海峽沉管隧道工程首次成功實(shí)施了管節(jié)工廠化生產(chǎn)［10］（見圖6），其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)流水化生產(chǎn)模式，即在流水線上的不同位置依次完成鋼筋綁扎、模板架立、混凝土澆筑、拆模養(yǎng)護(hù)、淺塢一次舾裝和深塢二次舾裝等工作，通過將生產(chǎn)對象（管節(jié)鋼筋籠或成型混凝土）進(jìn)行頂推平移至下一道工序位置進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。這種生產(chǎn)方法適用于節(jié)段式管節(jié)的預(yù)制生產(chǎn)，模板只需按一節(jié)段長度進(jìn)行制造，逐段生產(chǎn)、頂推，再連接成管節(jié)，其模板在生產(chǎn)線的位置固定，可大大節(jié)約模板數(shù)量且便于維護(hù)，而且，生產(chǎn)線的大部分工作在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行，可全天候作業(yè)，各道生產(chǎn)工序可同時(shí)進(jìn)行，相互干擾少，顯著提高了管節(jié)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。

圖6　厄勒松海峽沉管隧道管節(jié)預(yù)制廠Fig.6 Oresund Strait Immersed Tunnel prefabrication factory

港珠澳大橋沉管隧道工程是世界范圍內(nèi)第2個(gè)成功實(shí)現(xiàn)管節(jié)工廠化的建設(shè)項(xiàng)目［11－12］（見圖7），在消化

吸收厄勒松海峽沉管隧道工廠化生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，不但成功實(shí)現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)的5大關(guān)鍵設(shè)施：管節(jié)混凝土模板系統(tǒng)、混凝土攪拌及供應(yīng)系統(tǒng)、混凝土溫控及養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、管節(jié)頂推與導(dǎo)向系統(tǒng)和管節(jié)支承系統(tǒng)，還作了4項(xiàng)重要技術(shù)創(chuàng)新：1）將頂推系統(tǒng)從管節(jié)截面頂推改進(jìn)為底部支座頂推；2）因地制宜，將深塢與淺塢平行布置，將深塢的管節(jié)存儲(chǔ)量從2節(jié)增加到4節(jié)，并將系泊區(qū)與深塢舾裝區(qū)合并；3）進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了流水化的底、側(cè)、頂鋼筋加工及拼裝生產(chǎn)線，采用了摩擦焊接和數(shù)控鋼筋加工技術(shù)，大大提高了鋼筋籠精度和施工自動(dòng)化水平；4）采用了大型自動(dòng)化液壓混凝土模板及其兩側(cè)的大型混凝土結(jié)構(gòu)反力墻，大大提高了管節(jié)制作精度和工效。

港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)預(yù)制廠在2條流水線同時(shí)作業(yè)的情況下，每2月生產(chǎn)2個(gè)管節(jié)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)混凝土用量約2.7萬m3，質(zhì)量超過7萬t，每個(gè)節(jié)段混凝土方量約3 400 m3，采用全斷面一次澆筑，溫度裂縫控制效果良好。

圖7　港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)預(yù)制廠Fig.7 HZMB Immersed Tunnel prefabrication factory

圖8　港珠澳大橋沉管隧道地基設(shè)計(jì)方案Fig.8 Foundation design of HZMB Immersed Tunnel

6　地基與基礎(chǔ)處理

6.1地基設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的沉管隧道一般基槽開挖量不大，上覆荷載很小或沒有，怕浮不怕壓，對地基要求不高。港珠澳大橋沉管隧道由于上覆回淤荷載大，下臥軟基厚，對地基要求高，沉降問題甚至是工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵。

地基處理主要有復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)2大類，早期使用剛性接頭的沉管隧道多使用偏剛性的樁基礎(chǔ)，水力壓接的柔性接頭出現(xiàn)后，較多地采用了復(fù)合地基。港珠澳大橋沉管隧道穿越了淤泥、淤泥質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土混合砂，在島頭段采用了PHC剛性樁復(fù)合地基代替了傳統(tǒng)的支承樁地基型式，在海中人工島護(hù)岸地基加固成功研發(fā)了水下高置換率擠密砂樁（SCP）后，將沉管隧道的過渡段由減沉樁（定位樁）更改為擠密砂樁（SCP）復(fù)合地基［6］（見圖8），總體上以復(fù)合地基的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)隧道與地基剛?cè)釁f(xié)調(diào)和沉降過渡，將沉降差控制在隧道結(jié)構(gòu)可承受的范圍內(nèi)。

6.2基礎(chǔ)墊層處理

基礎(chǔ)墊層的處理一般分為先鋪法和后填法2大類。先鋪法有刮砂法和刮石法；后填法有砂流法、灌囊法和壓漿法等。后填法的主要優(yōu)點(diǎn)在于高程便于調(diào)節(jié)，施工設(shè)備占用航道時(shí)間短和潛水工作量少，但在地震時(shí)容易發(fā)生砂土液化而使基礎(chǔ)失去承載力。由于水深大、水流復(fù)雜、管節(jié)體量大，若使用后填法基礎(chǔ)需要對管節(jié)兩端進(jìn)行臨時(shí)支撐，而節(jié)段式管節(jié)在簡支狀態(tài)下受力較為不利，因此海中沉管隧道一般優(yōu)先考慮先鋪法基礎(chǔ)墊層。

碎石整平法是由傳統(tǒng)刮石發(fā)展為通過下料刮鋪的一種先鋪法，其碎石墊層帶有壟溝（見圖9），其主要優(yōu)點(diǎn)是：在相對較大的波浪和水流情況下仍能適用，具有一定納淤能力，管節(jié)沉放連接后能快速保持管節(jié)穩(wěn)定以及墊層頂面可進(jìn)行可視化檢查。但采用先鋪法的管節(jié)在著床后高程及縱、橫坡不可再調(diào)，管節(jié)高程與縱、橫坡的誤差基本取決于碎石墊層的誤差，因此管節(jié)沉放對基礎(chǔ)墊層的精度要求高，需采用大型高精度機(jī)械設(shè)備進(jìn)行施工。港珠澳大橋沉管隧道工程研制開發(fā)了按擬定縱坡均勻下料鋪設(shè)的高精度碎石整平船（見圖10），代替了傳統(tǒng)的刮鋪法處理工藝，實(shí)現(xiàn)了整平船的準(zhǔn)確定位、平臺(tái)升降鎖緊控制、下料管升降及整平臺(tái)車縱向和橫向移動(dòng)的控制、拋石管整平刮刀的高程調(diào)節(jié)、基床整平的同步質(zhì)量檢測等自動(dòng)化控制，克服了在

深水施工中的2大技術(shù)難題：

1）利用細(xì)長的下料管在不穩(wěn)定的水流中來回移動(dòng)下料形成平整的“Z”型碎石壟；

2）船位移動(dòng)后前后船位之間施作的墊層連接平順。

該整平船在已完成的E1～E14管節(jié)基礎(chǔ)鋪設(shè)過程中，實(shí)現(xiàn)了在8個(gè)有效工作日內(nèi)以7個(gè)船位完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)沉管管節(jié)的碎石基床鋪設(shè)，碎石基床精度可達(dá)±30 mm。

圖9　帶壟溝的碎石墊層Fig.9 Gravel cushion with furrow

圖10　碎石鋪設(shè)整平船F(xiàn)ig.10 Stone paving and leveling ship

7　管節(jié)安裝與測控

7.1管節(jié)安裝

目前沉管隧道管節(jié)的安裝普遍采用水力壓接法，隨著水深的增加，潛水員水下探摸作業(yè)越來越困難，管節(jié)沉放安裝需要以先進(jìn)的施工設(shè)施和裝備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的潛水員作業(yè)。

韓國釜山—巨濟(jì)沉管隧道工程采用了一對遙控水下調(diào)節(jié)架（EPS）用于管節(jié)對接施工，并采用了一艘微型水下交通潛艇用于水下施工質(zhì)量檢查，避免了潛水員水下作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。港珠澳大橋沉管隧道工程也自行開發(fā)了一套“深水無人沉放系統(tǒng)”，包括錨泊定位系統(tǒng)、壓載控制系統(tǒng)、自動(dòng)拉合系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)和體內(nèi)精調(diào)系統(tǒng)等，通過信息技術(shù)和遙控技術(shù)實(shí)現(xiàn)管節(jié)姿態(tài)調(diào)整、軸線控制和精確對接。與韓國釜山—巨濟(jì)沉管隧道不同，該系統(tǒng)采用“內(nèi)調(diào)法”實(shí)現(xiàn)管節(jié)對接后的線性調(diào)整，即在GINA內(nèi)側(cè)安置若干千斤頂實(shí)現(xiàn)精調(diào)功能，見圖11。

圖11　“內(nèi)調(diào)法”管內(nèi)精調(diào)系統(tǒng)Fig.11 Fine regulating system in tube with“internal adjustment method”

7.2測量與定位

長距離水下沉管隧道的測量定位需解決3個(gè)主要問題：

1）沉管段最終接頭的貫通精度。一般主要由洞外引入的精密導(dǎo)線控制；

2）各沉管管節(jié)的平面和高程位置精度。近岸可視的條件下可以全站儀和測量塔為主，長距離不可視的情況下需采用GPS＋RTK定位；

3）相鄰管節(jié)的對接精度。可使用金屬拉線、差分聲吶、水聲／水聽聲吶陣列等。

由于港珠澳大橋沉管隧道距離超長，處于外海環(huán)境，測量可視條件較差，而且受阻水率等條件限制而造成的橋隧轉(zhuǎn)換人工島短且小，如何建立精密導(dǎo)線確保最終貫通精度，以及如何將GPS平面坐標(biāo)測控與管節(jié)沉放安裝相對位置測控系統(tǒng)集成為具有較高精度的綜合測控系統(tǒng)，克服水文與氣象的干擾，仍是建設(shè)者們面臨的挑戰(zhàn)。港珠澳大橋沉管隧道把管節(jié)平面位置控制測量與管節(jié)沉放對接相對位置精度控制測量集成為GPS＋RTK＋差分聲吶控制系統(tǒng)（見圖12），實(shí)現(xiàn)了cm級(jí)的控制精度。

圖12　聲吶法結(jié)合GPS進(jìn)行對接測量Fig.12 Connection measurement with Sonar and GPS

8　未來技術(shù)展望

隨著國家海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，將會(huì)不斷出現(xiàn)新的跨海通道，沉管隧道是其中可供選擇的工法之一，未來可能需要面臨更大的水深、更長的距離等更為苛刻的建設(shè)條件和更高的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，可能還需進(jìn)一步突破單孔大跨度、大水深、超長距離、長管節(jié)和多功能等帶來的技術(shù)難題。

1）單孔大跨度。美國Fort McHenry隧道、荷蘭的Drecht隧道和上海外環(huán)路隧道，是目前世界上僅有的

3座雙向8車道水下道路隧道，但其采用了四孔（每孔2車道）兩管廊或三孔兩管廊的斷面形式，我國籌建中的深中（深圳—中山）通道，前期客流預(yù)測要求其達(dá)到雙向8車道的高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，采用沉管隧道方案需進(jìn)一步解決單孔4車道（18.55 m）的大跨度技術(shù)難題。

2）大水深。土耳其的博士普魯斯海峽隧道為目前最深的鐵路沉管隧道，最大水深達(dá)61 m，而多車道的箱式矩形公路沉管隧道能否達(dá)到此水深，也需要進(jìn)一步突破橫向斷面受力問題。此外，隨著水深進(jìn)一步增加，潛水員作業(yè)將更加困難，需進(jìn)一步研發(fā)高精度的水下作業(yè)和檢測裝備。

3）超長距離、長管節(jié)。丹麥—德國的費(fèi)馬恩（Fehmarnbelt）海灣沉管隧道，沉管段長17.6 km，最大水深40 m。該項(xiàng)目為公鐵兩用，公路采用雙向四車道120 km／h技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；鐵路采用160 km／h技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，橫斷面42.2 m×8.9 m，業(yè)主招標(biāo)推薦管節(jié)長217 m （24.1 m×9節(jié)段），這需要進(jìn)一步解決大體積混凝土的抗裂難題和研發(fā)更強(qiáng)大的施工裝備，以及可能需要集成各種更為先進(jìn)的技術(shù)、儀器和設(shè)備等。

4）多功能（公鐵兩用）。由于城市發(fā)展、土地使用限制、通道資源越來越少，需要公路、鐵路、市政等多功能集合的隧道工程，如已建的廣州市珠江沉管隧道、厄勒海峽沉管隧道、在建的佛山市東平河沉管隧道以及擬建的費(fèi)馬恩沉管隧道。公（道）鐵兩用隧道需要進(jìn)一步協(xié)調(diào)解決不同功能的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和接口等問題。由于沉管隧道比盾構(gòu)隧道和礦山法隧道更有利于與兩岸接線協(xié)調(diào)，更有利于高速鐵路的建設(shè)，未來有可能會(huì)出現(xiàn)第一條服務(wù)于高速鐵路的沉管隧道。

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New Technologies Used for Immersed Tunnel of HongkongZhuhaiMacao Bridge Project

CHEN Shaozhang1，2，SU Zongxian1，CHEN Yue1
（1.HongkongZhuhaiMacao Bridge Authority，Zhuhai 519015，Guangdong，China；2.Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou 510030，Guangdong，China）

Abstract：Immersed tube method is a special construction method for underwater tunnel developed in the early 20th century.Its application conditions are rigorous，but its adaptability becomes more and more strong.After the Oresund Strait immersed tunnel from Denmark to Sweden and the immersed tunnel from Busan to Geoje in Korea，HongkongZhuhaiMacao Bridge（HZMB）Immersed Tunnel in China is under construction below the main channel of Lingdingyang of Pearl River Estuary.The engineers are overcoming difficulties in the process of practice，with independent innovation and learning from foreign and domestic technology and construction experience.Some new technologies in terms of geological survey，structural analysis，durability design，tube prefabrication and foundation treatment，etc.are developed on the basis of the project characteristics.This paper tries to discuss and summarize these new technologies.

Key words：HongkongZhuhaiMacao Bridge；immersed tunnel；tube element installation；geological prospecting

作者簡介：陳韶章（1942—），男，廣東寶安人，1965年畢業(yè)于廣東工學(xué)院，機(jī)械工程專業(yè)，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事地鐵與地下工程管理與研究工作。

收稿日期：2015－02－05；修回日期：2015－04－08

中圖分類號(hào)：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1672－741X（2015）05－0396－08

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.002