港珠澳海底沉管隧道近陸域段管節防護設計

張志剛，林 巍，劉曉東，王 勇，劉洪洲

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

港珠澳海底沉管隧道近陸域段管節防護設計

張志剛，林 巍，劉曉東，王 勇，劉洪洲

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

沉管隧道的回填防護根據功能需求，在縱向上可按照普通段、航道段及近陸域段3個分區進行防護。近陸域段防護需要考慮的影響因素多，且安全風險高，是沉管隧道工程防護設計的重點。以正在建設的港珠澳跨海通道工程中海底沉管隧道近人工島陸域段的回填防護為研究對象，針對近陸域段采用柔性與剛性2種防護方案進行研究比選，提出適合項目特點的護坦潛堤式柔性防護方案，并詳細分析了柔性防護方案的設計細節，通過防撞、防錨及穩定性方面的計算分析以及工程實踐，證明這種防護方式是科學合理的。

沉管隧道；近陸域段；管節防護；剛性防護；柔性防護；防撞；穩定性

0 引言

近年來，在跨越水域的交通方式選擇方面，通過水下隧道實現兩岸陸域全天候通行的工程逐漸增多。已建成的有廣州珠江隧道、寧波常洪隧道、上海長江隧道、南京長江隧道、武漢長江隧道、廈門翔安隧道、青島膠州灣隧道、揚州瘦西湖隧道、杭州西湖隧道、南京玄武湖隧道、杭州錢江隧道及天津海河隧道等，涵蓋了盾構、沉管、鉆爆、圍堰4大水下隧道的主要建造工法。

相比較而言，沉管隧道具有斷面形式靈活、與兩岸銜接便利、隧道內作業環境好、可多工點平行作業等優點。沉管隧道的用途也非常廣泛，從已建成的實例來看，公路、鐵路、地鐵、人行通道及下水道一應俱全。在我國大陸，自20世紀90年代開始，陸續建成廣州珠江（1994）、寧波甬江（1995）、寧波常洪（2002）、上海外環（2003）、廣州生物島及大學城（2010）、舟山沈家門（2014）、天津海河（2014）、廣州洲頭咀（2015）共9座沉管隧道，在建的有佛山汾江路、港珠澳及江西紅谷3座沉管隧道，近期擬建的有深圳至中山過江通道、大連灣跨海通道等。因此，沉管隧道不僅具備良好的應用基礎，而且在我國還將有著廣闊的市場及應用前景。

在沉管隧道施工時，需向管節內灌水壓載，使其下沉到設計位置，將此管節與相鄰管節在水下連接起來，完成回填防護，最后進行隧道內部鋪裝，從而形成一個完整的水底交通隧道。有關沉管隧道的管節預制、接頭防水、基礎處理等技術問題均受到業界廣泛關注。肖曉春［1］對沉管隧道管節預制的場地進行分類，著重結合港珠澳隧道工程分析研究了工廠法預制管節的組成、布置形式、作業流程及關鍵技術。侯連青等［2］對沉管隧道在浮運過程中受到拖輪尾流的影響，進行了系統分析與研究，提出了沉管浮運過程中的控制要求。張志剛等［3］對公路沉管隧道的發展歷史進行全面地回顧總結，并分析了沉管結構及基礎在設計過程中的各種關鍵技術。本文以港珠澳海底沉管隧道連接兩端人工島的近陸域防護工程為對象，對這種大型系統工程中不太引起關注的近陸域段管節防護方案選擇及其總體設計進行分析論證，為全面提高我國沉管隧道的設計建造水平提供示范。

港珠澳海底隧道結構縱向分為海中沉管段與陸上段2部分，縱向總體上呈W形布置，如圖1所示。沉管段中間深埋于海床，兩端淺埋于水下，為滿足伶仃洋珠江口水利防洪的要求，兩端的沉管結構盡可能淺埋，出現了鄰近人工島陸域段附近隧道結構露出海床的情形。隧道海域的航運繁忙，近島域的水文條件復雜，為保證隧道施工及120年運營期安全的需要，需對該區段的隧道結構進行專項防護設計。

圖1 港珠澳海底沉管隧道分段示意Fig.1 Schematic sections of immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macau Link（HZM）

1 工程概況

港珠澳跨海大橋是在“一國兩制”條件下，粵、港、澳3地首次合作共建的超大型工程項目，也是我國繼三峽工程、青藏鐵路、南水北調、西氣東輸、京滬高鐵工程之后，又一超大基礎設施項目。海中主體工程的隧道全長約6 700 m，預制沉管段長5 664 m，33個管節，雙向六車道，采用兩孔一管廊的鋼筋混凝土結構形式。管節分節段預制，整體預應力張拉，標準管節長180 m，由8個長22.5 m、寬37.95 m、高11.4 m的小節段組成，質量約為7.6萬t，最大沉放水深約45 m，管節頂面埋置于海床下的最大深度約23 m，隧道東西兩端均位于海中填筑的人工島上，設計使用壽命120年，屬外海厚軟基深埋長大沉管隧道，是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道［4］。

隧道兩端接東西2個橋隧轉換人工島，人工島口門之間有伶仃西與銅鼓2個重要航道。伶仃西航道為深水航道，是廣州港、深圳西部港區、虎門港等到港萬噸級以上船舶進出通道，南沙港區以下水深已達到13.5 m，近期將分階段浚深到-17.0 m，以滿足10萬噸級集裝箱船和15萬噸級散貨船的通航要求。深圳港銅鼓航道水深15.8 m，底寬210 m，2008年按通航10萬噸級集裝箱船設計。同時，在工程區附近東西向航行的船舶有珠江口東部香港、深圳等港口與西部澳門港、九州港區以及西江自磨刀門水道經洪灣水道進出的船舶，船型為3000噸級以下的集裝箱船、高速客船等中小型船舶。工程近陸域區的設計最高通航水位為3.52 m，設計最低通航水位為-1.63 m，百年重現期最高潮位3.47 m，百年重現期最低潮位-1.51 m，設計最大垂線平均流速1.55 m/s。

港珠澳海底沉管隧道回填防護的普通斷面布置形式如圖2所示，由鎖定回填、一般回填及護面回填3部分組成［5］。鎖定回填是沉管隧道管節沉放后的首道回填工序，目的是及時固定管節，以防止管節在橫向水流力等作用下發生偏位。一般回填作為沉管隧道回填防護的主要部分，工程量占比最大，在選擇回填料時需考慮選用不致地震液化的材料。護面回填主要是為了滿足管節抗浮、防錨、防沉船的基本功能。航道段與近陸域段防護是在普通段的基礎上根據防護的需要演變而成。

圖2 沉管隧道普通段回填防護斷面圖（1/2斷面）Fig.2 Cross-section of backfill protection for normal section of immersed tunnel（half）

2 沉管隧道近陸域防護的功能需求分析

2.1 抗浮安全

為防止安裝于水下的沉管隧道管節失穩或浮起，應對沉管隧道兩側和上方進行回填，通過回填石料提供足夠的摩擦力和壓載質量。沉管隧道回填后的綜合抗浮安全系數應滿足運營期各種工況下的安全穩定性要求，一般應至少達到1.1。

2.2 防錨

航道區及錨地附近的沉管隧道防護層需要進行防錨設計。在沉管隧道區上方航行的船舶，具有發生落錨或拖錨橫跨穿過隧道的風險，需要采用回填防護層保護隧道的結構，以防止混凝土結構被錨的沖擊力或錨鉤損傷。

2.3 防船撞

在港珠澳沉管隧道近人工島陸域處，隧道結構高于周邊的海床面，附近失事或偏航的船舶如果不能在海床上擱淺，就會直接撞擊沉管隧道結構。船舶撞擊橋梁后的修復費用一般僅占橋梁工程總造價的一小部分，而沉管隧道被撞毀之后，其經濟損失極大，有時幾乎是無法修復的。因此，沉管近陸域段防護應考慮防撞的主要功能需求。

2.4 防沉船

除了側面撞擊可能損害隧道主體結構外，當船舶行駛到島頭隧道上方時，由于底吸力發生船體局部觸底，或船舶整體沉沒也會損壞隧道結構。為此，陸域段防護設計應避免大型及滿載船舶在隧道結構上方出現的可能，從而規避大型沉船給隧道帶來的不利影響。

2.5 與陸域護岸環境相協調

沉管隧道近陸域的防護除了提供抗浮安全、避免來自失控船舶的損壞外，還應從整體上考慮環境協調性，使隧道露出水面的人工防護與陸域護岸工程和諧統一，無縫銜接。環境的協調性不僅可增強工程的景觀美感，同時會減少波浪流對陸域的局部破壞及沖刷。

除了以上的基本功能之外，為滿足珠江口水利防洪的強制性要求，在港珠澳海中工程建設中，不允許過多地增加水域阻水面積。在連接丹麥與瑞典之間的厄勒海峽接線項目中，工程師曾采用了補償開挖等方法降低阻水率，而一般的項目不具備這種地形條件，因而在回填防護的設計中，應盡量減少對原水域水利防洪的影響，以滿足水域主管部門的指標要求。

綜上所述，沉管隧道近陸域防護需要滿足抗浮、防錨、防撞、水利防洪及與陸域環境相協調的基本要求，各項功能相互關聯、互相影響。根據類似工程經驗及相關分析，防撞應是控制近陸域段防護設計的關鍵，其他需求則可通過對沉管結構進行基本防護設計予以實現或考慮。

3 近陸域段防撞方案比選

近陸域段隧道結構防撞的可選方案從設計理念方面可分為2大類，一種是剛性防護，另一種是柔性防護。

3.1 剛性防護

剛性防護方案在大型水中橋梁墩臺的防撞中應用廣泛，主要采用防撞墩臺、護舷及系泊錨鏈的組合形式，如圖3所示。

圖3 剛性防撞示意圖（單位：cm）Fig.3 Schematic arrangement of rigid protection（cm）

典型的布置是沿著近陸域淺埋于水下的隧道結構及基本回填區周邊，間隔設置數個大體積剛性防撞墩臺，墩臺之間再用系泊的攔截索相連，墩臺的外面可設置護舷緩沖。防撞墩臺用于阻止大型失控船舶撞擊隧道，攔截索用于阻止一些小型船只進入，從而可保障近陸域區段隧道結構的安全、可靠。

3.2 柔性防護

柔性防護方案是從水工堤岸防護工程引申出來的，通過采用加寬隧道兩側的回填寬度、調整頂面回填高度形成的一種水下護坦潛堤，也可稱為防撞護坦，如圖4所示。

圖4 柔性防撞示意圖Fig.4 Schematic arrangement of flexible protection

柔性防護是將船舶的沖擊動能通過與回填材料的擠壓、摩擦、破碎和位置變化等能量轉換來化解，起到阻擋和削弱船舶沖擊力的作用。

3.3 方案比選

剛性防護與柔性防護理念分別源于橋梁與碼頭堤岸工程，各有優缺點，詳細對比如表1所示。港珠澳大橋主體工程島隧結合部防撞方案，在初步設計與施工圖設計的不同階段，分別采用了不同的方案，經綜合分析后，最終采用了防撞護坦潛堤式的柔性防護。

表1 防撞方案的綜合比較Table 1 Comparison and contrast between rigid protection and flexible protection

4 近陸域段防護設計

4.1 總體布置

基于工程總體設計需求，結合海床面形態與島壁護岸結構合理銜接過渡、美觀、防浪等影響因素，確定東西島近陸域段的沉管管節結構防護潛堤的平縱面布置。

1）縱向范圍。以人工島陸域端沉管頂部回填防護層沒入原海床面位置為近島頭陸域回填防護終點，由此確定東島側近陸域防護段縱向范圍長約340 m，西島側近陸域防撞回填防護段縱向范圍長約570 m。

2）橫向范圍。通過島頭近陸域防護計算分析和波浪斷面物理模型試驗，確定東、西人工島島頭潛堤式護坦頂部橫向寬度為120 m，局部區域根據前期的堆載預壓碎石邊界對護坦頂部進行適當加寬。為降低船舶撞毀隧道結構物的風險，計算時采用120 m寬度的防護范圍，其中40 m的兩側肩寬是用于有效減小船舶對隧道結構撞擊力的距離，即消耗大部分船舶撞擊動能所需的設計長度。

4.2 防護設計

島頭防護是在沉管地基堆載預壓開挖卸載的條件下實施，未開挖的堆載碎石作為島頭永久回填防護的一部分。經計算與物理模型試驗，確定沉管隧道島頭近陸域回填防護橫斷面方案如下。管節結構防護如圖5所示。

圖5 管節結構防護典型橫斷圖Fig.5 Typical cross-section of backfill protection of immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Link

1）鎖定回填。考慮近陸域區波流條件復雜，鎖定回填采用粒徑5～80 mm碎石，鎖定回填頂面寬度為10 m，鎖定回填高度至側墻變截面頂部，高約8 m。

2）一般回填。介于鎖定回填與護面層回填之間，頂面回填至沉管結構頂標高處，采用10～100 kg塊石。

3）護面層回填。根據波流條件分別采用人工預制的扭工字塊及大塊石。結合防護要求和基礎堆載預壓情況，東、西島頭的近陸域防護段護面層結構分別劃分為5個及4個區段，護面層結構和區段劃分結合各區段波浪物模試驗結果及島頭防撞等綜合分析確定。沉管結構正上方護面層塊石設置混凝土或碎石墊層，以減小防護塊體和塊石填筑時對沉管結構的不利影響，混凝土層結合管節浮運所需不小于15 cm的干舷值確定。

5 計算分析

5.1 船撞風險分析

采用風險概率分析法，綜合考慮航道位置、水深、船舶交通量及船型噸位預測、船舶吃水及擱淺、海域船舶事故率等多因素的影響，通過幾何概率為正態分布與均勻分布組合（98%正態分布+2%均勻分布）的概率分析確定設計船型。根據《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南》［6］及AASHTO規范［7］，確定隧道年撞損概率應小于3×10-4。結合遠期2070年主航道的船舶數量及本水域中偏航事故率分析，計算各種船型在不同航道上的幾何概率，獲取5萬噸級散貨船滿載及30萬噸級原油輪部分裝載作為代表船型，根據防撞能力計算，確定出柔性護坦的合理寬度與高度。

5.2 防撞能力分析

為驗證船舶在近陸域附近發生撞擊、擱淺后，防護結構是否有足夠的能力保證隧道結構不受損壞，進行了以下防撞能力驗證與分析。

從船舶撞擊及擱淺效能方面考慮，防護設計需滿足以下2點要求：一是船舶撞擊帶來的側向力不大于隧道結構與基礎等共同承受的極限能力；二是防護結構的尺寸需滿足撞擊船舶不與隧道結構的任何部位直接接觸。

采用船撞動能經驗公式計算船舶正面撞擊帶來的最大動能，并應用國際上行業內常用的防撞分析三維軟件SHIPCOL對船頭插入深度和傳遞給隧道結構的最大側向力進行分析［8］。圖6及圖7分別為船舶撞擊防護構造的理論分析模型與撞后不同深度船首跡線。計算結果表明，在目前的設計防護方案下，標準船型作用于隧道結構上的最大側向力小于結構及基礎等可承受的綜合作用力，船首最大插入深度25 m，距隧道結構仍有15 m的安全儲備。

圖6 船舶撞擊理論模型Fig.6 Theoretical model of ship collision

5.3 防護結構穩定性分析

采用《防波堤設計與施工規范》及香港海港規范推薦的Hudson公式［9］，驗算運營期（300年一遇波浪）護面扭工字塊的穩定性，設計5 t質量滿足波流條件下單個塊體穩定所需質量的要求。采用Van der meer公式［10］校核海平面以下碎石反濾層施工階段（10年一遇波浪，有效波高2.5 m）的穩定性。除以上理論計算之外，在大型水運工程實驗室中，利用1∶3比例尺的波浪斷面物理模型試驗，進一步驗證了近陸域段護面回填用質量為5 t的扭工塊體與質量為300～500 kg的天然塊石均可滿足單個塊體的穩定性要求（見圖8）。

圖7 船撞后不同深度船艏跡線Fig.7 Trace of the front of ship after ship collision

圖8 近島區防護斷面物理模型Fig.8 Physical model of backfill protection nearby artificial island

對在設計重現期內的波浪、地震作用下的滑動穩定性進行分析可知，防護結構方案整體穩定。

5.4 沉船及其他荷載

通過水域船舶沉船概率、救助成功率、沉船位于隧道上方的概率等綜合計算，得出本項目的沉船概率為5×10-9。在大于9 m水深條件管節結構設計中，按承受95 kPa的均勻荷載作用于沿長度方向19 m范圍的隧道之上，不足9 m的水深條件按相應比例換算進行荷載作用取值。

基于近陸域發生船舶事故的概率分析，結合擬定的防護設計方案，選取典型船型計算，得到在落錨及拖錨等偶然荷載下作用于沉管隧道結構的剩余作用力大小及范圍，并最終作為沉管管節結構偶然工況設計的輸入條件。

6 結論與體會

在沉管隧道的總體方案設計中，為有效縮短隧道長度，以便與兩端陸上段接線進行合理接駁，在近陸域側，隧道結構通常淺埋于水下，有時部分隧道結構會露出河或海床，需要進行專門防護。本文結合在建港珠澳跨海通道中的沉管隧道工程，對近陸域段防護方案進行了詳細論述，主要的結論及體會如下：

1）在沉管隧道設計中，應重視近陸域段結構的防護設計，不僅需要滿足運營期隧道結構抗浮安全的基本功能要求，還應結合工程水域水文、航道及船舶資料，對防船撞等特殊的功能需要進行專項設計。近陸域段的防護設計需結合平縱面情況、管節基槽開挖、基礎處理、陸域及水域邊界條件進行統籌考慮，平衡好各方面的功能需求，確保管節結構在運營期的安全可靠。

2）剛性與柔性防護方案均可在工程中采用，相比較而言，柔性防護方案可根據隧道結構方位設置任意范圍，通過提前擱淺失控船舶，以避免船舶撞擊隧道結構后造成機械及人員的損傷，整體防護能力更加均衡，且可采用天然石料與人工素混凝土塊體組合的潛堤形式進行保護，材料耐久可靠，基本不需要日常維護，可在其他類似工程中推廣應用。

3）在近陸域段防護設計中，除了本文所述的各種被動防護外，還應加強主動防護，設置浮標等導助航標志及設備設施，在工程臨近重要繁忙航道的方向，可利用VTS等設備對近陸域段實施全天候監控，以實現提前預控，確保工程安全。

4）近陸域段防護設計的重點通常是為了應對不利的偶然作用，本文在設計計算中采用的標準船型及相應的偶然荷載作用值均是基于成本-效率分析的風險接受準則確定，既保證了防護的可靠性，又限制了成本的高投入，對有大型船舶的水域防護有重要借鑒意義。

5）目前，本工程西側近陸域段的防護施工已經完成，工程實踐表明，設計采用的潛堤式柔性防護方案是有效且合理的，既可用于同類近陸域的隧道工程防護，也可作為其他水下工程中受地形條件限制中間段局部露出海或河床隧道結構防護設計的重要參考。

（References）：

［1］ 肖曉春.大型沉管隧道管節工廠化預制關鍵技術［J］.隧道建設，2011，31（6）：701-705.（XIAO Xiaochun.Key technologyformanufactoryprefabricationoftube element oflarge-scaleimmersedtunnels［J］.Tunnel Construction，2011，31（6）：701-705.（in Chinese））

［2］ 侯連青，寧進進.拖輪螺旋槳尾流對沉管或沉箱浮運的影響［J］.中國港灣建設，2013（1）：5-7.（HOU Lianqing，NINGJinjin.Influenceoftug'spropeller slipstream on floating elements or caissons［J］.China Harbor Engineering，2013（1）：5-7.（in Chinese））

［3］ 張志剛，劉洪洲.公路沉管隧道的發展及其關鍵技術研究［J］.隧道建設，2013，33（5）：343-347.（ZHANG Zhigang，LIU Hongzhou.Study on the development and key techniques ofhighwayimmersedtunnel［J］.Tunnel Construction，2013，33（5）：343-347.（in Chinese））

［4］ 尹海卿.港珠澳大橋島隧工程設計施工關鍵技術［J］.隧道建設，2014，34（1）：60-66.（YIN Haiqing.Key technologies applied in design and construction of artificial islands and immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge Project［J］.Tunnel Construction 2014，34（1）：60-66.（in Chinese））

［5］ 林巍，張志剛.海中沉管隧道回填防護設計的討論［J］.中國港灣建設，2013（5）：29-33.（LIN Wei，ZHANG Zhigang.Discussion on design of backfill protection of offshore immersed tunnel［J］.China Harbour Engineering，2013（5）：29-33.（in Chinese））

［6］ 交通運輸部.公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南［S］.北京：交通運輸部，2010.（Ministry of Transport of the People's Republic of China.Guide for highway bridge and tunnel engineering design safety risk evaluation［S］.Beijing：Ministry of Transport of the People's Republic of China，2010.（in Chinese））

［7］American Association of State Highway and Transportaion Officials.AASHTO LRFD Bridge design specifications［S］.Washington D C：American Association of State Highway and Transportaion Officials，2012.

［8］LARSEN O D.Ship collision with bridges the interaction between vessel traffic and bridge structures［C］//Structural Engineering Documents（SED4），Switzerland：IABSE，1993.

［9］ JTS 154—1—2011防波堤設計與施工規范［S］.北京：人民交通出版社，2011.（JTS 154—1—2011 Code of design and construction of breakwaters［S］.Beijing：China Communications Press，2011.（in Chinese））

［10］ John G Housley.Coastal engineering manual［M］.U S：U S Army Corps of Engineers，2002.

Design of Backfill Protection of Near-land Section of Immersed Tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Link

ZHANG Zhigang，LIN Wei，LIU Xiaodong，WANG Yong，LIU Hongzhou
（CCCC Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100088，China）

Based on the function requirement，the backfill protection of immersed tunnels can be divided into three sections，i.e.，normal section，navigation channel section and near-land section.Among these sections，the design of the near-land section is influenced by many factors，therefore it is the key part of the design of the backfill protection of immersed tunnels.In the paper，the backfill protection of the near-artificial-island section of the immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macau Link is studied，comparison and contrast is made between flexible protection and rigid protection，and a flexible solution is proposed for the project.Furthermore，the design details of the flexible protection solution are provided.Calculations and tests show that this type of protection is rational and can be used for other similar projects.

immersed tunnel；near-land section；backfill protection；rigid protection；flexible protection；ship collision；stability

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.012

U 455.46

A

1672-741X（2015）11-1188-06

2015-08-13；

2015-09-10

張志剛（1977—），男，內蒙古涼城人，2007年畢業于北京交通大學，巖土工程專業，博士，高級工程師，現主要從事隧道設計、咨詢與研究工作。