港珠澳大橋沉管隧道瀝青路面結構設計與實施

王 民， 劉曉東， 郝增恒， 呂勇剛

(1. 重慶市智翔鋪道技術工程有限公司， 重慶 401336； 2. 招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400074; 3. 中交公路規劃設計院有限公司， 北京 100088)

0 引言

港珠澳大橋是連接香港、珠海、澳門的超大型跨海通道，全長55 km，主體工程“海中橋隧”長35.578 km，是同期世界最長的跨海大橋。港珠澳大橋沉管隧道是我國建設的第一座外海沉管隧道，也是全球最長的公路沉管隧道和全球唯一的深埋沉管隧道，是大橋建設中技術最復雜、建設難度最大的部分。該工程具有體型大、管節多、構造復雜、精度要求高等特點[1-3]。港珠澳大橋沉管隧道長約5 664 m，由33個巨型沉管管節組成，寬37.95 m，高11.4 m，埋置水下深度40余m。

對于采用盾構法建造山體、江底、海底隧道的瀝青路面結構，國內外專家從溫拌、阻燃、降噪、抗滑、耐久等方面進行了較多研究，采用了不同類型的溫拌、阻燃、改性瀝青SMA鋪裝技術[4-6]，且較為成熟地應用于廈門翔安海底隧道、青島膠州灣海底隧道、長江隧橋工程等； 但對于沉管隧道路面的研究成果很少，其中雖提及節段聯接問題，但只涉及結構，未提及路面[7-8]。陳小樂[9]采用高強抗裂性彈性混凝土復合材料和應力吸收層結構為載體橋面,提出了無伸縮縫連續結構體系。李汝凱等[10]針對重載條件下復合式路面的反射裂縫問題，對DZFH新型道路抗裂貼防治復合式路面反射裂縫性能進行了疲勞試驗研究。周剛等[11]對3種不同防裂材料防治和延緩反射裂縫作用機制及能力水平進行了評價。

上述研究主要針對傳統隧道路面或具有類似特征的道路工程，欠缺對于沉管隧道瀝青路面的研究及實踐經驗。本文通過分析沉管隧道路面使用條件，開展路面鋪裝方案優化設計及結構驗算、材料性能測試，提出路面細部構造處治方案，并付諸于實際工程實施，以期為類似工程提供借鑒。

1 路面使用條件

1.1 環境氣候條件

項目北靠亞洲大陸，南臨熱帶海洋，屬南亞熱帶海洋性季風氣候區，年平均氣溫22.3 ℃，歷年極端最高和極端最低氣溫分別為38.9 ℃和-1.8 ℃。多年平均降水量在1 800～2 300 mm； 歷年降水主要集中在汛期，約占全年降水的83%～86%。

隧道內年溫差變化幅度較小，在夏天氣溫較高時，隧道內溫度比隧道外低，從隧道中部到端部氣溫逐漸上升； 秋冬氣溫較低時，隧道內溫度比隧道外高，從隧道中部到端部氣溫逐漸下降，其分布與隧道埋深位置也有一定關系。根據現場監測數據可知，施工區域全年海水溫度變化在14.5～31 ℃，隧道內溫度變化在19～27 ℃。

隧道外降雨通過洞外排水系統排走，難以進入隧道內，降雨給隧道內路面帶來的影響比隧道外小。隧道地處外海深海區域，每年4—9月隧道外空氣濕度大于90%，有時甚至達到100%。由于隧道外溫度高，隧道內溫度低，高濕度空氣進入隧道內導致溫度降低，凝結出水，在隧道側壁、路面凝結形成水膜，且不易吹干，隧道路面存在每年持續超過5個月的潮濕及表面存水膜狀態[12]。根據施工期監測結果可知，在隧道的臨時風機連續開啟狀態下，每年4—9月隧道內濕度為95%～99%。沉管隧道內的低溫、高濕度條件給瀝青路面材料性能、施工質量及后期運營安全均帶來了較大挑戰。

1.2 交通條件

根據工可研究報告，港珠澳大橋2035年預測交通量為5.3～8.9萬輛(當量小客車)。從車型組成看，客車占比略高(約60%)，重載貨車較少。通行于港珠澳大橋的車輛主要往來于香港與珠江西岸，兩岸均需通過口岸查驗，原則上無超載車輛運行。

沉管隧道進出口長約985 m的路段，最大縱坡接近3%，車輛進出隧道時均會加減車速，使洞口附近隧道路面受到的水平應力作用要較其他區段復雜。

1.3 沉管結構條件

沉管隧道為深埋、大回淤節段式沉管，由33個管節、219個節段組成，壓艙混凝土和調平層混凝土在管節接頭處斷開，在節段接頭處設縫。

根據前期監測，在有豎向加載時管節會產生沉降。通過初步計算統計，管節接頭會產生約3 cm的伸縮量及0.5～1 cm的差異沉降，節段接頭會產生2～3 mm的伸縮量。在瀝青路面鋪裝施工完成后，管頂回淤荷載在15～20年間方可全部回淤加載完成，管節還將發生近50%的沉降變形[13]。沉管隧道管段、管節錯位持續變形對瀝青路面的適應變形能力及抗裂性提出了極高要求。

2 瀝青路面鋪裝方案

2.1 設計標準及參數

1) 主線為雙向6車道高速公路，設計速度100 km/h，標準斷面路面橫坡為1.5%，最大縱坡為2.98%。

2) 公路車輛荷載等級為公路-I級，設計軸載為雙輪組單軸荷載100 kN，瀝青混凝土路面設計使用年限為15年，設計交通量(累計標準軸載)為1 140萬次/車道。

3) 路面使用溫度范圍為0～40 ℃。

4) 根據監測數據及計算分析，運營階段管節接頭水平變形≤3.5 cm，豎向變形5～10 mm；節段接頭水平變形2～3 mm，豎向變形≤2 mm。

5) 基層為20～24 cm現澆C30素水泥混凝土，并設有橫縱向脹縫，橫縫間距與節段長度基本一致，但與壓艙混凝土的接縫錯開約30 cm。

2.2 組合結構設計方案

在沉管隧道路面研究成果有限的情況下，對國際上已通車的2項長大海底沉管隧道路面進行了調研。1)厄勒海峽沉管隧道： 全長3 560 m，共20個管節，橫斷面尺寸為38.8 m×8.6 m，于2000年通車。該項目采用雙層澆注式瀝青混凝土鋪裝方案，管節區域采用預設應力縫處治技術，節段接頭實施連續鋪裝，目前使用狀況良好。2)韓國釜山沉管隧道： 全長3 283 m，共18個管節，橫斷面尺寸為26.46 m×9.97 m，隧道底部最大水深約50 m，于2011年通車。隧道路面結構為4 cm瀝青混合料鋪裝下面層+3 cm PMA瀝青混合料鋪裝上面層，所采用的瀝青為PG 76-22; 管節接頭采用一種金屬伸縮縫，行車顛簸較為明顯; 節段之間采用20 cm×7 cm(寬×高)的瀝青填縫料填充，通常每隔5年需進行一次修復。

根據調研結果，結合港珠澳大橋沉管隧道施工完畢的監測數據及環境條件，對原設計方案存在的不足或考慮不充分之處進行瀝青路面鋪裝方案優化設計，以進一步提升隧道路面耐久性及舒適性，設計方案見表1。在本次優化設計過程中，也提出了調平層采用密水性優、追從變形能力強、耐久性佳的澆注式瀝青混合料，但由于隧道通風設施未開通，澆注式瀝青高溫煙霧太大，加之3個月工期限制等因素，該方案未能實施。

表1 隧道路面設計方案

對混凝土界面進行拋丸處理，粗糙度按照ICRI標準檢測達到CSP3～CSP5，形成整潔、牢固、粗糙界面后，采用改性瀝青碎石封層作為防水黏結層，即改性瀝青(用量1.0～1.2 kg/m2)+5～10 mm的預拌碎石(用量4.0～6.0 kg/m2)。

對隧道路面方案的優化設計主要是基于以下幾方面原因：

1) 瀝青路面厚度從10 cm提升到13 cm，增強了路面結構的整體剛度和抗反射裂縫能力，同時也保障了路表平整度。

2) 相對改性瀝青SMA20，采用SMA16能便于實際施工中控制空隙率為3%～4%，且壓實度易于保證[14]。

3) 采用3 cm溫拌改性瀝青AC10鋪裝沉管隧道混凝土路面的調平層，可避免混凝土路面不平導致SMA16鋪裝厚度不均、不易壓實的問題。

4) 受隧道封閉環境條件干擾，加之基面潮濕，在對混凝土基面拋丸處理后，采用改性瀝青碎石封層作為防水黏結層，能起到良好的承上啟下功能。

5) 上面層采用4 cm阻燃溫拌改性瀝青SMA13，其氧指數應不小于23%，混合料拌合溫度為150～170 ℃，攤鋪溫度為150 ℃，使隧道路面具有阻燃、抗滑、耐磨等功能，且能夠保證瀝青路面的壓實度。

2.3 路面結構驗算

2.3.1 永久變形

根據JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》的設計流程及路面結構驗算要求，對水泥混凝土基層鋪筑瀝青混凝土的結構進行瀝青混合料永久變形驗證。隧道瀝青混合料的等效溫度為25.78 ℃，車轍試件的厚度為50 mm，計算結果見表2。

表2 瀝青路面永久變形計算結果

由表2可知： 瀝青路面總的變形量為3.116 mm，遠遠低于設計允許變形要求(≤15 mm)。

2.3.2 抗裂能力

沉管隧道運營過程中，受管頂回淤、溫度變化和行車荷載的影響，管節及節段接縫區域均會產生較大的變形。因此，對于節段未設置伸縮縫的瀝青路面材料，其抗裂能力需進行驗證。

隧道路面反射裂縫主要來源是回淤引起的結構變形，對瀝青路面形成較大的負彎矩，由上至下產生規律性的橫向裂縫。對隧道瀝青路面上面層溫拌阻燃改性瀝青SMA13的抗裂能力進行室內測試，見圖1。

同時，根據統計資料，區域海域海水歷年最低溫度約14.5 ℃，通過插值法確定SMA13在最不利溫度下的彎曲極限應變約為18 000(微應變，下同)。考慮瀝青混合料在反復荷載作用下的疲勞影響，以及一定的安全系數k，認為當瀝青路面應變達到式(1)中計算的應變時，路面開裂風險大。

圖1 不同溫度下SMA13彎曲極限應變曲線

Fig. 1 Curve of ultimate bending strain of SMA13 at different temperatures

(1)

式中：εmax1為SMA13極限破壞應變；Ne為設計年限累計當量軸載作用次數；c為疲勞方程指數，SMA13的疲勞方程指數取7；k為保證率系數，取1.5。

經計算，改性瀝青SMA13在設計累計標準軸載作用下，出現開裂風險較大時的應變為1 156。同時，通過建立接縫區域的局部有限元模型進行計算，路表最大縱向拉應變為857。由此可知，采用13 cm的瀝青混凝土路面在一定程度上可以滿足節段抵抗反射裂縫的要求。

2.4 路面材料性能測試

隧道路面上面層采用阻燃改性瀝青SMA13的氧指數經測試為26%，達到23%的設計要求，改性瀝青、集料及礦粉的性能均達到了設計要求。溫拌阻燃改性瀝青SMA13、溫拌改性瀝青SMA16、溫拌改性瀝青AC10的性能見表3。

表3 隧道瀝青混合料性能設計要求與測試結果

3 路面細部構造處治方案

3.1 管節接頭路面處治方案

經調研國內外無縫伸縮縫材料特點及應用案例使用情況，采用如圖2所示方案作為沉管隧道管節接頭路面處治方案。

圖2 沉管隧道管節接頭處路面處治方案(單位： mm)

Fig. 2 Pavement treatment scheme for tube joints of immersed tunnel(unit: mm)

伸縮縫填料采用特制的高黏改性瀝青及集料配置而成，輔以專用密封膠，具有良好的伸縮變形能力和界面黏結效果； 下部定位鋼板，將垂直荷載傳遞到壓艙混凝土表面。該縫伸縮縫安裝迅速，在國內外橋梁及道路上應用比較多[15]，主要指標均滿足美國SATM規范相關要求，詳見表4。

表4 Matrix 501 密封膠性能技術要求

該結構水平方向伸縮變形為±2.5 cm，但由于管節接頭處還需承受0.5～1.0 cm豎向不均勻沉降變形，因此在本隧道條件下使用還無類似案例及經驗，亟需后期對路面使用狀況進行持續監測。

3.2 沉管隧道節段接頭處路面處治方案

瀝青卷材及防裂貼作為路面抗反射裂縫措施，在道路“白加黑”工程中已得到廣泛應用，同時在國外也作為一種防水、防開裂措施得到大面積應用。借鑒歐洲國家實施經驗，采用2層的厚度不小于3 mm的SBS卷材疊加方案進行處治，底層卷材與基面熱黏結，這樣可以將基面變形有效分散到整個斷面范圍內。瀝青混凝土鋪裝層與原鋪裝結構保持一致，維持其施工及表觀狀態的連續性。沉管隧道節段接頭處路面處治方案如圖3所示。

圖3 沉管隧道節段接頭處路面處治方案(單位： mm)

為了進一步論證所推薦技術方案的可行性，采用美國抗反射裂縫試驗機對SBS卷材、應力吸收層材料進行OT試驗(見圖4)。試驗拉伸加載控制位移為0.635 mm，加載頻率為1 Hz，試驗溫度為25 ℃。以拉應力降低至最大應力的7%時作為試驗終止的條件，其循環次數即為疲勞壽命，試驗結果見圖5。

圖4 路面OT試驗示意圖

圖5 抗反射裂縫能力疲勞試驗結果

界面材料的抗反射裂縫性能首先取決于靠近裂縫層次材料的柔韌性和厚度，其次為鋪裝結構整體柔韌性和厚度。由圖5可知，卷材的斷裂延伸率較大，厚度也遠大于應力吸收層結構，因此,其抗反射裂縫能力最高。

3.3 施工縫路面處治方案

在水泥混凝土調平層施工縫、收縮縫處首先對混凝土基面進行拋丸處理； 表面達到要求后，對裂縫進行評定以選擇不同處理方案: 對于穩定的較大混凝土裂縫采用灌瀝青膏封閉方案； 對于判斷其還未穩定的裂縫，在縫處熱融厚3 mm以上的SBS防水卷材作為路面抗反射裂縫措施。沉管隧道施工縫處治方案如圖6所示。

圖6 沉管隧道施工縫處治方案

Fig. 6 Treatment scheme for construction joints of immersed tunnel

3.4 路緣防排水處治方案

瀝青混合料攤鋪前，在檢修道及排水溝連接路面鋪裝邊側位置安裝20 mm厚鋼模(涂刷隔離劑)，待鋪裝層碾壓并冷卻后取出鋼模； 結構層鋪裝完成后下部填入3～5 mm粒徑碎石(高度約10 cm)，在碎石上灌入3 cm厚熱灌瀝青填縫料，確保檢修道及排水溝與瀝青路面銜接平整。沉管隧道路緣防排水處治方案如圖7所示。

圖7 沉管隧道路緣防排水處治方案

4 實際工程實施

港珠澳大橋沉管隧道瀝青路面工程于2017年8月開工，9月20日啟動首件制工程，同年12月30日全部完工，并于2018年2月通過交工驗收。單位工程合格率為100%，評定質量等級為合格。

1) 路面施工單位按照工程建設總體要求及施工圖設計文件，編制施工組織文件及質量保證體系文件，統籌完成施工人員、材料、設備的組織，并結合現場條件，制定針對性的技術措施和應急預案。隧道路面采用的瀝青混合料均摻加了溫拌劑，用量為瀝青質量的0.6%，混合料施工溫度檢測結果見表5。由表5可知，瀝青混合料對溫度的要求明顯低于傳統的熱拌瀝青混合料，達到了預期效果。

2) 項目實施期間，由于沉管隧道溫度低、濕度大，混凝土基面潮濕、局部存在積水，拋丸機堵塞頻繁。鑒于此，施工單位首次采用英達現場熱再生用路面加熱車(見圖8)，對基面進行烘干，有效保障了施工效率及施工質量。針對路面作業寬度在12.5～19.5 m不斷變化，加之隧道頂部通風設備高度限制了自卸車側向翻斗卸料，施工單位引入可變寬度的超大型路面攤鋪機(見圖9)，解決了傳統雙機梯形聯鋪無法解決的問題，并提升了路面攤鋪平整度、均勻性等。

表5 溫拌改性瀝青混合料施工溫度控制結果

圖8隧道基面加熱車施工作業

Fig. 8 Construction work of tunnel base heating car

3) 施工過程中對瀝青混凝土實施質量進行檢測(見表6)，各項指標均達到了設計要求，并具有較好的穩定性。同時，對施工現場環境數據進行監測采集，并與傳統熱拌瀝青混合料進行對比(見圖10)。由圖10可知，采用溫拌技術后，瀝青煙密度降幅達到84%，苯并芘含量降幅達到75.3%。

圖9 可變寬度的超大型路面攤鋪機

表6 隧道瀝青混合料施工質量檢測結果

圖10 熱拌、溫拌瀝青混合料施工環境參數對比

5 結論與討論

1)在無類似工程實踐經驗情況下，提出了3 cm溫拌改性瀝青AC10鋪裝調平層+6 cm溫拌改性瀝青SMA16鋪裝下層+4 cm溫拌阻燃改性瀝青SMA13鋪裝上層的組合方案，既能滿足沉管隧道內低溫、高濕度條件下路面的施工質量要求，又賦予了路面阻燃、抗滑、耐久等功能。路面結構驗算及混合料性能檢測結果顯示,該方案滿足設計要求。

2)管節接頭路面采用了由高黏改性瀝青及集料配置而成的無縫伸縮縫處治技術，能夠適應沉管結構變形。

3)沉管節段采用了SBS卷材雙層疊加方案進行處治，能有效防止基面反射裂縫。

4)路緣邊緣采用碎石盲溝防水排水方案，既實現了防排水，又避免了施工機械對路緣石的損傷。

5)從實施效果和檢測結果來看，隧道路面達到了較高的質量水平，并取得了良好的環保效益。

港珠澳大橋于2018年10月正式通車，沉管隧道作為港珠澳大橋工程中技術難度最大的節點工作，這些處治方案對我國未來沉管隧道路面設計具有重要的借鑒意義。同時，受現場工期及技術等限制，性能更優、壽命更久的澆注式瀝青鋪裝材料未能被采納實施，下階段有必要就溫拌澆注式瀝青混合料應用技術開展研究，并對沉管節段區域路面使用狀況加強監控。