详解港珠澳大桥沉管隧道新技术Word下载.docx

1、2） 水文气象条件复杂。工程处于外海环境，台风频繁，海 流、涌浪复杂，受冬季季风影响。3） 海底软基深厚。工程所处海床面的淤泥质土、粉质黏土 深厚，下卧基岩面起伏变化大，基岩埋深基本处于501 10m 范围。4） 受规划中的3 0万t航道（通航深度一2 9m）影响，隧道水深、埋深（回淤量）大。5） 隧道距离超长。沉管段长约5.7km。6） 通航环境复杂。航线复杂，船舶流量大，最大日流量约 4000 艘次。7） 环保要求高。工程穿越国家一级保护动物中华白海豚的 保护区核心区。8） 珠江口防洪纳潮要求高， 阻水率要求控制在10%以内。因此，在如此苛刻的建设条件下建设大型海底沉管隧道，已 有的内河沉

2、管隧道建设技术和经验已远远不能满足工程需 求，需要进行技术创新和突破。2.地质勘察 以往的沉管隧道一般位于河（海）床表面上，上覆荷载小， 对地基承载力要求不高，即怕浮不怕沉。由于规划航道的通 航要求，随着深埋回淤问题的出现，港珠澳大桥沉管隧道工 程对地质勘察的要求并非以往海上桥梁地质勘察工作所能 满足，而且传统钻探获取的土样不可避免地受到扰动而难以 取得较为准确的物理力学参数。为了降低海床软土土体取样 受扰动对勘察结果的影响、减少海上作业与通航运营船舶的 相互干扰，港珠澳大桥沉管隧道工程采用了以静力触探CP Tu为主、传统钻探为辅的勘察技术CPTu是带孔压的 静力触探，主要适用于海、陆相交替的

3、冲积层和沉积层，根 据其仪器自动采集的端阻、侧阻和孔压等数据，可快速、准 确地进行地质分层，见图2。与传统的钻探勘察不同，CP Tu主要是通过获取间接指标，以经验公式计算出变形参数， 进而计算出地基沉降量。我国静力触探技术应用历史短，经验少，相关的经验在2 0 世纪9 0年代才开始被相关规范认可，其适用范围（主要用 于陆上建筑）和深度与国际标准有较大的差别。目前，我国 仍主要使用qt（锥头阻力）、fs（侧摩阻力）和Ps（比 贯入阻力）指标，而国际上已普遍使用Bq （孔压比）和F r （摩阻比）进行详细的土体分类。欧美国家形成的经验公 式也具有明显的地区局限性，不一定适合我国广大地区，因 此，在

4、工程具体应用时还需要在原位或同类土质地层使用静 载压板试验或螺旋压板试验进行对比或修正，并结合鉴别孔 和消散孔进行综合分析，甚至还要结合地区特性开展研究工 作。此外，在沉管隧道设计过程中还需要考虑地基刚度的不确定 性（包括勘察不确定性、基槽超欠挖和基础不平整等因素） 对隧道结构内力和变形的影响，目前主要是以一定的偏差波 动（一般按经验取2 0%）结合管节长度计算出最不利的偏 差波长，再以此作为沉管隧道结构纵向受力最不利工况。因 此CPTu的布孔应考虑管节长度和计算最不利偏差波长， 并与鉴别孔、消散孔（孔压消散试验）的布置相结合。港珠澳大桥岛隧工程在约7个月的补勘工作中完成了CP Tu孔3 7

5、4个、消散孔2 2个、原位测试孔3 9个以及技 术孔41个，在确保对主航道航运影响最小的前提下，短时 间内完成了大量的地质补勘工作，避开了台风期作业，通过 精细化勘察，及时向设计和施工提供高质量的地层参数 .3.管节长度与型式 对于超长距离沉管隧道，其管节的长度与型式直接影响到隧 道结构纵向受力、施工工艺、干坞（预制厂）规模、工期和 造价，需综合各因素进行合理选择。3.1 管节长度在20世纪，世界上修建的沉管隧道长度一般在2km以内， 每节管长一般在100130 m。目前，大型沉管隧道的长度 已增加至3km以上，随着隧道长度的增加和建设工期的要 求，管节长度需要进一步增大： 2000 年建成的

6、丹麦瑞典 的厄勒松海峡沉管隧道， 沉管段长约 3.5 km ，其标准管节长 176m;2011年建成的韩国釜山一巨济沉管隧道，沉 管段长约3.3km ,其标准管节长180 m;港珠澳大桥沉管隧 道的沉管段长约5 . 7 km,在综合考虑装备能力和工期的影响下确定标准管节长180 m;拟建的丹麦一德国的费马恩海 湾沉管隧道，沉管段长约 17.6km， 业主招标方案的标准管 节采用了长217 m的节段式钢筋混凝土矩形管节。 可见，跨 海沉管隧道的管节长度有进一步增长的趋势。3.2 管节型式沉管管节的结构型式主要有钢壳结构和钢筋混凝土结构2种型式，也有钢壳与钢筋混凝土的复合结构型式。凭借混凝 土结构

7、防水及控裂技术的进步、柔性接头的出现和横断面利 用的优势，矩形箱式钢筋混凝土结构成为当今沉管隧道的主 流结构型式。根据港珠澳大桥建设标准及规模要求，单向3 车道的行车隧孔单孔跨度达 14.55 m,加上隧道深埋回淤上 覆荷载偏大，一般的矩形箱式钢筋混凝土结构已不能适应， 因此采用了折拱式横断面予以解决，见下图整体式管节采用管节接头把各管节通过沉放安装连接为沉 管段，每管节纵向分为若干施工段，各施工段通过纵向钢筋 连接在一起，各施工段之间为施工缝连接，加上可使用外包 防水措施，因此管节本身具有良好的水密性；管节接头通过 水力压接的GINA橡胶止水带作为第1道密封，OMEG A橡胶止水带作为第2道

8、密封，加上设置接头受力结构件， 管节接头具有良好的水密性。节段式管节本身纵向亦分为若 干节段，节段之间纵向钢筋断开，各节段通过临时预应力拉 索连接在一起（在隧道完工后临时预应力拉索被剪断） ，节 段之间形成变形缝作用的节段接头，这种结构形式改善了管 节受力条件，但变形缝（节段接头）增多，这便将结构的受力矛盾转嫁为水密性矛盾。随着隧道总长度的增加和工期的 要求，管节长度也需要相应增加，而整体式管节的长度基本 发展到了极限，难以满足工期要求，同时又由于混凝土温度 应力和收缩徐变等因素的影响，长管节需以节段式取代整体 式。港珠澳大桥海中沉管隧道的标准管节采用8X 22.fi方案，岛隧设计施工总承包商

9、为提高长管节节段接头的水密性， 提出将浮运沉放过程中的纵向临时预应力保留为永久预应 力。3.3 隧道纵向分析传统上，整体式管节和节段式管节也分别被称为“刚性管节” 和“柔性管节”。节段式管节在沉放完成后剪断纵向临时预应 力，在计算分析中一般不考虑其纵向刚度，以节段接头的变 形适应地基的不均匀沉降，从而减小结构内力。港珠澳大桥 岛隧设计施工总承包提出的保留纵向预应力的目的，是利用 节段接头接触面摩擦力提高节段接头抗剪能力，通过增加节 段接头抗弯刚度以减小可能的张开量，在增强结构的同时又 提高了水密性。国外曾有个别工程保留浮运沉放过程中的纵 向临时预应力不剪断，其目的主要是为了缩短工期，在结构 力

10、学分析上并无重要突破，也难以证明结构“增强”后对其受 力是否有利。其实，传统的节段式管节在纵向轴力作用下也会存在一定刚度，因为水力压接使管节接头形成水密性能的GINA止水带保持必要的压缩量，其反作用于管节形成了纵向轴力。这 个刚度与纵向轴力大小密切相关，见图5,保留纵向预应力， 通过向管节“输入” 一定的轴力，可进一步量化调节节段接头 的刚度，这与盾构隧道横向接头抗弯刚度力学原理相同。国 外在节段式沉管隧道计算中一般偏于“保守”的视节段接头为 可自由转动的铰，不考虑其抗弯刚度，虽然在分析理论上没 有继续往前多走一步，但在实际工程中保留纵向预应力的可 靠性是值得关注的。判断预应力是否需要保留且进

11、一步量化，应进行隧道结构的 纵向受力分析，根据计算结果分析结构刚度增加所带来的管 节与接头（包括管节接头与节段接头）的内力（弯矩和剪力 等）和抗力（截面压力和摩擦力等） 变化情况，以及接头（包 括管节接头与节段接头）变形和止水带水密性安全系数的变 化情况。对于节段接头，若抗力增加快于内力增加，保留或 增加预应力是有利的，但还需要考察管节接头的内力、张开 量和GINA止水带水密性的变化情况，从整体上进行协调 平衡，不能只着眼于对局部是否有利。因此，保留纵向永久 预应力的节段式管节的最大意义是可以通过预应力调节管 节的刚度，以量化的刚度和变形指标解决地基沉降、管节受 力和水密性之间的矛盾。需要注意

12、的是，这也带来了永久预 应力应用于水下隧道所需要面对的密封性和耐久性问题。可见，大型沉管隧道的管节型式，从水密性良好但存在受力 矛盾的整体管节，发展到将受力矛盾转化为水密性矛盾的节 段式管节，未来可能会向寻求平衡受力与水密性矛盾的保留 合适预应力管节的方向发展。4.混凝土结构耐久性设计 以往修建的沉管隧道，大部分处于江河下游，耐久性问题并 不突出。从20世纪90年代开始，沉管隧道工程从江河环 境逐渐向江河入海口、海湾环境甚至跨海峡环境发展，暴露 在海洋环境中的混凝土结构耐久性面临进一步挑战。对于在 海洋环境中采用钢筋混凝土结构的沉管隧道（特别是没有外 包防水的节段式混凝土管节） ，混凝土结构的

13、耐久性设计和 控裂技术是实现混凝土结构自防水的关键。4.1 传统耐久性设计 传统的耐久性设计方主要是建立在经验的基础上，依据判断 符合原则（ deem-to-satisfy rules ）建立经验理论体系，综 合经验、摸索和直觉确定钢筋混凝土钢筋保护层的厚度，无 执行操作和设计使用年限定义的说明，依据的材料和工艺陈 旧，试验方法存在较多缺点，没有论述与设计使用年限有关 的混凝土早期质量要求。发达国家从20世纪50年代中期 起就投入大量人力、经费致力于混凝土结构耐久性研究。欧 盟资助的 Duracrete 研究项目（ 1996 1999 ），在国际上首 次提出了混凝土耐久性的可靠度设计方法，作为

14、使用年限设 计方法在厄勒海峡和釜山巨济通道等工程上得到了应用。近2 0年，我国在混凝土结构耐久性特别是暴露在海洋环境 中的混凝土结构耐久性研究方面投入了大量的研究力量，发 表了一批针对海洋环境钢筋混凝土结构腐蚀作用的研究成 果，开发了实验室开展海洋环境研究的人工气候箱（室） ， 编制和更新了相关的国家与行业技术标准，在多项跨海工程 建设中逐渐积累了宝贵的经验。然而在具体设计中，对于海 底隧道混凝土结构的耐久性设计尚处于遵从经验判定的阶 段，虽然可以给出对应不同设计使用年限的混凝土耐久性控 制指标，但这些指标是基于目前规范规定和传统的经验进行 取值，使得耐久性技术指标和设计使用年限之间缺乏可靠的

15、 理论对应关系，满足设计要求的工程是否就能达到规定的设 计使用年限仍缺乏足够的理论依据。4.2 耐久性设计发展 目前在国际上，基于设计使用年限的耐久性设计方法研究， 对混凝土性能可分为2种不同等级：1 ）ACI （美国混凝 土学会）的 life365 ，仅仅对混凝土环境腐蚀而发生劣化过程 这小部分作随机 （概率） 分析，其余大部分则为判定性分析， 原则上定为1级；2）欧盟的 Duracrete ，除了对耐久性设 计采用概率方法计算外，还考虑材料性能对耐久性设计的影 响，原则上定为2级。港珠澳大桥沉管隧道耐久性设计方法，是基于结构使用年限 的定量耐久性设计，强调结构构件的环境作用，基于近似环 境

16、的暴露试验数据，以全概率或近似概率方法建立耐久性数 学模型对钢筋混凝土的保护层厚度、氯离子扩散系数、所处 环境条件以及养护措施等变量进行分析，对构件的材料指标 或者结构指标提出量化要求。表1为目前各种耐久性设计方 法特点对比，可见，港珠澳大桥沉管隧道耐久性设计方法不 但结合了工程环境、材料和施工工艺，还从定性判断提高到 了定量控制。5.管节工厂化生产 在传统干坞中预制管节，从钢筋绑扎、模板架立、混凝土浇 筑到拆模养护等工作，都是围绕着管节实体在固定的非常有 限的空间内进行，工序和台班易受扰动、模板经常拆卸移动 而使得预制质量与工作效率不高。港珠澳大桥沉管隧道由于 距离长、工期紧，需要预制的管节

17、长、体积大、数量多，混 凝土的控裂质量也直接影响着结构耐久性和防水，若使用传 统干坞，则还需要临时系泊存放而占用较大的海域面积，造 价高而效率低，因此，管节预制应寻求更高效率的生产方式 和工艺。厄勒松海峡沉管隧道工程首次成功实施了管节工厂 化生产，其本质是实现流水化生产模式，即在流水线上的不 同位置依次完成钢筋绑扎、模板架立、混凝土浇筑、拆模养 护、浅坞一次舾装和深坞二次舾装等工作，通过将生产对象（管节钢筋笼或成型混凝土）进行顶推平移至下一道工序位 置进行后续作业。这种生产方法适用于节段式管节的预制生 产，模板只需按一节段长度进行制造，逐段生产、顶推，再 连接成管节，其模板在生产线的位置固定，

18、可大大节约模板 数量且便于维护，而且，生产线的大部分工作在室内环境下 进行，可全天候作业，各道生产工序可同时进行，相互干扰 少，显著提高了管节生产的效率和质量。港珠澳大桥沉管隧道工程是世界范围内第2个成功实现管 节工厂化的建设项目，在消化吸收厄勒松海峡沉管隧道工厂 化生产技术的基础上，不但成功实现了工厂化生产的5大关 键设施：管节混凝土模板系统、混凝土搅拌及供应系统、混 凝土温控及养护系统、管节顶推与导向系统和管节支承系统， 还作了4项重要技术创新：1）将顶推系统从管节截面顶推 改进为底部支座顶推；2）因地制宜，将深坞与浅坞平行布 置，将深坞的管节存储量从2节增加到4节，并将系泊区与 深坞晒装

19、区合并；3）进一步实现了流水化的底、侧、顶钢 筋加工及拼装生产线，采用了摩擦焊接和数控钢筋加工技术， 大大提高了钢筋笼精度和施工自动化水平；4）采用了大型 自动化液压混凝土模板及其两侧的大型混凝土结构反力墙， 大大提高了管节制作精度和工效。港珠澳大桥沉管隧道管节预制厂在2条流水线同时作业的 情况下，每2月生产2个管节，每个标准管节混凝土用量约 2.7万立方米，质量超过7万t,每个节段混凝土方量约 3400 立方米，采用全断面一次浇筑， 温度裂缝控制效果良好。6.地基与基础处理6.1 地基设计 传统的沉管隧道一般基槽开挖量不大，上覆荷载很小或没有， 怕浮不怕压，对地基要求不高。港珠澳大桥沉管隧道

20、由于上 覆回淤荷载大，下卧软基厚，对地基要求高，沉降问题甚至 是工程建设成败的关键。地基处理主要有复合地基和桩基础2大类，早期使用刚性接 头的沉管隧道多使用偏刚性的桩基础，水力压接的柔性接头 出现后，较多地采用了复合地基。港珠澳大桥沉管隧道穿越 了淤泥、淤泥质黏土和淤泥质黏土混合砂，在岛头段采用了PHC刚性桩复合地基代替了传统的支承桩地基型式，在海 中人工岛护岸地基加固成功研发了水下高置换率挤密砂桩（SCP ）后，将沉管隧道的过渡段由减沉桩（定位桩）更 改为挤密砂桩（SCP ）复合地基，总体上以复合地基的设 计理念实现隧道与地基刚柔协调和沉降过渡，将沉降差控制 在隧道结构可承受的范围内。6.2

21、 基础垫层处理基础垫层的处理一般分为先铺法和后填法2大类。先铺法有 刮砂法和刮石法；后填法有砂流法、灌囊法和压浆法等。后 填法的主要优点在于高程便于调节，施工设备占用航道时间 短和潜水工作量少，但在地震时容易发生砂土液化而使基础 失去承载力。由于水深大、水流复杂、管节体量大，若使用 后填法基础需要对管节两端进行临时支撑，而节段式管节在 简支状态下受力较为不利，因此海中沉管隧道一般优先考虑 先铺法基础垫层。碎石整平法是由传统刮石发展为通过下料刮铺的一种先铺 法，其碎石垫层带有垄沟，其主要优点是：在相对较大的波 浪和水流情况下仍能适用，具有一定纳淤能力，管节沉放连 接后能快速保持管节稳定以及垫层顶

22、面可进行可视化检查。 但采用先铺法的管节在着床后高程及纵、横坡不可再调，管 节高程与纵、横坡的误差基本取决于碎石垫层的误差，因此 管节沉放对基础垫层的精度要求高，需采用大型高精度机械 设备进行施工。港珠澳大桥沉管隧道工程研制开发了按拟定 纵坡均匀下料铺设的高精度碎石整平船，代替了传统的刮铺 法处理工艺， 实现了整平船的准确定位、 平台升降锁紧控制、 下料管升降及整平台车纵向和横向移动的控制、抛石管整平 刮刀的高程调节、基床整平的同步质量检测等自动化控制， 克服了在深水施工中的2大技术难题：1）利用细长的下料管在不稳定的水流中来回移动下料形成 平整的“Z”型碎石垄；2）船位移动后前后船位之间施作

23、的垫层连接平顺。该整平船在已完成的E1E14管节基础铺设过程中，实现了在8个有效工作日内以7个船位完成一个标准沉管管节的碎石基床铺设，碎石基床精度可达土 3 0mm。7.管节安装与测控7.1 管节安装目前沉管隧道管节的安装普遍采用水力压接法，随着水深的 增加，潜水员水下探摸作业越来越困难，管节沉放安装需要 以先进的施工设施和装备代替传统的潜水员作业。韩国釜山巨济沉管隧道工程采用了一对遥控水下调节架（EPS）用于管节对接施工，并采用了一艘微型水下交通潜艇用于水下施工质量检查，避免了潜水员水下作业的风险 港珠澳大桥沉管隧道工程也自行开发了一套“深水无人沉放 系统”，包括锚泊定位系统、压载控制系统、

24、自动拉合系统、 测量控制系统和体内精调系统等，通过信息技术和遥控技术 实现管节姿态调整、轴线控制和精确对接。与韩国釜山巨 济沉管隧道不同，该系统采用“内调法”实现管节对接后的线 性调整，即在GINA内侧安置若干千斤顶实现精调功能。7.2 测量与定位长距离水下沉管隧道的测量定位需解决3个主要问题：1） 沉管段最终接头的贯通精度。一般主要由洞外引入的精 密导线控制；2） 各沉管管节的平面和高程位置精度。近岸可视的条件下 可以全站仪和测量塔为主，长距离不可视的情况下需采用G PS+RTK定位；3） 相邻管节的对接精度。可使用金属拉线、差分声呐、水 声水听声呐阵列等。由于港珠澳大桥沉管隧道距离超长，处

25、于外海环境，测量可 视条件较差，而且受阻水率等条件限制而造成的桥隧转换人 工岛短且小，如何建立精密导线确保最终贯通精度，以及如 何将GPS平面坐标测控与管节沉放安装相对位置测控系 统集成为具有较高精度的综合测控系统，克服水文与气象的 干扰，仍是建设者们面临的挑战。港珠澳大桥沉管隧道把管 节平面位置控制测量与管节沉放对接相对位置精度控制测 量集成为GPS+RTK+差分声呐控制系统，实现了cm 级的控制精度。8.未来技术展望 随着国家海洋经济的发展，将会不断出现新的跨海通道，沉 管隧道是其中可供选择的工法之一，未来可能需要面临更大 的水深、更长的距离等更为苛刻的建设条件和更高的建设标 准，可能还需

26、进一步突破单孔大跨度、大水深、超长距离、 长管节和多功能等带来的技术难题。1）单孔大跨度。美国 Fort McHenry 隧道、荷兰的 Drecht 隧道和上海外环路隧道，是目前世界上仅有的3座双向8车 道水下道路隧道，但其采用了四孔（每孔2车道）两管廊或 三孔两管廊的断面形式，我国筹建中的深中（深圳中山） 通道，前期客流预测要求其达到双向8车道的高速公路建设 标准，采用沉管隧道方案需进一步解决单孔4车道 （18.55 m）的大跨度技术难题。2）大水深。土耳其的博士普鲁斯海峡隧道为目前最深的铁 路沉管隧道，最大水深达6 1m,而多车道的箱式矩形公路 沉管隧道能否达到此水深，也需要进一步突破横向

27、断面受力 问题。此外，随着水深进一步增加， 潜水员作业将更加困难， 需进一步研发高精度的水下作业和检测装备。3） 超长距离、长管节。丹麦一德国的费马恩（Fehmarnbelt ） 海湾沉管隧道，沉管段长 17.6 km,最大水深 40 m。该 项目为公铁两用，公路采用双向四车道 120 km/h技术标 准；铁路采用160 km/h技术标准，横断面42.2 mX 8.9 m, 业主招标推荐管节长 217 m（ 24.1 mX9节段），这需要进 一步解决大体积混凝土的抗裂难题和研发更强大的施工装 备,以及可能需要集成各种更为先进的技术、 仪器和设备等。4） 多功能（公铁两用）。由于城市发展、土地使用限制、 通道资源越来越少,需要公路、铁路、市政等多功能集合的 隧道工程,如已建的广州市珠江沉管隧道、厄勒海峡沉管隧 道、在建的佛山市东平河沉管隧道以及拟建的费马恩沉管隧 道。公（道）铁两用隧道需要进一步协调解决不同功能的技 术标准和接口等问题。由于沉管隧道比盾构隧道和矿山法隧 道更有利于与两岸接线协调,更有利于高速铁路的建设,未 来有可能会出现第一条服务于高速铁路的沉管隧道。作者：陈韶章，苏宗贤，陈越