尹海卿

(中交聯(lián)合體港珠澳大橋島隧工程項目總經(jīng)理部，廣東 珠海 519080)

港珠澳大橋島隧工程設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)

尹海卿

(中交聯(lián)合體港珠澳大橋島隧工程項目總經(jīng)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(shè)計方案、鋼圓筒制作運輸及振沉技術(shù)；2)沉管隧道設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)，如沉管隧道基礎(chǔ)、深埋大回淤節(jié)段式沉管、沉管管節(jié)預(yù)制、沉管浮運及安裝、曲線段管節(jié)等；3)各施工階段的主要專用設(shè)備，如8錘聯(lián)動大型圓筒同步振沉系統(tǒng)、定深平挖抓斗船(精挖)、耙頭定壓專用清淤船和全斷面預(yù)制液壓模板系統(tǒng)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(shù)；基槽粗挖、精挖；基槽清淤；基礎(chǔ)拋石夯平；碎石基床鋪設(shè)；節(jié)段式沉管；沉管管節(jié)預(yù)制；大型液壓模板系統(tǒng)；沉管浮運及安裝

0 引言

港珠澳大橋東接香港特別行政區(qū)，西接廣東省(珠海市)和澳門特別行政區(qū)，是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中珠江三角洲地區(qū)環(huán)線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關(guān)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(shè)條件及要求，介紹了工程的總體設(shè)計方案，分析了港珠澳大橋的技術(shù)挑戰(zhàn)及相應(yīng)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(yīng)用的新技術(shù)，如沉管隧道管節(jié)工廠化生產(chǎn)、基槽開挖方法及設(shè)備、 碎石刮鋪處理基礎(chǔ)的方法及設(shè)備、體外定位系統(tǒng)及管節(jié)浮運與沉放等。在上述文獻的基礎(chǔ)上，本文著重對人工島和沉管隧道(沉管基礎(chǔ)、深埋大回淤節(jié)段式沉管、沉管管節(jié)預(yù)制、沉管浮運及安裝等)的設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)進行了總結(jié)，并針對各施工階段的專用設(shè)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(shè)的沉管隧道，是目前世界唯一的深埋大回淤節(jié)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(jié)沉管，實現(xiàn)西島與隧道的施工轉(zhuǎn)換，依次沉放E1至E29，E33至E30沉管管節(jié)，接頭位于E29與E30管節(jié)之間。

2)沉管預(yù)制、存放。沉管采用工廠化預(yù)制，預(yù)制廠位于桂山島，距離現(xiàn)場約13 km。工廠分為生產(chǎn)區(qū)、淺塢區(qū)和深塢區(qū)，可存放6節(jié)管節(jié)。沉管預(yù)制廠設(shè)置2條生產(chǎn)線，每2個月生產(chǎn)2節(jié)沉管。沉管節(jié)段以22.5 m為單元，在流水線上標準化預(yù)制，依次綁扎底板、側(cè)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(tǒng)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(jié)進行封閉恒濕養(yǎng)護，信息化手段全程監(jiān)控，由計算機控制液壓自平衡支撐系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和頂推系統(tǒng)。

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(tǒng)進行精挖，開挖精度控制在0.5 m以內(nèi)。研發(fā)專用清淤船進行基槽清淤。采用擠密砂樁船打設(shè)擠密砂樁并進行堆載預(yù)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(fā)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(jié)從預(yù)制區(qū)移動到淺塢區(qū)，安裝壓載水系統(tǒng)，裝配式安裝封門等一次舾裝。關(guān)閉鋼塢門及深淺塢門，塢內(nèi)灌水，管節(jié)起浮移至深塢區(qū)。塢內(nèi)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(yè)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(xiàn)場。沉管定位，灌水下沉，深水無人沉放定位系統(tǒng)調(diào)位，千斤頂拉合，水力壓接，GINA止水帶充分壓縮，精調(diào)系統(tǒng)進行隧道軸線調(diào)整，完成沉管對接，鎖定回填，管頂回填及防護。

3 人工島設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 人工島設(shè)計方案

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

(a)快速成島

(b)超載預(yù)壓

(c)島內(nèi)、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(lián)動振沉系統(tǒng)進行振沉作業(yè)。 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(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)

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

沉管隧道的關(guān)鍵主要是隧道基礎(chǔ)設(shè)計與施工、深埋段隧道縱向設(shè)計、沉管工廠化預(yù)制和沉管安裝。

4.1 沉管隧道基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)的剛度協(xié)調(diào)均勻，基礎(chǔ)設(shè)計進行了多方案比選優(yōu)化，且對施工精度提出了嚴格要求。沉管隧道基礎(chǔ)如圖4所示。

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

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

4.1.1 沉管隧道基礎(chǔ)設(shè)計

沉管隧道基礎(chǔ)設(shè)計采用SCP+堆載預(yù)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(zhì)資料，按英標組織島隧區(qū)地質(zhì)勘察，國際地質(zhì)工程師全程監(jiān)督和全程參與設(shè)計。通過精細化勘察，獲得詳細準確的地質(zhì)地層參數(shù)，并建立了數(shù)據(jù)庫及三維地質(zhì)模型。

4.1.3 精細化基礎(chǔ)施工

沉管基礎(chǔ)施工質(zhì)量是決定沉管隧道成敗的關(guān)鍵。主要關(guān)鍵工序包括：基槽粗挖、精挖，基槽清淤，基礎(chǔ)拋石夯平和碎石基床鋪設(shè)。

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(fā)了大型定深平挖抓斗挖泥船和挖深精度控制系統(tǒng)，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(chǔ)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(tǒng)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(chǔ)面上(塊石、碎石、黏土等)進行清淤施工。

(a)

(b)

3)基礎(chǔ)拋石夯平。由于拋石夯平作業(yè)水深大(46 m)、夯平精度高(小于30 cm)，夯平要順應(yīng)基礎(chǔ)坡度，水下拋石、夯平工作量大，因此，開發(fā)了專用溜管式拋夯一體船(見圖6)，可實現(xiàn)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(zhì)量。

4)碎石基礎(chǔ)鋪設(shè)。由于水深大(40 m)、整平精度要求高(允許偏差±40 mm)，且整平質(zhì)量關(guān)系到沉管標高、接頭受力，整平工作量大(單節(jié)面積近1.5萬m2)，所以研制出了國內(nèi)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(tǒng)，基床鋪設(shè)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(jié)段式沉管設(shè)計

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

管節(jié)結(jié)構(gòu)采用混凝土自防水，設(shè)計使用壽命120年。

(a)

(b)

4.3 沉管管節(jié)預(yù)制

沉管隧道共33節(jié)管節(jié)，標準管節(jié)長180 m，由8個節(jié)段組成，單個節(jié)段長22.5 m，單節(jié)混凝土方量約3 400 m3，采用全斷面一次性連續(xù)澆筑，綜合考慮預(yù)制質(zhì)量控制及工期要求，采用工廠法預(yù)制。

4.3.1 沉管預(yù)制廠

沉管預(yù)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(chǎn)，每70 d生產(chǎn)2個管節(jié)。預(yù)制廠包括管節(jié)生產(chǎn)區(qū)、淺塢區(qū)和深塢區(qū)。

4.3.2 預(yù)制廠生產(chǎn)線配置

預(yù)制廠的生產(chǎn)線集成了當今世界多項先進技術(shù)和裝備，如流水化鋼筋生產(chǎn)加工線、一次全斷面澆筑液壓模板、混凝土攪拌及供應(yīng)系統(tǒng)、混凝土溫控及養(yǎng)護系統(tǒng)和管節(jié)頂推系統(tǒng)。

4.3.2.1 流水化鋼筋施工生產(chǎn)線

由于鋼筋加工、綁扎量大，共設(shè)置2條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線設(shè)置3個鋼筋加工、綁扎區(qū)，形成流水作業(yè)。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(tǒng)

模板系統(tǒng)由底模、側(cè)模、內(nèi)模及針形梁組成，由液壓系統(tǒng)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(yīng)系統(tǒng)

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

4.3.2.4 混凝土溫控及養(yǎng)護系統(tǒng)

設(shè)置制冰系統(tǒng)，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(yǎng)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(jié)28 ℃)，采用養(yǎng)護棚噴淋養(yǎng)護，全過程進行溫度監(jiān)控。

圖11 大型液壓模板系統(tǒng)

4.3.2.5 管節(jié)頂推系統(tǒng)

每個管節(jié)質(zhì)量約7.8萬t，管段下方設(shè)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(jié)設(shè)128臺頂推千斤頂，多點分散同步頂推，在管節(jié)前后設(shè)置2套導(dǎo)向裝置。管節(jié)頂推系統(tǒng)如圖12所示。

圖12 管節(jié)頂推系統(tǒng)

4.3.3 管節(jié)起浮橫移

管節(jié)預(yù)制、一次舾裝完成后，關(guān)閉深、淺塢門，進行塢內(nèi)灌水、管節(jié)起浮試漏。通過塢內(nèi)絞纜系統(tǒng)，橫移管節(jié)至深塢區(qū)。

4.3.4 管節(jié)舾裝

沉管在淺塢內(nèi)進行流水化一次舾裝和在深塢內(nèi)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(nèi)首條外海沉管隧道，工程經(jīng)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(fù)雜；深水安裝和潛水作業(yè)難度大；沉管對接安裝精度要求高；要求36個月完成33節(jié)管安裝，工期緊。

4.4.1 研發(fā)精細化作業(yè)窗口管理系統(tǒng)

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

4.4.2 沉管浮運存在的技術(shù)難點及解決措施

4.4.2.1 技術(shù)難點

1)管節(jié)尺度大，數(shù)量多；

2)水流、浪波條件復(fù)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(xié)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(nèi)長距離橫拖，開展了浮運阻力物理模型試驗、數(shù)值模擬計算；

2)進行了管節(jié)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(shù)超過5萬馬力，約3.767 kW)大馬力全回轉(zhuǎn)拖輪協(xié)同作業(yè)；

5)開發(fā)了專用導(dǎo)航系統(tǒng)，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(jié)斷面巨大，受波浪、水流力大；流態(tài)多變，對錨泊系統(tǒng)威脅大；沉放駁與沉管組成多浮體柔性受力體系，動力響應(yīng)規(guī)律復(fù)雜等特點。為此，從系泊系統(tǒng)受力(纜力、吊點力)，管節(jié)系泊、沉放過程中的動力響應(yīng)，錨抓力試驗，雙體船沉放駁錨泊系統(tǒng)，設(shè)置系泊錨纜及沉放錨纜系統(tǒng)方面進行了物理模型、數(shù)值模擬試驗。

4.4.4 沉管沉放——深水無人沉放系統(tǒng)

采用扛吊法進行沉管安裝，通過信息技術(shù)和遙控技術(shù)，在安裝船控制室實現(xiàn)管節(jié)姿態(tài)調(diào)整、軸線控制和精確對接。無人沉放系統(tǒng)包括錨泊定位系統(tǒng)、壓載控制系統(tǒng)、數(shù)控拉合系統(tǒng)、深水測控系統(tǒng)和管內(nèi)精調(diào)系統(tǒng)。

1)壓載系統(tǒng)。在控制室內(nèi)遙控，實現(xiàn)管節(jié)壓載,水箱注水、排水，調(diào)節(jié)管節(jié)在水中的負浮力和姿態(tài)。

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

3)數(shù)控拉合系統(tǒng)。沉管對接后，采用拉合系統(tǒng)使GINA止水帶初步壓縮。拉合系統(tǒng)采用反勾結(jié)構(gòu)，通過遙控實現(xiàn)千斤頂拉合。

4)管內(nèi)精調(diào)系統(tǒng)。 沉管水力壓接完成后，如出現(xiàn)軸線偏差超出設(shè)計要求，則需進行線形調(diào)整。管節(jié)與基床摩阻力大，GINA止水帶反力大，需設(shè)置多臺頂推和限位千斤頂。

5 專用設(shè)備

5.1 人工島專用設(shè)備

主要是8錘聯(lián)動大型鋼圓筒同步振沉系統(tǒng)，如圖14所示。

(a)

(b)

5.2 基礎(chǔ)施工專用設(shè)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(chǔ)施工專用設(shè)備
Fig.15 Tunnel foundation construction equipment

5.3 沉管預(yù)制專用設(shè)備

主要是全斷面預(yù)制液壓模板系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、管節(jié)同步頂推系統(tǒng)和管節(jié)支撐系統(tǒng)，如圖16所示。

5.4 沉管浮運安裝專用設(shè)備

主要是壓載系統(tǒng)、拉合系統(tǒng)、GPS+聲納監(jiān)控系統(tǒng)、精調(diào)系統(tǒng)、沉管安裝船和大馬力全回轉(zhuǎn)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(shè)的深埋沉管隧道，規(guī)模龐大，技術(shù)難度高。開工2年來受到社會各界及行業(yè)內(nèi)的高度關(guān)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(jié)的安裝，總長度突破千米。沉管隧道設(shè)計施工技術(shù)得到了全面驗證。

后續(xù)工作仍面臨巨大的挑戰(zhàn)和風險，如曲線段管節(jié)的預(yù)制、安裝，最終接頭的優(yōu)化設(shè)計等。

(a)全斷面液壓模板系統(tǒng)

(b)攪拌系統(tǒng)

(c)管節(jié)同步頂推系統(tǒng)

(d)管節(jié)支撐系統(tǒng)

圖17沉管浮運安裝專用設(shè)備
Fig.17 Tube element towing and installation equipment

[1]劉曉東.港珠澳大橋總體設(shè)計與技術(shù)挑戰(zhàn)[C]//第十五屆中國海洋(岸)工程學術(shù)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(shù)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(yè)于大連工學院海洋石油建筑工程專業(yè)，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(shù)研究及管理工作?，F(xiàn)任中交聯(lián)合體港珠澳大橋島隧工程項目總部副總經(jīng)理、常務(wù)副總工程師，是中國水運協(xié)會專家?guī)斐蓡T，上海港口工程專家?guī)斐蓡T。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