本刊記者 張磊慶

Construction Focus 聚焦工程

聚焦港珠澳大橋工程（二）港珠澳大橋島隧工程
——沉管對接

本刊記者 張磊慶

港珠澳大橋工程沉管隧道由33個管節(jié)連接而成，其中29個標準沉管長180m，每個標準沉管重達7.4萬噸，最大沉放水深44m；另外4個連接兩個人工島的沉管長112.5m，寬37.95m、高11.4m；底板、頂板、側(cè)墻厚度均為1.5m；中隔墻厚0.8m。沉管在工廠預(yù)制完成后(見本刊上期“港珠澳大橋島隧工程——沉管預(yù)制”)，兩端用鋼板封閉，由廠房頂推至浮塢區(qū)，塢池放水使沉管漂浮至水面，再由大型拖船拖運至安裝位置，管節(jié)定位就緒后，向管節(jié)內(nèi)灌水壓載，使之下沉到預(yù)先處理好的隧道基礎(chǔ)上，沉放的管節(jié)在水下完成對接；覆土（石）回填后，筑成隧道。

1　沉管隧道基礎(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。沉管隧道基礎(chǔ)處理的控制因素是土體允許的剛度變化范圍與總沉降，允許的差異土體剛度是通過分析隧道管節(jié)上的容許內(nèi)力和接頭最大允許張開量的要求來確定的。

基槽開挖本工程沉管隧道坐落在深厚軟基層上，為了保證整個基礎(chǔ)的剛度協(xié)調(diào)均勻，基礎(chǔ)設(shè)計形式多樣，且施工精度要求高?；劭傞L5664m，底寬41.95m，底標高-16.0～-45.0m。沉管基礎(chǔ)作業(yè)主要關(guān)鍵工序包括：①基槽粗挖、精挖；②基槽清淤；③基礎(chǔ)拋石夯平；④碎石基床鋪設(shè)。

擠密砂樁施工港珠澳工程共計投入7條擠密砂樁船進行基礎(chǔ)加固施工；根據(jù)需求，置換率為26%～70%，擠密置換的同時，實現(xiàn)排水固結(jié)；最大施工深度可達70m，最大成樁樁徑可達2m；成樁過程中實現(xiàn)計算機全自動控制，保障了成樁的高質(zhì)量，實踐證明，擠密砂樁的控沉效果達到了工程預(yù)期。

基槽粗、精挖粗挖是開挖自然泥面至離設(shè)計底標高約2m間的泥層，選用1萬m3以上耙吸船承擔(dān)粗挖施工，耙吸船應(yīng)具有動力定位及動力跟蹤的功能；精挖是粗挖完成后至設(shè)計底標高間的泥層，選用具有定深和平挖功能的大型抓斗挖泥船，可減少底部擾動和浮泥產(chǎn)生；開挖水深達50m，開挖精度要求高（-60～+40cm)；港珠澳工程施工方開發(fā)采用大型定深平挖抓斗和挖深精度控制系統(tǒng)，經(jīng)過實際施工驗證滿足要求。

沉管隧道縱斷面示意圖

基槽清淤清淤是清除粗挖結(jié)束后至精挖前基槽淤積的泥沙，以及精挖后基槽底和基床面回淤的浮泥層，選用專用清淤船進行清淤，確保沉放時水容重的變化控制在要求范圍之內(nèi)。沉管隧道橫臥在珠江口，存在大量回淤；回淤將造成沉管安裝期間浮力突然增大而致使沉管意外上浮，并給后期運營帶來超期沉降。為此，項目部與荷蘭公司聯(lián)合研制專用清淤船，該清淤船能夠進行系統(tǒng)定位和測量，能實時顯示基槽槽底縱坡，可滿足在不同類型基礎(chǔ)面上（塊石、碎石、粘土等）進行清淤施工。

清淤船作業(yè)示意圖

基礎(chǔ)拋石夯平沉管隧道基礎(chǔ)施工中，基礎(chǔ)拋石夯平作業(yè)有以下特點：水深大（46m），夯平精度高（小于30cm）；夯平要順應(yīng)基礎(chǔ)坡度；水下拋石、夯平工作量大。為此，施工方開發(fā)出了專用溜管式拋夯一體船：溜管定點定量拋石、定點夯平；采用液壓振動錘水下夯平，大幅提高夯平效率及質(zhì)量。

碎石基床鋪設(shè)碎石基床鋪設(shè)施工有如下3個特點：①水深大（40m)，整平精度要求高（允許偏差±40mm)，整平質(zhì)量關(guān)系到沉管標高、接頭受力；最大縱坡坡度為2.98%；②整平工作量大（單節(jié)面積近1.5萬m2)，為此研制了國內(nèi)第一艘平臺式整平船；③自動抬升、皮帶運輸、高精度聲納測控三大系統(tǒng)，全部采用自動化控制。經(jīng)過對E1～E4管節(jié)碎石基床檢測，管節(jié)檢測點驗收數(shù)據(jù)合格率達到95%以上。

平臺式整平船作業(yè)示意圖

2　管節(jié)浮運及沉放安裝

管節(jié)的浮運采用拖輪拖帶的方式，結(jié)合工程實際情況，采用縱拖和橫拖相結(jié)合的浮運方案。選用穩(wěn)定性和可控性較好的雙駁扛吊法進行管節(jié)沉放安裝。

2.1沉管浮運

正式開始拖運前，項目部開展了浮運阻力實物模擬試驗、數(shù)字模擬計算，進行了管節(jié)浮運拖帶操船模擬試驗，并在施工海域開展了4次浮運演練。

沉管航道內(nèi)浮運采用4+4+2的方式進行拖帶，其中4艘大馬力全回轉(zhuǎn)拖輪吊拖、4艘全回轉(zhuǎn)拖輪綁拖，2艘拖輪備用。10艘大馬力全回轉(zhuǎn)拖輪協(xié)同作業(yè)，總馬力數(shù)超過5萬Hp。為了更好地協(xié)調(diào)各拖輪作業(yè)，項目開發(fā)了專用導(dǎo)航軟件，并在作業(yè)期間實施海上臨時交通管制和護航。

沉管浮運及安裝流程

在基槽浮運中備用拖輪4+6的方式進行橫拖。

2.2沉管深水沉放

沉管隧道采用扛吊法進行無人沉放對接，安裝船控制室通過信息技術(shù)和遙控技術(shù)實現(xiàn)管節(jié)姿態(tài)調(diào)整、軸線控制和精確對接。這套管節(jié)體外定位系統(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)、管內(nèi)精調(diào)系統(tǒng)。

管節(jié)體外定位系統(tǒng)由2個門形框架組成，分別安裝在管節(jié)的接頭端和尾端，框架與管節(jié)上的起重吊耳相連接。當(dāng)隧道管節(jié)放置到基礎(chǔ)上后，體外定位系統(tǒng)將投入使用。當(dāng)移動隧道管節(jié)時，接頭端和尾端兩側(cè)體外定位系統(tǒng)底座將提供支撐，并確保管節(jié)不會因為水流和波浪產(chǎn)生側(cè)向位移。在輕微提升管節(jié)時，體外定位系統(tǒng)底座將依靠下部的碎石基礎(chǔ)提供地基反力。當(dāng)管節(jié)被提升后，可以在減少管節(jié)底部摩擦的情況下調(diào)整管節(jié)，管節(jié)向前移動由安裝在管節(jié)頂部的拉合千斤頂控制，管節(jié)尾端橫向位置則由安裝在底座上的橫向千斤頂調(diào)整。

定位系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：管節(jié)結(jié)構(gòu)無需額外開孔;可反復(fù)使用;坐底沉放和水力壓接全過程減少管節(jié)受水流波浪影響，可以在沉放駁上遙控實施千斤頂伸縮，安全高效;水力壓接完成后，可以對管節(jié)的尾端進行精確調(diào)整定位。

1）遙控遙測壓載系統(tǒng)通過控制室內(nèi)遙控遙測壓載系統(tǒng)，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)。

遙控遙測壓載系統(tǒng)

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

深水測控系統(tǒng)

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。管節(jié)頂面設(shè)2處拉合點，每個拉能提供400t拉合力總共提供800t拉合力，行程1500mm。

數(shù)控拉合系統(tǒng)

4）管內(nèi)精調(diào)系統(tǒng)沉管對接完成后，如出現(xiàn)軸線偏差超出設(shè)計要求需進行線形調(diào)整。國內(nèi)以往的沉管隧道短，只有數(shù)節(jié)管節(jié)，很少需要進行糾偏；而對于港珠澳大橋5公里多的隧道而言，對接過程中不可避免地會出現(xiàn)偏離設(shè)計軸線的情況，這就需要進行線性控制。線型調(diào)整需要克服基床與沉管底部的摩阻力，克服46m水深下GINA止水帶的強大的反力。為此項目部專門進行了碎石基床與沉管底的摩阻力物模試驗，最終確定在一側(cè)設(shè)置12臺500t千斤頂組成頂推千斤頂，另一側(cè)設(shè)置10 臺500t組成限位千斤頂，共提供11000t頂推力。

管內(nèi)精調(diào)系統(tǒng)

2.3管節(jié)防水設(shè)計

港珠澳大橋島隧工程沉管管節(jié)間采用柔性接頭方式，將GINA橡膠止水帶安裝在待裝管節(jié)的A端，與已安管節(jié)的B端對接、擠壓，管節(jié)在水下完成對接后，對接端的止水帶將通過水力壓接密封，使管節(jié)接頭緊密連接；沉管管節(jié)間的預(yù)埋件處采用OMEGA橡膠止水帶密封，并采用專用壓件固定。沉管隧道管節(jié)采用分節(jié)澆搗，節(jié)段交接處設(shè)有接縫，接縫間采用“可膨脹密封條+OMEGA止水帶+剪力鍵”方案，形成管節(jié)結(jié)構(gòu)自防水。同時，節(jié)段接頭處外側(cè)環(huán)繞一周（包括底板、側(cè)墻和頂板）噴涂聚脲防水材料，寬度為接頭兩邊各1.2m?？紤]到聚脲防水層在使用過程中可能會遇到零延伸斷裂的問題（基層出現(xiàn)開裂時，由于聚脲層同基層之間粘結(jié)牢固，不能實現(xiàn)彈性變形從而釋放應(yīng)力，最終會被基層裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力拉裂，造成滲水)，在管節(jié)接縫外側(cè)設(shè)計了一層PVC隔離膜，即使基層產(chǎn)生細微裂縫，其應(yīng)力會直接作用在隔離膜上，進而降低聚脲層的受力，進一步保障了防滲效果。

3　專用施工設(shè)備

3.1基礎(chǔ)施工專用設(shè)備

定深平挖抓斗船（金雄號）

基槽專用清淤船

溜管式拋夯一體船

平臺式整平船

3.2沉管浮運安裝專用設(shè)備

壓載系統(tǒng)

水下拉合系統(tǒng)

聲納測控系統(tǒng)

精調(diào)系統(tǒng)

沉管安裝船

大馬力全回轉(zhuǎn)起錨艇

4　首節(jié)E1～E14管節(jié)的浮運和對接

港珠澳大橋工程沉管標準管節(jié)(尺寸約為180m×38m×10m)是世界上體量最大的沉管隧道管節(jié)，浮運和沉放階段對隧道管節(jié)的設(shè)計至關(guān)重要，管節(jié)又需要在非常惡劣的海洋環(huán)境中進行浮運和沉放，需要明確和評估存在的各種風(fēng)險并設(shè)計預(yù)防和補救措施。

E1管節(jié)的浮運安裝

大橋建設(shè)伊始，便開始了沉管浮運安裝方案的具體論證。首節(jié)沉管浮運安裝目標是把沉管從車間拉到海中，和已經(jīng)澆注在人工島上的鋼筋混凝土管節(jié)精確地對接起來。接頭錯位不得超過2cm，沉管的“身位”與設(shè)計誤差不超過2cm，在12m的海底滴水不漏。這是第一次對接，在接下來的3年里，重約8萬噸、長180m的28個標準沉管和4個較小的非標準沉管，將依次在海面拖行約14km，以同樣的精度在海平面下平均40m深處對接，并形成一個約6km海底隧道，在海底使用120年。

2013年5月2日，一個巨大的船機編隊從伶仃洋桂山島出發(fā)。這個“艦隊”的主體是：巨大的沉管固定在2艘專用安裝船上，由8艘大馬力拖輪牽引，12艘海事船警戒護航。此外，一干輔助船舶做好配套服務(wù)?！芭炾牎笨傫R力超過5萬hp。首次出海如臨深淵，14km水路，走了近13個小時。所到之處，廣州港主航道封航。

沉放安裝過程中，核心裝備是2艘專用沉放安裝船。這2艘船實質(zhì)上類似于起重船，其沉放起吊裝置在船底下，可以控制沉管下沉到海底、與澆筑在人工島上的管節(jié)對接。

沉管基本到位后，安裝在沉管上的拉合系統(tǒng)開始發(fā)揮作用。這套全新的拉合系統(tǒng)集成了位移傳感器，在拉合千斤頂連接后，可以精確測量管節(jié)安裝的距離。在沉管安裝船上，工程師在安裝船上遠程控制拉合千斤頂拉合速度，千斤頂逐漸加力，沉管緩慢而精確地移動，最后和固定管節(jié)精確對接。一個管節(jié)端面是一個平整精度毫米級的環(huán)狀鋼板圈，另一個管節(jié)端面是一個堅實耐用的特種橡膠圈，精確對接之后，巨大的水壓將使一剛一柔兩個管節(jié)嚴絲合縫地貼在一起。在這個過程中，為使管節(jié)間的對接達到最好的效果，還要利用海水漲潮的壓力，進行水壓對接。此外，還有一個精調(diào)系統(tǒng)，用于管節(jié)水力壓接后二次精確調(diào)位。兩個管節(jié)對接后，形成密閉系統(tǒng)，建設(shè)者通過人工島上的固定管節(jié)打開沉管預(yù)設(shè)的操作門，安裝上精調(diào)系統(tǒng)，在安裝船的配合下，對沉管進一步微調(diào)，實現(xiàn)精度控制的“精益求精”。

2013年5月6日上午，經(jīng)過95個小時的艱苦奮戰(zhàn)，港珠澳大橋島隧工程首節(jié)E1管節(jié)首節(jié)順利實現(xiàn)與西人工島暗埋段對接，完成首次“海底之吻”的壯舉，邁出了33節(jié)沉管隧道安裝施工的第一步。首節(jié)E1管節(jié)長112.5m、寬37.95m、高11.4m，重約4.7萬噸，吃水深度超過11.3m，沉放水深約13m，造價約1億元。

2013年6月18日，E2管節(jié)順利實現(xiàn)與E1管節(jié)的對接，全過程僅花了28個多小時，耗時約為E1沉管的1/3，刷新了沉管隧道浮運安裝對接的世界紀錄，隨后的管節(jié)沉放對接施工中，這一紀錄不斷被刷新。2014年3月24日，E10管節(jié)順利與沉管隧島對接，整個對接工程僅用時7小時，水下潛水作業(yè)累計150分鐘，比原計劃縮短了1.5h，再次刷新了標準單節(jié)沉管對接潛水作業(yè)時間紀錄。2014年10月18日，E14管節(jié)順利完成對接，至此，安裝隧道總長累積達2385m。

5　E15管節(jié)的對接

E15管節(jié)返回深塢口

E15管節(jié)第三次浮運

港珠澳大橋島隧工程E15管節(jié)對接頗費周折，E15管節(jié)三度出征，兩次返航，戰(zhàn)勝大風(fēng)巨浪，查找回淤來源，探索應(yīng)對措施，挑戰(zhàn)世界精度，奏響了一曲“三戰(zhàn)伶仃洋”的壯歌。2015年3月26日清晨5時58分，E15沉管水力壓接順利完成，測控系統(tǒng)監(jiān)測顯示，沉管首尾端軸線偏差滿足設(shè)計要求。至此，E15沉管終于圓滿對接，港珠澳大橋沉管隧道已建總長達2565m。這距離2014年10月18日E14沉管安裝成功已有5個多月。

初戰(zhàn)伶仃洋基槽突淤沉管返航

2014年11月16日早上，E15沉管順利到達安裝海域準備沉放，突然前線潛水人員報告，E15沉管基槽發(fā)現(xiàn)回淤物，平均厚度約4cm，并且有一定的稠度。此時，有三種方案擺在了項目總經(jīng)理林鳴眼前：計劃不變，繼續(xù)安裝；暫留附近海域，待清淤后安裝；停止安裝，沉管返航。每一種方案都隱藏著意想不到的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。

有人主張繼續(xù)安裝，理由也很充分，幾百人忙碌了一個多月，清淤、整平、浮運，花了如此大的成本，而且國外同類工程證明，沉管對接精度即使放寬到8cm也可，4cm的回淤不會給隧道質(zhì)量帶來重大影響。思考再三后，林鳴力排眾議，堅決反對這一提議?；A(chǔ)不牢，地動山搖。如果繼續(xù)安裝，沉管基礎(chǔ)存在著極大的不確定性。這是一條生命線，決不能拿大橋質(zhì)量和沉管安全作賭注，即使嘗試也絕不可行。如果對接存在誤差，8萬噸的沉管沉到海底后，就無法再提起來：以往基床的碎石壟溝有空隙，浮力可以保證沉管再次浮起；而現(xiàn)在基床上粘有一層4厘米厚的淤泥“墊子”，真空效應(yīng)將產(chǎn)生強大的吸力，同時加上40多米深的水壓，沉管根本就提不起來。同時，指揮團隊認為，7000多平米的沉管基床出現(xiàn)大面積回淤，短時間內(nèi)清淤無法完成，加之海面風(fēng)高浪急，沉管絕不能長期滯留在無遮擋的外海，第二個提議又被取消。頂住巨大的壓力，林鳴深思熟慮后決定中止安裝，沉管回航。

再戰(zhàn)伶仃洋邊坡滑塌安裝受阻

泥沙問題是海洋工程的關(guān)鍵，海洋工程師們都把它戲稱為一門“玄學(xué)”。港珠澳大橋島隧工程位于珠江口海域，珠江流域降水豐沛，植被茂密，歷來“豐水少沙”。E15沉管碎石基床2014年11月12日剛剛鋪設(shè)完成，13日通過監(jiān)理驗收，15日上午又進行了實地探摸，也只是發(fā)現(xiàn)了少量回淤。而在短短的時間內(nèi)，回淤增大且回淤物形態(tài)發(fā)生了變化。平時監(jiān)測到的回淤物直徑都只有0.01mm，這些平均直徑約為0.026mm的泥沙從何而來？這成為擺在建設(shè)者面前必須解決的難題。

林鳴要求，一是要查清回淤原因；二是要建立一套回淤預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)，為后續(xù)沉管安裝提供保障。在交通運輸部的協(xié)調(diào)下，天津水運工程科學(xué)研究院、南京水利科學(xué)研究院、中山大學(xué)、中交四航院等國內(nèi)25位對珠江口泥沙、潮汐和氣象方面最有研究的專家，成立了技術(shù)攻關(guān)團隊，開展基槽回淤專題研究。

建設(shè)者布設(shè)了6組固定泥沙測站和數(shù)十組流動觀測站，每天進行近百公里長距離巡測，對沉管基槽周邊200平方公里的海域進行了水下地形測量和海底地質(zhì)取樣普查，完成了上千次的泥樣粒徑、密度檢測。通過大量數(shù)據(jù)分析，專家組得出結(jié)論：沉管基床突然出現(xiàn)的回淤，主要是內(nèi)伶仃島海域采砂洗砂產(chǎn)生的懸浮物，通過直接輸移和二次搬運而來。

在加強回淤研究的同時，工程應(yīng)對措施也在同步推進。清淤施工和挖掉已被污染的碎石基床，都需要大型船舶在已安好的E14沉管鋼封門前作業(yè)。40多米深的海底，鋼封門承受著10000多噸的壓力。在重型機械面前，鋼封門就是一張薄紙。為保證已安隧道的安全，建設(shè)者另辟蹊徑，在隧道端頭加裝保護裝置，清淤機械就是有意外移動，也只是撞擊在保護罩上，不會損壞沉管。

2015年2月24日，E15沉管再次出征。就在沉管即將到達轉(zhuǎn)向區(qū)時，基礎(chǔ)監(jiān)控組報告：多波束監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，基床面出現(xiàn)大面積的異常堆積物，總量達2000m3，最厚處達到60cm。沉管再次回航。

三戰(zhàn)伶仃洋眾志成城共筑通衢

一個個挑戰(zhàn)使建設(shè)者對工程有了更清楚的認識，現(xiàn)場決策組很快弄清了再次受阻的原因：基槽邊坡回淤物滑塌毀損了沉管基床，原理類似于雪崩。在沉管回航途中，沉管安裝指揮團隊和專家們一起制定了解決方案：調(diào)集萬方耙挖泥船進行邊坡、基槽清淤，重新鋪設(shè)基床，在最短的時間內(nèi)做好第三次安裝準備。僅一個月，建設(shè)者完成了基槽邊坡和基床清淤、碎石基床鋪設(shè)、設(shè)備檢修復(fù)核等工作，迎來了第三次安裝窗口期。

3月25日凌晨4∶30，經(jīng)過對窗口期海浪、天氣和泥沙運動情況科學(xué)分析評估后，開始進行E15沉管第三次浮運安裝施工。E15沉管絞移出塢，在10多艘海事警戒船的護衛(wèi)下，由兩艘安裝船、11艘大馬力拖輪組成的大型船隊緩緩地駛出桂山預(yù)制廠，在完成轉(zhuǎn)向后順利到達施工區(qū)域進行系泊作業(yè)，進行沉放準備。

為確保沉管安裝質(zhì)量，項目總部增加潛水頻次，加強監(jiān)測力量，利用多波束掃描、實地探摸等手段對基床情況進行全程測量、復(fù)核。在對基床狀況進行再次確認后，現(xiàn)場操作人員、測量人員緊密聯(lián)動，強化對沉管運動姿態(tài)、鋼端門、海流的實時監(jiān)測，精確操控深海沉管無人對接沉放系統(tǒng)，按步驟要求仔細調(diào)整沉管姿態(tài)，經(jīng)數(shù)輪沉放、觀測、調(diào)整，3月26日凌晨，E15沉管在海底精準定位，并順利完成水力壓接，安裝工作終于取得圓滿成功。

4月13日清晨7∶30，E16沉管完成水力壓接。這是繼3月26日實現(xiàn)E15沉管對接之后，半個月內(nèi)完成的又一節(jié)沉管安裝。截至本期收稿，港珠澳大橋島隧工程已建成隧道的總長達2745米。E17管節(jié)已開始塢內(nèi)沉放演練。

Island & tunnel project of Hong Kong-Zhuhai-Macao——join of submerged tubes