港珠澳大桥沉管隧道水工新技术研发探讨

港珠澳大桥沉管隧道水工新技术研发探讨
闫禹;苏宗贤
【摘要】沉管隧道技术集成度高,建造技术涉及公路和水运等多个专业.为解决海洋环境下的生产需求,港珠澳大桥沉管隧道工程在建设过程中攻克了一系列水工专业难题,并形成新技术,其技术研发工作具有特色和亮点,值得探讨和总结.本文分析了该隧道工程的水工新技术的研发需求、规划、实施以及典型成果的应用,最后提出了研发工作的要点,旨在为类似沉管隧道工程新技术研发提供参考借鉴.
【期刊名称】《工程质量》
【年(卷),期】2017(035)007
【总页数】4页(P18-21)
【关键词】港珠澳大桥;沉管隧道;水运工程;技术研发
【作者】闫禹;苏宗贤
【作者单位】港珠澳大桥管理局,广东珠海 519060;港珠澳大桥管理局,广东珠海519060
【正文语种】中文
【中图分类】TU753
0 引言
隧道工程工法主要包括矿山法、盾构法、明挖法和沉管法。

其中，沉管法是 20 世纪初发展起来的一种专门修建水下隧道的工法，经过 100 多年的技术发展，在设
计理论、施工工艺、配套工程等方面不断取得突破，逐渐成为跨江海大型隧道工程的主要施工与结构方案，具有代表性的丹麦-瑞典厄勒海峡跨海通道和韩国釜山-巨济跨海工程均成功应用了沉管法。

正在建设中的港珠澳大桥沉管隧道是中国首条于海上建设的超大型沉管隧道，总长达 6 762 m，在实施过程中攻克了多项关键技
术难题。

沉管隧道应用于跨海工程中的优点较多:对地基承载力要求较低，特别适用于软基、海床较浅的工程；埋深较小，线路总长一般短于矿山法和盾构法隧道；基槽开挖、管节预制、浮运沉放和内部铺装等各工序可平行作业；管节预制质量易于控制。

但另一方面，沉管隧道是一类跨公路和水运等专业的综合技术水平较高的工程，技术集成度高，往往涉及水运工程中的混凝土结构防水、船舶与管节拖曳与操纵、波浪及潮汐作用、泥沙问题等。

对于港珠澳大桥沉管隧道这样一项高难度的跨海地下工程，更是需要突破多项水工新技术，以支撑工程推进。

1 工程概况
港珠澳大桥跨海集群工程横跨珠江口伶仃洋海域，连接粤、港、澳三地，全长约
55 km，包括三项内容:海中桥隧主体工程；香港、珠海、澳门三地口岸；香港、
珠海、澳门三地连接线。

其中海中桥隧主体工程采用桥岛隧组合方案，全长 29.6 km，包含约 6.7 km跨海沉管隧道和 22.9 km 跨海桥梁，为实现桥隧转换，隧道两端各设置一个海中人工岛。

大桥岛隧工程(包含沉管隧道和两个海中人工岛)采用设计施工总承包模式，隧道沉管段长 5 664 m，共分 33 节管节，标准管节长度 180 m，宽 37.95 m，高 11.4 m，单节重约 74 kt，最大沉放水深 46 m，地基处理主要采用“挤密砂桩+水下
夯平块石层+碎石垫层”的复合地基方案。

大桥沉管隧道的建设条件如下。

1)设计使用寿命 120年；地震基本烈度为Ⅶ 度。

2)全部处于开敞海域，受亚热带海洋性季风气候影响，台风频繁，海流复杂，且施工周期约 7年。

3)处于深厚软基之上，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50～110 m 范围。

4)隧道上方规划预留 30 万 t 级航道(通航深度-29 m)，使得隧道埋深大，营运期结构上方回淤量大。

5)位于穿越伶仃洋主航道下方，海上航运频繁，最大日流量约 4 000 艘次。

6)穿越中华白海豚保护区核心区，环保要求高；珠江口防洪纳潮要求阻水率要求控制在 10 % 以内。

综上，在如此复杂的海洋环境下，高标准建设大型海底沉管隧道，已有的内河或小型沉管隧道以及港口航道等技术经验已无法满足工程需求，必须通过研发创新，取得所需水工新技术的突破，支撑工程攻关。

2 水工新技术需求分析
2.1 沉管隧道技术现状
据粗略统计，目前国内外已修建了130多座沉管隧道。

其中，最长的单层钢壳与钢筋混凝土复合结构沉管隧道为 1970年旧金山建成的海湾地区快速交通运输系统(BART)，全长 5 825 m，共 57 节管节；最长的钢筋混凝土箱式矩形沉管隧道为丹麦厄勒海峡隧道，沉管段长 3 510 m；最大水深隧道为土耳其博斯普鲁斯海峡铁路隧道，最大水深约 61 m。

我国大陆已建成的水底沉管隧道有 8 座，例如:广州珠江沉管隧道 1993年建成通车，全长 1 238.5 m，沉管段 457 m；宁波甬江沉管隧道 1995年建成，全长 1 019.53 m，沉管段 419.56 m；宁波常洪沉管隧道 2001年建成，全长 1 053.2 m，沉管段 395 m；2003年建成了全长 2 000 m 的上海外环越江(黄浦江)沉管隧道，沉管段 736 m。

通过国内外沉管隧道的发展历史，可看出其技术发展趋势。

1)工程规模越来越大。

即将动工的丹麦至德国的费蒙沉管隧道长度约 18 km；单洞宽度越来越大，已动工的深中通道为单洞四车道。

2)使用功能从单一用途向多用途发展。

随着沉管横断面不断增大，断面组合出现了多种形式，已能够适用于高速轨道交通系统和高速公路系统。

3)施工工艺水平不断提高。

工厂化预制沉管技术已得到一次成功应用，较传统的干坞法施工工艺技术已表现出明显优势；浇筑工艺采用全断面的浇筑工艺，有利于大体积混凝土抗裂；对结构耐久性要求更高，设计使用寿命超过 100年；沉管安装越来越多地采用大型施工机械完成，能适应高流速、大水深的作业条件。

2.2 水工新技术需求
通过已建成的跨江河沉管隧道经验，我国基本掌握了内河浅水条件下小型管节浮运安装、较短基槽开挖等建造方法，为首次深入海洋建造大型海中沉管隧道奠定了基础。

但由于在诸多关键技术方面仍与国际先进水平存在差距，为满足生产需要，港珠澳大桥工程需要针对海洋环境下沉管隧道结构与基础方面的技术问题，以突破浪急、水深、软土、大回淤的复杂条件下特长宽体沉管隧道设计、建设技术瓶颈为出发点，通过对结构体系、基槽、基础、管段接头、防水形式、岛上明挖暗埋段等系列研究，解决沉管隧道结构计算、厚软基大回淤沉降控制、接头性能、抗震等结构设计问题；解决沉管段不同地质段的地基基础处理、地基位移时效性、基础垫层施工工艺、管节预制、寄放、浮运、沉放等施工问题；解决施工过程中海上设备的研发、施工工艺开发等问题。

3 研发规划与实施
3.1 研发规划
港珠澳大桥工程前期技术研发工作分布在工程可行性研究、深化设计和初步设计三个阶段，每个阶段以解决本阶段技术问题为目标。

3.1.1 工程前期阶段
在工程可行性研究阶段进行水文、气象、地质、地震、测绘、环境、工程技术标准及要求、设计施工及营运管理规范、国民经济、项目管理、融资等专题研究，主要解决建设条件基础数据、环境评价、技术标准和建设管理模式问题。

在工程可行性研究成果基础上，为进一步解决10%阻水率的要求，在总体方案深
化设计阶段进行涉及总体方案、珠江口港口与航道、珠江口防洪、水下地形测绘、高程控制网建立及水下结构物扫海调查等研究。

初步设计阶段重点解决论证沉管隧道方案，进行抗震、管节混凝土浇筑工艺、基槽开挖试验、通风模型试验、浮运沉放试验、基础处理试验、变形缝水密性试验和进出口减光技术专题研究。

3.1.2 工程建设阶段
施工图设计及施工阶段技术研发解决的是设计施工中的具体瓶颈问题，按研究方向一般可分为设计理论、施工技术、产品装备、营运管理四类。

为攻克“外海厚软基大回淤超长沉管隧道设计与施工关键技术”，港珠澳大桥在建设阶段进行的沉管隧道相关技术研发工作具有系统性(见表1)。

3.2 研发管理模式
科学研究与工程生产相比，更依赖人的主观能动性和创造力，工作过程往往缺少普遍适用的程序要求和衡量标准，取得实用的研发成果不易，往往较难达到“雪中送炭”支撑项目建设的目标。

必须通过建立高效的管理模式，对技术研发过程进行管理控制，保证成果水平。

根据港珠澳大桥的实践经验，可总结出如下管理模式要点:
1)由项目业主直接主导，建立科研项目管理体系。

由项目关键人-业主单位统一规
划制定科研任务，通过合同关系分阶段委托给相应科研承担单位，并负责科研项目在管理层面的组织协调工作，包括组织课题评审、验收以及科研成果的推广应用等，为承担单位提供必要的支持条件。

表1 港珠澳大桥沉管隧道建设期主要的水工技术研发工作?
2)业主进行科技创新培育，企业作为科技创新主体。

技术创新关键是要满足现实需求、支撑工程建设，它的价值就在于科研成果向现实生产的转化，在于创新技术所蕴涵的潜在生产力的释放，而这一复杂过程主要依靠企业来实现。

对于大型复杂工程，建设过程需要高度集成高新技术和资源，面临的各类矛盾错综复杂，企业往往不完全具备担负如此繁重的资源整合任务的能力，需要通过业主在建设管理层面进行资源整合，为创新提供良好的环境。

业主对于企业的培育措施包括:通过合同文
件对科技创新进行强制要求；通过经济上和技术上进行保障等。

4 典型研发成果及应用
4.1 设计理论方面
研究沉管隧道接头剪力与地基刚度变化间关系，揭示沉管隧道与垫层、地基间的相互作用机理，提出隧道不均匀沉降控制标准、节段接头剪力及张开量简化计算公式，为港珠澳大桥深水沉管隧道的设计与施工提供理论基础。

针对 120年使用寿命保障需求，采用相似环境的长期暴露试验数据与工程调查数据，提出基于可靠度理论的混凝土结构耐久性设计新方法，建立混凝土结构设计使用年限与耐久性质量设计指标之间的定量关系，首次应用于港珠澳大桥工程，有利于提高耐久性设计可靠性。

4.2 工程标准方面
编制《沉管隧道设计与施工指南》，指导工程施工图设计；编制《港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计指南》《港珠澳大桥混凝土结构耐久性质量控制技术规程》和《港珠澳大桥大体积混凝土控裂技术规程》，指导沉管管节海工混凝土结构工厂化预制施工。

4.3 施工技术与产品装备方面
揭示波浪对管节浮运阻力的影响规律，建立管节浮运及沉放多体系统水动力学分析
模型，提出管节安装施工作业水文气象限制条件；提出基于多属性群决策的窗口条件分析算法及窗口预报算法；形成复杂水流波浪条件下管节沉放测量定位体系；形成长大管节海上寄放、浮运及沉放关键技术，为海上条件下的大桥管节安装施工及类似工程的水上施工提供了解决方案。

自主研发专用核心装备，直接应用于生产，并以此形成成套施工技术。

研发建造集定位测量、水下抛石、深水整平、质量检测为一体的自升平台式高精度碎石铺设整平船(见图 1)，碎石基床的精度可达到 30 mm；研制新一代水上挤密砂桩船(见图2)，配备自行研制的 500 kW 的振动锤，布置有砂料输送系统、砂料提升系统、双导门进料系统、振动锤系统、超长桩管系统、压缩空气路系统和施工自动控制系统，全套设备国产化，加固深度可达到水面以下 60 m。

图1 深水碎石高精度整平船
5 结语
图2 挤密砂桩施工船
经过交通行业 30年大发展的技术积累，港珠澳大桥沉管隧道在建设过程中攻坚克难，对海中沉管隧道水工新技术需求进一步开展研发工作，保证隧道圆满贯通，将我国交通行业技术推上新的进步台阶。

至此，我国已基本具备高品质建造大型跨海工程的技术条件，若干项目将陆续启动建设或开始论证规划。

沉管隧道作为跨海地下工程重要的比选工法之一，未来可能会面临更大规模、更多功能、更复杂深水海洋环境等挑战，需继续攻克一系列水运工程新难题，建设过程仍离不开研发攻关。

项目关键人——业主单位须对建设全过程技术研发工作进行统一、系统管理与协调，在研发管理中应遵循科研工作规律，建议把握以下几点。

1)紧扣工程实际需求，做好前期筹备和培育工作，针对性地开展研发；
2)重视现场试验、室内试验与理论分析、数值模拟等多种研究手段的结合与互补；
3)重视科研与生产一线的融合，促进成果应用；
4)严格过程控制及成果审查，保证研发水平；
5)以项目业主为主导，积极利用行业资源，争取行业主管部门支持，协同参建单位创建“产、学、研”技术研发平台进行联合攻关，发挥企业在科技创新中的骨干作用，为工程建设提供技术支撑。

参考文献
【相关文献】
[1]陈韶章，苏宗贤，陈越.港珠澳大桥沉管隧道新技术[J].隧道建设，2015，35(5):396-397.
[2]闫禹.大型跨海交通基建工程实现工厂化装配化生产的管理模式研究[D].广州:华南理工大学，2015.
[3]陈韶章，陈越.沉管隧道施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2014.。