港珠澳大桥隧道沉管技术

港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道新技术

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引言

随着陆上交通和内河、海洋航运事业的发展,对越江跨海通道的需求越来越大,而由于水上通行轮船的吨位和密度的增大,要求桥下通航净空越来越高,跨度越来越大,使得修建桥梁的成本和难度大增.同时,由于受到城市规划的限制,跨江越海桥梁的两岸接线条件随城市发展变得更为困难.因此,近十年来陆续出现了一批水下隧道,其断面不断增大水深不断加深,工程技术水平得到快速提升.

目前修建水下隧道主要有矿山法、盾构法、围堰明挖法和沉管法.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,至今已有100年历史,适用条件较为苛刻1,而随着工程技术的发展,其适应性也越来越强.广州珠江和宁波甬江水下隧道的成功修建标志着我国沉管工法技术领域进入了新的发展阶段,继丹麦—瑞典的厄勒松海峡沉管隧道和韩国釜山—巨济沉管隧道之后,我国正在珠江口伶仃洋30万t主航道上修建一座港珠澳大桥沉管隧道,该隧道是港珠澳大桥建设的关键性工程,建成后将成为世界最长的双向6车道公路沉管隧道.为此,国内工程师们在实践过程中攻坚克难,借鉴国外技术与国内施工经验,自主创新,结合工程项目特点,在地质勘察、结构受力分析、耐久性设计、管节预制、地基与基础处理等方面发展了一些新技术.

工程概况

港珠澳大桥工程跨越珠江口伶仃洋海域, 是连接香港、珠海及澳门的大型跨海通道.工程范围包括海中桥隧工程, 香港、珠海和澳门三地口岸人工岛, 以及香港、珠海、澳门三地连接线.工程总长49.968 km, 其中主体大桥工程全长约29.6 km, 海底隧道长约6 km, 海中部分采用桥隧组合方式.港珠澳大桥建成后将成为世界最长的跨海连线工程(见图1).

图1 港珠澳大桥岛隧工程示意图

大桥及岛隧工程以公路桥隧的形式连接香港、珠海和澳门, 以6车道高速公

路标准建设, 设计时速为100 km.工程建成通车后, 从香港到珠海的车行时间将由目前的约3h缩减至约0.5 h.工程总体投资超过700亿元, 其中海中桥隧工程约327亿元, 岛隧工程约133.5亿元.工程设计使用年限为120年2.工程于2009年12月15日项目开工建设, 2010年对岛隧工程进行总体招投标.为确保该特大工程顺利实施, 业主将6.7km的沉管隧道和两座海中人工岛整体打包, 采用设计施工总承包方式进行招标, 最终以中国交通建设股份有限公司为牵头单位的联合体以技术和商务总分最优中标.联合体分设计团队和施工团队两部分, 设计团队成员为:中交公路规划设计院有限公司, 上海市隧道工程轨道交通设计研究院, 中交第四航务工程勘察设计院有限公司, COWIA/S(丹麦COWI国际咨询公司);施工团队成员为:中国交通建设股份有限公司, 上海城建集团, AECOM AsiaCompanyLtd.(艾奕康有限公司).

工程特点及难点

1)工程处于伶仃洋外海,岛隧工程所处的海域附近受热带气旋、强雷暴等恶劣天气影响大;工程处于白海豚核心保护区;施工海域的水上交通繁忙.

2)与常规沉管法隧道相比,该工程具有管节数量多、埋置深度大、基槽浚挖量大、受恶劣气象条件影响大、航运组织和环境保护要求高等特点.

3)工程总体规模宏大,海象、地质与环境条件复杂;且施工工期紧迫,综合技术难度与风险为世界罕有.

4)管节预制难度高,采用自防水全断面预制工艺.管节的早期裂缝控制、预制尺寸精度、钢端壳安装精度,以及混凝土重度控制等技术要求高.

5) 水文气象条件复杂.全部33节管节的浮运安装,需要经历多个台风季节;施工水域水流受人工岛和基槽施工的影响,流态复杂.在整个管节沉放过程中, 需对气象窗口进行精确的分析和准确的预测、预报.

6)施工作业环境.岛隧工程施工区航道交叉,属于航道运输最繁忙水域之一, 也是水上交通安全事故频发的敏感区域.管节浮运沉放期间,需精心组织临时海上交通,确保施工期间的航运畅通.

7)管节浮运沉放技术难点多.在恶劣气象、复杂水流和航运条件下的管节浮运;深水条件水下测量定位、管节沉放及定位调整;管节安装轴线精度控制等.

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CPTu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,CPT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20世纪90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Fr(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(见图3)，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,与鉴别孔、消散孔(孔压消散试验)的布置相结合.

图2 CPTu 数据分析和地层判别示意

图3 地基刚度变化示意曲线

港珠澳大桥岛隧工程在约7个月的补勘工作中完成了CPTu孔374个、消散孔22个、原位测试孔39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.

混凝土结构耐久性、裂缝控制设计