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姓名：x吉x 学号：616140xxxx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49.968km, 其中主体大桥工程全长约29.6km, 海底隧道长约6km, 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100km.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0.5h.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2CPTu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),混凝土结构的耐久性设计和控裂技术是实现混凝土结构自防水的关键.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20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.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.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.在施工中必须重点把握以下关键环节: 施工缝钢筋节点处理、节点施工、配合比设计、混凝土入模前质量检验、养护等.混凝土施工阶段,按照规范要求取样,并检测7-28d强度及同条件养护强度,检测结果良好.以上整个检测过程都有专人负责,监理工程师旁站.筏板设计强度等级50MPa,以第13块筏板为例,其28d强度的检测数据如下:试块最低值52MPa,最高值77MPa,平均值61MPa,均满足设计要求.施工缝是筏板施工的重点检测部位,必须单独提交报验单给相关工程师验收.通过检测及目测,施工缝部位结合紧密,观感良好,无结构冷缝,无渗漏现象发生,无明显的表面开裂.筏板分块施工,通过优化混凝土配合比和混凝土的供应,采用适当的技术处理及施工措施,科学组织施工,严格施工管理,有效保证了基础底板大体积混凝土的分块施工以及浇筑质量,在高温天气下成功保证了基础底板混凝土的强度及抗渗性能,避免了混凝土的结构裂缝.分块施工有效组织了筏板流水施工,可以充分利用资源组织均衡化施工生产.该施工方法及手段可适用于类似项目的施工.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3 (见图4),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,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.图4厄勒松海峡沉管隧道管节预制厂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4.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,并将系泊区与深坞舾装区合并;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m³,质量超过7万t,每个节段混凝土方量约3400m³,采用全断面一次浇筑,温度裂缝控制效果良好.参考文献1陈韶章,陈越．沉管隧道设计与施工［M．北京: 科学出版社,2002: 1－15．( CHEN Shaozhang,CHEN Yue．Design and construction of immersed tunnel［M］．Beijing:Science Press,2002: 1－15．( in Chinese) ) 2中交公路规划设计院有限公司, COWIA/S(丹麦COWI国际咨询公司), ARUP奥雅纳工程顾问, 上海市隧道工程轨道交通设计研究院, 中交第一航务工程勘察设计院有限公司.港珠澳大桥主体工程初步设计第四篇隧[ Z] .2009. 3肖晓春．大型沉管隧道管节工厂化预制关键技术［J］．隧道建设,2011,31 ( 6) : 701 -705．( XIAO Xiaochun．Key technology for manufactory prefabrication of tube elements of large-scale immersed tunnels ［J］．Tunnel Construction,2011,31( 6) : 701－705．( in Chinese) )4吴瑞大,欧政军．沉管隧道管节预制工艺比选［J］．中国港湾建设,2012 ( 4 ) : 20－24．( WUＲuida,OUZhengjun．Comparison and selection of prefabrication technologiesfor immersed tubular tunnel sections ［J］．ChinaHarbour Engineering,2012 ( 4) : 20－24．( in Chinese) )。