港珠澳大橋隧道沉管技術(shù)

1、 港珠澳大橋島隧工程沉管隧道新技術(shù)：x吉x 學(xué)號(hào)：616140某某引言隨著陸上交通和河、海洋航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展,對(duì)越江跨海通道的需求越來(lái)越大,而由于水上通行輪船的噸位和密度的增大,要求橋下通航凈空越來(lái)越高,跨度越來(lái)越大,使得修建橋梁的成本和難度大增.同時(shí),由于受到城市規(guī)劃的限制,跨江越海橋梁的兩岸接線條件隨城市發(fā)展變得更為困難.因此,近十年來(lái)陸續(xù)出現(xiàn)了一批水下隧道,其斷面不斷增大水深不斷加深,工程技術(shù)水平得到快速提升.目前修建水下隧道主要有礦山法、盾構(gòu)法、圍堰明挖法和沉管法.其中沉管法是20 世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的一種專門修建水下隧道的工法,至今已有100年歷史,適用條件較為苛刻 陳韶章,陳越沉管隧道設(shè)

2、計(jì)與施工M: 科學(xué),2002: 115( CHEN Shaozhang,CHEN YueDesign and construction of immersed tunnelMBeijing:Science Press,2002: 115( in Chinese) ),而隨著工程技術(shù)的發(fā)展,其適應(yīng)性也越來(lái)越強(qiáng).珠江和甬江水下隧道的成功修建標(biāo)志著我國(guó)沉管工法技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入了新的發(fā)展階段,繼丹麥瑞典的厄勒松海峽沉管隧道和國(guó)釜山巨濟(jì)沉管隧道之后,我國(guó)正在珠江口伶仃洋30萬(wàn)t主航道上修建一座港珠澳大橋沉管隧道,該隧道是港珠澳大橋建設(shè)的關(guān)鍵性工程,建成后將成為世界最長(zhǎng)的雙向6車道公路沉管隧道.為此,國(guó)工程師

3、們?cè)趯?shí)踐過(guò)程中攻堅(jiān)克難,借鑒國(guó)外技術(shù)與國(guó)施工經(jīng)驗(yàn),自主創(chuàng)新,結(jié)合工程項(xiàng)目特點(diǎn),在地質(zhì)勘察、結(jié)構(gòu)受力分析、耐久性設(shè)計(jì)、管節(jié)預(yù)制、地基與基礎(chǔ)處理等方面發(fā)展了一些新技術(shù).工程概況港珠澳大橋工程跨越珠江口伶仃洋海域, 是連接、及澳門的大型跨海通道.工程圍包括海中橋隧工程, 、和澳門三地口岸人工島, 以及、澳門三地連接線.工程總長(zhǎng)49.968 km, 其中主體大橋工程全長(zhǎng)約29.6 km, 海底隧道長(zhǎng)約6 km, 海中部分采用橋隧組合方式.港珠澳大橋建成后將成為世界最長(zhǎng)的跨海連線工程(見(jiàn)圖1).圖1港珠澳大橋島隧工程示意圖大橋及島隧工程以公路橋隧的形式連接、和澳門, 以6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè), 設(shè)計(jì)時(shí)速

4、為100 km.工程建成通車后, 從到的車行時(shí)間將由目前的約3h縮減至約0.5 h.工程總體投資超過(guò)700億元, 其中海中橋隧工程約327億元, 島隧工程約133.5億元.工程設(shè)計(jì)使用年限為120年 中交公路規(guī)劃某某, COWIA/S(丹麥COWI國(guó)際咨詢公司), ARUP奧雅納工程顧問(wèn), 某市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院, 中交第一航務(wù)工程勘察某某.港珠澳大橋主體工程初步設(shè)計(jì)第四篇隧 Z .2009.工程于2009年12月15日項(xiàng)目開(kāi)工建設(shè), 2010年對(duì)島隧工程進(jìn)行總體招投標(biāo).為確保該特大工程順利實(shí)施, 業(yè)主將6.7km的沉管隧道和兩座海中人工島整體打包, 采用設(shè)計(jì)施工總承包方式進(jìn)行招標(biāo),

5、最終以中國(guó)交通建設(shè)股份為牽頭單位的聯(lián)合體以技術(shù)和商務(wù)總分最優(yōu)中標(biāo).聯(lián)合體分設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和施工團(tuán)隊(duì)兩部分, 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員為:公路規(guī)劃, 市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院, 第四航務(wù)工程勘察, COWIA/S(丹麥COWI國(guó)際咨詢公司);施工團(tuán)隊(duì)成員為:中國(guó)交通建設(shè)股份, 城建集團(tuán), AE AsiapanyLtd.(艾奕康).工程特點(diǎn)及難點(diǎn)1)工程處于伶仃洋外海,島隧工程所處的海域附近受熱帶氣旋、強(qiáng)雷暴等惡劣天氣影響大;工程處于白海豚核心保護(hù)區(qū);施工海域的水上交通繁忙.2)與常規(guī)沉管法隧道相比,該工程具有管節(jié)數(shù)量多、埋置深度大、基槽浚挖量大、受惡劣氣象條件影響大、航運(yùn)組織和環(huán)境保護(hù)要求高等特點(diǎn).3)工程總

6、體規(guī)模宏大,海象、地質(zhì)與環(huán)境條件復(fù)雜;且施工工期緊迫,綜合技術(shù)難度與風(fēng)險(xiǎn)為世界罕有.4)管節(jié)預(yù)制難度高,采用自防水全斷面預(yù)制工藝.管節(jié)的早期裂縫控制、預(yù)制尺寸精度、鋼端殼安裝精度,以及混凝土重度控制等技術(shù)要求高.5) 水文氣象條件復(fù)雜.全部33節(jié)管節(jié)的浮運(yùn)安裝,需要經(jīng)歷多個(gè)臺(tái)風(fēng)季節(jié);施工水域水流受人工島和基槽施工的影響,流態(tài)復(fù)雜.在整個(gè)管節(jié)沉放過(guò)程中, 需對(duì)氣象窗口進(jìn)行精確的分析和準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào).6)施工作業(yè)環(huán)境.島隧工程施工區(qū)航道交叉,屬于航道運(yùn)輸最繁忙水域之一, 也是水上交通安全事故頻發(fā)的敏感區(qū)域.管節(jié)浮運(yùn)沉放期間,需精心組織臨時(shí)海上交通,確保施工期間的航運(yùn)暢通.7)管節(jié)浮運(yùn)沉放技術(shù)難點(diǎn)

7、多.在惡劣氣象、復(fù)雜水流和航運(yùn)條件下的管節(jié)浮運(yùn);深水條件水下測(cè)量定位、管節(jié)沉放及定位調(diào)整;管節(jié)安裝軸線精度控制等.地質(zhì)勘察以往的沉管隧道一般位于河(海)床表面上,上覆荷載小,對(duì)地基承載力要求不高,即怕浮不怕沉.由于規(guī)劃航道的通航要求,隨著深埋回淤問(wèn)題的出現(xiàn),港珠澳大橋沉管隧道工程對(duì)地質(zhì)勘察的要求并非以往海上橋梁地質(zhì)勘察工作所能滿足,而且傳統(tǒng)鉆探獲取的土樣不可避免地受到擾動(dòng)而難以取得較為準(zhǔn)確的物理力學(xué)參數(shù).為了降低海床軟土土體取樣受擾動(dòng)對(duì)勘察結(jié)果的影響、減少海上作業(yè)與通航運(yùn)營(yíng)船舶的相互干擾,港珠澳大橋沉管隧道工程采用了以靜力觸探CPTu為主、傳統(tǒng)鉆探為輔的勘察技術(shù).CPTu是帶孔壓的靜力觸探,主

8、要適用于海、陸相交替的沖積層和沉積層,根據(jù)其儀器自動(dòng)采集的端阻、側(cè)阻和孔壓等數(shù)據(jù),可快速準(zhǔn)確地進(jìn)行地質(zhì)分層,見(jiàn)圖2.與傳統(tǒng)的鉆探勘察不同,CPT主要是通過(guò)獲取間接指標(biāo),以經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出變形參數(shù),進(jìn)而計(jì)算出地基沉降量.我國(guó)靜力觸探技術(shù)應(yīng)用歷史短,經(jīng)驗(yàn)少,相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)在20世紀(jì)90年代才開(kāi)始被相關(guān)規(guī)認(rèn)可,其適用圍(主要用于陸上建筑)和深度與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有較大的差別.目前,我國(guó)仍主要使用qt(錐頭阻力)、fs(側(cè)摩阻力)和Ps(比貫入阻力)指標(biāo),而國(guó)際上已普遍使用Bq(孔壓比)和Fr(摩阻比)進(jìn)行詳細(xì)的土體分類.歐美國(guó)家形成的經(jīng)驗(yàn)公式也具有明顯的地區(qū)局限性,不一定適合我國(guó)廣區(qū),因此,在工程具體應(yīng)用時(shí)還需要

9、在原位或同類土質(zhì)地層使用靜載壓板試驗(yàn)或螺旋壓板試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比或修正,并結(jié)合鑒別孔和消散孔進(jìn)行綜合分析,甚至還要結(jié)合地區(qū)特性開(kāi)展研究工作.此外,在沉管隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要考慮地基剛度的不確定性(包括勘察不確定性、基槽超欠挖和基礎(chǔ)不平整等因素)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)力和變形的影響,目前主要是以一定的偏差波動(dòng)(見(jiàn)圖3)，結(jié)合管節(jié)長(zhǎng)度計(jì)算出最不利的偏差波長(zhǎng),再以此作為沉管隧道結(jié)構(gòu)縱向受力最不利工況.因此CPTu的布孔應(yīng)考慮管節(jié)長(zhǎng)度和計(jì)算最不利偏差波長(zhǎng),與鑒別孔、消散孔(孔壓消散試驗(yàn))的布置相結(jié)合.圖2 CPTu 數(shù)據(jù)分析和地層判別示意圖3 地基剛度變化示意曲線港珠澳大橋島隧工程在約7個(gè)月的補(bǔ)勘工作中完成了CPTu孔

10、374個(gè)、消散孔22個(gè)、原位測(cè)試孔39個(gè)以及技術(shù)孔41個(gè),在確保對(duì)主航道航運(yùn)影響最小的前提下,短時(shí)間完成了大量的地質(zhì)補(bǔ)勘工作,避開(kāi)了臺(tái)風(fēng)期作業(yè),通過(guò)精細(xì)化勘察,及時(shí)向設(shè)計(jì)和施工提供高質(zhì)量的地層參數(shù).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、裂縫控制設(shè)計(jì)以往修建的沉管隧道,大部分處于江河下游,耐久性問(wèn)題并不突出.從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,沉管隧道工程從江河環(huán)境逐漸向江河入、海灣環(huán)境甚至跨海峽環(huán)境發(fā)展,暴露在海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性面臨進(jìn)一步挑戰(zhàn).對(duì)于在海洋環(huán)境中采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沉管隧道(特別是沒(méi)有外包防水的節(jié)段式混凝土管節(jié)),混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)和控裂技術(shù)是實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)自防水的關(guān)鍵.傳統(tǒng)的耐久性設(shè)計(jì)方主要是建

11、立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,依據(jù)判斷符合原則(deem-to-satisfy rules)建立經(jīng)驗(yàn)理論體系,綜合經(jīng)驗(yàn)、摸索和直覺(jué)確定鋼筋混凝土鋼筋保護(hù)層的厚度,無(wú)執(zhí)行操作和設(shè)計(jì)使用年限定義的說(shuō)明,依據(jù)的材料和工藝舊,試驗(yàn)方法存在較多缺點(diǎn),沒(méi)有論述與設(shè)計(jì)使用年限有關(guān)的混凝土早期質(zhì)量要求.發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)50年代中期起就投入大量人力、經(jīng)費(fèi)致力于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究.歐盟資助的Duracrete研究項(xiàng)目(19961999),在國(guó)際上首次提出了混凝土耐久性的可靠度設(shè)計(jì)方法,作為使用年限設(shè)計(jì)方法在厄勒海峽和釜山巨濟(jì)通道等工程上得到了應(yīng)用.近20年,我國(guó)在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性特別是暴露在海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研

12、究方面投入了大量的研究力量,發(fā)表了一批針對(duì)海洋環(huán)境鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕作用的研究成果,開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展海洋環(huán)境研究的人工氣候箱(室),編制和更新了相關(guān)的國(guó)家與行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),在多項(xiàng)跨海工程建設(shè)中逐漸積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn).然而在具體設(shè)計(jì)中,對(duì)于海底隧道混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)尚處于遵從經(jīng)驗(yàn)判定的階段,雖然可以給出對(duì)應(yīng)不同設(shè)計(jì)使用年限的混凝土耐久性控制指標(biāo),但這些指標(biāo)是基于目前規(guī)規(guī)定和傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值,使得耐久性技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)使用年限之間缺乏可靠的理論對(duì)應(yīng)關(guān)系,滿足設(shè)計(jì)要求的工程是否就能達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限仍缺乏足夠的理論依據(jù).目前在國(guó)際上,基于設(shè)計(jì)使用年限的耐久性設(shè)計(jì)方法研究,對(duì)混凝土性能可分為2 種

13、不同等級(jí): 1) ACI(美國(guó)混凝土學(xué)會(huì))的life365,僅僅對(duì)混凝土環(huán)境腐蝕而發(fā)生劣化過(guò)程這小部分作隨機(jī)(概率)分析,其余大部分則為判定性分析,原則上定為1 級(jí); 2)歐盟的DuraCrete,除了對(duì)耐久性設(shè)計(jì)采用概率方法計(jì)算外,還考慮材料性能對(duì)耐久性設(shè)計(jì)的影響,原則上定為2級(jí).港珠澳大橋沉管隧道耐久性設(shè)計(jì)方法,是基于結(jié)構(gòu)使用年限的定量耐久性設(shè)計(jì),強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的環(huán)境作用,基于近似環(huán)境的暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù),以全概率或近似概率方法建立耐久性數(shù)學(xué)模型對(duì)鋼筋混凝土的保護(hù)層厚度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、所處環(huán)境條件以及養(yǎng)護(hù)措施等變量進(jìn)行分析,對(duì)構(gòu)件的材料指標(biāo)或者結(jié)構(gòu)指標(biāo)提出量化要求.港珠澳大橋沉管隧道耐久性設(shè)計(jì)方

14、法不但結(jié)合了工程環(huán)境、材料和施工工藝,還從定性判斷提高到了定量控制.在施工中必須重點(diǎn)把握以下關(guān)鍵環(huán)節(jié): 施工縫鋼筋節(jié)點(diǎn)處理、節(jié)點(diǎn)施工、配合比設(shè)計(jì)、混凝土入模前質(zhì)量檢驗(yàn)、養(yǎng)護(hù)等.混凝土施工階段,按照規(guī)要求取樣,并檢測(cè)7-28d強(qiáng)度及同條件養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度,檢測(cè)結(jié)果良好.以上整個(gè)檢測(cè)過(guò)程都有專人負(fù)責(zé),監(jiān)理工程師旁站.筏板設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)50MPa,以第13塊筏板為例,其28d強(qiáng)度的檢測(cè)數(shù)據(jù)如下:試塊最低值52MPa,最高值77MPa,平均值61MPa,均滿足設(shè)計(jì)要求.施工縫是筏板施工的重點(diǎn)檢測(cè)部位,必須單獨(dú)提交報(bào)驗(yàn)單給相關(guān)工程師驗(yàn)收.通過(guò)檢測(cè)及目測(cè),施工縫部位結(jié)合緊密,觀感良好,無(wú)結(jié)構(gòu)冷縫,無(wú)滲漏現(xiàn)象發(fā)生,無(wú)

15、明顯的表面開(kāi)裂.筏板分塊施工,通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比和混凝土的供應(yīng),采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)處理及施工措施,科學(xué)組織施工,嚴(yán)格施工管理,有效保證了基礎(chǔ)底板大體積混凝土的分塊施工以及澆筑質(zhì)量,在高溫天氣下成功保證了基礎(chǔ)底板混凝土的強(qiáng)度及抗?jié)B性能,避免了混凝土的結(jié)構(gòu)裂縫.分塊施工有效組織了筏板流水施工,可以充分利用資源組織均衡化施工生產(chǎn).該施工方法及手段可適用于類似項(xiàng)目的施工.管節(jié)工廠化生產(chǎn)在傳統(tǒng)干塢中預(yù)制管節(jié),從鋼筋綁扎、模板架立、混凝土澆筑到拆模養(yǎng)護(hù)等工作,都是圍繞著管節(jié)實(shí)體在固定的非常有限的空間進(jìn)行,工序和臺(tái)班易受擾動(dòng)、模板經(jīng)常拆卸移動(dòng)而使得預(yù)制質(zhì)量與工作效率不高.港珠澳大橋沉管隧道由于距離長(zhǎng)、工期緊,

16、需要預(yù)制的管節(jié)長(zhǎng)、體積大、數(shù)量多,混凝土的控裂質(zhì)量也直接影響著結(jié)構(gòu)耐久性和防水,若使用傳統(tǒng)干塢,則還需要臨時(shí)系泊存放而占用較大的海域面積,造價(jià)高而效率低,因此,管節(jié)預(yù)制應(yīng)尋求更高效率的生產(chǎn)方式和工藝.厄勒松海峽沉管隧道工程首次成功實(shí)施了管節(jié)工廠化生產(chǎn) 肖曉春 大型沉管隧道管節(jié)工廠化預(yù)制關(guān)鍵技術(shù)J隧道建設(shè),2011,31 ( 6) : 701 -705 ( XIAO XiaochunKey technology for manufactory prefabrication of tube elements of large-scale immersed tunnelsJ Tunnel Const

17、ruction,2011,31( 6) : 701 705 ( in Chinese) ) (見(jiàn)圖4),其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)流水化生產(chǎn)模式,即在流水線上的不同位置依次完成鋼筋綁扎、模板架立、混凝土澆筑、拆模養(yǎng)護(hù)、淺塢一次舾裝和深塢二次舾裝等工作,通過(guò)將生產(chǎn)對(duì)象(管節(jié)鋼筋籠或成型混凝土)進(jìn)行頂推平移至下一道工序位置進(jìn)行后續(xù)作業(yè).這種生產(chǎn)方法適用于節(jié)段式管節(jié)的預(yù)制生產(chǎn),模板只需按一節(jié)段長(zhǎng)度進(jìn)行制造,逐段生產(chǎn)、頂推,再連接成管節(jié),其模板在生產(chǎn)線的位置固定,可大大節(jié)約模板數(shù)量且便于維護(hù),而且,生產(chǎn)線的大部分工作在室環(huán)境下進(jìn)行,可全天候作業(yè),各道生產(chǎn)工序可同時(shí)進(jìn)行,相互干擾少,顯著提高了管節(jié)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量.圖

18、4 厄勒松海峽沉管隧道管節(jié)預(yù)制廠港珠澳大橋沉管隧道工程是世界圍第2個(gè)成功實(shí)現(xiàn)管節(jié)工廠化的建設(shè)項(xiàng)目 吳瑞大,歐政軍 沉管隧道管節(jié)預(yù)制工藝比選J中國(guó)港灣建設(shè),2012 ( 4 ) : 2024( WU uida,OUZhengjunparison and selection of prefabrication technologiesfor immersed tubular tunnel sectionsJChinaHarbour Engineering,2012 ( 4) : 2024( in Chinese) ).在消化吸收厄勒松海峽沉管隧道工廠化生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,不但成功實(shí)現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)的5大關(guān)鍵設(shè)施:管節(jié)混凝土模板系統(tǒng)、混凝土攪拌及供應(yīng)系統(tǒng)、混凝土溫控及養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、管節(jié)頂推與導(dǎo)向系統(tǒng)和管節(jié)支承系統(tǒng),還作了4項(xiàng)重要技術(shù)創(chuàng)新:1)將頂推系統(tǒng)從管節(jié)截面頂推改進(jìn)為底部支座