港珠澳大橋島隧工程綜述

港珠澳大橋島隧工程綜述

0港珠澳大橋工程概況及技術(shù)研究香港珠澳大橋位于廣東省東部，廣東省西部（珠海）和澳門。這是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中珠江三角洲航線的組成部分，也是跨越蛇湖以外水域的重要工程。構(gòu)建一條連接珠江東西兩岸的新道路。文獻(xiàn)闡述了港珠澳大橋的工程概況、建設(shè)條件及要求,介紹了工程的總體設(shè)計方案,分析了港珠澳大橋的技術(shù)挑戰(zhàn)及相應(yīng)的策略。文獻(xiàn)主要介紹了沉管隧道工程的施工難點及所應(yīng)用的新技術(shù),如沉管隧道管節(jié)工廠化生產(chǎn)、基槽開挖方法及設(shè)備、碎石刮鋪處理基礎(chǔ)的方法及設(shè)備、體外定位系統(tǒng)及管節(jié)浮運(yùn)與沉放等。在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,本文著重對人工島和沉管隧道(沉管基礎(chǔ)、深埋大回淤節(jié)段式沉管、沉管管節(jié)預(yù)制、沉管浮運(yùn)及安裝等)的設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié),并針對各施工階段的專用設(shè)備進(jìn)行了介紹。1項目總結(jié)1.1跨海通道跨海通道港珠澳大橋東連香港、西接珠海和澳門,是集橋、島、隧為一體的跨海通道,全長35.6km。大橋共分為珠海和澳門接線、珠澳口岸人工島、大橋主體工程、香港連接線及香港口岸人工島6部分,其中島隧工程是控制性工程。港珠澳大橋總平面圖如圖1所示。1.2離岸人工島及長橋工程島隧工程總長7440.5m,包括5664m沉管隧道、2個面積10萬m2的離岸人工島及長約700m的橋梁。港珠澳大橋沉管隧道是我國首條于外海建設(shè)的沉管隧道,是目前世界唯一的深埋大回淤節(jié)段式沉管工程,建成后將是世界上最長的公路沉管工程。2混凝土澆筑及管節(jié)安裝1)總體沉放方案。實施新人工島暗埋段,安裝首節(jié)沉管,實現(xiàn)西島與隧道的施工轉(zhuǎn)換,依次沉放E1至E29,E33至E30沉管管節(jié),接頭位于E29與E30管節(jié)之間。2)沉管預(yù)制、存放。沉管采用工廠化預(yù)制,預(yù)制廠位于桂山島,距離現(xiàn)場約13km。工廠分為生產(chǎn)區(qū)、淺塢區(qū)和深塢區(qū),可存放6節(jié)管節(jié)。沉管預(yù)制廠設(shè)置2條生產(chǎn)線,每2個月生產(chǎn)2節(jié)沉管。沉管節(jié)段以22.5m為單元,在流水線上標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制,依次綁扎底板、側(cè)墻、中隔墻及頂板鋼筋,安裝全自動液壓模板,采用冰水混合骨料冷卻系統(tǒng)控制混凝土入模溫度低于25℃,泵送工藝進(jìn)行混凝土澆筑。管節(jié)進(jìn)行封閉恒濕養(yǎng)護(hù),信息化手段全程監(jiān)控,由計算機(jī)控制液壓自平衡支撐系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和頂推系統(tǒng)。3)基槽開挖、基床整平。采用耙吸船進(jìn)行隧道基槽粗挖,采用大型定深平挖抓斗挖泥船和挖深精度控制系統(tǒng)進(jìn)行精挖,開挖精度控制在0.5m以內(nèi)。研發(fā)專用清淤船進(jìn)行基槽清淤。采用擠密砂樁船打設(shè)擠密砂樁并進(jìn)行堆載預(yù)壓。采用拋石夯平船進(jìn)行塊石基床拋填及夯平,控制平整度<30cm。集成開發(fā)平臺式碎石整平船進(jìn)行碎石基床整平,控制基床平整度<40mm。4)沉管浮運(yùn)、安裝。管節(jié)從預(yù)制區(qū)移動到淺塢區(qū),安裝壓載水系統(tǒng),裝配式安裝封門等一次舾裝。關(guān)閉鋼塢門及深淺塢門,塢內(nèi)灌水,管節(jié)起浮移至深塢區(qū)。塢內(nèi)排水,打開深塢門,安裝沉放泊,測量塔完成二次舾裝。選擇沉管施工作業(yè)窗口,劃定專門的施工水域及沉管浮運(yùn)航路,整管出塢,大馬力拖輪拖運(yùn)至沉放現(xiàn)場。沉管定位,灌水下沉,深水無人沉放定位系統(tǒng)調(diào)位,千斤頂拉合,水力壓接,GINA止水帶充分壓縮,精調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行隧道軸線調(diào)整,完成沉管對接,鎖定回填,管頂回填及防護(hù)。3該島的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工技術(shù)3.1快速成島、形成陸域采用深插式鋼圓筒形成整島圍護(hù)止水結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了快速成島、形成陸域,見圖2(a);島內(nèi)降水、大超載比堆載預(yù)壓,見圖2(b);島內(nèi)、島外同時施工,見圖2(c)。3.2振沉作業(yè)系統(tǒng)采用8臺600kW液壓振動錘同步聯(lián)動振沉系統(tǒng)進(jìn)行振沉作業(yè)。2011年5月15日西島首個鋼圓筒開始振沉,215d完成了東西人工島120個鋼圓筒振沉施工,垂直度達(dá)到1/200。4管節(jié)長度和沉放高度該沉管隧道是我國首條于外海建設(shè)的沉管隧道,是目前世界唯一的深埋大回淤節(jié)段式沉管工程。管段總長5664m,分33節(jié),標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長180m,寬37.95m,高11.4m,單個管節(jié)重約7.8萬t,最大沉放水深44m。沉管隧道的關(guān)鍵主要是隧道基礎(chǔ)設(shè)計與施工、深埋段隧道縱向設(shè)計、沉管工廠化預(yù)制和沉管安裝。4.1設(shè)計及施工精度本工程沉管隧道座落在深厚軟基層上,為了保證整個基礎(chǔ)的剛度協(xié)調(diào)均勻,基礎(chǔ)設(shè)計進(jìn)行了多方案比選優(yōu)化,且對施工精度提出了嚴(yán)格要求。沉管隧道基礎(chǔ)如圖4所示。4.1.1基礎(chǔ)沉降工程的設(shè)計沉管隧道基礎(chǔ)設(shè)計采用SCP+堆載預(yù)壓+碎石墊層、高置換率SCP+拋石夯平+碎石墊層和天然地基+拋石夯平+碎石墊層。4.1.2地質(zhì)勘探工程服務(wù)為獲得準(zhǔn)確精細(xì)的地質(zhì)資料,按英標(biāo)組織島隧區(qū)地質(zhì)勘察,國際地質(zhì)工程師全程監(jiān)督和全程參與設(shè)計。通過精細(xì)化勘察,獲得詳細(xì)準(zhǔn)確的地質(zhì)地層參數(shù),并建立了數(shù)據(jù)庫及三維地質(zhì)模型。4.1.3基礎(chǔ)清淤及基礎(chǔ)鋪設(shè)沉管基礎(chǔ)施工質(zhì)量是決定沉管隧道成敗的關(guān)鍵。主要關(guān)鍵工序包括:基槽粗挖、精挖,基槽清淤,基礎(chǔ)拋石夯平和碎石基床鋪設(shè)。1)基槽精挖。由于開挖水深大(50m),開挖精度要求高(-60~+40cm),因此,開發(fā)了大型定深平挖抓斗挖泥船和挖深精度控制系統(tǒng),已實際施工驗證滿足要求。2)基槽清淤。沉管隧道橫臥珠江口,存在回淤可能,容易造成基礎(chǔ)沉降和沉管安裝期浮力突然增大而意外上浮,因此,研制了專用清淤船(見圖5),此船不僅能夠進(jìn)行系統(tǒng)定位和測量,能實時顯示基槽槽底縱坡,還能采用耙頭定壓,可滿足在不同類型基礎(chǔ)面上(塊石、碎石、黏土等)進(jìn)行清淤施工。3)基礎(chǔ)拋石夯平。由于拋石夯平作業(yè)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,因此,開發(fā)了專用溜管式拋夯一體船(見圖6),可實現(xiàn)溜管定點定量拋石、定點夯平。采用液壓振動錘(見圖7)水下夯平后,大幅度提高了夯平效率及質(zhì)量。4)碎石基礎(chǔ)鋪設(shè)。由于水深大(40m)、整平精度要求高(允許偏差±40mm),且整平質(zhì)量關(guān)系到沉管標(biāo)高、接頭受力,整平工作量大(單節(jié)面積近1.5萬m2),所以研制出了國內(nèi)第1艘自升式拋石整平船(見圖8),采用液壓抬升、皮帶輸送和拋石定位測控管理3大系統(tǒng),基床鋪設(shè)采用自動化控制。4.2半剛性管節(jié)設(shè)計方法研究深埋大回淤條件下的節(jié)段式沉管(見圖9),在世界范圍內(nèi)無案例,為此開展了縱向設(shè)計接頭傳力機(jī)制研究、試驗和半剛性管節(jié)設(shè)計方法研究等。管節(jié)結(jié)構(gòu)采用混凝土自防水,設(shè)計使用壽命120年。4.3工廠法預(yù)制混凝土沉管隧道共33節(jié)管節(jié),標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長180m,由8個節(jié)段組成,單個節(jié)段長22.5m,單節(jié)混凝土方量約3400m3,采用全斷面一次性連續(xù)澆筑,綜合考慮預(yù)制質(zhì)量控制及工期要求,采用工廠法預(yù)制。4.3.1干部線5.2沉管預(yù)制廠位于桂山島,距離隧道軸線約13km。2條流水線同時生產(chǎn),每70d生產(chǎn)2個管節(jié)。預(yù)制廠包括管節(jié)生產(chǎn)區(qū)、淺塢區(qū)和深塢區(qū)。4.3.2混凝土澆筑設(shè)備應(yīng)使用的設(shè)備預(yù)制廠的生產(chǎn)線集成了當(dāng)今世界多項先進(jìn)技術(shù)和裝備,如流水化鋼筋生產(chǎn)加工線、一次全斷面澆筑液壓模板、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)和管節(jié)頂推系統(tǒng)。4.3.2.鋼筋綁扎及流水作業(yè)由于鋼筋加工、綁扎量大,共設(shè)置2條生產(chǎn)線,每條生產(chǎn)線設(shè)置3個鋼筋加工、綁扎區(qū),形成流水作業(yè)。綁扎完成后采用整體頂推進(jìn)入澆筑臺座,如圖10所示。4.3.2.2.大型設(shè)備建模系統(tǒng)模板系統(tǒng)由底模、側(cè)模、內(nèi)模及針形梁組成,由液壓系統(tǒng)控制,端模采用分塊拼裝,如圖11所示。4.3.2.3.混凝土砌塊和供應(yīng)系統(tǒng)采用4臺3m3攪拌系統(tǒng),攪拌能力要求大于150m3/h;采用12臺泵車及6臺布料系統(tǒng)。4.3.2.混凝土澆筑溫度設(shè)置制冰系統(tǒng),采用冰水混合物進(jìn)行混凝土拌制。從原材料到混凝土拌制、運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)全過程采取溫控措施,控制沉管混凝土入模溫度≤25℃(高溫季節(jié)28℃),采用養(yǎng)護(hù)棚噴淋養(yǎng)護(hù),全過程進(jìn)行溫度監(jiān)控。4.3.2.沉管地面千斤頂支撐方案每個管節(jié)質(zhì)量約7.8萬t,管段下方設(shè)置4條頂推滑移軌道,沉管下部布置192臺主動支撐千斤頂,采用“三點”支撐。單個管節(jié)設(shè)128臺頂推千斤頂,多點分散同步頂推,在管節(jié)前后設(shè)置2套導(dǎo)向裝置。管節(jié)頂推系統(tǒng)如圖12所示。4.3.3管道獨立浮浮移動管節(jié)預(yù)制、一次舾裝完成后,關(guān)閉深、淺塢門,進(jìn)行塢內(nèi)灌水、管節(jié)起浮試漏。通過塢內(nèi)絞纜系統(tǒng),橫移管節(jié)至深塢區(qū)。4.3.4節(jié)距安裝沉管在淺塢內(nèi)進(jìn)行流水化一次舾裝和在深塢內(nèi)進(jìn)行二次舾裝。4.4巷道適用難點沉管浮運(yùn)及安裝步驟如圖13所示。港珠澳大橋為國內(nèi)首條外海沉管隧道,工程經(jīng)驗少,且位于珠江口航道運(yùn)輸最繁忙水域,外海施工;水流、波浪條件復(fù)雜;深水安裝和潛水作業(yè)難度大;沉管對接安裝精度要求高;要求36個月完成33節(jié)管安裝,工期緊。4.4.1建立精細(xì)化作業(yè)窗口作業(yè)窗口是指適合沉管安裝的時間段,窗口預(yù)報是沉管安裝決策最重要的依據(jù)。預(yù)報存在小區(qū)域、長時段、精度高、要素多等困難,因此建立了精細(xì)化作業(yè)窗口預(yù)報管理系統(tǒng)。在一年的觀測、對比基礎(chǔ)上,繼續(xù)開展模型的檢驗、修正工作,不斷提高預(yù)報精度。4.4.2羅馬不利羅馬的技術(shù)難點和解決辦法4.4.2.1技術(shù)困難1)管節(jié)尺度大,數(shù)量多;3)浮運(yùn)線路位于目前我國航運(yùn)最繁忙的珠江口水域,多段航道交叉;4)需多拖輪協(xié)作,操控難度大。4.4.2.拖輪協(xié)同操作模擬1)橫流、橫浪情況下狹窄基槽內(nèi)長距離橫拖,開展了浮運(yùn)阻力物理模型試驗、數(shù)值模擬計算;2)進(jìn)行了管節(jié)浮運(yùn)拖帶操控船模擬試驗;4)采用10艘(總馬力數(shù)超過5萬馬力,約3.767kW)大馬力全回轉(zhuǎn)拖輪協(xié)同作業(yè);5)開發(fā)了專用導(dǎo)航系統(tǒng),輔助指揮各拖輪的操作;6)實施海上臨時交通管制和護(hù)航。4.4.3沉放駁與沉管柔性受力體系沉管系泊具有管節(jié)斷面巨大,受波浪、水流力大;流態(tài)多變,對錨泊系統(tǒng)威脅大;沉放駁與沉管組成多浮體柔性受力體系,動力響應(yīng)規(guī)律復(fù)雜等特點。為此,從系泊系統(tǒng)受力(纜力、吊點力),管節(jié)系泊、沉放過程中的動力響應(yīng),錨抓力試驗,雙體船沉放駁錨泊系統(tǒng),設(shè)置系泊錨纜及沉放錨纜系統(tǒng)方面進(jìn)行了物理模型、數(shù)值模擬試驗。4.4.4沉管接口設(shè)備采用扛吊法進(jìn)行沉管安裝,通過信息技術(shù)和遙控技術(shù),在安裝船控制室實現(xiàn)管節(jié)姿態(tài)調(diào)整、軸線控制和精確對接。無人沉放系統(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)和管內(nèi)精調(diào)系統(tǒng)。1)壓載系統(tǒng)。在控制室內(nèi)遙控,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(fù)浮力和姿態(tài)。2)深水測控系統(tǒng)。采用GPS+聲納原理,可實現(xiàn)沉管水下絕對定位和相對定位,無水下線纜,安裝便捷。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。4)管內(nèi)精調(diào)系統(tǒng)。沉管水力壓接完成后,如出現(xiàn)軸線偏差超出設(shè)計要求,則需進(jìn)行線形調(diào)整。管節(jié)與基床摩阻力大,GINA止水帶反力大,需設(shè)置多臺頂推和限位千斤頂。5特殊設(shè)備5.1人工島設(shè)備主要是8錘聯(lián)動大型鋼圓筒同步振沉系統(tǒng),如圖14所示。5.2安裝基本設(shè)備主要是定深平挖抓斗船(精挖)、耙頭定壓專用清淤船、溜管式拋夯一體船和平臺式整平船,如圖15所示。5.3沉沒準(zhǔn)備預(yù)制設(shè)備主要是全斷面預(yù)制液壓模板系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、管節(jié)同步頂推系統(tǒng)和管節(jié)支撐系統(tǒng),如圖16所示。5.4沉沒、浮式安裝專用設(shè)備主要是壓載系統(tǒng)、拉合系統(tǒng)、GPS+聲納監(jiān)控系統(tǒng)、精調(diào)系統(tǒng)、沉管安裝船和大馬力全回轉(zhuǎn)起錨船