港珠澳大橋的島隧技術

1.港珠澳大橋概略港珠澳大橋海中主體工程長29.6km。整體河勢東沖西淤。其中東側的一段按照30萬噸油輪通航預留，且受香港機場飛行限高的控制，因此采用6.7km長的沉管隧道方案。為了接上橋梁，隧道兩頭建造了兩個人工島。工程于2011年1月批準開工，于2018年2月交工驗收。?港珠澳大橋地理和經(jīng)濟環(huán)境及主體工程概況橋梁方面上部結構用鋼量超過40萬噸，創(chuàng)造了世界橋梁工程的新記錄；樁基礎創(chuàng)新地采用鋼管復合結構，提高了橋墩的抗撞擊能力；非通航孔橋的橋墩采用工廠化預制，整體化安裝，實現(xiàn)了外海橋梁的裝配化施工，讓工期、安全更有保障；橋塔分別采用中國結、海豚和風帆的創(chuàng)意。其中的海豚塔高達百米，重量超過2600t；獨特的創(chuàng)意，結合現(xiàn)代化的工法，給港珠澳大橋留下了厚重的文化氛圍。?港珠澳大橋主體段橋梁(a)遠眺橋梁;(b)青州航道橋中國結;(c)江海橋海豚塔安裝;(d)東人工島接橋隧;(e)隧道內(nèi)視島隧方面建設規(guī)模超大；世界首次將沉管隧道埋入海床面以下超過20m；建設條件復雜：珠江口夏季受臺風、強對流天氣和汛期的影響，秋冬季受季風的影響，日過往船舶高達4000艘。島-隧工程穿過中華白海豚核心保護區(qū)，環(huán)保要求高。在上述工作條件下，連續(xù)地完成了超過6km長的沉管隧道的水下基礎與管節(jié)預制和安裝。2.快速和可靠的成島技術由于人工島下方的軟土層厚30m，預計人工島需要3年的時間建設，留給后續(xù)隧道建設時間不足。對于人工島的基礎，軟土具有利弊兼有的兩面性；采用傳統(tǒng)的筑島方法將軟土改良或移除，再填上砂石，需投入巨大的工程量是其不利的一面；軟土易插入和不透水特性是有利的一面，可以被利用。?東人工島最后一個鋼圓筒的打設將22m直徑，高約50m，壁厚僅1.6cm的鋼圓筒插入軟土約30m深，連續(xù)地插入約60個鋼圓筒，就圍成一個環(huán)島，插入120個，就圍成兩個環(huán)島。同時用整體式副格連接相鄰的鋼圓筒，并深插入至軟土的不透水層，就可形成低滲透率的臨時島壁，從而為島內(nèi)的超載排水作業(yè)提供了條件。改用這種方法后，人工島成島時間從3年縮短至7月。海上作業(yè)縮減降低了對中華白海豚種群生存環(huán)境的影響，及對海上交通的影響。新筑島方法的研發(fā)并沒有令人工島部分建設費用超預算，原因是工期加快了，海上作業(yè)大幅減少了。3.沉管隧道沉管隧道由33個管節(jié)和一個最終接頭組成。典型管節(jié)長180m，寬37.95m，高11.4m，重76000t。組合基床早期方案是樁基加深水換填砂。在施工籌備階段，一次試驗中，發(fā)現(xiàn)該方案沉降規(guī)律復雜且無法收斂，因而開發(fā)了組合基床、水下堆載預壓、以及擠密砂樁為主的改良地基。?隧道基礎處理(a)早期方案；(b)實施方案組合基床為隧道結構提供了一層硬底；水下堆載預壓確保了沉降在空間上的分布均勻；擠密砂樁確保地基承載力。項目研發(fā)了多種專用設施來確保水下基礎施工質(zhì)量，如帶有平挖功能的抓斗船、“蓋章式”清淤船、拋石夯平船、碎石墊層表面清淤專用的吸頭。半剛性管節(jié)隧道在運營期會被20多米厚回淤覆蓋。部分回淤在未來航道變更時可能被再次挖除。已有的節(jié)段式和整體式管節(jié)結構在縱向上都無法承受深埋帶來的高荷載。?運營期回淤及遠期航道為解決該問題，曾提出兩個減輕隧道上方荷載的方案，一個是在未來120年的隧道運營期間不斷地疏浚，移除隧道上方的回淤；另一個是在隧道上方預先填滿輕質(zhì)材料。這兩個方案都是投入巨大——改變環(huán)境，不如改變隧道結構自身——采用半剛性管節(jié)可增強沉管隧道管節(jié)縱向結構的魯棒性。?“剛柔并濟”的半剛性隧道管節(jié)結構記憶支座半剛性管節(jié)保證了管節(jié)結構自身的安全，但是管節(jié)與管節(jié)之間的接頭仍然是個薄弱環(huán)節(jié)。因此，開發(fā)了記憶支座，以保護管節(jié)接頭免受差異沉降影響。該支座能“記住”結構的承載力，一旦該力被超過，就將超出部分導入沉船正下方地基而不是相鄰管節(jié)的地基。?記憶支座原理示例最終接頭最終接頭位于E29與E30之間，底板水深27.9m，安裝作業(yè)受到波浪與海流的影響。沉管隧道已有的最終接頭施工方法包括圍堰法、止水板法、終端塊法、V形塊法、以及Key管節(jié)法。這些工法對于止水和連接的實現(xiàn)，都是通過利用靜水壓力或是灌漿，是被動的。我們開發(fā)了主動止水最終接頭技術。把最終接頭做成一整體，運輸與沉放時，其縱向尺寸小于其最終狀態(tài)的尺寸，對接時，其自身能沿縱向展開并接觸相鄰管節(jié)。用這種方式，將該工程的海上作業(yè)時間從6個多月縮短到了3天。管節(jié)預制預制工廠選址對縮短工期，節(jié)省投資極重要，我們比較了周邊的6處地址，最終選擇了桂山島上的廢棄采石場。工廠被劃分為生產(chǎn)區(qū)、管理區(qū)、生活區(qū)，總占地56萬平米，員工1200名。?預制廠生產(chǎn)區(qū)平面示意我們采用工廠法來預制33個沉管管節(jié)。管節(jié)預制速度需要與管節(jié)安裝速度匹配。鋼筋綁扎很花時間，因此在生產(chǎn)線上實現(xiàn)底板、側墻、頂板流水作業(yè)。沉管管節(jié)壁厚1.5m，單個節(jié)段一次澆筑方量3400m3，采用全斷面同時澆筑、標準化的自然控裂方案，實現(xiàn)了在不采用冷卻水管的情況下，近百萬方混凝土澆筑無裂縫。管節(jié)精準安裝管節(jié)拖運在水深受限的航道中進行，一旦失控，不但損失巨大，而且將成為航道障礙物。為降低風險，管節(jié)的拖運采用10多艘海事艇護航和12艘拖輪。?最后一個安裝的管節(jié)E30為了保證拖運安全，還開發(fā)了浮運導航系統(tǒng)，在拖運過程中實時地監(jiān)測管節(jié)及所有拖輪的位置。值得指出，同時控制12艘船操控76000t的管節(jié)，對于有豐富外海大船拖航經(jīng)驗的船長仍然是一個挑戰(zhàn)，因此在正式拖航前演練了4次。沉管隧道水下基槽深達30m，給管節(jié)的沉放帶來兩個難題：“齒輪效應”即基槽槽底的流速有時會大于表層流速?；赜偎俾士欤踔涟l(fā)生一天內(nèi)的驟淤。E15管節(jié)在浮運過程中觀察到了超出預期的回淤，無法繼續(xù)進行安裝而返航，直到第3次安裝才成功。為解決這兩大難題，我們分別開發(fā)了沉管管節(jié)對接預報與預警系統(tǒng)、回淤預警預報系統(tǒng)和專用的清淤裝置。2013年超強臺風“海燕”襲擊南太以后，針對災害性天氣我們優(yōu)化了工程防災設計，全面提升了工程的防災能力。該工程成功地經(jīng)受住了強臺風“天鴿”和“山竹”的考驗。工程始終堅持先實驗驗證，再實施的工作方法，建設期間，島隧承包商共開展了140多項試驗研究，包括碎石墊層納淤機理與能力試驗，碎石墊層摩擦力試驗，管節(jié)原型拖航試驗等。

從2013年5月第一個管節(jié)安裝至今，隧道實現(xiàn)了滴水不漏。33個管節(jié)進行了35次安裝未發(fā)生安全事故。

與港珠澳大橋同步，在中國東南沿海，多座大型橋梁正在興建，諸