陳韶章，蘇宗賢，陳 越（.港珠澳大橋管理局，廣東珠海 5905；2.廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 50030）

港珠澳大橋沉管隧道新技術

陳韶章1，2，蘇宗賢1，陳 越1
（1.港珠澳大橋管理局，廣東珠海 519015；2.廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510030）

摘要：沉管法是20世紀初發(fā)展起來的一種專門修建水下隧道的工法，適用條件較為苛刻，隨著工程技術的發(fā)展，其適應性越來越強。繼丹麥—瑞典的厄勒松海峽沉管隧道和韓國釜山—巨濟沉管隧道修建之后，我國正在珠江口伶仃洋30萬t主航道下修建港珠澳大橋沉管隧道，借鑒了國外技術與國內施工經驗，自主創(chuàng)新，結合工程項目特點，在地質勘察、結構分析、耐久性設計、管節(jié)預制、地基與基礎處理等方面發(fā)展了一些新技術，并對這些新技術進行了探討和總結。

關鍵詞：港珠澳大橋；沉管隧道；管節(jié)安裝；地質勘察

0　引言

隨著陸上交通和內河、海洋航運事業(yè)的發(fā)展，對越江跨海通道的需求越來越大，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越高，跨度越來越大，使得修建橋梁的成本和難度大增。同時，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，工程技術水平得到快速提升。

目前修建水下隧道主要有礦山法、盾構法、圍堰明挖法和沉管法。其中沉管法是20世紀初發(fā)展起來的一種專門修建水下隧道的工法，至今已有100 a歷史，適用條件較為苛刻［1］，而隨著工程技術的發(fā)展，其適應性也越來越強。廣州珠江和寧波甬江水下隧道的成功修建標志著我國沉管工法技術領域進入了新的發(fā)展階段，繼丹麥—瑞典的厄勒松海峽沉管隧道和韓國釜山—巨濟沉管隧道之后，我國正在珠江口伶仃洋30萬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的關鍵性工程，建成后將成為世界最長的雙向6車道公路沉管隧道。為此，國內工程師們在實踐過程中攻堅克難，借鑒國外技術與國內施工經驗，自主創(chuàng)新，結合工程項目特點，在地質勘察、結構受力分析、耐久性設計、管節(jié)預制、地基與基礎處理等方面發(fā)展了一些新技術。

1　工程概況與建設條件

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，連接香港、珠海和澳門，是一國兩制三地的海上通道。項目東起香港大嶼山石灣，西至珠海拱北和澳門明珠，總長約35.6 km，包括3項工程內容［2］：1）海中橋隧主體工程；2）香港口岸及珠海、澳門口岸；3）香港連接線、珠海連接線和澳門連接線。其中，海中橋隧主體工程東自粵港分界線，穿越銅鼓、伶仃西主航道以及青州航道、江海直達船航道、九洲航道，止于珠澳口岸人工島，總長約29.6 km，島隧工程為海中橋隧主體工程的控制性工程，長約6.7 km，海中隧道采用沉管工法，沉管段長約5.7 km，人工島各長625 m，島隧平面及縱斷面圖見圖1。

圖1　港珠澳大橋主體工程島隧工程平面與縱斷面圖Fig.1 The plane and vertical profile of HZMB Island＆Tunnel Project

島隧工程建設的主要難點：

1）建設標準高。①國家一級公路，雙向6車道，設計時速100 km／h；②設計使用壽命為120 a；③地震基本烈度為Ⅶ度。

2）水文氣象條件復雜。工程處于外海環(huán)境，臺風頻繁，海流、涌浪復雜，受冬季季風影響。

3）海底軟基深厚。工程所處海床面的淤泥質土、粉質黏土深厚，下臥基巖面起伏變化大，基巖埋深基本處于50～110 m范圍。

4）受規(guī)劃中的30萬t航道（通航深度－29 m）影響，隧道水深、埋深（回淤量）大。

5）隧道距離超長。沉管段長約5.7 km。

6）通航環(huán)境復雜。航線復雜，船舶流量大，最大日流量約4 000艘次。

7）環(huán)保要求高。工程穿越國家一級保護動物中華白海豚的保護區(qū)核心區(qū)。

8）珠江口防洪納潮要求高，阻水率要求控制在10%以內。

因此，在如此苛刻的建設條件下建設大型海底沉管隧道，已有的內河沉管隧道建設技術和經驗已遠遠不能滿足工程需求，需要進行技術創(chuàng)新和突破。

2　地質勘察

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，隨著深埋回淤問題的出現(xiàn)，港珠澳大橋沉管隧道工程對地質勘察的要求并非以往海上橋梁地質勘察工作所能滿足，而且傳統(tǒng)鉆探獲取的土樣不可避免地受到擾動而難以取得較為準確的物理力學參數(shù)。為了降低海床軟土土體取樣受擾動對勘察結果的影響、減少海上作業(yè)與通航運營船舶的相互干擾，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。CPTu是帶孔壓的靜力觸探，主要適用于海、陸相交替的沖積層和沉積層，根據(jù)其儀器自動采集的端阻、側阻和孔壓等數(shù)據(jù)，可快速、準確地進行地質分層［3］，見圖2。與傳統(tǒng)的鉆探勘察不同，CPTu主要是通過獲取間接指標，以經驗公式計算出變形參數(shù)，進而計算出地基沉降量。

我國靜力觸探技術應用歷史短，經驗少，相關的經驗在20世紀90年代才開始被相關規(guī)范認可，其適用范圍（主要用于陸上建筑）和深度與國際標準有較大的差別。目前，我國仍主要使用qt（錐頭阻力）、fs（側摩阻力）和Ps（比貫入阻力）指標，而國際上已普遍使

用Bq（孔壓比）和Fr（摩阻比）進行詳細的土體分類［3］。歐美國家形成的經驗公式也具有明顯的地區(qū)局限性，不一定適合我國廣大地區(qū)，因此，在工程具體應用時還需要在原位或同類土質地層使用靜載壓板試驗或螺旋壓板試驗進行對比或修正，并結合鑒別孔和消散孔進行綜合分析，甚至還要結合地區(qū)特性開展研究工作。

圖2　CPTu數(shù)據(jù)分析和地層判別示意Fig.2 Sketch diagram of CPTu data analysis and formation discrimination

此外，在沉管隧道設計過程中還需要考慮地基剛度的不確定性（包括勘察不確定性、基槽超欠挖和基礎不平整等因素）對隧道結構內力和變形的影響，目前主要是以一定的偏差波動（一般按經驗取20%，見圖3）結合管節(jié)長度計算出最不利的偏差波長，再以此作為沉管隧道結構縱向受力最不利工況［4］。因此CPTu的布孔應考慮管節(jié)長度和計算最不利偏差波長，并與鑒別孔、消散孔（孔壓消散試驗）的布置相結合。

圖3　地基剛度變化示意曲線Fig.3 Sketch curve of the variation of foundation stiffness

港珠澳大橋島隧工程在約7個月的補勘工作中完成了CPTu孔374個、消散孔22個、原位測試孔39個以及技術孔41個［5］，在確保對主航道航運影響最小的前提下，短時間內完成了大量的地質補勘工作，避開了臺風期作業(yè)，通過精細化勘察，及時向設計和施工提供高質量的地層參數(shù)。

3　管節(jié)長度與型式

對于超長距離沉管隧道，其管節(jié)的長度與型式直接影響到隧道結構縱向受力、施工工藝、干塢（預制廠）規(guī)模、工期和造價，需綜合各因素進行合理選擇。

3.1管節(jié)長度

在20世紀，世界上修建的沉管隧道長度一般在2 km以內，每節(jié)管長一般在100～130 m［1］。目前，大型沉管隧道的長度已增加至3 km以上，隨著隧道長度的增加和建設工期的要求，管節(jié)長度需要進一步增大：2000年建成的丹麥—瑞典的厄勒松海峽沉管隧道，沉管段長約3.5 km，其標準管節(jié)長176 m；2011年建成的韓國釜山—巨濟沉管隧道，沉管段長約3.3 km，其標準管節(jié)長180 m；港珠澳大橋沉管隧道的沉管段長約5.7 km，在綜合考慮裝備能力和工期的影響下確定標準管節(jié)長180 m；擬建的丹麥—德國的費馬恩海灣沉管隧道，沉管段長約17.6 km，業(yè)主招標方案的標準管節(jié)采用了長217 m的節(jié)段式鋼筋混凝土矩形管節(jié)?？梢?，跨海沉管隧道的管節(jié)長度有進一步增長的趨勢。

3.2管節(jié)型式

沉管管節(jié)的結構型式主要有鋼殼結構和鋼筋混凝土結構2種型式，也有鋼殼與鋼筋混凝土的復合結構型式。憑借混凝土結構防水及控裂技術的進步、柔性接頭的出現(xiàn)和橫斷面利用的優(yōu)勢，矩形箱式鋼筋混凝土結構成為當今沉管隧道的主流結構型式。根據(jù)港珠澳大橋建設標準及規(guī)模要求，單向3車道的行車隧孔單孔跨度達14.55 m，加上隧道深埋回淤上覆荷載偏大，一般的矩形箱式鋼筋混凝土結構已不能適應，因此采用了折拱式橫斷面予以解決［6］，見圖4。

圖4　港珠澳大橋沉管隧道折拱式橫斷面Fig.4 Folded arch crosssection of HZMB Immersed Tunnel

整體式管節(jié)采用管節(jié)接頭把各管節(jié)通過沉放安裝連接為沉管段，每管節(jié)縱向分為若干施工段，各施工段通過縱向鋼筋連接在一起，各施工段之間為施工縫連接，加上可使用外包防水措施，因此管節(jié)本身具有良好的水密性；管節(jié)接頭通過水力壓接的GINA橡膠止水帶作為第1道密封，OMEGA橡膠止水帶作為第2道密封，加上設置接頭受力結構件，管節(jié)接頭具有良好的水密性。節(jié)段式管節(jié)本身縱向亦分為若干節(jié)段，節(jié)段之間縱向鋼筋斷開，各節(jié)段通過臨時預應力拉索連接在一起（在隧道完工后臨時預應力拉索被剪斷），節(jié)段之間形成變形縫作用的節(jié)段接頭，這種結構形式改善了管節(jié)受力條件，但變形縫（節(jié)段接頭）增多，這便將結

構的受力矛盾轉嫁為水密性矛盾。隨著隧道總長度的增加和工期的要求，管節(jié)長度也需要相應增加，而整體式管節(jié)的長度基本發(fā)展到了極限，難以滿足工期要求，同時又由于混凝土溫度應力和收縮徐變等因素的影響，長管節(jié)需以節(jié)段式取代整體式。港珠澳大橋海中沉管隧道的標準管節(jié)采用8×22.5 m方案，島隧設計施工總承包商為提高長管節(jié)節(jié)段接頭的水密性，提出將浮運沉放過程中的縱向臨時預應力保留為永久預應力。

3.3隧道縱向分析

傳統(tǒng)上，整體式管節(jié)和節(jié)段式管節(jié)也分別被稱為“剛性管節(jié)”和“柔性管節(jié)”。節(jié)段式管節(jié)在沉放完成后剪斷縱向臨時預應力，在計算分析中一般不考慮其縱向剛度，以節(jié)段接頭的變形適應地基的不均勻沉降，從而減小結構內力。港珠澳大橋島隧設計施工總承包提出的保留縱向預應力的目的，是利用節(jié)段接頭接觸面摩擦力提高節(jié)段接頭抗剪能力，通過增加節(jié)段接頭抗彎剛度以減小可能的張開量，在增強結構的同時又提高了水密性。國外曾有個別工程保留浮運沉放過程中的縱向臨時預應力不剪斷，其目的主要是為了縮短工期，在結構力學分析上并無重要突破，也難以證明結構“增強”后對其受力是否有利。

其實，傳統(tǒng)的節(jié)段式管節(jié)在縱向軸力作用下也會存在一定剛度，因為水力壓接使管節(jié)接頭形成水密性能的GINA止水帶保持必要的壓縮量，其反作用于管節(jié)形成了縱向軸力。這個剛度與縱向軸力大小密切相關，見圖5，保留縱向預應力，通過向管節(jié)“輸入”一定的軸力，可進一步量化調節(jié)節(jié)段接頭的剛度，這與盾構隧道橫向接頭抗彎剛度力學原理相同［7］。國外在節(jié)段式沉管隧道計算中一般偏于“保守”的視節(jié)段接頭為可自由轉動的鉸，不考慮其抗彎剛度，雖然在分析理論上沒有繼續(xù)往前多走一步，但在實際工程中保留縱向預應力的可靠性是值得關注的。

圖5　節(jié)段接頭力學分析示意圖Fig.5 Sketch figure of mechanical analysis of segment joint

判斷預應力是否需要保留且進一步量化，應進行隧道結構的縱向受力分析，根據(jù)計算結果分析結構剛度增加所帶來的管節(jié)與接頭（包括管節(jié)接頭與節(jié)段接頭）的內力（彎矩和剪力等）和抗力（截面壓力和摩擦力等）變化情況，以及接頭（包括管節(jié)接頭與節(jié)段接頭）變形和止水帶水密性安全系數(shù)的變化情況。對于節(jié)段接頭，若抗力增加快于內力增加，保留或增加預應力是有利的，但還需要考察管節(jié)接頭的內力、張開量和GINA止水帶水密性的變化情況，從整體上進行協(xié)調平衡，不能只著眼于對局部是否有利。因此，保留縱向永久預應力的節(jié)段式管節(jié)的最大意義是可以通過預應力調節(jié)管節(jié)的剛度，以量化的剛度和變形指標解決地基沉降、管節(jié)受力和水密性之間的矛盾。需要注意的是，這也帶來了永久預應力應用于水下隧道所需要面對的密封性和耐久性問題。

可見，大型沉管隧道的管節(jié)型式，從水密性良好但存在受力矛盾的整體管節(jié)，發(fā)展到將受力矛盾轉化為水密性矛盾的節(jié)段式管節(jié)，未來可能會向尋求平衡受力與水密性矛盾的保留合適預應力管節(jié)的方向發(fā)展。

4　混凝土結構耐久性設計

以往修建的沉管隧道，大部分處于江河下游，耐久性問題并不突出。從20世紀90年代開始，沉管隧道工程從江河環(huán)境逐漸向江河入?？凇⒑抄h(huán)境甚至跨海峽環(huán)境發(fā)展，暴露在海洋環(huán)境中的混凝土結構耐久性面臨進一步挑戰(zhàn)。對于在海洋環(huán)境中采用鋼筋混凝土結構的沉管隧道（特別是沒有外包防水的節(jié)段式混凝土管節(jié)），混凝土結構的耐久性設計和控裂技術是實現(xiàn)混凝土結構自防水的關鍵。

4.1傳統(tǒng)耐久性設計

傳統(tǒng)的耐久性設計方主要是建立在經驗的基礎上，依據(jù)判斷—符合原則（deemtosatisfy rules）建立經驗理論體系，綜合經驗、摸索和直覺確定鋼筋混凝土鋼筋保護層的厚度，無執(zhí)行操作和設計使用年限定義的說明，依據(jù)的材料和工藝陳舊，試驗方法存在較多缺點，沒有論述與設計使用年限有關的混凝土早期質量要求。

發(fā)達國家從20世紀50年代中期起就投入大量人力、經費致力于混凝土結構耐久性研究。歐盟資助的Duracrete研究項目（1996—1999），在國際上首次提出了混凝土耐久性的可靠度設計方法，作為使用年限設計方法在厄勒海峽和釜山—巨濟通道等工程上得到了應用。

近20年，我國在混凝土結構耐久性特別是暴露在海洋環(huán)境中的混凝土結構耐久性研究方面投入了大量的研究力量，發(fā)表了一批針對海洋環(huán)境鋼筋混凝土結構腐蝕作用的研究成果，開發(fā)了實驗室開展海洋環(huán)境研究的人工氣候箱（室），編制和更新了相關的國家與

行業(yè)技術標準，在多項跨海工程建設中逐漸積累了寶貴的經驗。然而在具體設計中，對于海底隧道混凝土結構的耐久性設計尚處于遵從經驗判定的階段，雖然可以給出對應不同設計使用年限的混凝土耐久性控制指標，但這些指標是基于目前規(guī)范規(guī)定和傳統(tǒng)的經驗進行取值，使得耐久性技術指標和設計使用年限之間缺乏可靠的理論對應關系，滿足設計要求的工程是否就能達到規(guī)定的設計使用年限仍缺乏足夠的理論依據(jù)。

4.2耐久性設計發(fā)展

目前在國際上，基于設計使用年限的耐久性設計方法研究，對混凝土性能可分為2種不同等級：1）ACI（美國混凝土學會）的life365，僅僅對混凝土環(huán)境腐蝕而發(fā)生劣化過程這小部分作隨機（概率）分析，其余大部分則為判定性分析，原則上定為1級；2）歐盟的DuraCrete，除了對耐久性設計采用概率方法計算外，還考慮材料性能對耐久性設計的影響，原則上定為2級。

港珠澳大橋沉管隧道耐久性設計方法［8－9］，是基于結構使用年限的定量耐久性設計，強調結構構件的環(huán)境作用，基于近似環(huán)境的暴露試驗數(shù)據(jù)，以全概率或近似概率方法建立耐久性數(shù)學模型對鋼筋混凝土的保護層厚度、氯離子擴散系數(shù)、所處環(huán)境條件以及養(yǎng)護措施等變量進行分析，對構件的材料指標或者結構指標提出量化要求。表1為目前各種耐久性設計方法特點對比，可見，港珠澳大橋沉管隧道耐久性設計方法不但結合了工程環(huán)境、材料和施工工藝，還從定性判斷提高到了定量控制。

表1　不同耐久性設計方法特點對比Table 1 Comparison of different durability design methods

5　管節(jié)工廠化生產

在傳統(tǒng)干塢中預制管節(jié)，從鋼筋綁扎、模板架立、混凝土澆筑到拆模養(yǎng)護等工作，都是圍繞著管節(jié)實體在固定的非常有限的空間內進行，工序和臺班易受擾動、模板經常拆卸移動而使得預制質量與工作效率不高。港珠澳大橋沉管隧道由于距離長、工期緊，需要預制的管節(jié)長、體積大、數(shù)量多，混凝土的控裂質量也直接影響著結構耐久性和防水，若使用傳統(tǒng)干塢，則還需要臨時系泊存放而占用較大的海域面積，造價高而效率低，因此，管節(jié)預制應尋求更高效率的生產方式和工藝。

厄勒松海峽沉管隧道工程首次成功實施了管節(jié)工廠化生產［10］（見圖6），其本質是實現(xiàn)流水化生產模式，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、淺塢一次舾裝和深塢二次舾裝等工作，通過將生產對象（管節(jié)鋼筋籠或成型混凝土）進行頂推平移至下一道工序位置進行后續(xù)作業(yè)。這種生產方法適用于節(jié)段式管節(jié)的預制生產，模板只需按一節(jié)段長度進行制造，逐段生產、頂推，再連接成管節(jié)，其模板在生產線的位置固定，可大大節(jié)約模板數(shù)量且便于維護，而且，生產線的大部分工作在室內環(huán)境下進行，可全天候作業(yè)，各道生產工序可同時進行，相互干擾少，顯著提高了管節(jié)生產的效率和質量。

圖6　厄勒松海峽沉管隧道管節(jié)預制廠Fig.6 Oresund Strait Immersed Tunnel prefabrication factory

港珠澳大橋沉管隧道工程是世界范圍內第2個成功實現(xiàn)管節(jié)工廠化的建設項目［11－12］（見圖7），在消化

吸收厄勒松海峽沉管隧道工廠化生產技術的基礎上，不但成功實現(xiàn)了工廠化生產的5大關鍵設施：管節(jié)混凝土模板系統(tǒng)、混凝土攪拌及供應系統(tǒng)、混凝土溫控及養(yǎng)護系統(tǒng)、管節(jié)頂推與導向系統(tǒng)和管節(jié)支承系統(tǒng)，還作了4項重要技術創(chuàng)新：1）將頂推系統(tǒng)從管節(jié)截面頂推改進為底部支座頂推；2）因地制宜，將深塢與淺塢平行布置，將深塢的管節(jié)存儲量從2節(jié)增加到4節(jié)，并將系泊區(qū)與深塢舾裝區(qū)合并；3）進一步實現(xiàn)了流水化的底、側、頂鋼筋加工及拼裝生產線，采用了摩擦焊接和數(shù)控鋼筋加工技術，大大提高了鋼筋籠精度和施工自動化水平；4）采用了大型自動化液壓混凝土模板及其兩側的大型混凝土結構反力墻，大大提高了管節(jié)制作精度和工效。

港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)預制廠在2條流水線同時作業(yè)的情況下，每2月生產2個管節(jié)，每個標準管節(jié)混凝土用量約2.7萬m3，質量超過7萬t，每個節(jié)段混凝土方量約3 400 m3，采用全斷面一次澆筑，溫度裂縫控制效果良好。

圖7　港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)預制廠Fig.7 HZMB Immersed Tunnel prefabrication factory

圖8　港珠澳大橋沉管隧道地基設計方案Fig.8 Foundation design of HZMB Immersed Tunnel

6　地基與基礎處理

6.1地基設計

傳統(tǒng)的沉管隧道一般基槽開挖量不大，上覆荷載很小或沒有，怕浮不怕壓，對地基要求不高。港珠澳大橋沉管隧道由于上覆回淤荷載大，下臥軟基厚，對地基要求高，沉降問題甚至是工程建設成敗的關鍵。

地基處理主要有復合地基和樁基礎2大類，早期使用剛性接頭的沉管隧道多使用偏剛性的樁基礎，水力壓接的柔性接頭出現(xiàn)后，較多地采用了復合地基。港珠澳大橋沉管隧道穿越了淤泥、淤泥質黏土和淤泥質黏土混合砂，在島頭段采用了PHC剛性樁復合地基代替了傳統(tǒng)的支承樁地基型式，在海中人工島護岸地基加固成功研發(fā)了水下高置換率擠密砂樁（SCP）后，將沉管隧道的過渡段由減沉樁（定位樁）更改為擠密砂樁（SCP）復合地基［6］（見圖8），總體上以復合地基的設計理念實現(xiàn)隧道與地基剛柔協(xié)調和沉降過渡，將沉降差控制在隧道結構可承受的范圍內。

6.2基礎墊層處理

基礎墊層的處理一般分為先鋪法和后填法2大類。先鋪法有刮砂法和刮石法；后填法有砂流法、灌囊法和壓漿法等。后填法的主要優(yōu)點在于高程便于調節(jié)，施工設備占用航道時間短和潛水工作量少，但在地震時容易發(fā)生砂土液化而使基礎失去承載力。由于水深大、水流復雜、管節(jié)體量大，若使用后填法基礎需要對管節(jié)兩端進行臨時支撐，而節(jié)段式管節(jié)在簡支狀態(tài)下受力較為不利，因此海中沉管隧道一般優(yōu)先考慮先鋪法基礎墊層。

碎石整平法是由傳統(tǒng)刮石發(fā)展為通過下料刮鋪的一種先鋪法，其碎石墊層帶有壟溝（見圖9），其主要優(yōu)點是：在相對較大的波浪和水流情況下仍能適用，具有一定納淤能力，管節(jié)沉放連接后能快速保持管節(jié)穩(wěn)定以及墊層頂面可進行可視化檢查。但采用先鋪法的管節(jié)在著床后高程及縱、橫坡不可再調，管節(jié)高程與縱、橫坡的誤差基本取決于碎石墊層的誤差，因此管節(jié)沉放對基礎墊層的精度要求高，需采用大型高精度機械設備進行施工。港珠澳大橋沉管隧道工程研制開發(fā)了按擬定縱坡均勻下料鋪設的高精度碎石整平船（見圖10），代替了傳統(tǒng)的刮鋪法處理工藝，實現(xiàn)了整平船的準確定位、平臺升降鎖緊控制、下料管升降及整平臺車縱向和橫向移動的控制、拋石管整平刮刀的高程調節(jié)、基床整平的同步質量檢測等自動化控制，克服了在

深水施工中的2大技術難題：

1）利用細長的下料管在不穩(wěn)定的水流中來回移動下料形成平整的“Z”型碎石壟；

2）船位移動后前后船位之間施作的墊層連接平順。

該整平船在已完成的E1～E14管節(jié)基礎鋪設過程中，實現(xiàn)了在8個有效工作日內以7個船位完成一個標準沉管管節(jié)的碎石基床鋪設，碎石基床精度可達±30 mm。

圖9　帶壟溝的碎石墊層Fig.9 Gravel cushion with furrow

圖10　碎石鋪設整平船F(xiàn)ig.10 Stone paving and leveling ship

7　管節(jié)安裝與測控

7.1管節(jié)安裝

目前沉管隧道管節(jié)的安裝普遍采用水力壓接法，隨著水深的增加，潛水員水下探摸作業(yè)越來越困難，管節(jié)沉放安裝需要以先進的施工設施和裝備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的潛水員作業(yè)。

韓國釜山—巨濟沉管隧道工程采用了一對遙控水下調節(jié)架（EPS）用于管節(jié)對接施工，并采用了一艘微型水下交通潛艇用于水下施工質量檢查，避免了潛水員水下作業(yè)的風險。港珠澳大橋沉管隧道工程也自行開發(fā)了一套“深水無人沉放系統(tǒng)”，包括錨泊定位系統(tǒng)、壓載控制系統(tǒng)、自動拉合系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)和體內精調系統(tǒng)等，通過信息技術和遙控技術實現(xiàn)管節(jié)姿態(tài)調整、軸線控制和精確對接。與韓國釜山—巨濟沉管隧道不同，該系統(tǒng)采用“內調法”實現(xiàn)管節(jié)對接后的線性調整，即在GINA內側安置若干千斤頂實現(xiàn)精調功能，見圖11。

圖11　“內調法”管內精調系統(tǒng)Fig.11 Fine regulating system in tube with“internal adjustment method”

7.2測量與定位

長距離水下沉管隧道的測量定位需解決3個主要問題：

1）沉管段最終接頭的貫通精度。一般主要由洞外引入的精密導線控制；

2）各沉管管節(jié)的平面和高程位置精度。近岸可視的條件下可以全站儀和測量塔為主，長距離不可視的情況下需采用GPS＋RTK定位；

3）相鄰管節(jié)的對接精度?？墒褂媒饘倮€、差分聲吶、水聲／水聽聲吶陣列等。

由于港珠澳大橋沉管隧道距離超長，處于外海環(huán)境，測量可視條件較差，而且受阻水率等條件限制而造成的橋隧轉換人工島短且小，如何建立精密導線確保最終貫通精度，以及如何將GPS平面坐標測控與管節(jié)沉放安裝相對位置測控系統(tǒng)集成為具有較高精度的綜合測控系統(tǒng)，克服水文與氣象的干擾，仍是建設者們面臨的挑戰(zhàn)。港珠澳大橋沉管隧道把管節(jié)平面位置控制測量與管節(jié)沉放對接相對位置精度控制測量集成為GPS＋RTK＋差分聲吶控制系統(tǒng)（見圖12），實現(xiàn)了cm級的控制精度。

圖12　聲吶法結合GPS進行對接測量Fig.12 Connection measurement with Sonar and GPS

8　未來技術展望

隨著國家海洋經濟的發(fā)展，將會不斷出現(xiàn)新的跨海通道，沉管隧道是其中可供選擇的工法之一，未來可能需要面臨更大的水深、更長的距離等更為苛刻的建設條件和更高的建設標準，可能還需進一步突破單孔大跨度、大水深、超長距離、長管節(jié)和多功能等帶來的技術難題。

1）單孔大跨度。美國Fort McHenry隧道、荷蘭的Drecht隧道和上海外環(huán)路隧道，是目前世界上僅有的

3座雙向8車道水下道路隧道，但其采用了四孔（每孔2車道）兩管廊或三孔兩管廊的斷面形式，我國籌建中的深中（深圳—中山）通道，前期客流預測要求其達到雙向8車道的高速公路建設標準，采用沉管隧道方案需進一步解決單孔4車道（18.55 m）的大跨度技術難題。

2）大水深。土耳其的博士普魯斯海峽隧道為目前最深的鐵路沉管隧道，最大水深達61 m，而多車道的箱式矩形公路沉管隧道能否達到此水深，也需要進一步突破橫向斷面受力問題。此外，隨著水深進一步增加，潛水員作業(yè)將更加困難，需進一步研發(fā)高精度的水下作業(yè)和檢測裝備。

3）超長距離、長管節(jié)。丹麥—德國的費馬恩（Fehmarnbelt）海灣沉管隧道，沉管段長17.6 km，最大水深40 m。該項目為公鐵兩用，公路采用雙向四車道120 km／h技術標準；鐵路采用160 km／h技術標準，橫斷面42.2 m×8.9 m，業(yè)主招標推薦管節(jié)長217 m （24.1 m×9節(jié)段），這需要進一步解決大體積混凝土的抗裂難題和研發(fā)更強大的施工裝備，以及可能需要集成各種更為先進的技術、儀器和設備等。

4）多功能（公鐵兩用）。由于城市發(fā)展、土地使用限制、通道資源越來越少，需要公路、鐵路、市政等多功能集合的隧道工程，如已建的廣州市珠江沉管隧道、厄勒海峽沉管隧道、在建的佛山市東平河沉管隧道以及擬建的費馬恩沉管隧道。公（道）鐵兩用隧道需要進一步協(xié)調解決不同功能的技術標準和接口等問題。由于沉管隧道比盾構隧道和礦山法隧道更有利于與兩岸接線協(xié)調，更有利于高速鐵路的建設，未來有可能會出現(xiàn)第一條服務于高速鐵路的沉管隧道。

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New Technologies Used for Immersed Tunnel of HongkongZhuhaiMacao Bridge Project

CHEN Shaozhang1，2，SU Zongxian1，CHEN Yue1
（1.HongkongZhuhaiMacao Bridge Authority，Zhuhai 519015，Guangdong，China；2.Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou 510030，Guangdong，China）

Abstract：Immersed tube method is a special construction method for underwater tunnel developed in the early 20th century.Its application conditions are rigorous，but its adaptability becomes more and more strong.After the Oresund Strait immersed tunnel from Denmark to Sweden and the immersed tunnel from Busan to Geoje in Korea，HongkongZhuhaiMacao Bridge（HZMB）Immersed Tunnel in China is under construction below the main channel of Lingdingyang of Pearl River Estuary.The engineers are overcoming difficulties in the process of practice，with independent innovation and learning from foreign and domestic technology and construction experience.Some new technologies in terms of geological survey，structural analysis，durability design，tube prefabrication and foundation treatment，etc.are developed on the basis of the project characteristics.This paper tries to discuss and summarize these new technologies.

Key words：HongkongZhuhaiMacao Bridge；immersed tunnel；tube element installation；geological prospecting

作者簡介：陳韶章（1942—），男，廣東寶安人，1965年畢業(yè)于廣東工學院，機械工程專業(yè)，本科，教授級高級工程師，主要從事地鐵與地下工程管理與研究工作。

收稿日期：2015－02－05；修回日期：2015－04－08

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672－741X（2015）05－0396－08

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.002