本刊記者 俞嘯

聚焦工程 Construction Focus

聚焦港珠澳大橋工程（一）港珠澳大橋島隧工程
——沉管預(yù)制

本刊記者 俞嘯

港珠澳大橋是繼三峽工程、青藏鐵路、南水北調(diào)、西氣東輸、京滬高鐵之后國(guó)內(nèi)的又一重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，東連香港、西接珠海、澳門(mén)，是集橋、島、隧為一體的超大型跨海通道。這座連接香港大嶼山、澳門(mén)半島和珠海市的跨海大橋，全長(zhǎng)近50km，主體工程長(zhǎng)約35km，包括離岸人工島和海底隧道。由中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司聯(lián)合體承建的島隧工程是大橋工程的施工控制性工程，由沉管隧道、東西人工島三大部分組成。沉管隧道起于伶仃洋粵港分界線，沿23DY錨地北側(cè)向西，穿越珠江口銅鼓航道、伶仃西航道，止于西人工島結(jié)合部非通航孔橋西端。建成后將成為世界上最長(zhǎng)的6線行車(chē)沉管隧道、世界上跨海距離最長(zhǎng)的橋隧組合公路。

港珠澳大橋示意圖，大橋中段的隧道是建設(shè)中難度最高的部分

1983年，原計(jì)劃連接香港和珠海的“伶仃洋大橋”計(jì)劃被提出，后增加澳門(mén)，更名為“港珠澳大橋”；2007年，各地政府達(dá)成協(xié)議；2009年3月，就大橋主體工程初步設(shè)計(jì)簽約；2009年12月，港珠澳大橋澳口岸人工島開(kāi)始動(dòng)工；2011年12月港珠澳大橋香港段工程正式動(dòng)工。預(yù)計(jì)2016年建成通車(chē)。

由兩個(gè)人工島和隧道組成的島隧工程，是港珠澳大橋施工難度最大的部分。全長(zhǎng)5664m的沉管隧道，由33節(jié)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沉管對(duì)接而成，至2015年3月底，港珠澳大橋島隧工程已累計(jì)完成21節(jié)沉管預(yù)制和15節(jié)沉管浮運(yùn)安裝，橋梁工程全線樁基礎(chǔ)施工全部完成，已完成165.5個(gè)墩臺(tái)海上安裝，占總量的85.8%。

沉管預(yù)制難度大

港珠澳大橋沉管隧道是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道之一。港珠澳大橋島隧工程結(jié)合、長(zhǎng)距離通風(fēng)及安全設(shè)計(jì)、超大管節(jié)的預(yù)制、復(fù)雜海洋條件下管節(jié)的浮運(yùn)和沉放，高水壓條件下管節(jié)的對(duì)接以及接頭的水密性及耐久性、隧道軟土地基不均勻沉降控制等技術(shù)均要達(dá)到世界最高水準(zhǔn)。沉管隧道東西人工島深厚軟土的加固處理，人工島各部分差異沉降的控制，與沉管隧道的連接，島、隧運(yùn)營(yíng)階段的可靠性及耐久性等技術(shù)，都是超級(jí)挑戰(zhàn)。

預(yù)制沉管標(biāo)準(zhǔn)節(jié)

沉管法建造隧道首先需預(yù)制沉管管節(jié)。沉管管節(jié)分為標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)和非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，采用工廠化在車(chē)間內(nèi)預(yù)制生產(chǎn)。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180m，寬37.95m，高11.4m，底板、頂板、側(cè)墻厚度均為1.5m，中隔墻厚0.8m,重約75000噸。管節(jié)預(yù)制時(shí)將每節(jié)180m長(zhǎng)的沉管管節(jié)又分成8個(gè)小管節(jié)，每個(gè)小管節(jié)長(zhǎng)22.5m，每個(gè)小管節(jié)的接口處都采用凹凸槽的設(shè)計(jì)，一個(gè)小管節(jié)凸出的地方，將與另外一個(gè)小管節(jié)凹下的地方咬合，保證小管節(jié)拉合后不脫落。在每個(gè)小管節(jié)之間，都采用止水帶，以防止海水滲漏。

縱觀國(guó)內(nèi)外的沉管隧道管節(jié)預(yù)制，絕大多數(shù)都采用干塢法，在船塢或船臺(tái)進(jìn)行預(yù)制再灌水起浮，但管節(jié)的預(yù)制和存放都在同一個(gè)干塢內(nèi)進(jìn)行，管節(jié)要出塢門(mén)時(shí)，其他工作都要停下來(lái)，使得工期受限。對(duì)港珠澳大橋這樣的超級(jí)工程而言，工廠預(yù)制法顯然更能適應(yīng)建設(shè)的要求——“大流水”作業(yè)，工廠化全封閉室內(nèi)預(yù)制，受外界因素影響小，沉管的精度和質(zhì)量都能得到最好的保證。

2012年4月29日，港珠澳大橋島隧工程沉管預(yù)制啟動(dòng)儀式在距海上施工現(xiàn)場(chǎng)7海里外的珠海桂山牛頭島沉管預(yù)制廠舉行。沉管預(yù)制需要克服各種難題：

1）規(guī)模大，進(jìn)度緊迫。共33個(gè)管節(jié)，混凝土總量約87萬(wàn)m3，設(shè)2條預(yù)制生產(chǎn)線，首批管節(jié)(E1、E2)必須在2012年8月底之前預(yù)制完成，第二批管節(jié)(E3、E4)需在2013年初完成，以后按照每?jī)蓚€(gè)月生產(chǎn)2個(gè)管節(jié)的速度，其余各批次管節(jié)預(yù)制隨后密集梯次展開(kāi)，規(guī)模大、進(jìn)度緊迫，對(duì)干塢建造、前期籌備、施工組織管理等要求高。

2）預(yù)制精度要求高。管節(jié)重度及幾何精度控制標(biāo)準(zhǔn)要求高，對(duì)原材料質(zhì)量穩(wěn)定性控制、模板系統(tǒng)剛度及制作精度、施工過(guò)程控制等要求極其嚴(yán)格。

3）鋼筋施工難度大。單節(jié)管節(jié)鋼筋量大(約900t)；綁扎及定位難度高；鋼筋籠移動(dòng)過(guò)程中確保其變形等難度較大；鋼筋籠滑移至澆筑區(qū)后進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換難度大。

4）混凝土供應(yīng)保障難度大。為保證沉管耐久性要求，管節(jié)預(yù)制采用全斷面澆筑工藝，一次澆筑混凝土約3413m3，必須在30h內(nèi)澆筑完畢，平均澆筑強(qiáng)度約114m3/h，且不允許出現(xiàn)任何停頓，平均每周澆筑2次。單位時(shí)間內(nèi)澆筑如此大方量混凝土在國(guó)內(nèi)外工程界罕見(jiàn)，對(duì)混凝土生產(chǎn)供應(yīng)設(shè)備的效率及可靠性要求極高。

5）曲線段管節(jié)預(yù)制需調(diào)整相關(guān)參數(shù)。E29～E33為平曲線管節(jié)，曲率半徑為5000m，需通過(guò)調(diào)整相鄰兩個(gè)22.5m長(zhǎng)直線節(jié)段之間的夾角來(lái)近似擬合5000m曲線半徑，各節(jié)段鋼筋籠骨架及模板系統(tǒng)位置參數(shù)需按照管節(jié)曲線位置予以調(diào)整。

6）節(jié)段頂推不均勻受力控制要求高。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)22.5m，寬37.95m，重約9000t，最大水平頂推距離約300m，頂推軌道沉降、各支點(diǎn)受力不均勻等均有導(dǎo)致管節(jié)開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，需采取有效措施實(shí)現(xiàn)各支點(diǎn)根據(jù)滑移面的高程變化自動(dòng)調(diào)節(jié)支承反力，且各點(diǎn)反力誤差不得超過(guò)1%，對(duì)管節(jié)頂推設(shè)備的同步性、可靠性及支承體系轉(zhuǎn)換控制要求高。

7）管節(jié)控裂面臨挑戰(zhàn)。管節(jié)設(shè)計(jì)使用壽命120年，抗?jié)B要求高，管節(jié)截面尺度大，且無(wú)外包防水，不允許出現(xiàn)溫度裂縫，工程區(qū)域常年氣溫高，濕度變化大，混凝土入模溫度控制、控裂及養(yǎng)護(hù)措施等面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

8）生產(chǎn)資源組織難度大。沉管預(yù)制工廠設(shè)置在桂山島上的牛頭島，屬孤島施工，施工材料全部經(jīng)由海上運(yùn)輸，受氣候環(huán)境因素影響大，各種資源組織難度大。

9）水電供應(yīng)保障難度大。桂山島內(nèi)缺乏蓄水的池塘水庫(kù)，無(wú)多余供水網(wǎng)管，預(yù)制廠生產(chǎn)、生活用水需用船從珠海運(yùn)到牛頭島，單價(jià)高；生產(chǎn)生活用電靠自行發(fā)電，成本高。

四大新技術(shù)是保證

合理優(yōu)化配置混凝土生產(chǎn)、溫控、輸送及管節(jié)頂推設(shè)備，優(yōu)化混凝土澆筑及管節(jié)頂推工藝，提高設(shè)備保證率和施工效率；以混凝土容重、管節(jié)外形尺寸及裂縫控制為重點(diǎn)，優(yōu)選原材料和混凝土配合比，合理制定管節(jié)預(yù)制溫控方案，實(shí)現(xiàn)從原材料出庫(kù)到混凝土入模的全過(guò)程溫度控制，保證夏季入模溫度不高于25℃，冬季不高于23℃，強(qiáng)化施工過(guò)程管理，確保管節(jié)預(yù)制質(zhì)量；加強(qiáng)管節(jié)預(yù)制各項(xiàng)籌備工作，在預(yù)制工廠土建施工階段同步進(jìn)行設(shè)備的安裝調(diào)試和相關(guān)技術(shù)準(zhǔn)備，做到土建完工，設(shè)備安裝調(diào)試完工，技術(shù)準(zhǔn)備到位，確保首批管節(jié)預(yù)制按時(shí)、高質(zhì)量完成；在完成總體施工進(jìn)度的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加大投入，加快施工進(jìn)度，為管節(jié)浮運(yùn)沉放關(guān)鍵線路的順利實(shí)施創(chuàng)造有利條件。

技術(shù)與質(zhì)量管理措施。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況編制了總體施工組織設(shè)計(jì)，并根據(jù)工程進(jìn)展及時(shí)編制鋼筋施工方案、混凝土施工方案、頂推施工方案等重大施工方案以及各分項(xiàng)工程詳細(xì)的施工專(zhuān)項(xiàng)方案、施工作業(yè)指導(dǎo)書(shū)或標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)規(guī)程；嚴(yán)格執(zhí)行分項(xiàng)工程開(kāi)工前技術(shù)交底制，過(guò)程控制實(shí)行“自檢、互檢、專(zhuān)檢”三檢制；制定并執(zhí)行各分項(xiàng)工程工序檢查表；建立了質(zhì)量管理體系，嚴(yán)格編制了質(zhì)量計(jì)劃。

針對(duì)本工程特點(diǎn)，必須做好技術(shù)的超前策劃，確保有足夠的時(shí)間提前研究解決方案。對(duì)重大技術(shù)問(wèn)題制定計(jì)劃，明確解決目標(biāo)、解決途徑、解決方法，按規(guī)定制定必要的專(zhuān)家評(píng)審計(jì)劃，及時(shí)組織專(zhuān)家評(píng)審，突破制約工程建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)及細(xì)化分項(xiàng)工程方案，做好足尺模型試驗(yàn)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為盡早展開(kāi)大規(guī)模流水作業(yè)創(chuàng)造條件。優(yōu)化技術(shù)方案，引進(jìn)新設(shè)備、新工藝、新材料，提高工效，確保施工進(jìn)度。建立完善的質(zhì)量保證體系，對(duì)所有質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行分析并提出保證措施，過(guò)程中持續(xù)改進(jìn)，確保大橋120年使用壽命。

工廠化全封閉室內(nèi)預(yù)制。港珠澳大橋沉管預(yù)制采用了工廠化全封閉室內(nèi)預(yù)制工法，工廠建設(shè)工期短，在開(kāi)工后一年即投產(chǎn)，廠房按照流水式預(yù)制生產(chǎn)線進(jìn)行工藝布置，所有預(yù)制作業(yè)在廠房?jī)?nèi)24h連續(xù)進(jìn)行。180m長(zhǎng)管節(jié)分為8個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段長(zhǎng)22.5m，節(jié)段在三個(gè)鋼筋臺(tái)座上依次完成底板、側(cè)中墻、頂板鋼筋綁扎成型后，移入澆筑坑并完成內(nèi)外模精確就位，在固定的臺(tái)座上澆筑、養(yǎng)護(hù)達(dá)頂推強(qiáng)度要求后，向前頂推22.5m，空出澆筑臺(tái)座，下一節(jié)段與剛頂出的節(jié)段相鄰匹配預(yù)制。如此逐段預(yù)制逐段頂推，直至完成全部8個(gè)節(jié)段澆筑后，整體向前頂推至淺塢，進(jìn)行一次舾裝。采取此種流水方式，流水節(jié)拍緊湊，資源利用合理，沉管預(yù)制周期短，具有傳統(tǒng)干塢法不可替代的優(yōu)勢(shì)。且由于采取室內(nèi)預(yù)制，在混凝土澆筑和溫控方面難度降低，提高了預(yù)制質(zhì)量。

首節(jié)沉管混凝土泵送

大噸位剛性構(gòu)件多點(diǎn)支撐水平位移法在管節(jié)頂推中的運(yùn)用。沉管管節(jié)頂推采用“三點(diǎn)支撐，多點(diǎn)連續(xù)頂推”方法，節(jié)段下方由3套液壓泵系統(tǒng)支撐，即底部為“三點(diǎn)”支撐，確保節(jié)段和管節(jié)的穩(wěn)定性。每個(gè)節(jié)段下方均設(shè)置有頂推裝置，頂推力分散，對(duì)滑移軌道受力要求較低。每點(diǎn)支撐中的油路串聯(lián)成整體，并裝置有蓄能器，使得整個(gè)支撐裝置具有很好的浮動(dòng)變化能力，適應(yīng)軌道的不平整。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，通過(guò)控制顯示屏，操作人員可以直觀地查看頂推中的支撐油壓、頂推油壓、頂推距離、空間水平姿態(tài)等。

E4-S8段沉管頂推完畢

特大型全自動(dòng)液壓鋼模在沉管預(yù)制中的運(yùn)用。沉管預(yù)制用模板由德國(guó)PERI公司進(jìn)行專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，在上海振華重工專(zhuān)業(yè)加工廠進(jìn)行定型加工。每條預(yù)制生產(chǎn)線配置1套底模、1套內(nèi)模、1套側(cè)模、2套端模、針形梁和相應(yīng)的液壓系統(tǒng)。沉管管節(jié)斷面尺寸為37.95m×11.4m，節(jié)段預(yù)制長(zhǎng)度達(dá)22.5m，配套使用的模板為超大型鋼模板。超大型鋼模板在加工精度、現(xiàn)場(chǎng)安裝精度以及液壓系統(tǒng)同步穩(wěn)定性等方面要求甚高。沉管管節(jié)超大型鋼模板施工工藝復(fù)雜程度在國(guó)內(nèi)外均屬前列。超大型模板采用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)合、拆模動(dòng)作，縮短了模板合、拆時(shí)間，有效減少了模板局部變形，對(duì)控制沉管管節(jié)混凝土外觀質(zhì)量非常有利。

模板系統(tǒng)全貌

全自動(dòng)鋼筋加工中心在沉管預(yù)制中的運(yùn)用。沉管單節(jié)段鋼筋量最大約900t，鋼筋種類(lèi)多，單日加工量大，考慮廠房空間有限、孤島人工費(fèi)用大等因素，采取傳統(tǒng)鋼筋加工方式無(wú)法滿足生產(chǎn)需要。經(jīng)過(guò)前期比較調(diào)研，沿用各大型工程和工廠鋼筋加工的成熟經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鋼筋場(chǎng)地對(duì)加工設(shè)備、流水線進(jìn)行選擇和優(yōu)化，形成港珠澳特色的全自動(dòng)鋼筋加工中心。引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)設(shè)備，加工精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。加工中心加工精度高、效率高、人員勞動(dòng)強(qiáng)度小、成本低，在大型化、標(biāo)準(zhǔn)化工程中擁有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，港珠澳大橋鋼筋自動(dòng)化流水生產(chǎn)線，是標(biāo)準(zhǔn)化廠房建設(shè)的一部分，也是港珠澳大橋建設(shè)的一大亮點(diǎn)。

T-Bar拉鉤筋在沉管預(yù)制中的運(yùn)用。為適應(yīng)沉管預(yù)制鋼筋結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，鋼筋籠綁扎空間狹窄等特點(diǎn)，引入“T-Bar”型拉鉤筋，為國(guó)內(nèi)首次使用，該種拉鉤筋具有性能穩(wěn)定、加工規(guī)范、節(jié)省材料、易于綁扎等特點(diǎn)。同時(shí)引進(jìn)國(guó)外專(zhuān)利技術(shù)，首次使用摩擦壓接機(jī)加工拉鉤筋，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)相應(yīng)的錨固板技術(shù)和施工案例空白，同時(shí)也為其他大型工程提供借鑒。

鋼筋加工區(qū)

沉管在珠海桂山島上預(yù)制好之后，用鋼封門(mén)將兩端封閉，沉管浮在海面上。然后從海上浮運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，再沉入海底對(duì)接。海上的氣象條件很大程度上決定了浮運(yùn)和對(duì)接的成功與否，33個(gè)沉管的對(duì)接對(duì)建設(shè)者是更大的考驗(yàn)。

沉管預(yù)制生產(chǎn)過(guò)程圖

The Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge island tunnel project——immersion precasting concrete