港珠澳大桥沉管隧道工程施工过程

何祥荣 韦小丹

【摘 要】港珠澳大桥作为当前我国交通领域建设的世界级的跨海通道，有不少技术是国内甚至是世界首次应用的：海底隧道工程为我国第一条在外海修建的海底沉管隧道，沉管隧道水下埋深达45m，沉管隧道长度及规模居世界之首；桥隧人工岛为我国第一次修建的外海离岸人工岛，岛体规模和难度为世界级，场区风浪条件及地质条件极具风险；岛隧沉降控制、结构裂缝控制及结构防渗等技术具有世界级难度。港珠澳大桥海底隧道是迄今为止世界上埋深最深、规模最大、单节管道最长的海底公路沉管，沉管全部采用工厂法流水预制，完成舾装后拖运至施工地点进行安装。

【关键词】世界级跨海工程、海底沉管隧道、软土、砂桩加密法、 碎石基床基础

1 地基处理

1.1工程概况

工程地处珠江口伶仃洋水域，是深圳港、广州港的主航道，航道跨距达到4100m；是30万吨巨轮的必经之地，也是世界上最繁忙的水域之一；同时也临近香港机场飞机的起落航线，航空限高只有88m，水域通航环境复杂，还要穿越中华白海豚保护区。修建海底隧道是可行的，但面临的困难是海底表面全是软土，淤泥含水量高达50%-60%，石头抛上去基本都陷在泥汤里，地基条件差。（见 图1）

图1 港珠澳大桥岛隧工程示意图

1.2软土进行加固

首先要对软土进行加固，使沉管安放在固定的基础上，并减少日后的沉降和不均匀沉降，施工方案是砂桩加密法，通过冲击或振动的方法将底端封闭的钢管贯入海底40m下的硬土层地基中成孔，孔内填入砂料后再由钢管回压捣实扩径成桩。该工艺通过在软弱地基中贯入砂桩，挤密周围松散土，使桩与挤密后的地基组成复合地基，提高地基的承载力、稳定性、抗剪切力和抗液化变形的能力。（见 图2）

图2 施工海域，4条砂桩船一字排开，日夜施工

1.3 基槽开挖

软土加固后要对基槽进行开挖，安放隧道。因此对基槽开挖精度提出了很高的要求，挖深只允许有50cm的误差，在大海深处实现这样的精度，非常困难。通常施工器具都会在开挖面留下坑槽，也会挖出弧形，但是工程要求挖出光滑的作业面。 负责开挖的是中交广航局的两艘挖泥船“广州号”和“金雄”。“广州号”主要用于港珠澳大桥沉管隧道基槽的粗挖。 “广州号”边吸泥、边航行，由置于船舷的耙头松土、吸入泥浆，通过管路把泥浆传送到船中设置的开底泥舱，经沉淀后把泥水分离。另一艘基槽开挖作业船“金雄”是抓斗式专用精挖船（见 图2）。“金雄”号是目前国内采用液力变矩器传动结构建造的最大抓斗式挖泥船，总长68m、型宽25m、型深4.8m、平均吃水量每小时近1000立方米，达到设计要求.该船往海底抛锚固定船身后即原地作业，4条粗钢丝把9m高、110吨重的抓斗从海底拉起后，泥浆被倾倒在预备好的载泥船上后运走。（见 图3）

图3 抓斗式挖泥船“金雄”操作要求精细

1.4铺设碎石基床基础

在沉管安装前，要在40m深的海底，铺设一条42m宽、30cm厚的平坦碎石垫层找平，以供将来安放沉管隧道。误差在4cm以内，垫层颗粒直径在2-6cm之间。参与铺设碎石基床基础的施工器具是上海一家企业自主研发的抛石整平船。该船是目前全球最大、最先进的抛石整平船，其外形与钻井平台类似，身形硕大，作业时不受风浪影响。（见 图4）

图4 碎石刮铺船照片及其结构示意图

2 沉管预制

港珠澳大桥近6公里长的海底沉管隧道共由33段沉管组成，沉管隧道每个180m长标准管节由8个节段组成，节段间采用柔性连接，每节长22.5m、宽37.95m、高11.4m、重达7.4万吨。沉管管节预制在桂山牛头岛预制场通过大型现代化、工厂化的生产线预制而成。该厂是迄今世界最大的沉管预制厂。港珠澳大桥设计寿命是120年，要求沉管不能有任何的质量缺陷，预制过程中一个小环节出错都足以让整段沉管报废。沉管为两孔一管廊截面形式，具有截面尺度大、预制精度要求、钢筋施工难度大、混凝土供应保障难度大、管节控裂要求高等特点和难点，无论从沉管规模还是施工难度都居世界第一位。具体施工保证措施有：①每隔2-3小时取样检测一次含水率，据此设定参数调整混凝土配比，然后在搅拌站具体调控。②为保证混凝土的高强度和耐久性，他们通过对搅拌站的升级改造，实现了对料仓、配料机、拌合楼、输送车辆和管道全方位的温度控制，确保混凝土进入模板时的温度在26℃以内。③为保证混凝土密实，不出现空隙，施工人员利用人工振捣和机械振捣相结合的方式，严格控制振捣时间、间距、振捣密度，尤其是剪力键、内模倒角、钢端壳、预埋件等特殊部位要加密振捣间距。（见 图5、图6、图7）

图5 管段横断面及连成整体的示意图

图6 管节工厂化生产示意图

图7 工厂化生产场地及二层配套干坞示意图

3 沉管安装

如何将这些庞然大物运送到指定海域进行安装？沉管浮运受天气因素影响较大，从浮运到沉放需要连续72小时的良好天气，且浮运和沉放一节沉管需要一个月的时间。施工过程为：①当一个沉管预制完成后，两端用钢板密封，使沉管漂浮在水面上。②通过大型拖轮拖运至安装位置，待管节定位就绪后，向管节内灌水压载，使之在重力作用下下沉。③把沉放的管节在水下连接起来，经覆土（石）回填后，筑成隧道。沉放过程中，沉管将会由水下定位系统进行定位，保证两个沉管海底对接时的误差控制在2cm以内。对接完成后，对接端的止水带将通过水力压接密封，使管节一个个紧密连接起来。（见 图8、图9）

图8 隧道管节连接示意图

图9 管节提升及隧道尾端最终调整示意图

结束语

港珠澳大桥海底沉管隧道是国内第一个采用沉管工艺的海底隧道和世界上规模最大的沉管隧道，不仅代表了中国最高水平，也反映了世界最高水平。其大型化、工厂化、标准化、装配化的“四化”理念，已成为当今世界工程建设的最新理念和最高境界。港珠澳大桥建成后，将是一种时空观的改变，驾车从珠三角一端到另一端的时间将从原来的大约四小时缩短到仅45分钟，将为珠三角地区经济、社会进一步发展提供支持。

参考文献：

[1] 夏真. 珠江口内伶仃洋水下地形地貌特征[J]. 海洋地质与第四纪地质. 2005（01）

[2] 王吉云. 港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道施工新技术介绍[J]. 地下工程与隧道. 2011（01）

[3]郑俊华，陈晨，李延刚，刘建林. 振动沉管挤密砂桩施工技术[J]. 建筑机械. 2008（17）

[4]熊文峰，时蓓玲. 创新砂桩技术 填补国内空白[N]. 中华建筑报. 2011-10-25 （011）

[5]梁球寿，黄伟新. 挤密砂桩软基处理工程[J]. 公路交通技术. 2002（S1）

[6] 国内最大抓斗船建成投产[J]. 航海. 2009（03）

[7]肖曉春. 大型沉管隧道管节工厂化预制关键技术[J]. 隧道建设. 2011（06）