港珠澳海底沉管隧道近陆域段管节防护设计

张志刚，林 巍，刘晓东，王 勇，刘洪洲

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

港珠澳海底沉管隧道近陆域段管节防护设计

张志刚，林 巍，刘晓东，王 勇，刘洪洲

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

沉管隧道的回填防护根据功能需求，在纵向上可按照普通段、航道段及近陆域段3个分区进行防护。近陆域段防护需要考虑的影响因素多，且安全风险高，是沉管隧道工程防护设计的重点。以正在建设的港珠澳跨海通道工程中海底沉管隧道近人工岛陆域段的回填防护为研究对象，针对近陆域段采用柔性与刚性2种防护方案进行研究比选，提出适合项目特点的护坦潜堤式柔性防护方案，并详细分析了柔性防护方案的设计细节，通过防撞、防锚及稳定性方面的计算分析以及工程实践，证明这种防护方式是科学合理的。

沉管隧道；近陆域段；管节防护；刚性防护；柔性防护；防撞；稳定性

0 引言

近年来，在跨越水域的交通方式选择方面，通过水下隧道实现两岸陆域全天候通行的工程逐渐增多。已建成的有广州珠江隧道、宁波常洪隧道、上海长江隧道、南京长江隧道、武汉长江隧道、厦门翔安隧道、青岛胶州湾隧道、扬州瘦西湖隧道、杭州西湖隧道、南京玄武湖隧道、杭州钱江隧道及天津海河隧道等，涵盖了盾构、沉管、钻爆、围堰4大水下隧道的主要建造工法。

相比较而言，沉管隧道具有断面形式灵活、与两岸衔接便利、隧道内作业环境好、可多工点平行作业等优点。沉管隧道的用途也非常广泛，从已建成的实例来看，公路、铁路、地铁、人行通道及下水道一应俱全。在我国大陆，自20世纪90年代开始，陆续建成广州珠江（1994）、宁波甬江（1995）、宁波常洪（2002）、上海外环（2003）、广州生物岛及大学城（2010）、舟山沈家门（2014）、天津海河（2014）、广州洲头咀（2015）共9座沉管隧道，在建的有佛山汾江路、港珠澳及江西红谷3座沉管隧道，近期拟建的有深圳至中山过江通道、大连湾跨海通道等。因此，沉管隧道不仅具备良好的应用基础，而且在我国还将有着广阔的市场及应用前景。

在沉管隧道施工时，需向管节内灌水压载，使其下沉到设计位置，将此管节与相邻管节在水下连接起来，完成回填防护，最后进行隧道内部铺装，从而形成一个完整的水底交通隧道。有关沉管隧道的管节预制、接头防水、基础处理等技术问题均受到业界广泛关注。肖晓春［1］对沉管隧道管节预制的场地进行分类，着重结合港珠澳隧道工程分析研究了工厂法预制管节的组成、布置形式、作业流程及关键技术。侯连青等［2］对沉管隧道在浮运过程中受到拖轮尾流的影响，进行了系统分析与研究，提出了沉管浮运过程中的控制要求。张志刚等［3］对公路沉管隧道的发展历史进行全面地回顾总结，并分析了沉管结构及基础在设计过程中的各种关键技术。本文以港珠澳海底沉管隧道连接两端人工岛的近陆域防护工程为对象，对这种大型系统工程中不太引起关注的近陆域段管节防护方案选择及其总体设计进行分析论证，为全面提高我国沉管隧道的设计建造水平提供示范。

港珠澳海底隧道结构纵向分为海中沉管段与陆上段2部分，纵向总体上呈W形布置，如图1所示。沉管段中间深埋于海床，两端浅埋于水下，为满足伶仃洋珠江口水利防洪的要求，两端的沉管结构尽可能浅埋，出现了邻近人工岛陆域段附近隧道结构露出海床的情形。隧道海域的航运繁忙，近岛域的水文条件复杂，为保证隧道施工及120年运营期安全的需要，需对该区段的隧道结构进行专项防护设计。

图1 港珠澳海底沉管隧道分段示意Fig.1 Schematic sections of immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macau Link（HZM）

1 工程概况

港珠澳跨海大桥是在“一国两制”条件下，粤、港、澳3地首次合作共建的超大型工程项目，也是我国继三峡工程、青藏铁路、南水北调、西气东输、京沪高铁工程之后，又一超大基础设施项目。海中主体工程的隧道全长约6 700 m，预制沉管段长5 664 m，33个管节，双向六车道，采用两孔一管廊的钢筋混凝土结构形式。管节分节段预制，整体预应力张拉，标准管节长180 m，由8个长22.5 m、宽37.95 m、高11.4 m的小节段组成，质量约为7.6万t，最大沉放水深约45 m，管节顶面埋置于海床下的最大深度约23 m，隧道东西两端均位于海中填筑的人工岛上，设计使用寿命120年，属外海厚软基深埋长大沉管隧道，是目前世界上综合难度最大的沉管隧道［4］。

隧道两端接东西2个桥隧转换人工岛，人工岛口门之间有伶仃西与铜鼓2个重要航道。伶仃西航道为深水航道，是广州港、深圳西部港区、虎门港等到港万吨级以上船舶进出通道，南沙港区以下水深已达到13.5 m，近期将分阶段浚深到-17.0 m，以满足10万吨级集装箱船和15万吨级散货船的通航要求。深圳港铜鼓航道水深15.8 m，底宽210 m，2008年按通航10万吨级集装箱船设计。同时，在工程区附近东西向航行的船舶有珠江口东部香港、深圳等港口与西部澳门港、九州港区以及西江自磨刀门水道经洪湾水道进出的船舶，船型为3000吨级以下的集装箱船、高速客船等中小型船舶。工程近陆域区的设计最高通航水位为3.52 m，设计最低通航水位为-1.63 m，百年重现期最高潮位3.47 m，百年重现期最低潮位-1.51 m，设计最大垂线平均流速1.55 m/s。

港珠澳海底沉管隧道回填防护的普通断面布置形式如图2所示，由锁定回填、一般回填及护面回填3部分组成［5］。锁定回填是沉管隧道管节沉放后的首道回填工序，目的是及时固定管节，以防止管节在横向水流力等作用下发生偏位。一般回填作为沉管隧道回填防护的主要部分，工程量占比最大，在选择回填料时需考虑选用不致地震液化的材料。护面回填主要是为了满足管节抗浮、防锚、防沉船的基本功能。航道段与近陆域段防护是在普通段的基础上根据防护的需要演变而成。

图2 沉管隧道普通段回填防护断面图（1/2断面）Fig.2 Cross-section of backfill protection for normal section of immersed tunnel（half）

2 沉管隧道近陆域防护的功能需求分析

2.1 抗浮安全

为防止安装于水下的沉管隧道管节失稳或浮起，应对沉管隧道两侧和上方进行回填，通过回填石料提供足够的摩擦力和压载质量。沉管隧道回填后的综合抗浮安全系数应满足运营期各种工况下的安全稳定性要求，一般应至少达到1.1。

2.2 防锚

航道区及锚地附近的沉管隧道防护层需要进行防锚设计。在沉管隧道区上方航行的船舶，具有发生落锚或拖锚横跨穿过隧道的风险，需要采用回填防护层保护隧道的结构，以防止混凝土结构被锚的冲击力或锚钩损伤。

2.3 防船撞

在港珠澳沉管隧道近人工岛陆域处，隧道结构高于周边的海床面，附近失事或偏航的船舶如果不能在海床上搁浅，就会直接撞击沉管隧道结构。船舶撞击桥梁后的修复费用一般仅占桥梁工程总造价的一小部分，而沉管隧道被撞毁之后，其经济损失极大，有时几乎是无法修复的。因此，沉管近陆域段防护应考虑防撞的主要功能需求。

2.4 防沉船

除了侧面撞击可能损害隧道主体结构外，当船舶行驶到岛头隧道上方时，由于底吸力发生船体局部触底，或船舶整体沉没也会损坏隧道结构。为此，陆域段防护设计应避免大型及满载船舶在隧道结构上方出现的可能，从而规避大型沉船给隧道带来的不利影响。

2.5 与陆域护岸环境相协调

沉管隧道近陆域的防护除了提供抗浮安全、避免来自失控船舶的损坏外，还应从整体上考虑环境协调性，使隧道露出水面的人工防护与陆域护岸工程和谐统一，无缝衔接。环境的协调性不仅可增强工程的景观美感，同时会减少波浪流对陆域的局部破坏及冲刷。

除了以上的基本功能之外，为满足珠江口水利防洪的强制性要求，在港珠澳海中工程建设中，不允许过多地增加水域阻水面积。在连接丹麦与瑞典之间的厄勒海峡接线项目中，工程师曾采用了补偿开挖等方法降低阻水率，而一般的项目不具备这种地形条件，因而在回填防护的设计中，应尽量减少对原水域水利防洪的影响，以满足水域主管部门的指标要求。

综上所述，沉管隧道近陆域防护需要满足抗浮、防锚、防撞、水利防洪及与陆域环境相协调的基本要求，各项功能相互关联、互相影响。根据类似工程经验及相关分析，防撞应是控制近陆域段防护设计的关键，其他需求则可通过对沉管结构进行基本防护设计予以实现或考虑。

3 近陆域段防撞方案比选

近陆域段隧道结构防撞的可选方案从设计理念方面可分为2大类，一种是刚性防护，另一种是柔性防护。

3.1 刚性防护

刚性防护方案在大型水中桥梁墩台的防撞中应用广泛，主要采用防撞墩台、护舷及系泊锚链的组合形式，如图3所示。

图3 刚性防撞示意图（单位：cm）Fig.3 Schematic arrangement of rigid protection（cm）

典型的布置是沿着近陆域浅埋于水下的隧道结构及基本回填区周边，间隔设置数个大体积刚性防撞墩台，墩台之间再用系泊的拦截索相连，墩台的外面可设置护舷缓冲。防撞墩台用于阻止大型失控船舶撞击隧道，拦截索用于阻止一些小型船只进入，从而可保障近陆域区段隧道结构的安全、可靠。

3.2 柔性防护

柔性防护方案是从水工堤岸防护工程引申出来的，通过采用加宽隧道两侧的回填宽度、调整顶面回填高度形成的一种水下护坦潜堤，也可称为防撞护坦，如图4所示。

图4 柔性防撞示意图Fig.4 Schematic arrangement of flexible protection

柔性防护是将船舶的冲击动能通过与回填材料的挤压、摩擦、破碎和位置变化等能量转换来化解，起到阻挡和削弱船舶冲击力的作用。

3.3 方案比选

刚性防护与柔性防护理念分别源于桥梁与码头堤岸工程，各有优缺点，详细对比如表1所示。港珠澳大桥主体工程岛隧结合部防撞方案，在初步设计与施工图设计的不同阶段，分别采用了不同的方案，经综合分析后，最终采用了防撞护坦潜堤式的柔性防护。

表1 防撞方案的综合比较Table 1 Comparison and contrast between rigid protection and flexible protection

4 近陆域段防护设计

4.1 总体布置

基于工程总体设计需求，结合海床面形态与岛壁护岸结构合理衔接过渡、美观、防浪等影响因素，确定东西岛近陆域段的沉管管节结构防护潜堤的平纵面布置。

1）纵向范围。以人工岛陆域端沉管顶部回填防护层没入原海床面位置为近岛头陆域回填防护终点，由此确定东岛侧近陆域防护段纵向范围长约340 m，西岛侧近陆域防撞回填防护段纵向范围长约570 m。

2）横向范围。通过岛头近陆域防护计算分析和波浪断面物理模型试验，确定东、西人工岛岛头潜堤式护坦顶部横向宽度为120 m，局部区域根据前期的堆载预压碎石边界对护坦顶部进行适当加宽。为降低船舶撞毁隧道结构物的风险，计算时采用120 m宽度的防护范围，其中40 m的两侧肩宽是用于有效减小船舶对隧道结构撞击力的距离，即消耗大部分船舶撞击动能所需的设计长度。

4.2 防护设计

岛头防护是在沉管地基堆载预压开挖卸载的条件下实施，未开挖的堆载碎石作为岛头永久回填防护的一部分。经计算与物理模型试验，确定沉管隧道岛头近陆域回填防护横断面方案如下。管节结构防护如图5所示。

图5 管节结构防护典型横断图Fig.5 Typical cross-section of backfill protection of immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Link

1）锁定回填。考虑近陆域区波流条件复杂，锁定回填采用粒径5～80 mm碎石，锁定回填顶面宽度为10 m，锁定回填高度至侧墙变截面顶部，高约8 m。

2）一般回填。介于锁定回填与护面层回填之间，顶面回填至沉管结构顶标高处，采用10～100 kg块石。

3）护面层回填。根据波流条件分别采用人工预制的扭工字块及大块石。结合防护要求和基础堆载预压情况，东、西岛头的近陆域防护段护面层结构分别划分为5个及4个区段，护面层结构和区段划分结合各区段波浪物模试验结果及岛头防撞等综合分析确定。沉管结构正上方护面层块石设置混凝土或碎石垫层，以减小防护块体和块石填筑时对沉管结构的不利影响，混凝土层结合管节浮运所需不小于15 cm的干舷值确定。

5 计算分析

5.1 船撞风险分析

采用风险概率分析法，综合考虑航道位置、水深、船舶交通量及船型吨位预测、船舶吃水及搁浅、海域船舶事故率等多因素的影响，通过几何概率为正态分布与均匀分布组合（98%正态分布+2%均匀分布）的概率分析确定设计船型。根据《公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南》［6］及AASHTO规范［7］，确定隧道年撞损概率应小于3×10-4。结合远期2070年主航道的船舶数量及本水域中偏航事故率分析，计算各种船型在不同航道上的几何概率，获取5万吨级散货船满载及30万吨级原油轮部分装载作为代表船型，根据防撞能力计算，确定出柔性护坦的合理宽度与高度。

5.2 防撞能力分析

为验证船舶在近陆域附近发生撞击、搁浅后，防护结构是否有足够的能力保证隧道结构不受损坏，进行了以下防撞能力验证与分析。

从船舶撞击及搁浅效能方面考虑，防护设计需满足以下2点要求：一是船舶撞击带来的侧向力不大于隧道结构与基础等共同承受的极限能力；二是防护结构的尺寸需满足撞击船舶不与隧道结构的任何部位直接接触。

采用船撞动能经验公式计算船舶正面撞击带来的最大动能，并应用国际上行业内常用的防撞分析三维软件SHIPCOL对船头插入深度和传递给隧道结构的最大侧向力进行分析［8］。图6及图7分别为船舶撞击防护构造的理论分析模型与撞后不同深度船首迹线。计算结果表明，在目前的设计防护方案下，标准船型作用于隧道结构上的最大侧向力小于结构及基础等可承受的综合作用力，船首最大插入深度25 m，距隧道结构仍有15 m的安全储备。

图6 船舶撞击理论模型Fig.6 Theoretical model of ship collision

5.3 防护结构稳定性分析

采用《防波堤设计与施工规范》及香港海港规范推荐的Hudson公式［9］，验算运营期（300年一遇波浪）护面扭工字块的稳定性，设计5 t质量满足波流条件下单个块体稳定所需质量的要求。采用Van der meer公式［10］校核海平面以下碎石反滤层施工阶段（10年一遇波浪，有效波高2.5 m）的稳定性。除以上理论计算之外，在大型水运工程实验室中，利用1∶3比例尺的波浪断面物理模型试验，进一步验证了近陆域段护面回填用质量为5 t的扭工块体与质量为300～500 kg的天然块石均可满足单个块体的稳定性要求（见图8）。

图7 船撞后不同深度船艏迹线Fig.7 Trace of the front of ship after ship collision

图8 近岛区防护断面物理模型Fig.8 Physical model of backfill protection nearby artificial island

对在设计重现期内的波浪、地震作用下的滑动稳定性进行分析可知，防护结构方案整体稳定。

5.4 沉船及其他荷载

通过水域船舶沉船概率、救助成功率、沉船位于隧道上方的概率等综合计算，得出本项目的沉船概率为5×10-9。在大于9 m水深条件管节结构设计中，按承受95 kPa的均匀荷载作用于沿长度方向19 m范围的隧道之上，不足9 m的水深条件按相应比例换算进行荷载作用取值。

基于近陆域发生船舶事故的概率分析，结合拟定的防护设计方案，选取典型船型计算，得到在落锚及拖锚等偶然荷载下作用于沉管隧道结构的剩余作用力大小及范围，并最终作为沉管管节结构偶然工况设计的输入条件。

6 结论与体会

在沉管隧道的总体方案设计中，为有效缩短隧道长度，以便与两端陆上段接线进行合理接驳，在近陆域侧，隧道结构通常浅埋于水下，有时部分隧道结构会露出河或海床，需要进行专门防护。本文结合在建港珠澳跨海通道中的沉管隧道工程，对近陆域段防护方案进行了详细论述，主要的结论及体会如下：

1）在沉管隧道设计中，应重视近陆域段结构的防护设计，不仅需要满足运营期隧道结构抗浮安全的基本功能要求，还应结合工程水域水文、航道及船舶资料，对防船撞等特殊的功能需要进行专项设计。近陆域段的防护设计需结合平纵面情况、管节基槽开挖、基础处理、陆域及水域边界条件进行统筹考虑，平衡好各方面的功能需求，确保管节结构在运营期的安全可靠。

2）刚性与柔性防护方案均可在工程中采用，相比较而言，柔性防护方案可根据隧道结构方位设置任意范围，通过提前搁浅失控船舶，以避免船舶撞击隧道结构后造成机械及人员的损伤，整体防护能力更加均衡，且可采用天然石料与人工素混凝土块体组合的潜堤形式进行保护，材料耐久可靠，基本不需要日常维护，可在其他类似工程中推广应用。

3）在近陆域段防护设计中，除了本文所述的各种被动防护外，还应加强主动防护，设置浮标等导助航标志及设备设施，在工程临近重要繁忙航道的方向，可利用VTS等设备对近陆域段实施全天候监控，以实现提前预控，确保工程安全。

4）近陆域段防护设计的重点通常是为了应对不利的偶然作用，本文在设计计算中采用的标准船型及相应的偶然荷载作用值均是基于成本-效率分析的风险接受准则确定，既保证了防护的可靠性，又限制了成本的高投入，对有大型船舶的水域防护有重要借鉴意义。

5）目前，本工程西侧近陆域段的防护施工已经完成，工程实践表明，设计采用的潜堤式柔性防护方案是有效且合理的，既可用于同类近陆域的隧道工程防护，也可作为其他水下工程中受地形条件限制中间段局部露出海或河床隧道结构防护设计的重要参考。

（References）：

［1］ 肖晓春.大型沉管隧道管节工厂化预制关键技术［J］.隧道建设，2011，31（6）：701-705.（XIAO Xiaochun.Key technologyformanufactoryprefabricationoftube element oflarge-scaleimmersedtunnels［J］.Tunnel Construction，2011，31（6）：701-705.（in Chinese））

［2］ 侯连青，宁进进.拖轮螺旋桨尾流对沉管或沉箱浮运的影响［J］.中国港湾建设，2013（1）：5-7.（HOU Lianqing，NINGJinjin.Influenceoftug'spropeller slipstream on floating elements or caissons［J］.China Harbor Engineering，2013（1）：5-7.（in Chinese））

［3］ 张志刚，刘洪洲.公路沉管隧道的发展及其关键技术研究［J］.隧道建设，2013，33（5）：343-347.（ZHANG Zhigang，LIU Hongzhou.Study on the development and key techniques ofhighwayimmersedtunnel［J］.Tunnel Construction，2013，33（5）：343-347.（in Chinese））

［4］ 尹海卿.港珠澳大桥岛隧工程设计施工关键技术［J］.隧道建设，2014，34（1）：60-66.（YIN Haiqing.Key technologies applied in design and construction of artificial islands and immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge Project［J］.Tunnel Construction 2014，34（1）：60-66.（in Chinese））

［5］ 林巍，张志刚.海中沉管隧道回填防护设计的讨论［J］.中国港湾建设，2013（5）：29-33.（LIN Wei，ZHANG Zhigang.Discussion on design of backfill protection of offshore immersed tunnel［J］.China Harbour Engineering，2013（5）：29-33.（in Chinese））

［6］ 交通运输部.公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南［S］.北京：交通运输部，2010.（Ministry of Transport of the People's Republic of China.Guide for highway bridge and tunnel engineering design safety risk evaluation［S］.Beijing：Ministry of Transport of the People's Republic of China，2010.（in Chinese））

［7］American Association of State Highway and Transportaion Officials.AASHTO LRFD Bridge design specifications［S］.Washington D C：American Association of State Highway and Transportaion Officials，2012.

［8］LARSEN O D.Ship collision with bridges the interaction between vessel traffic and bridge structures［C］//Structural Engineering Documents（SED4），Switzerland：IABSE，1993.

［9］ JTS 154—1—2011防波堤设计与施工规范［S］.北京：人民交通出版社，2011.（JTS 154—1—2011 Code of design and construction of breakwaters［S］.Beijing：China Communications Press，2011.（in Chinese））

［10］ John G Housley.Coastal engineering manual［M］.U S：U S Army Corps of Engineers，2002.

Design of Backfill Protection of Near-land Section of Immersed Tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Link

ZHANG Zhigang，LIN Wei，LIU Xiaodong，WANG Yong，LIU Hongzhou
（CCCC Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100088，China）

Based on the function requirement，the backfill protection of immersed tunnels can be divided into three sections，i.e.，normal section，navigation channel section and near-land section.Among these sections，the design of the near-land section is influenced by many factors，therefore it is the key part of the design of the backfill protection of immersed tunnels.In the paper，the backfill protection of the near-artificial-island section of the immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macau Link is studied，comparison and contrast is made between flexible protection and rigid protection，and a flexible solution is proposed for the project.Furthermore，the design details of the flexible protection solution are provided.Calculations and tests show that this type of protection is rational and can be used for other similar projects.

immersed tunnel；near-land section；backfill protection；rigid protection；flexible protection；ship collision；stability

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.012

U 455.46

A

1672-741X（2015）11-1188-06

2015-08-13；

2015-09-10

张志刚（1977—），男，内蒙古凉城人，2007年毕业于北京交通大学，岩土工程专业，博士，高级工程师，现主要从事隧道设计、咨询与研究工作。