港珠澳大桥的绿色施工创新技术

文｜本刊记者 万晓曦

改革开放以来，与香港交通联系便利的珠江东岸经济发展速度远超珠江西岸地区，然而随着珠江东岸发展空间及资源日趋紧张，香港需要寻找新的发展空间。西岸具有后续发展空间优势，发展迫在眉睫，因此提出建设香港与珠江西岸陆路通道的设想，把香港与珠江西岸联系起来，这个联系通道就是港珠澳大桥工程。

港珠澳大桥东接香港特别行政区，西接广东省珠海市和澳门特别行政区，是国家高速公路网规划中珠江三角洲(简称珠三角)地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程。将形成连接珠江东西两岸新的公路运输通道，是集桥、岛、隧为一体的跨海通道，全长约55公里。大桥共分为珠海和澳门接线、珠澳口岸人工岛、大桥主体工程、香港连接线以及香港口岸人工岛六个部分。

举世瞩目的大型跨界工程

港珠澳大桥是世界范围内最长、规模最大的跨海桥隧工程，也是当今世界技术最复杂、综合技术难度最高的工程之一。其中岛隧工程是整个港珠澳大桥的控制性工程，岛隧工程的总长是7440.5米，包括5664米的沉管隧道和两个面积各为10万平方米的离岸人工岛以及和主体桥梁相接的800米结合部桥梁，这两个人工岛主要是实现从桥梁到隧道的转换。

港珠澳大桥两个人工岛中间有将近六公里的海底隧道，为什么要特意建一个海底隧道，而不能用桥梁从珠海通到香港？这是由于珠江口是广州港、深圳港、中山港的一个出海主航道，每天出海的船舶大概有4000艘左右，其中很多是20万吨级装载量的巨大货轮，如果在这个地方建一个桥梁，桥梁的跨度和高度要非常大，当然从目前的建桥技术上来说这并不是问题。但这正好构成了香港新机场碍航的建筑物，因此要通过海底沉管隧道来实现船舶的通道。

港珠澳大桥沉管隧道是我国首条于外海建设的沉管隧道，是目前世界上唯一深埋大回淤节段式沉管工程，也是当今世界范围内综合难度最大、要求最高的沉管隧道之一，建成后将是世界上最长的公路沉管隧道。该工程于2010年12月底开工，目前人工岛已经建成，结合部桥梁也已经完工，整个沉管隧道33节沉管也已经安装完成。

港珠澳大桥一桥连三地，是一国两制条件下的大型跨界工程，建设管理极具挑战。项目要同时满足三地标准和要求，设计寿命120年，尤其是在海洋环境下对质量和耐久性要求特别高，同时在法律法规、技术标准、决策机制、管理习惯等方面都由三地共同实现，存在不同差异。港珠澳大桥是世界最长的跨海工程，也是我国首个集桥、岛、隧为一体的超大型集群工程。工程规模大、工期仅为六年，标准高、难度大；软弱地基上建设长6.7公里，埋深达23米，沉放水深达44米的海底沉管隧道，离岸20公里水深10米软土厚达30米的海中建设人工岛，诸多技术上的难题都构成了岛隧工程是当今世界范围内综合难度最大、技术要求最高的工程项目之一。

4月13日，香港特区政府路政署公布，已经完成港珠澳大桥香港接线观景山隧道管道的所有混凝土箱涵构件，现正进行最后的工序，用千斤顶把预制构件推进位于机场快线下方的隧道最终位置，连同2017年3月底已经接通的高架桥段，全长12公里的香港接线将于4月底全线贯通。

从建设条件来说，项目地处外海，气象水文条件复杂，同时，海洋船舶航线复杂、流量大，安全风险高，增加了海上安全管理难度；此外，工程穿越中华白海豚保护区，对于施工的环保要求特别高。项目工期长、人员多，职业健康管理难度大，因为整个项目是在海上施工，如果把两三千人固定在海上一个很有限的空间里面，施工六年左右，这对各方面都是考验。因此，在工程项目一开始，就将创建绿色循环低碳工程作为建设的基本原则和出发点。工程在技术创新、标准化建设、提高能源利用效率、保护白海豚等节能减排和环境保护方面做了大量的工作。充分利用设计施工联动平台，开创了多项国际国内首创技术，突破了传统工地施工理念，实现“工地”向“工厂”转变，同时进行了项目全生命周期考量，真正打造港珠澳大桥百年工程。

创建绿色循环低碳工程

外海人工岛施工面临多方面的问题，首当其冲的就是环保问题，在施工过程中要注意保护海洋生态；其次是海上交通安全问题，确保施工船舶与社会船舶的通航安全；第三是要快速形成陆域，减少人员在海上的漂浮时间，为海上施工提供生活、指挥依托；第四是海底地基加固处理，由于海底地基都是软弱的淤泥，在港珠澳大桥岛隧工程中淤泥厚达20到30米，需要考量如何在淤泥上建设人工岛并解决岛上建筑结构工后沉降；最后是岛壁结构稳定问题，珠江口是台风的高发期，每年大概有2.5个台风对此区域产生直接影响，需要确保岛壁结构台风期的施工稳定。

上述问题为隧道工程人工岛建设造成了诸多挑战，施工条件复杂。西人工岛离珠海岸20公里，下伏淤泥及淤泥质粘土厚达25米；东海岸离珠海岸30公里，下伏淤泥及淤泥质粘土厚达35米，同时处于中华白海豚保护区的核心区范围，与伶仃主航道相距2-3公里。

根据项目总工期的要求，人工岛需要在一年内快速成岛，且要在两年内完成岛内所有软土地基的处理以及隧道暗埋段施工，为首节管节对接提供条件。人工岛是隧道转换的关键，处于岛隧施工的关键线路，为给隧道基础设计施工提供好的条件，根据总体设计要求，人工岛工后总沉降需控制在25厘米以内，并在开工15个月内基本完成主固结沉降，开始岛上隧道基础建设，以保证工程总工期要求。

可以说，常规的做岛方法已经无法满足上述要求，需要寻找快速成岛的设计施工方案。项目团队提出创新采用深插式钢圆筒快速成岛方案，并建立了相关的设计计算理论体系。人工岛设计为蚝贝外形，为应对建设条件挑战，采用直径22米的钢圆筒及副格插入不透水粘土层形成止水型岛壁结构。西人工岛布置钢圆筒61个，东人工岛布置钢圆筒59个，钢圆筒直径22米，壁厚16mm，高度为40.5m—50.5m，最大入土深度达29m。为尽早提供沉管对接条件，西人工岛内设置分割围堰分为西小岛围护结构和西大岛围护结构，并先行施工小岛围护结构。

利用整岛止水条件，采用降水大超载比预压进行岛内软基处理，开创了外海环保节约型的软基处理新方法。岛内回填砂形成陆域，打设塑料排水板后降水，变回填砂浮容重为干容重，实现超载比达1.33-2.1的大超载比预压，加快岛内地基固结，岛外地基采用挤密砂桩进行加固，抛石斜坡堤形成永久护岸结构。

港珠澳大桥项目首创将大型远洋运输船用于工程运输并直接参与现场施工的范例。项目团队利用7万吨级远洋运输船，每船8-9个钢圆筒整体直立运输，克服钢圆筒固定、防变形、海上盲视运输等难题，每船航行1600多公里，运抵施工海域，并直接在工程现场驻位。大型远洋船参与现场施工，减少了转运，节约临时储存用地，节约资源。

振沉钢圆筒需要3300吨激振力，港珠澳大桥项目团队与美国APE公司联合开发世界最大的8台APE600液压振动锤联动振沉系统，为解决钢圆筒海上定位难题，自主研发了“钢圆筒打设定位精度管理系统”，实现了钢圆筒打设的测量定位和精度管理。自2011年5月15号开始，西人工岛首个钢圆筒振沉至9月11日完成了全部61组钢圆筒振沉；9月22日，东人工岛首个钢圆筒开始振沉，12月21日东人工岛钢圆筒振沉全部完成，提前10天实现了“当年动工，当年成岛”的目标。

此外，港珠澳大桥项目全面开发引进挤密砂桩软基加固成套技术。在岛隧工程地基处理过程中，挤密砂桩总用量达150万方。针对岛隧工程地质，对挤密砂桩的施工工艺和检测技术进行全面总结和进一步创新，形成了具有特色的挤密砂桩施工与控制全套技术。相比传统大范围开挖、换填，将对水体的污染降到了最低，填补了国内水运工程行业空白，开辟了新的绿色环保途径。

新方案、新技术成就绿色施工示范项目

快速成岛技术实现了当年开工、当年成岛，解决了几千名施工人员在海中的生活、工作问题，大幅度降低了海上施工风险。采用深插式钢圆筒工艺有效提高了作业效率，岛内软基处理采用了降水联合超载预压，提高了功效，降低了能耗，实现了绿色低碳，相对于初步设计方案避免了大范围开挖换填以及基础处理。通过计算，项目总计节约燃油量约24088吨，折合标准煤约35099吨，通过这种新的施工方案、新技术的应用大幅度减少了开发和抛填量，将对海洋的污染降到了最低。

采用深插式钢圆筒方案实现了隧道暗埋段基坑止水围堰和岛壁围护结构合成一体，改善了岛内软基处理的同时，为隧道基础的优化创造了条件。

实际上，港珠澳大桥工程的沉管也是在工厂里面制造的，体量不太一样。港珠澳大桥的沉管隧道用预制沉管进行海底安放，总共是33个环节，标准管的长度一节是180米，管节的宽度是37.95米，高度是11.4米，是双向六车道外加一个中间廊道构成了标准断面，一个管节的重量大概是7.8万吨。是由8个22.5米的截断组成，一节一节预制起来，设计使用寿命是120年。当然，沉管预制也面临着一些挑战，例如深埋大回淤条件下的节段式沉管，世界范围内尚无案例，对钢筋混凝土结构耐久性要求高，同时构件数量多，断面尺度大，预制精度要求高，并且需要一次性浇筑并有效遏制开裂。

在世界范围内，预制沉管通常有两种方法，一是干坞法，像造船一样把管节预制好以后运出去；另一个就是工厂法。以前的工程绝大部分都采用干坞法预制，特别是在管节数量比较少的情况下，干坞法相对预制厂的幅度会比较少；在沉管比较多的时候，工厂法在保证质量、工期方面有着独特的优势。港珠澳大桥是世界上第二个采用工厂法进行沉管预制的工程案例，在国内则是第一例。

沉管预制面临的最大挑战一是耐久性要求高，二是构件数量比较多，三是断面尺度大，四是预制精度要求高，因为要实现海底里面对接，不能有漏水等等，还有是要实现混凝土的自防水。沉管预制完成后放到44米深的水底下，管节不能有渗漏。国内首次采用工厂法管节预制技术，用工厂制造的概念制作沉管，这使传统的工地施工变为工厂化流水线生产，在保证质量的同时，提高了功效，降低了能耗，实现了环保。相比于传统干坞法生产管节，预制工厂大幅减少土地占用，减少工程废弃物。目前，33个沉管已经全部安放到水里，没有发现任何的接缝，可以自豪地说我国的第一条外海沉管隧道做到了“滴水不漏”。

在工厂里还集成了当今世界多项先进的技术和装备，一是流水化的钢筋生产加工生产线，二是全断面浇筑液压模版，三是混凝土生产及控裂系统，四是管节顶推系统。流水化的钢筋生产线一是为了提高钢筋的加工精度，提高效率，同时新的加工设备可以节约人员，减少能耗。在施工中最大限度地减少了水泥的用量，都用矿粉和粉煤灰来替代水泥，这也是从节约、环保以及混凝土的性能等方面进行的综合考虑。

最大程度地减少水泥用量实际上就是最大限度地减少了水泥生产过程中对二氧化碳的排放。岛隧工程开工七年通过不懈努力，解决了一些技术上的难题，也在绿色施工方面取得了一定成绩。岛隧工程被交通运输部评为2014年绿色循环低碳公路的主题性项目，也是第五批绿色施工的示范项目。“