港珠澳大桥沉管隧道路面问题的探讨与改良构想

林鸣，林巍，刘晓东，尹海卿

（1.中国交通建设集团有限公司，北京 100088；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；3.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

港珠澳大桥沉管隧道路面问题的探讨与改良构想

林鸣1，林巍2，刘晓东2，尹海卿3

（1.中国交通建设集团有限公司，北京 100088；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；3.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

由于隧道路面不处于日照与雨水的开敞环境中，所以从耐久性角度考虑，通常认为隧道的路面环境相比开敞环境较为有利。该情况可能不适用于港珠澳大桥沉管隧道的路面。基于港珠澳大桥岛隧工程施工期在隧道内的长期观测，发现每年有5个月隧道内持续的潮湿，并且管节接头存在往复张合运动。经原因分析，判断这些问题在隧道运营期仍有可能存在。并且，对近期修建的国内外（水下）隧道路面进行了调研，发现路面早期损坏现象较常见。港珠澳大桥沉管隧道位于55 km的跨海通道中部，无替代路线，为避免隧道投入使用后路面在很短时间就损坏，导致修补，甚至封闭隧道，引起整条跨海通道不通顺或运营中止，针对隧道路面面层提出改良建议。

港珠澳大桥；岛隧工程；沉管隧道；路面；反射裂缝；无缝伸缩缝

1 背景

港珠澳大桥是连接珠海、澳门与香港的通道[1]，全长大约55 km。除了海中桥梁段，该通道还包括一条长6.7 km的海底隧道。通过修建2个人工岛，海底隧道的两端与海中的桥梁相接。

隧道由沉管工法建造，沉管段总长度5.664 km，包括33个管节，每个管节由8个节段组成。为适应基础沉降，沉管管节纵向体系采用半刚性构造，即运营期节段与节段接触面之间一直保留正压力与摩擦力，当沉降较大时允许发生一定量的转动与竖向差异变形。

隧道底板为钢筋混凝土，往上依次是压重混凝土（刚性路基）、30 cm调平层，以及原方案的10 cm复合沥青面层。

与路面关联的项目特点有：

1）春夏高湿季节隧道内的温度较低，而大气温度较高（温差达到10℃），施工期间已观察到冷凝水持续析出的现象。

2）管节长180 m。年温度变化引起管节纵向的膨胀与收缩，随之，管节接头每年一张一合。

3）深厚的软基。沉管隧道下方的软土地基厚度30～50 m，运营期可能出现沉降与差异沉降。

4） 回淤（或海床演变）。港珠澳大桥隧道可能是世界上唯一的深埋沉管隧道，在运营期，隧道上方将增加20 m的覆土荷载。

这些特殊的环境条件作用于沉管隧道结构时，对路面有可能带来直接危害。2014年初沉管隧道安装长度超过1 km（总长5.664 km），从累积的现场监测数据及隧道内持续潮湿的现象来判断，有必要对路面运营期使用时可能存在的问题进行探讨。如果路面在使用后很短的一段时间内就损坏，大规模的维护、修补，甚至封闭通道，将带来严重的经济损失与不利的社会影响。

2 问题与探讨

2.1 深埋沉管与潮湿气候

经隧道内长期观察，发现每年5—9月的潮湿季节，即回南天，隧道内壁及施工路面处于持续潮湿状态，如图1所示。经查找原因，是冷凝水造成的。由于隧道内温度低于环境温度，且空气湿度大（参考表1），所以热空气进入隧道内发生冷凝。

图1 隧道内潮湿状况Fig.1 Moisture condition inside tunnel

表1 月平均湿度统计Table 1 Summary of monthly mean moisture content

隧道内路面每年5个月处于持续潮湿状态，与常规认为的隧道路面比开敞环境路面的防雨条件好的常识相违背。因此原方案对于该隧道的适用性，从路面使用寿命、维护代价及行车安全方面[2]，值得考量。

2.2 管节接头

2.2.1 张合问题

海底隧道采用的是沉管工法，隧道纵向有34个管节接头，管节接头在端面上是一圈柔性的橡胶。尽管管节四周有一般回填碎石，对结构表面运动起到一定的约束作用，但监测发现管节接头张合量每年往复变化[3]，如图2所示，两端变化幅值比中部略大。原因是180 m长的管节结构，随着温度的升高与降低，发生膨胀与收缩，发生图2所示的张合变化。

图2 施工期管节接头张合量-时间监测曲线Fig.2 Monitoring curves of immersion joint openingclosing with time in construction period

2.2.2 竖向差异沉降

港珠澳大桥岛隧工程采用精细化地质勘察，为控制沉降，基础方案做过大量改良，并开发专用清淤设备及基础施工船舶，严格控制基础施工质量，目前施工期的沉降被控制在平均沉降5 cm，差异沉降不超过1 cm的水平。尽管如此，考虑港珠澳大桥沉管隧道是世界上唯一的深埋沉管，即路面施工之后，未来的几年隧道会逐渐因顶部回淤而加载，同时考虑沉管隧道下方是软土地基，软土层厚度从30～50 m变化不等，仍然存在管节接头部位发生差异沉降的可能。

综上两点发现，管节接头部位存在纵向与竖向的相对位移，路面层施工完成后，运营期上述现象仍然会发生，管节接头上方的路面层就可能出现反射裂缝。如处理不当，将导致半年内所有管节接头的失效，进而引起隧道的维护甚至封闭，导致整个跨海通道不通畅或封闭，带来巨大的经济损失。

2.3 节段接头

本项目沉管隧道有33个管节，由于管节预制采用流水线工厂法，每个标准管节包含7个节段接头，间隔22.5 m，整条隧道有219个节段接头。

节段接头允许一定量的转动与竖向位移。港珠澳大桥岛隧工程已将原案的“柔性”管节变更为“半刚性”管节[4]，即保留预应力，提高节段接头转动刚度与竖向相对位移刚度，因而对防止路面反射裂缝起到一定的积极作用。但是，施工期的位移沉降监测已观察到了节段沉降的不均匀特点。图3所示为路面层施工以后以及回填施工以后E12管节的8个节段测得的沉降变化。路面施工完成后，在隧道顶部因回淤积累荷载逐渐增加，比对观测结果判断，运营期节段接头也可能发生竖向差异变形与转动。况且，节段接头数量众多，节段接头防止反射裂缝的处理是一个值得斟酌的问题。

图3 E12管节节段沉降值监测曲线Fig.3 Monitoring curves of E12 segment settlement monitoring data

2.4 暗埋段与敞开段的伸缩缝

与隧道内路面比较而言，暗埋段的温度变化更剧烈，而敞开段暴露在大气条件，且直接受到雨水影响，车辆刹车频率较高。所以暗埋段与敞开段的纵向缝也是需要特别注意的问题。路面层需要能适应纵向与竖向的运动，且敞开段的路面层需要较高的耐磨性能。

2.5 近期建成的隧道项目路面状况调研

注意到上述问题，调研了近期建成的隧道项目路面（表2），发现该问题具有一定的普遍性。

表2 近期建成的隧道路面调研Table2 Pavementconditionsurveyofrecentlybuilttunnel

2.6 路面问题讨论

港珠澳大桥隧道路面将持续潮湿5个月；每隔大约180 m的位置其“路基”就会发生3 cm纵向张合位移，并且可能发生1 cm竖向差异变形；隧道路面有219处（间距22.5 m）“路基”会发生少量转动与竖向差异变形；敞开段与暗埋段路面问题相似。以上可知，对隧道路面层、管节接头、节段接头，以及洞口段都需谨慎处理，避免早期损坏。

施工期观察到每年5个月隧道内有持续冷凝水，且水量很大，导致施工路面长期潮湿。隧道开通之后，内外温差的差异相比施工期可能会减小，冷凝水现象可能会有所好转。然而，隧道路面长期处于潮湿状态的概率仍然很大。从路面结构方面需要关注以下几个问题。

1）潮湿一直是沥青路面的最大问题。施工期观察到5个月的潮湿也许可以说相当于连续下5个月的雨的路面设计工况。要确保路面寿命，确保路面不过早大修以避免55 km跨海通道运行不畅或停运。

2）隧道的路面修补环境不如开敞路面修补环境。考虑封闭空间的通风、排烟等问题，隧道路面修补时，如果环境恶劣，整个隧道可能需要封闭，不同于开敞路面只需封闭某个车道。超长跨海通道隧道路面修补对通行的影响比开敞环境的影响要大。

3）港珠澳大桥隧道处于全长55 km的外海通道的海中央，无替代通道。一旦隧道封闭，意味着切断整个主通道。

从行车安全方面还需关注：港珠澳大桥设计时速100 km/h，运营期路面如果也像施工期一样，长期处于非常潮湿的状态，前方行驶的车辆可能会带起水雾，后方车辆视线受到影响，再加上隧道内路面的平面线形有一段1 km的曲线段，可能会带来行车安全问题。

3 路面问题解决方案探讨

3.1 路面层结构

原方案与两个构想方案如图4示意。构想方案一采用排水性路面来解决隧道内5个月的潮湿问题，并且增强了行车的安全度。方案二相对较经济，维持原方案面层结构不变，增加了1层3 cm厚的改性沥青AC10下面层，目的是延缓面层在长期潮湿环境中的损坏。从全寿命成本的考虑[1]出发，采用方案一的浇筑式面层有利于路面的长寿，采用排水性路面有利于解决水雾、打滑等潮湿路面影响行车安全的问题，并且对于高速行驶的车辆起到降噪的作用。

图4 路面原设计方案与优化构想Fig.4 Original design scheme of pavement and the optimization configurations

3.2 管节接头、暗埋段与敞开段伸缩缝

图5 管节接头方案优化构想Fig.5 Immersion joint optimized solution configuration

为了适应接头近3 cm的张合运动与预计最大1 cm的竖向相对运动，同时兼顾行车舒适感，采用沥青伸缩缝接头的解决方案构想（图5）。首先在管节接头正上方，路面施工缝部位开槽，然后填筑伸缩缝材料，相关技术要求参考文献[5]。

3.3 节段接头

为避免或减缓反射裂缝，节段接头可采用管节接头类似的处理方式。但考虑到节段接头数量为219个，从经济性角度，也可在路面的下面层增加防反射裂缝构造措施来降低节段接头部位路面层损坏风险。

图6为几个可能的解决方案的构想。这几个方案的出发点，都是通过构造或材料措施，来分散节段接头的张合作用，将基层发生的水平位移更均匀地传递与分散至面层。

图6 节段接头路面问题解决构想方案Fig.6 Pavement configurations schemes above the segment joint

4 结语

与建筑或结构的设计相比较，路面设计对公共安全的隐患似乎较小，更多的是经济风险，即材料与施工中是否投入过多或过少的问题[6]。而对于55 km长的港珠澳跨海通道，隧道是海中的必经之路，如果因为路面使用不到几年甚至半年就需要修补，造成的经济损失和社会影响是难以估量的。沥青路面面层结构的合理设计是路面寿命与其实现所期望的功能不可分割的要素；面层厚度是设计的关键参数[6]。

本文基于对工程环境的深入认识，包括回南天、深埋、软基、节段构造以及回淤荷载，报告了施工期间隧道内大量冷凝水与5个月的持续期，总结了多年管节接头张开量的观测数据，对比了节段接头加载前后的沉降观测数据，综合判断原方案路面构造在该特殊项目环境下有可能出现反射裂缝并发生破坏，导致较高的维护与修补成本。对于超长跨海通道，隧道路面的修补会导致严重的交通不畅、较大经济损失以及不利的社会影响。从全寿命成本出发，提出了解决构想：用5 cm厚浇筑式路面结构层提高路面寿命，用排水性面层解决潮湿问题，进而降低水雾、防止打滑、降低路面早期损害概率；对于管节接头、节段接头，以及隧道暗埋段与敞开段的伸缩缝部位，采用无缝伸缩缝或防反射裂缝的路面构造来避免面层早期破坏。

[1] 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 Hai-qing.Key technologies applied in design and construction of artificial island and immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge(HZMB)Project[J].Tunnel Construction,2014,34(1):60-66.

[2]JTG D50—2017，公路沥青路面设计规范[S].JTG D50—2017,Specifications for design of highway asphalt pavement[S].

[3] 李哈汀，胥新伟，高潮，等.港珠澳大桥沉管隧道施工监测系统[J].中国港湾建设，2015，35（7）：49-52.LI Ha-ting,XU Xin-wei,GAO Chao,et al.Construction monitoring system of immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering,2015,35(7):49-52.

[4]林鸣，林巍.沉管隧道结构选型的原理和方法[J].中国港湾建设，2016，36（1）：1-5，36.LIN Ming,LIN Wei.Principles and methods for structural-type selection of immersed tunnel[J].China Habour Engineering,2016,36(1):1-5,36.

[5] ASTM D 6297,Standard specification for asphaltic plug joints for bridges[S].

[6] LAVIN Patrick.Asphalt pavements:a practical guide to design,production,andmaintenanceforengineersandarchitects[M].London:Spon Press,2003:75.

Discussions on pavement problem of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel and its improvement

LIN Ming1,LIN Wei2,LIU Xiao-dong2,YIN Hai-qing3
（1.China Communications Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.CCCC Highway Consultancy Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;3.CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

The pavement in the tunnel does not expose to the sunlight and rain,thus,from the perspective of durability,it is generally considered that the pavement environment of the tunnel is more favorable than the open environment.This may not apply to the pavement of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel.Based on the long term observation in the construction of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island and tunnel project,we found that there is continues moisture in the tunnel within 5 months each year,and there exists a reciprocating opening-closing movement in the pipe joint.By analyzing the reason,it was judged that the problem still exists in the service period.And,some recently constructed tunnels were investigated,early damages of road surface were commonly seen.The Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel is located in the middle of the 55 km cross-sea channel,there is no alternative route.In order to avoid quick damage of road surface after the tunnel is put into use,which causes repairs,and even closing of the tunnel,leading to the slow traffic or close of the entire link,we proposed improvement suggestions to the pavement.

Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;island and tunnel project;immersed tunnel;pavement;reflection crack;seamless expansion joint

U455.46；U452.25

A

2095-7874（2017）10-0001-05

10.7640/zggwjs201710001

2017-08-08

林鸣（1957— ），男，江苏南京人，总工程师，教授级高级工程师，从事水工及路桥施工技术管理。

E-mail：linming1004@sohu.com