港珠澳大桥沉管隧道沥青路面结构设计与实施

王 民， 刘晓东， 郝增恒， 吕勇刚

(1. 重庆市智翔铺道技术工程有限公司， 重庆 401336； 2. 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400074; 3. 中交公路规划设计院有限公司， 北京 100088)

0 引言

港珠澳大桥是连接香港、珠海、澳门的超大型跨海通道，全长55 km，主体工程“海中桥隧”长35.578 km，是同期世界最长的跨海大桥。港珠澳大桥沉管隧道是我国建设的第一座外海沉管隧道，也是全球最长的公路沉管隧道和全球唯一的深埋沉管隧道，是大桥建设中技术最复杂、建设难度最大的部分。该工程具有体型大、管节多、构造复杂、精度要求高等特点[1-3]。港珠澳大桥沉管隧道长约5 664 m，由33个巨型沉管管节组成，宽37.95 m，高11.4 m，埋置水下深度40余m。

对于采用盾构法建造山体、江底、海底隧道的沥青路面结构，国内外专家从温拌、阻燃、降噪、抗滑、耐久等方面进行了较多研究，采用了不同类型的温拌、阻燃、改性沥青SMA铺装技术[4-6]，且较为成熟地应用于厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道、长江隧桥工程等； 但对于沉管隧道路面的研究成果很少，其中虽提及节段联接问题，但只涉及结构，未提及路面[7-8]。陈小乐[9]采用高强抗裂性弹性混凝土复合材料和应力吸收层结构为载体桥面,提出了无伸缩缝连续结构体系。李汝凯等[10]针对重载条件下复合式路面的反射裂缝问题，对DZFH新型道路抗裂贴防治复合式路面反射裂缝性能进行了疲劳试验研究。周刚等[11]对3种不同防裂材料防治和延缓反射裂缝作用机制及能力水平进行了评价。

上述研究主要针对传统隧道路面或具有类似特征的道路工程，欠缺对于沉管隧道沥青路面的研究及实践经验。本文通过分析沉管隧道路面使用条件，开展路面铺装方案优化设计及结构验算、材料性能测试，提出路面细部构造处治方案，并付诸于实际工程实施，以期为类似工程提供借鉴。

1 路面使用条件

1.1 环境气候条件

项目北靠亚洲大陆，南临热带海洋，属南亚热带海洋性季风气候区，年平均气温22.3 ℃，历年极端最高和极端最低气温分别为38.9 ℃和-1.8 ℃。多年平均降水量在1 800～2 300 mm； 历年降水主要集中在汛期，约占全年降水的83%～86%。

隧道内年温差变化幅度较小，在夏天气温较高时，隧道内温度比隧道外低，从隧道中部到端部气温逐渐上升； 秋冬气温较低时，隧道内温度比隧道外高，从隧道中部到端部气温逐渐下降，其分布与隧道埋深位置也有一定关系。根据现场监测数据可知，施工区域全年海水温度变化在14.5～31 ℃，隧道内温度变化在19～27 ℃。

隧道外降雨通过洞外排水系统排走，难以进入隧道内，降雨给隧道内路面带来的影响比隧道外小。隧道地处外海深海区域，每年4—9月隧道外空气湿度大于90%，有时甚至达到100%。由于隧道外温度高，隧道内温度低，高湿度空气进入隧道内导致温度降低，凝结出水，在隧道侧壁、路面凝结形成水膜，且不易吹干，隧道路面存在每年持续超过5个月的潮湿及表面存水膜状态[12]。根据施工期监测结果可知，在隧道的临时风机连续开启状态下，每年4—9月隧道内湿度为95%～99%。沉管隧道内的低温、高湿度条件给沥青路面材料性能、施工质量及后期运营安全均带来了较大挑战。

1.2 交通条件

根据工可研究报告，港珠澳大桥2035年预测交通量为5.3～8.9万辆(当量小客车)。从车型组成看，客车占比略高(约60%)，重载货车较少。通行于港珠澳大桥的车辆主要往来于香港与珠江西岸，两岸均需通过口岸查验，原则上无超载车辆运行。

沉管隧道进出口长约985 m的路段，最大纵坡接近3%，车辆进出隧道时均会加减车速，使洞口附近隧道路面受到的水平应力作用要较其他区段复杂。

1.3 沉管结构条件

沉管隧道为深埋、大回淤节段式沉管，由33个管节、219个节段组成，压舱混凝土和调平层混凝土在管节接头处断开，在节段接头处设缝。

根据前期监测，在有竖向加载时管节会产生沉降。通过初步计算统计，管节接头会产生约3 cm的伸缩量及0.5～1 cm的差异沉降，节段接头会产生2～3 mm的伸缩量。在沥青路面铺装施工完成后，管顶回淤荷载在15～20年间方可全部回淤加载完成，管节还将发生近50%的沉降变形[13]。沉管隧道管段、管节错位持续变形对沥青路面的适应变形能力及抗裂性提出了极高要求。

2 沥青路面铺装方案

2.1 设计标准及参数

1) 主线为双向6车道高速公路，设计速度100 km/h，标准断面路面横坡为1.5%，最大纵坡为2.98%。

2) 公路车辆荷载等级为公路-I级，设计轴载为双轮组单轴荷载100 kN，沥青混凝土路面设计使用年限为15年，设计交通量(累计标准轴载)为1 140万次/车道。

3) 路面使用温度范围为0～40 ℃。

4) 根据监测数据及计算分析，运营阶段管节接头水平变形≤3.5 cm，竖向变形5～10 mm；节段接头水平变形2～3 mm，竖向变形≤2 mm。

5) 基层为20～24 cm现浇C30素水泥混凝土，并设有横纵向胀缝，横缝间距与节段长度基本一致，但与压舱混凝土的接缝错开约30 cm。

2.2 组合结构设计方案

在沉管隧道路面研究成果有限的情况下，对国际上已通车的2项长大海底沉管隧道路面进行了调研。1)厄勒海峡沉管隧道： 全长3 560 m，共20个管节，横断面尺寸为38.8 m×8.6 m，于2000年通车。该项目采用双层浇注式沥青混凝土铺装方案，管节区域采用预设应力缝处治技术，节段接头实施连续铺装，目前使用状况良好。2)韩国釜山沉管隧道： 全长3 283 m，共18个管节，横断面尺寸为26.46 m×9.97 m，隧道底部最大水深约50 m，于2011年通车。隧道路面结构为4 cm沥青混合料铺装下面层+3 cm PMA沥青混合料铺装上面层，所采用的沥青为PG 76-22; 管节接头采用一种金属伸缩缝，行车颠簸较为明显; 节段之间采用20 cm×7 cm(宽×高)的沥青填缝料填充，通常每隔5年需进行一次修复。

根据调研结果，结合港珠澳大桥沉管隧道施工完毕的监测数据及环境条件，对原设计方案存在的不足或考虑不充分之处进行沥青路面铺装方案优化设计，以进一步提升隧道路面耐久性及舒适性，设计方案见表1。在本次优化设计过程中，也提出了调平层采用密水性优、追从变形能力强、耐久性佳的浇注式沥青混合料，但由于隧道通风设施未开通，浇注式沥青高温烟雾太大，加之3个月工期限制等因素，该方案未能实施。

表1 隧道路面设计方案

对混凝土界面进行抛丸处理，粗糙度按照ICRI标准检测达到CSP3～CSP5，形成整洁、牢固、粗糙界面后，采用改性沥青碎石封层作为防水黏结层，即改性沥青(用量1.0～1.2 kg/m2)+5～10 mm的预拌碎石(用量4.0～6.0 kg/m2)。

对隧道路面方案的优化设计主要是基于以下几方面原因：

1) 沥青路面厚度从10 cm提升到13 cm，增强了路面结构的整体刚度和抗反射裂缝能力，同时也保障了路表平整度。

2) 相对改性沥青SMA20，采用SMA16能便于实际施工中控制空隙率为3%～4%，且压实度易于保证[14]。

3) 采用3 cm温拌改性沥青AC10铺装沉管隧道混凝土路面的调平层，可避免混凝土路面不平导致SMA16铺装厚度不均、不易压实的问题。

4) 受隧道封闭环境条件干扰，加之基面潮湿，在对混凝土基面抛丸处理后，采用改性沥青碎石封层作为防水黏结层，能起到良好的承上启下功能。

5) 上面层采用4 cm阻燃温拌改性沥青SMA13，其氧指数应不小于23%，混合料拌合温度为150～170 ℃，摊铺温度为150 ℃，使隧道路面具有阻燃、抗滑、耐磨等功能，且能够保证沥青路面的压实度。

2.3 路面结构验算

2.3.1 永久变形

根据JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》的设计流程及路面结构验算要求，对水泥混凝土基层铺筑沥青混凝土的结构进行沥青混合料永久变形验证。隧道沥青混合料的等效温度为25.78 ℃，车辙试件的厚度为50 mm，计算结果见表2。

表2 沥青路面永久变形计算结果

由表2可知： 沥青路面总的变形量为3.116 mm，远远低于设计允许变形要求(≤15 mm)。

2.3.2 抗裂能力

沉管隧道运营过程中，受管顶回淤、温度变化和行车荷载的影响，管节及节段接缝区域均会产生较大的变形。因此，对于节段未设置伸缩缝的沥青路面材料，其抗裂能力需进行验证。

隧道路面反射裂缝主要来源是回淤引起的结构变形，对沥青路面形成较大的负弯矩，由上至下产生规律性的横向裂缝。对隧道沥青路面上面层温拌阻燃改性沥青SMA13的抗裂能力进行室内测试，见图1。

同时，根据统计资料，区域海域海水历年最低温度约14.5 ℃，通过插值法确定SMA13在最不利温度下的弯曲极限应变约为18 000(微应变，下同)。考虑沥青混合料在反复荷载作用下的疲劳影响，以及一定的安全系数k，认为当沥青路面应变达到式(1)中计算的应变时，路面开裂风险大。

图1 不同温度下SMA13弯曲极限应变曲线

Fig. 1 Curve of ultimate bending strain of SMA13 at different temperatures

(1)

式中：εmax1为SMA13极限破坏应变；Ne为设计年限累计当量轴载作用次数；c为疲劳方程指数，SMA13的疲劳方程指数取7；k为保证率系数，取1.5。

经计算，改性沥青SMA13在设计累计标准轴载作用下，出现开裂风险较大时的应变为1 156。同时，通过建立接缝区域的局部有限元模型进行计算，路表最大纵向拉应变为857。由此可知，采用13 cm的沥青混凝土路面在一定程度上可以满足节段抵抗反射裂缝的要求。

2.4 路面材料性能测试

隧道路面上面层采用阻燃改性沥青SMA13的氧指数经测试为26%，达到23%的设计要求，改性沥青、集料及矿粉的性能均达到了设计要求。温拌阻燃改性沥青SMA13、温拌改性沥青SMA16、温拌改性沥青AC10的性能见表3。

表3 隧道沥青混合料性能设计要求与测试结果

3 路面细部构造处治方案

3.1 管节接头路面处治方案

经调研国内外无缝伸缩缝材料特点及应用案例使用情况，采用如图2所示方案作为沉管隧道管节接头路面处治方案。

图2 沉管隧道管节接头处路面处治方案(单位： mm)

Fig. 2 Pavement treatment scheme for tube joints of immersed tunnel(unit: mm)

伸缩缝填料采用特制的高黏改性沥青及集料配置而成，辅以专用密封胶，具有良好的伸缩变形能力和界面黏结效果； 下部定位钢板，将垂直荷载传递到压舱混凝土表面。该缝伸缩缝安装迅速，在国内外桥梁及道路上应用比较多[15]，主要指标均满足美国SATM规范相关要求，详见表4。

表4 Matrix 501 密封胶性能技术要求

该结构水平方向伸缩变形为±2.5 cm，但由于管节接头处还需承受0.5～1.0 cm竖向不均匀沉降变形，因此在本隧道条件下使用还无类似案例及经验，亟需后期对路面使用状况进行持续监测。

3.2 沉管隧道节段接头处路面处治方案

沥青卷材及防裂贴作为路面抗反射裂缝措施，在道路“白加黑”工程中已得到广泛应用，同时在国外也作为一种防水、防开裂措施得到大面积应用。借鉴欧洲国家实施经验，采用2层的厚度不小于3 mm的SBS卷材叠加方案进行处治，底层卷材与基面热黏结，这样可以将基面变形有效分散到整个断面范围内。沥青混凝土铺装层与原铺装结构保持一致，维持其施工及表观状态的连续性。沉管隧道节段接头处路面处治方案如图3所示。

图3 沉管隧道节段接头处路面处治方案(单位： mm)

为了进一步论证所推荐技术方案的可行性，采用美国抗反射裂缝试验机对SBS卷材、应力吸收层材料进行OT试验(见图4)。试验拉伸加载控制位移为0.635 mm，加载频率为1 Hz，试验温度为25 ℃。以拉应力降低至最大应力的7%时作为试验终止的条件，其循环次数即为疲劳寿命，试验结果见图5。

图4 路面OT试验示意图

图5 抗反射裂缝能力疲劳试验结果

界面材料的抗反射裂缝性能首先取决于靠近裂缝层次材料的柔韧性和厚度，其次为铺装结构整体柔韧性和厚度。由图5可知，卷材的断裂延伸率较大，厚度也远大于应力吸收层结构，因此,其抗反射裂缝能力最高。

3.3 施工缝路面处治方案

在水泥混凝土调平层施工缝、收缩缝处首先对混凝土基面进行抛丸处理； 表面达到要求后，对裂缝进行评定以选择不同处理方案: 对于稳定的较大混凝土裂缝采用灌沥青膏封闭方案； 对于判断其还未稳定的裂缝，在缝处热融厚3 mm以上的SBS防水卷材作为路面抗反射裂缝措施。沉管隧道施工缝处治方案如图6所示。

图6 沉管隧道施工缝处治方案

Fig. 6 Treatment scheme for construction joints of immersed tunnel

3.4 路缘防排水处治方案

沥青混合料摊铺前，在检修道及排水沟连接路面铺装边侧位置安装20 mm厚钢模(涂刷隔离剂)，待铺装层碾压并冷却后取出钢模； 结构层铺装完成后下部填入3～5 mm粒径碎石(高度约10 cm)，在碎石上灌入3 cm厚热灌沥青填缝料，确保检修道及排水沟与沥青路面衔接平整。沉管隧道路缘防排水处治方案如图7所示。

图7 沉管隧道路缘防排水处治方案

4 实际工程实施

港珠澳大桥沉管隧道沥青路面工程于2017年8月开工，9月20日启动首件制工程，同年12月30日全部完工，并于2018年2月通过交工验收。单位工程合格率为100%，评定质量等级为合格。

1) 路面施工单位按照工程建设总体要求及施工图设计文件，编制施工组织文件及质量保证体系文件，统筹完成施工人员、材料、设备的组织，并结合现场条件，制定针对性的技术措施和应急预案。隧道路面采用的沥青混合料均掺加了温拌剂，用量为沥青质量的0.6%，混合料施工温度检测结果见表5。由表5可知，沥青混合料对温度的要求明显低于传统的热拌沥青混合料，达到了预期效果。

2) 项目实施期间，由于沉管隧道温度低、湿度大，混凝土基面潮湿、局部存在积水，抛丸机堵塞频繁。鉴于此，施工单位首次采用英达现场热再生用路面加热车(见图8)，对基面进行烘干，有效保障了施工效率及施工质量。针对路面作业宽度在12.5～19.5 m不断变化，加之隧道顶部通风设备高度限制了自卸车侧向翻斗卸料，施工单位引入可变宽度的超大型路面摊铺机(见图9)，解决了传统双机梯形联铺无法解决的问题，并提升了路面摊铺平整度、均匀性等。

表5 温拌改性沥青混合料施工温度控制结果

图8隧道基面加热车施工作业

Fig. 8 Construction work of tunnel base heating car

3) 施工过程中对沥青混凝土实施质量进行检测(见表6)，各项指标均达到了设计要求，并具有较好的稳定性。同时，对施工现场环境数据进行监测采集，并与传统热拌沥青混合料进行对比(见图10)。由图10可知，采用温拌技术后，沥青烟密度降幅达到84%，苯并芘含量降幅达到75.3%。

图9 可变宽度的超大型路面摊铺机

表6 隧道沥青混合料施工质量检测结果

图10 热拌、温拌沥青混合料施工环境参数对比

5 结论与讨论

1)在无类似工程实践经验情况下，提出了3 cm温拌改性沥青AC10铺装调平层+6 cm温拌改性沥青SMA16铺装下层+4 cm温拌阻燃改性沥青SMA13铺装上层的组合方案，既能满足沉管隧道内低温、高湿度条件下路面的施工质量要求，又赋予了路面阻燃、抗滑、耐久等功能。路面结构验算及混合料性能检测结果显示,该方案满足设计要求。

2)管节接头路面采用了由高黏改性沥青及集料配置而成的无缝伸缩缝处治技术，能够适应沉管结构变形。

3)沉管节段采用了SBS卷材双层叠加方案进行处治，能有效防止基面反射裂缝。

4)路缘边缘采用碎石盲沟防水排水方案，既实现了防排水，又避免了施工机械对路缘石的损伤。

5)从实施效果和检测结果来看，隧道路面达到了较高的质量水平，并取得了良好的环保效益。

港珠澳大桥于2018年10月正式通车，沉管隧道作为港珠澳大桥工程中技术难度最大的节点工作，这些处治方案对我国未来沉管隧道路面设计具有重要的借鉴意义。同时，受现场工期及技术等限制，性能更优、寿命更久的浇注式沥青铺装材料未能被采纳实施，下阶段有必要就温拌浇注式沥青混合料应用技术开展研究，并对沉管节段区域路面使用状况加强监控。