港珠澳大橋島隧工程綜述

港珠澳大橋島隧工程綜述

0港珠澳大橋工程概況及技術研究香港珠澳大橋位于廣東省東部，廣東省西部（珠海）和澳門。這是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中珠江三角洲航線的組成部分，也是跨越蛇湖以外水域的重要工程。構建一條連接珠江東西兩岸的新道路。文獻闡述了港珠澳大橋的工程概況、建設條件及要求,介紹了工程的總體設計方案,分析了港珠澳大橋的技術挑戰(zhàn)及相應的策略。文獻主要介紹了沉管隧道工程的施工難點及所應用的新技術,如沉管隧道管節(jié)工廠化生產、基槽開挖方法及設備、碎石刮鋪處理基礎的方法及設備、體外定位系統(tǒng)及管節(jié)浮運與沉放等。在上述文獻的基礎上,本文著重對人工島和沉管隧道(沉管基礎、深埋大回淤節(jié)段式沉管、沉管管節(jié)預制、沉管浮運及安裝等)的設計施工關鍵技術進行了總結,并針對各施工階段的專用設備進行了介紹。1項目總結1.1跨海通道跨海通道港珠澳大橋東連香港、西接珠海和澳門,是集橋、島、隧為一體的跨海通道,全長35.6km。大橋共分為珠海和澳門接線、珠澳口岸人工島、大橋主體工程、香港連接線及香港口岸人工島6部分,其中島隧工程是控制性工程。港珠澳大橋總平面圖如圖1所示。1.2離岸人工島及長橋工程島隧工程總長7440.5m,包括5664m沉管隧道、2個面積10萬m2的離岸人工島及長約700m的橋梁。港珠澳大橋沉管隧道是我國首條于外海建設的沉管隧道,是目前世界唯一的深埋大回淤節(jié)段式沉管工程,建成后將是世界上最長的公路沉管工程。2混凝土澆筑及管節(jié)安裝1)總體沉放方案。實施新人工島暗埋段,安裝首節(jié)沉管,實現(xiàn)西島與隧道的施工轉換,依次沉放E1至E29,E33至E30沉管管節(jié),接頭位于E29與E30管節(jié)之間。2)沉管預制、存放。沉管采用工廠化預制,預制廠位于桂山島,距離現(xiàn)場約13km。工廠分為生產區(qū)、淺塢區(qū)和深塢區(qū),可存放6節(jié)管節(jié)。沉管預制廠設置2條生產線,每2個月生產2節(jié)沉管。沉管節(jié)段以22.5m為單元,在流水線上標準化預制,依次綁扎底板、側墻、中隔墻及頂板鋼筋,安裝全自動液壓模板,采用冰水混合骨料冷卻系統(tǒng)控制混凝土入模溫度低于25℃,泵送工藝進行混凝土澆筑。管節(jié)進行封閉恒濕養(yǎng)護,信息化手段全程監(jiān)控,由計算機控制液壓自平衡支撐系統(tǒng)、導向系統(tǒng)和頂推系統(tǒng)。3)基槽開挖、基床整平。采用耙吸船進行隧道基槽粗挖,采用大型定深平挖抓斗挖泥船和挖深精度控制系統(tǒng)進行精挖,開挖精度控制在0.5m以內。研發(fā)專用清淤船進行基槽清淤。采用擠密砂樁船打設擠密砂樁并進行堆載預壓。采用拋石夯平船進行塊石基床拋填及夯平,控制平整度<30cm。集成開發(fā)平臺式碎石整平船進行碎石基床整平,控制基床平整度<40mm。4)沉管浮運、安裝。管節(jié)從預制區(qū)移動到淺塢區(qū),安裝壓載水系統(tǒng),裝配式安裝封門等一次舾裝。關閉鋼塢門及深淺塢門,塢內灌水,管節(jié)起浮移至深塢區(qū)。塢內排水,打開深塢門,安裝沉放泊,測量塔完成二次舾裝。選擇沉管施工作業(yè)窗口,劃定專門的施工水域及沉管浮運航路,整管出塢,大馬力拖輪拖運至沉放現(xiàn)場。沉管定位,灌水下沉,深水無人沉放定位系統(tǒng)調位,千斤頂拉合,水力壓接,GINA止水帶充分壓縮,精調系統(tǒng)進行隧道軸線調整,完成沉管對接,鎖定回填,管頂回填及防護。3該島的結構設計和施工技術3.1快速成島、形成陸域采用深插式鋼圓筒形成整島圍護止水結構,實現(xiàn)了快速成島、形成陸域,見圖2(a);島內降水、大超載比堆載預壓,見圖2(b);島內、島外同時施工,見圖2(c)。3.2振沉作業(yè)系統(tǒng)采用8臺600kW液壓振動錘同步聯(lián)動振沉系統(tǒng)進行振沉作業(yè)。2011年5月15日西島首個鋼圓筒開始振沉,215d完成了東西人工島120個鋼圓筒振沉施工,垂直度達到1/200。4管節(jié)長度和沉放高度該沉管隧道是我國首條于外海建設的沉管隧道,是目前世界唯一的深埋大回淤節(jié)段式沉管工程。管段總長5664m,分33節(jié),標準節(jié)長180m,寬37.95m,高11.4m,單個管節(jié)重約7.8萬t,最大沉放水深44m。沉管隧道的關鍵主要是隧道基礎設計與施工、深埋段隧道縱向設計、沉管工廠化預制和沉管安裝。4.1設計及施工精度本工程沉管隧道座落在深厚軟基層上,為了保證整個基礎的剛度協(xié)調均勻,基礎設計進行了多方案比選優(yōu)化,且對施工精度提出了嚴格要求。沉管隧道基礎如圖4所示。4.1.1基礎沉降工程的設計沉管隧道基礎設計采用SCP+堆載預壓+碎石墊層、高置換率SCP+拋石夯平+碎石墊層和天然地基+拋石夯平+碎石墊層。4.1.2地質勘探工程服務為獲得準確精細的地質資料,按英標組織島隧區(qū)地質勘察,國際地質工程師全程監(jiān)督和全程參與設計。通過精細化勘察,獲得詳細準確的地質地層參數(shù),并建立了數(shù)據(jù)庫及三維地質模型。4.1.3基礎清淤及基礎鋪設沉管基礎施工質量是決定沉管隧道成敗的關鍵。主要關鍵工序包括:基槽粗挖、精挖,基槽清淤,基礎拋石夯平和碎石基床鋪設。1)基槽精挖。由于開挖水深大(50m),開挖精度要求高(-60~+40cm),因此,開發(fā)了大型定深平挖抓斗挖泥船和挖深精度控制系統(tǒng),已實際施工驗證滿足要求。2)基槽清淤。沉管隧道橫臥珠江口,存在回淤可能,容易造成基礎沉降和沉管安裝期浮力突然增大而意外上浮,因此,研制了專用清淤船(見圖5),此船不僅能夠進行系統(tǒng)定位和測量,能實時顯示基槽槽底縱坡,還能采用耙頭定壓,可滿足在不同類型基礎面上(塊石、碎石、黏土等)進行清淤施工。3)基礎拋石夯平。由于拋石夯平作業(yè)水深大(46m)、夯平精度高(小于30cm),夯平要順應基礎坡度,水下拋石、夯平工作量大,因此,開發(fā)了專用溜管式拋夯一體船(見圖6),可實現(xiàn)溜管定點定量拋石、定點夯平。采用液壓振動錘(見圖7)水下夯平后,大幅度提高了夯平效率及質量。4)碎石基礎鋪設。由于水深大(40m)、整平精度要求高(允許偏差±40mm),且整平質量關系到沉管標高、接頭受力,整平工作量大(單節(jié)面積近1.5萬m2),所以研制出了國內第1艘自升式拋石整平船(見圖8),采用液壓抬升、皮帶輸送和拋石定位測控管理3大系統(tǒng),基床鋪設采用自動化控制。4.2半剛性管節(jié)設計方法研究深埋大回淤條件下的節(jié)段式沉管(見圖9),在世界范圍內無案例,為此開展了縱向設計接頭傳力機制研究、試驗和半剛性管節(jié)設計方法研究等。管節(jié)結構采用混凝土自防水,設計使用壽命120年。4.3工廠法預制混凝土沉管隧道共33節(jié)管節(jié),標準管節(jié)長180m,由8個節(jié)段組成,單個節(jié)段長22.5m,單節(jié)混凝土方量約3400m3,采用全斷面一次性連續(xù)澆筑,綜合考慮預制質量控制及工期要求,采用工廠法預制。4.3.1干部線5.2沉管預制廠位于桂山島,距離隧道軸線約13km。2條流水線同時生產,每70d生產2個管節(jié)。預制廠包括管節(jié)生產區(qū)、淺塢區(qū)和深塢區(qū)。4.3.2混凝土澆筑設備應使用的設備預制廠的生產線集成了當今世界多項先進技術和裝備,如流水化鋼筋生產加工線、一次全斷面澆筑液壓模板、混凝土攪拌及供應系統(tǒng)、混凝土溫控及養(yǎng)護系統(tǒng)和管節(jié)頂推系統(tǒng)。4.3.2.鋼筋綁扎及流水作業(yè)由于鋼筋加工、綁扎量大,共設置2條生產線,每條生產線設置3個鋼筋加工、綁扎區(qū),形成流水作業(yè)。綁扎完成后采用整體頂推進入澆筑臺座,如圖10所示。4.3.2.2.大型設備建模系統(tǒng)模板系統(tǒng)由底模、側模、內模及針形梁組成,由液壓系統(tǒng)控制,端模采用分塊拼裝,如圖11所示。4.3.2.3.混凝土砌塊和供應系統(tǒng)采用4臺3m3攪拌系統(tǒng),攪拌能力要求大于150m3/h;采用12臺泵車及6臺布料系統(tǒng)。4.3.2.混凝土澆筑溫度設置制冰系統(tǒng),采用冰水混合物進行混凝土拌制。從原材料到混凝土拌制、運輸、澆筑、養(yǎng)護全過程采取溫控措施,控制沉管混凝土入模溫度≤25℃(高溫季節(jié)28℃),采用養(yǎng)護棚噴淋養(yǎng)護,全過程進行溫度監(jiān)控。4.3.2.沉管地面千斤頂支撐方案每個管節(jié)質量約7.8萬t,管段下方設置4條頂推滑移軌道,沉管下部布置192臺主動支撐千斤頂,采用“三點”支撐。單個管節(jié)設128臺頂推千斤頂,多點分散同步頂推,在管節(jié)前后設置2套導向裝置。管節(jié)頂推系統(tǒng)如圖12所示。4.3.3管道獨立浮浮移動管節(jié)預制、一次舾裝完成后,關閉深、淺塢門,進行塢內灌水、管節(jié)起浮試漏。通過塢內絞纜系統(tǒng),橫移管節(jié)至深塢區(qū)。4.3.4節(jié)距安裝沉管在淺塢內進行流水化一次舾裝和在深塢內進行二次舾裝。4.4巷道適用難點沉管浮運及安裝步驟如圖13所示。港珠澳大橋為國內首條外海沉管隧道,工程經(jīng)驗少,且位于珠江口航道運輸最繁忙水域,外海施工;水流、波浪條件復雜;深水安裝和潛水作業(yè)難度大;沉管對接安裝精度要求高;要求36個月完成33節(jié)管安裝,工期緊。4.4.1建立精細化作業(yè)窗口作業(yè)窗口是指適合沉管安裝的時間段,窗口預報是沉管安裝決策最重要的依據(jù)。預報存在小區(qū)域、長時段、精度高、要素多等困難,因此建立了精細化作業(yè)窗口預報管理系統(tǒng)。在一年的觀測、對比基礎上,繼續(xù)開展模型的檢驗、修正工作,不斷提高預報精度。4.4.2羅馬不利羅馬的技術難點和解決辦法4.4.2.1技術困難1)管節(jié)尺度大,數(shù)量多;3)浮運線路位于目前我國航運最繁忙的珠江口水域,多段航道交叉;4)需多拖輪協(xié)作,操控難度大。4.4.2.拖輪協(xié)同操作模擬1)橫流、橫浪情況下狹窄基槽內長距離橫拖,開展了浮運阻力物理模型試驗、數(shù)值模擬計算;2)進行了管節(jié)浮運拖帶操控船模擬試驗;4)采用10艘(總馬力數(shù)超過5萬馬力,約3.767kW)大馬力全回轉拖輪協(xié)同作業(yè);5)開發(fā)了專用導航系統(tǒng),輔助指揮各拖輪的操作;6)實施海上臨時交通管制和護航。4.4.3沉放駁與沉管柔性受力體系沉管系泊具有管節(jié)斷面巨大,受波浪、水流力大;流態(tài)多變,對錨泊系統(tǒng)威脅大;沉放駁與沉管組成多浮體柔性受力體系,動力響應規(guī)律復雜等特點。為此,從系泊系統(tǒng)受力(纜力、吊點力),管節(jié)系泊、沉放過程中的動力響應,錨抓力試驗,雙體船沉放駁錨泊系統(tǒng),設置系泊錨纜及沉放錨纜系統(tǒng)方面進行了物理模型、數(shù)值模擬試驗。4.4.4沉管接口設備采用扛吊法進行沉管安裝,通過信息技術和遙控技術,在安裝船控制室實現(xiàn)管節(jié)姿態(tài)調整、軸線控制和精確對接。無人沉放系統(tǒng)包括錨泊定位系統(tǒng)、壓載控制系統(tǒng)、數(shù)控拉合系統(tǒng)、深水測控系統(tǒng)和管內精調系統(tǒng)。1)壓載系統(tǒng)。在控制室內遙控,實現(xiàn)管節(jié)壓載,水箱注水、排水,調節(jié)管節(jié)在水中的負浮力和姿態(tài)。2)深水測控系統(tǒng)。采用GPS+聲納原理,可實現(xiàn)沉管水下絕對定位和相對定位,無水下線纜,安裝便捷。3)數(shù)控拉合系統(tǒng)。沉管對接后,采用拉合系統(tǒng)使GINA止水帶初步壓縮。拉合系統(tǒng)采用反勾結構,通過遙控實現(xiàn)千斤頂拉合。4)管內精調系統(tǒng)。沉管水力壓接完成后,如出現(xiàn)軸線偏差超出設計要求,則需進行線形調整。管節(jié)與基床摩阻力大,GINA止水帶反力大,需設置多臺頂推和限位千斤頂。5特殊設備5.1人工島設備主要是8錘聯(lián)動大型鋼圓筒同步振沉系統(tǒng),如圖14所示。5.2安裝基本設備主要是定深平挖抓斗船(精挖)、耙頭定壓專用清淤船、溜管式拋夯一體船和平臺式整平船,如圖15所示。5.3沉沒準備預制設備主要是全斷面預制液壓模板系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、管節(jié)同步頂推系統(tǒng)和管節(jié)支撐系統(tǒng),如圖16所示。5.4沉沒、浮式安裝專用設備主要是壓載系統(tǒng)、拉合系統(tǒng)、GPS+聲納監(jiān)控系統(tǒng)、精調系統(tǒng)、沉管安裝船和大馬力全回轉起錨船