港珠澳大橋島隧工程綜述

港珠澳大橋島隧工程綜述

1跨海連通段的工程香港珠澳大橋項目橫跨珠江口年輕的大海。這是連接香港、珠海和澳門的重要海上航線。工程范圍包括海中橋隧工程,香港、珠海和澳門三地口岸人工島,以及香港、珠海、澳門三地連接線。工程總長49.968km,其中主體大橋工程全長約29.6km,海底隧道長約6km,海中部分采用橋隧組合方式。港珠澳大橋建成后將成為世界最長的跨海連線工程(見圖1)。大橋及島隧工程以公路橋隧的形式連接香港、珠海和澳門,以6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計時速為100km。工程建成通車后,從香港到珠海的車行時間將由目前的約3h縮減至約0.5h。工程總體投資超過700億元,其中海中橋隧工程約327億元,島隧工程約133.5億元。工程設(shè)計使用年限為120年。工程于2009年12月15日項目開工建設(shè),2010年對島隧工程進(jìn)行總體招投標(biāo),目標(biāo)是2016年底全線通車。為確保該特大工程順利實(shí)施,業(yè)主將6.7km的沉管隧道和兩座海中人工島整體打包,采用設(shè)計施工總承包方式進(jìn)行招標(biāo),最終以中國交通建設(shè)股份有限公司為牽頭單位的聯(lián)合體以技術(shù)和商務(wù)總分最優(yōu)中標(biāo)。聯(lián)合體分設(shè)計團(tuán)隊和施工團(tuán)隊兩部分,設(shè)計團(tuán)隊成員為:中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司,上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院,中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司,COWIA/S(丹麥COWI國際咨詢公司);施工團(tuán)隊成員為:中國交通建設(shè)股份有限公司,上海城建(集團(tuán))公司,AECOMAsiaCompanyLtd.(艾奕康有限公司)。2管頂部下沉設(shè)計1)島隧工程包括長625m的東、西人工島和5664m長的海中沉管隧道。沉管隧道隧址沿線的最大水下深度超過45m?？紤]到遠(yuǎn)期30萬t規(guī)劃航道疏浚的要求,沉管頂部最大埋深超過20m(見圖2)。2)預(yù)制沉管節(jié)共分33節(jié)管節(jié)(E1~E33)(見表1),最終接頭設(shè)置于E29和E30之間,長度為采用水下止水板方式施工3)橫斷面采用2孔1管廊形式,寬37.95m、高11.40m;標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)由8個長22.5m的節(jié)段組成(見圖3),節(jié)段間采用柔性連接。施工期間,通過張拉縱向臨時預(yù)應(yīng)力索,將8個節(jié)段連接成一個整體管節(jié)防水采用混凝土自防水,抗?jié)B等級P12。為確保管節(jié)預(yù)制質(zhì)量和控裂效果,每個22.5m的節(jié)段采用全斷面一次澆筑工藝。3管節(jié)浮運(yùn)沉放難點(diǎn)分析1)工程處于伶仃洋外海,島隧工程所處的海域附近受熱帶氣旋、強(qiáng)雷暴等惡劣天氣影響大;工程處于白海豚核心保護(hù)區(qū);施工海域的水上交通繁忙。2)與常規(guī)沉管法隧道相比,該工程具有管節(jié)數(shù)量多、埋置深度大、基槽浚挖量大、受惡劣氣象條件影響大、航運(yùn)組織和環(huán)境保護(hù)要求高等特點(diǎn)。3)工程總體規(guī)模宏大,海象、地質(zhì)與環(huán)境條件復(fù)雜;且施工工期緊迫,綜合技術(shù)難度與風(fēng)險為世界罕有。(1)管節(jié)預(yù)制難度高,采用自防水全斷面預(yù)制工藝。管節(jié)的早期裂縫控制、預(yù)制尺寸精度、鋼端殼安裝精度,以及混凝土重度控制等技術(shù)要求高。(2)水文氣象條件復(fù)雜。全部33節(jié)管節(jié)的浮運(yùn)安裝,需要經(jīng)歷多個臺風(fēng)季節(jié);施工水域水流受人工島和基槽施工的影響,流態(tài)復(fù)雜。在整個管節(jié)沉放過程中,需對氣象窗口進(jìn)行精確的分析和準(zhǔn)確的預(yù)測、預(yù)報。(3)施工作業(yè)環(huán)境差。島隧工程施工區(qū)航道交叉,屬于航道運(yùn)輸最繁忙水域之一,也是水上交通安全事故頻發(fā)的敏感區(qū)域。管節(jié)浮運(yùn)沉放期間,需精心組織臨時海上交通,確保施工期間的航運(yùn)暢通。(4)管節(jié)浮運(yùn)沉放技術(shù)難點(diǎn)多。如在惡劣氣象、復(fù)雜水流和航運(yùn)條件下的管節(jié)浮運(yùn);深水條件水下測量定位、管節(jié)沉放及定位調(diào)整;管節(jié)安裝軸線精度控制等。(5)施工工期具有挑戰(zhàn)性。與國內(nèi)外類似工程相比,該工程沉管段隧道的總體工期十分緊迫,全部管節(jié)在3年內(nèi)完成沉放、安裝,具有很大的挑戰(zhàn)性。4新建技術(shù)的應(yīng)用針對上述工程難點(diǎn),在整個隧道管節(jié)制作、浮運(yùn)及沉放定位作業(yè)中,將在對施工方案優(yōu)化的基礎(chǔ)上采用一系列新的施工工藝和工法。4.1工廠化干重系統(tǒng)1)每節(jié)管節(jié)由8個節(jié)段組成。節(jié)段在廠房內(nèi)的生產(chǎn)線上不間斷地生產(chǎn),初步養(yǎng)護(hù)后,向前頂進(jìn);然后繼續(xù)制作后續(xù)節(jié)段,全部8個節(jié)段生產(chǎn)完成后通過預(yù)應(yīng)力鎖張拉連成一整體(見圖4)。工廠化干塢可以更好地控制混凝土的澆筑質(zhì)量。建設(shè)干塢工作量較少,首次應(yīng)用于厄勒海峽連接線工程。2)工廠化生產(chǎn)干塢建設(shè)分為生產(chǎn)廠房、管節(jié)滑行區(qū)、管節(jié)臨時寄放區(qū)3大部分(見圖5)。(1)生產(chǎn)廠房用于將預(yù)制鋼筋網(wǎng)片的拼裝和管節(jié)澆筑、養(yǎng)護(hù)。(2)管節(jié)滑行區(qū)用于將已制作完成的節(jié)段推進(jìn)滑行。節(jié)段下方設(shè)置滑行梁,上部采用多點(diǎn)千斤頂系統(tǒng)和減摩墊層,控制差異沉降量,減少摩擦阻力,確保節(jié)段滑行時結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生有害裂縫。(3)管節(jié)臨時寄放區(qū)用于臨時寄放已經(jīng)完成養(yǎng)護(hù)并完成一次舾裝的管節(jié)。該區(qū)域可建于干塢出海口,減少干塢開挖工作量。4.2基床面浮泥層基槽總長5664m,底寬41.95m,底標(biāo)高-16.0~-45.0m。基槽開挖包括粗挖、精挖及清淤。1)粗挖是開挖自然泥面至離設(shè)計底標(biāo)高約2m間的泥層,選用1萬m3以上耙吸船承擔(dān)粗挖施工,耙吸船應(yīng)具有動力定位及動力跟蹤的功能。2)精挖是開挖粗挖完成后至設(shè)計底標(biāo)高間的泥層,選用具有定深和平挖功能的大型抓斗挖泥船(見圖6),可減少底部擾動和浮泥產(chǎn)生。3)清淤是清除粗挖結(jié)束后至精挖前基槽淤積的泥沙,以及精挖后基槽底和基床面回淤的浮泥層。選用專用清淤船進(jìn)行清淤,確保沉放時水容重的變化控制在要求范圍之內(nèi)。4.3隧道基礎(chǔ)處理1)沉管隧道的基礎(chǔ)處理方法,以消滅不規(guī)則空隙為目的,可分為先鋪法(在管段沉設(shè)之前,先鋪好砂、石墊層)和后填法(先將管段沉設(shè)在預(yù)置在溝槽底上的臨時支座上,隨后再補(bǔ)填墊實(shí))。2)為減少外海沉放作業(yè)時間,隧道基礎(chǔ)的處理方法擬采用碎石刮鋪法的基礎(chǔ)墊層。碎石刮鋪基礎(chǔ)采用專用設(shè)備進(jìn)行施工(見圖7)。(1)該設(shè)備固定于打入海底的4根管樁,憑借船上的桁車移動和填料刮鋪筒進(jìn)行碎石刮鋪施工。(2)刮鋪船使用GPS定位,定位精度約10cm,由于刮鋪范圍要超出管節(jié)寬度3~5m,刮鋪移動速度為1m/min,故該設(shè)備實(shí)際刮鋪施工精度可達(dá)到±25~±40mm。(3)填料刮鋪筒出料口前后設(shè)有超聲波探測裝置,可詳細(xì)了解到碎石刮鋪狀態(tài)及偏差,并實(shí)時反映到中控室。刮鋪筒的填料口可以根據(jù)船體標(biāo)高靈活調(diào)整,其深度也可根據(jù)不同需要靈活調(diào)整。4.4管節(jié)無波浪變形控制1)管節(jié)體外定位系統(tǒng)由2個“門”形框架組成,分別安裝在管節(jié)的接頭端和尾端,框架與管節(jié)上的起重吊耳相連接。2)當(dāng)隧道管節(jié)放置到基礎(chǔ)上后,體外定位系統(tǒng)將投入使用。當(dāng)移動隧道管節(jié)時,接頭端和尾端兩側(cè)體外定位系統(tǒng)底座將提供支撐,并確保管節(jié)不會因為水流和波浪產(chǎn)生側(cè)向位移。在輕微提升管節(jié)時,體外定位系統(tǒng)底座將依靠下部的碎石基礎(chǔ)提供地基反力。3)當(dāng)管節(jié)被提升后,可以在減少管節(jié)底部摩擦的情況下調(diào)整管節(jié),管節(jié)向前移動則由安裝在管節(jié)頂部的拉合千斤頂控制(見圖8);管節(jié)尾端橫向位置由安裝在底座上的橫向千斤頂調(diào)整(見圖9)。4)定位系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):管節(jié)結(jié)構(gòu)無需額外開孔;可反復(fù)使用;坐底沉放和水力壓接全過程減少管節(jié)受水流波浪影響,可以在沉放駁上遙控實(shí)施千斤頂伸縮,安全高效;水力壓接完成后,可以對管節(jié)的尾端進(jìn)行精確調(diào)整定位。4.5浮運(yùn)設(shè)計方案1)管節(jié)的浮運(yùn)將采用拖輪拖帶的方式,結(jié)合工程實(shí)際情況,采用縱拖和橫拖相結(jié)合的浮運(yùn)方案。2)選用穩(wěn)定性和可控性較好的雙駁扛吊法進(jìn)行管節(jié)沉放安裝。使用管節(jié)外部定位系統(tǒng)及選用沉管水下測量定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)管節(jié)水下高精度測量定位。5島鯉隧道以下簡稱港珠澳大橋島鯉工程,根據(jù)系沉管隧道長度一般在2km左右,常用于內(nèi)河。隨著隧道施工技術(shù)的發(fā)展,外海沉管隧道的施工取得了突破性的進(jìn)展。如連接歐亞大陸的土耳其馬爾馬拉海海峽隧道已于2010年4月貫通,該矩形復(fù)合結(jié)構(gòu)鐵路隧道長1387m,由11段管段組成;高8.6m,寬15.3m;結(jié)構(gòu)底部深度-60m,為世界第一。該隧道利用泥水盾構(gòu)完成了岸邊段與海中沉管隧道的對接。又如2010年底投入運(yùn)營的韓國釜山-巨濟(jì)連線隧道為矩形混凝土公路隧道,長3240m,共有18段管段,高9.97m,寬26.46m,結(jié)構(gòu)底部深度為-50m。連接丹麥和德國之間長達(dá)19km的公鐵連線FEMERN隧道計劃于2018年完成。作為我國隧道建設(shè)史上投資最高、施工難度最大的港珠澳大橋工程是我國繼三峽工程、青藏鐵路、南水北