港珠澳大橋沉管隧道工程施工過程

何祥榮 韋小丹

【摘 要】港珠澳大橋作為當前我國交通領域建設的世界級的跨海通道，有不少技術是國內甚至是世界首次應用的：海底隧道工程為我國第一條在外海修建的海底沉管隧道，沉管隧道水下埋深達45m，沉管隧道長度及規模居世界之首；橋隧人工島為我國第一次修建的外海離岸人工島，島體規模和難度為世界級，場區風浪條件及地質條件極具風險；島隧沉降控制、結構裂縫控制及結構防滲等技術具有世界級難度。港珠澳大橋海底隧道是迄今為止世界上埋深最深、規模最大、單節管道最長的海底公路沉管，沉管全部采用工廠法流水預制，完成舾裝后拖運至施工地點進行安裝。

【關鍵詞】世界級跨海工程、海底沉管隧道、軟土、砂樁加密法、 碎石基床基礎

1 地基處理

1.1工程概況

工程地處珠江口伶仃洋水域，是深圳港、廣州港的主航道，航道跨距達到4100m；是30萬噸巨輪的必經之地，也是世界上最繁忙的水域之一；同時也臨近香港機場飛機的起落航線，航空限高只有88m，水域通航環境復雜，還要穿越中華白海豚保護區。修建海底隧道是可行的，但面臨的困難是海底表面全是軟土，淤泥含水量高達50%-60%，石頭拋上去基本都陷在泥湯里，地基條件差。（見 圖1）

圖1 港珠澳大橋島隧工程示意圖

1.2軟土進行加固

首先要對軟土進行加固，使沉管安放在固定的基礎上，并減少日后的沉降和不均勻沉降，施工方案是砂樁加密法，通過沖擊或振動的方法將底端封閉的鋼管貫入海底40m下的硬土層地基中成孔，孔內填入砂料后再由鋼管回壓搗實擴徑成樁。該工藝通過在軟弱地基中貫入砂樁，擠密周圍松散土，使樁與擠密后的地基組成復合地基，提高地基的承載力、穩定性、抗剪切力和抗液化變形的能力。（見 圖2）

圖2 施工海域，4條砂樁船一字排開，日夜施工

1.3 基槽開挖

軟土加固后要對基槽進行開挖，安放隧道。因此對基槽開挖精度提出了很高的要求，挖深只允許有50cm的誤差，在大海深處實現這樣的精度，非常困難。通常施工器具都會在開挖面留下坑槽，也會挖出弧形，但是工程要求挖出光滑的作業面。 負責開挖的是中交廣航局的兩艘挖泥船“廣州號”和“金雄”。“廣州號”主要用于港珠澳大橋沉管隧道基槽的粗挖。 “廣州號”邊吸泥、邊航行，由置于船舷的耙頭松土、吸入泥漿，通過管路把泥漿傳送到船中設置的開底泥艙，經沉淀后把泥水分離。另一艘基槽開挖作業船“金雄”是抓斗式專用精挖船（見 圖2）。“金雄”號是目前國內采用液力變矩器傳動結構建造的最大抓斗式挖泥船，總長68m、型寬25m、型深4.8m、平均吃水量每小時近1000立方米，達到設計要求.該船往海底拋錨固定船身后即原地作業，4條粗鋼絲把9m高、110噸重的抓斗從海底拉起后，泥漿被傾倒在預備好的載泥船上后運走。（見 圖3）

圖3 抓斗式挖泥船“金雄”操作要求精細

1.4鋪設碎石基床基礎

在沉管安裝前，要在40m深的海底，鋪設一條42m寬、30cm厚的平坦碎石墊層找平，以供將來安放沉管隧道。誤差在4cm以內，墊層顆粒直徑在2-6cm之間。參與鋪設碎石基床基礎的施工器具是上海一家企業自主研發的拋石整平船。該船是目前全球最大、最先進的拋石整平船，其外形與鉆井平臺類似，身形碩大，作業時不受風浪影響。（見 圖4）

圖4 碎石刮鋪船照片及其結構示意圖

2 沉管預制

港珠澳大橋近6公里長的海底沉管隧道共由33段沉管組成，沉管隧道每個180m長標準管節由8個節段組成，節段間采用柔性連接，每節長22.5m、寬37.95m、高11.4m、重達7.4萬噸。沉管管節預制在桂山牛頭島預制場通過大型現代化、工廠化的生產線預制而成。該廠是迄今世界最大的沉管預制廠。港珠澳大橋設計壽命是120年，要求沉管不能有任何的質量缺陷，預制過程中一個小環節出錯都足以讓整段沉管報廢。沉管為兩孔一管廊截面形式，具有截面尺度大、預制精度要求、鋼筋施工難度大、混凝土供應保障難度大、管節控裂要求高等特點和難點，無論從沉管規模還是施工難度都居世界第一位。具體施工保證措施有：①每隔2-3小時取樣檢測一次含水率，據此設定參數調整混凝土配比，然后在攪拌站具體調控。②為保證混凝土的高強度和耐久性，他們通過對攪拌站的升級改造，實現了對料倉、配料機、拌合樓、輸送車輛和管道全方位的溫度控制，確保混凝土進入模板時的溫度在26℃以內。③為保證混凝土密實，不出現空隙，施工人員利用人工振搗和機械振搗相結合的方式，嚴格控制振搗時間、間距、振搗密度，尤其是剪力鍵、內模倒角、鋼端殼、預埋件等特殊部位要加密振搗間距。（見 圖5、圖6、圖7）

圖5 管段橫斷面及連成整體的示意圖

圖6 管節工廠化生產示意圖

圖7 工廠化生產場地及二層配套干塢示意圖

3 沉管安裝

如何將這些龐然大物運送到指定海域進行安裝？沉管浮運受天氣因素影響較大，從浮運到沉放需要連續72小時的良好天氣，且浮運和沉放一節沉管需要一個月的時間。施工過程為：①當一個沉管預制完成后，兩端用鋼板密封，使沉管漂浮在水面上。②通過大型拖輪拖運至安裝位置，待管節定位就緒后，向管節內灌水壓載，使之在重力作用下下沉。③把沉放的管節在水下連接起來，經覆土（石）回填后，筑成隧道。沉放過程中，沉管將會由水下定位系統進行定位，保證兩個沉管海底對接時的誤差控制在2cm以內。對接完成后，對接端的止水帶將通過水力壓接密封，使管節一個個緊密連接起來。（見 圖8、圖9）

圖8 隧道管節連接示意圖

圖9 管節提升及隧道尾端最終調整示意圖

結束語

港珠澳大橋海底沉管隧道是國內第一個采用沉管工藝的海底隧道和世界上規模最大的沉管隧道，不僅代表了中國最高水平，也反映了世界最高水平。其大型化、工廠化、標準化、裝配化的“四化”理念，已成為當今世界工程建設的最新理念和最高境界。港珠澳大橋建成后，將是一種時空觀的改變，駕車從珠三角一端到另一端的時間將從原來的大約四小時縮短到僅45分鐘，將為珠三角地區經濟、社會進一步發展提供支持。

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