港珠澳大橋的綠色施工創新技術

文｜本刊記者 萬曉曦

改革開放以來，與香港交通聯系便利的珠江東岸經濟發展速度遠超珠江西岸地區，然而隨著珠江東岸發展空間及資源日趨緊張，香港需要尋找新的發展空間。西岸具有后續發展空間優勢，發展迫在眉睫，因此提出建設香港與珠江西岸陸路通道的設想，把香港與珠江西岸聯系起來，這個聯系通道就是港珠澳大橋工程。

港珠澳大橋東接香港特別行政區，西接廣東省珠海市和澳門特別行政區，是國家高速公路網規劃中珠江三角洲(簡稱珠三角)地區環線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關鍵性工程。將形成連接珠江東西兩岸新的公路運輸通道，是集橋、島、隧為一體的跨海通道，全長約55公里。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、香港連接線以及香港口岸人工島六個部分。

舉世矚目的大型跨界工程

港珠澳大橋是世界范圍內最長、規模最大的跨海橋隧工程，也是當今世界技術最復雜、綜合技術難度最高的工程之一。其中島隧工程是整個港珠澳大橋的控制性工程，島隧工程的總長是7440.5米，包括5664米的沉管隧道和兩個面積各為10萬平方米的離岸人工島以及和主體橋梁相接的800米結合部橋梁，這兩個人工島主要是實現從橋梁到隧道的轉換。

港珠澳大橋兩個人工島中間有將近六公里的海底隧道，為什么要特意建一個海底隧道，而不能用橋梁從珠海通到香港？這是由于珠江口是廣州港、深圳港、中山港的一個出海主航道，每天出海的船舶大概有4000艘左右，其中很多是20萬噸級裝載量的巨大貨輪，如果在這個地方建一個橋梁，橋梁的跨度和高度要非常大，當然從目前的建橋技術上來說這并不是問題。但這正好構成了香港新機場礙航的建筑物，因此要通過海底沉管隧道來實現船舶的通道。

港珠澳大橋沉管隧道是我國首條于外海建設的沉管隧道，是目前世界上唯一深埋大回淤節段式沉管工程，也是當今世界范圍內綜合難度最大、要求最高的沉管隧道之一，建成后將是世界上最長的公路沉管隧道。該工程于2010年12月底開工，目前人工島已經建成，結合部橋梁也已經完工，整個沉管隧道33節沉管也已經安裝完成。

港珠澳大橋一橋連三地，是一國兩制條件下的大型跨界工程，建設管理極具挑戰。項目要同時滿足三地標準和要求，設計壽命120年，尤其是在海洋環境下對質量和耐久性要求特別高，同時在法律法規、技術標準、決策機制、管理習慣等方面都由三地共同實現，存在不同差異。港珠澳大橋是世界最長的跨海工程，也是我國首個集橋、島、隧為一體的超大型集群工程。工程規模大、工期僅為六年，標準高、難度大；軟弱地基上建設長6.7公里，埋深達23米，沉放水深達44米的海底沉管隧道，離岸20公里水深10米軟土厚達30米的海中建設人工島，諸多技術上的難題都構成了島隧工程是當今世界范圍內綜合難度最大、技術要求最高的工程項目之一。

4月13日，香港特區政府路政署公布，已經完成港珠澳大橋香港接線觀景山隧道管道的所有混凝土箱涵構件，現正進行最后的工序，用千斤頂把預制構件推進位于機場快線下方的隧道最終位置，連同2017年3月底已經接通的高架橋段，全長12公里的香港接線將于4月底全線貫通。

從建設條件來說，項目地處外海，氣象水文條件復雜，同時，海洋船舶航線復雜、流量大，安全風險高，增加了海上安全管理難度；此外，工程穿越中華白海豚保護區，對于施工的環保要求特別高。項目工期長、人員多，職業健康管理難度大，因為整個項目是在海上施工，如果把兩三千人固定在海上一個很有限的空間里面，施工六年左右，這對各方面都是考驗。因此，在工程項目一開始，就將創建綠色循環低碳工程作為建設的基本原則和出發點。工程在技術創新、標準化建設、提高能源利用效率、保護白海豚等節能減排和環境保護方面做了大量的工作。充分利用設計施工聯動平臺，開創了多項國際國內首創技術，突破了傳統工地施工理念，實現“工地”向“工廠”轉變，同時進行了項目全生命周期考量，真正打造港珠澳大橋百年工程。

創建綠色循環低碳工程

外海人工島施工面臨多方面的問題，首當其沖的就是環保問題，在施工過程中要注意保護海洋生態；其次是海上交通安全問題，確保施工船舶與社會船舶的通航安全；第三是要快速形成陸域，減少人員在海上的漂浮時間，為海上施工提供生活、指揮依托；第四是海底地基加固處理，由于海底地基都是軟弱的淤泥，在港珠澳大橋島隧工程中淤泥厚達20到30米，需要考量如何在淤泥上建設人工島并解決島上建筑結構工后沉降；最后是島壁結構穩定問題，珠江口是臺風的高發期，每年大概有2.5個臺風對此區域產生直接影響，需要確保島壁結構臺風期的施工穩定。

上述問題為隧道工程人工島建設造成了諸多挑戰，施工條件復雜。西人工島離珠海岸20公里，下伏淤泥及淤泥質粘土厚達25米；東海岸離珠海岸30公里，下伏淤泥及淤泥質粘土厚達35米，同時處于中華白海豚保護區的核心區范圍，與伶仃主航道相距2-3公里。

根據項目總工期的要求，人工島需要在一年內快速成島，且要在兩年內完成島內所有軟土地基的處理以及隧道暗埋段施工，為首節管節對接提供條件。人工島是隧道轉換的關鍵，處于島隧施工的關鍵線路，為給隧道基礎設計施工提供好的條件，根據總體設計要求，人工島工后總沉降需控制在25厘米以內，并在開工15個月內基本完成主固結沉降，開始島上隧道基礎建設，以保證工程總工期要求。

可以說，常規的做島方法已經無法滿足上述要求，需要尋找快速成島的設計施工方案。項目團隊提出創新采用深插式鋼圓筒快速成島方案，并建立了相關的設計計算理論體系。人工島設計為蠔貝外形，為應對建設條件挑戰，采用直徑22米的鋼圓筒及副格插入不透水粘土層形成止水型島壁結構。西人工島布置鋼圓筒61個，東人工島布置鋼圓筒59個，鋼圓筒直徑22米，壁厚16mm，高度為40.5m—50.5m，最大入土深度達29m。為盡早提供沉管對接條件，西人工島內設置分割圍堰分為西小島圍護結構和西大島圍護結構，并先行施工小島圍護結構。

利用整島止水條件，采用降水大超載比預壓進行島內軟基處理，開創了外海環保節約型的軟基處理新方法。島內回填砂形成陸域，打設塑料排水板后降水，變回填砂浮容重為干容重，實現超載比達1.33-2.1的大超載比預壓，加快島內地基固結，島外地基采用擠密砂樁進行加固，拋石斜坡堤形成永久護岸結構。

港珠澳大橋項目首創將大型遠洋運輸船用于工程運輸并直接參與現場施工的范例。項目團隊利用7萬噸級遠洋運輸船，每船8-9個鋼圓筒整體直立運輸，克服鋼圓筒固定、防變形、海上盲視運輸等難題，每船航行1600多公里，運抵施工海域，并直接在工程現場駐位。大型遠洋船參與現場施工，減少了轉運，節約臨時儲存用地，節約資源。

振沉鋼圓筒需要3300噸激振力，港珠澳大橋項目團隊與美國APE公司聯合開發世界最大的8臺APE600液壓振動錘聯動振沉系統，為解決鋼圓筒海上定位難題，自主研發了“鋼圓筒打設定位精度管理系統”，實現了鋼圓筒打設的測量定位和精度管理。自2011年5月15號開始，西人工島首個鋼圓筒振沉至9月11日完成了全部61組鋼圓筒振沉；9月22日，東人工島首個鋼圓筒開始振沉，12月21日東人工島鋼圓筒振沉全部完成，提前10天實現了“當年動工，當年成島”的目標。

此外，港珠澳大橋項目全面開發引進擠密砂樁軟基加固成套技術。在島隧工程地基處理過程中，擠密砂樁總用量達150萬方。針對島隧工程地質，對擠密砂樁的施工工藝和檢測技術進行全面總結和進一步創新，形成了具有特色的擠密砂樁施工與控制全套技術。相比傳統大范圍開挖、換填，將對水體的污染降到了最低，填補了國內水運工程行業空白，開辟了新的綠色環保途徑。

新方案、新技術成就綠色施工示范項目

快速成島技術實現了當年開工、當年成島，解決了幾千名施工人員在海中的生活、工作問題，大幅度降低了海上施工風險。采用深插式鋼圓筒工藝有效提高了作業效率，島內軟基處理采用了降水聯合超載預壓，提高了功效，降低了能耗，實現了綠色低碳，相對于初步設計方案避免了大范圍開挖換填以及基礎處理。通過計算，項目總計節約燃油量約24088噸，折合標準煤約35099噸，通過這種新的施工方案、新技術的應用大幅度減少了開發和拋填量，將對海洋的污染降到了最低。

采用深插式鋼圓筒方案實現了隧道暗埋段基坑止水圍堰和島壁圍護結構合成一體，改善了島內軟基處理的同時，為隧道基礎的優化創造了條件。

實際上，港珠澳大橋工程的沉管也是在工廠里面制造的，體量不太一樣。港珠澳大橋的沉管隧道用預制沉管進行海底安放，總共是33個環節，標準管的長度一節是180米，管節的寬度是37.95米，高度是11.4米，是雙向六車道外加一個中間廊道構成了標準斷面，一個管節的重量大概是7.8萬噸。是由8個22.5米的截斷組成，一節一節預制起來，設計使用壽命是120年。當然，沉管預制也面臨著一些挑戰，例如深埋大回淤條件下的節段式沉管，世界范圍內尚無案例，對鋼筋混凝土結構耐久性要求高，同時構件數量多，斷面尺度大，預制精度要求高，并且需要一次性澆筑并有效遏制開裂。

在世界范圍內，預制沉管通常有兩種方法，一是干塢法，像造船一樣把管節預制好以后運出去；另一個就是工廠法。以前的工程絕大部分都采用干塢法預制，特別是在管節數量比較少的情況下，干塢法相對預制廠的幅度會比較少；在沉管比較多的時候，工廠法在保證質量、工期方面有著獨特的優勢。港珠澳大橋是世界上第二個采用工廠法進行沉管預制的工程案例，在國內則是第一例。

沉管預制面臨的最大挑戰一是耐久性要求高，二是構件數量比較多，三是斷面尺度大，四是預制精度要求高，因為要實現海底里面對接，不能有漏水等等，還有是要實現混凝土的自防水。沉管預制完成后放到44米深的水底下，管節不能有滲漏。國內首次采用工廠法管節預制技術，用工廠制造的概念制作沉管，這使傳統的工地施工變為工廠化流水線生產，在保證質量的同時，提高了功效，降低了能耗，實現了環保。相比于傳統干塢法生產管節，預制工廠大幅減少土地占用，減少工程廢棄物。目前，33個沉管已經全部安放到水里，沒有發現任何的接縫，可以自豪地說我國的第一條外海沉管隧道做到了“滴水不漏”。

在工廠里還集成了當今世界多項先進的技術和裝備，一是流水化的鋼筋生產加工生產線，二是全斷面澆筑液壓模版，三是混凝土生產及控裂系統，四是管節頂推系統。流水化的鋼筋生產線一是為了提高鋼筋的加工精度，提高效率，同時新的加工設備可以節約人員，減少能耗。在施工中最大限度地減少了水泥的用量，都用礦粉和粉煤灰來替代水泥，這也是從節約、環保以及混凝土的性能等方面進行的綜合考慮。

最大程度地減少水泥用量實際上就是最大限度地減少了水泥生產過程中對二氧化碳的排放。島隧工程開工七年通過不懈努力，解決了一些技術上的難題，也在綠色施工方面取得了一定成績。島隧工程被交通運輸部評為2014年綠色循環低碳公路的主題性項目，也是第五批綠色施工的示范項目。“