港珠澳大桥岛隧工程综述

港珠澳大桥岛隧工程综述

1跨海连通段的工程香港珠澳大桥项目横跨珠江口年轻的大海。这是连接香港、珠海和澳门的重要海上航线。工程范围包括海中桥隧工程,香港、珠海和澳门三地口岸人工岛,以及香港、珠海、澳门三地连接线。工程总长49.968km,其中主体大桥工程全长约29.6km,海底隧道长约6km,海中部分采用桥隧组合方式。港珠澳大桥建成后将成为世界最长的跨海连线工程(见图1)。大桥及岛隧工程以公路桥隧的形式连接香港、珠海和澳门,以6车道高速公路标准建设,设计时速为100km。工程建成通车后,从香港到珠海的车行时间将由目前的约3h缩减至约0.5h。工程总体投资超过700亿元,其中海中桥隧工程约327亿元,岛隧工程约133.5亿元。工程设计使用年限为120年。工程于2009年12月15日项目开工建设,2010年对岛隧工程进行总体招投标,目标是2016年底全线通车。为确保该特大工程顺利实施,业主将6.7km的沉管隧道和两座海中人工岛整体打包,采用设计施工总承包方式进行招标,最终以中国交通建设股份有限公司为牵头单位的联合体以技术和商务总分最优中标。联合体分设计团队和施工团队两部分,设计团队成员为:中交公路规划设计院有限公司,上海市隧道工程轨道交通设计研究院,中交第四航务工程勘察设计院有限公司,COWIA/S(丹麦COWI国际咨询公司);施工团队成员为:中国交通建设股份有限公司,上海城建(集团)公司,AECOMAsiaCompanyLtd.(艾奕康有限公司)。2管顶部下沉设计1)岛隧工程包括长625m的东、西人工岛和5664m长的海中沉管隧道。沉管隧道隧址沿线的最大水下深度超过45m。考虑到远期30万t规划航道疏浚的要求,沉管顶部最大埋深超过20m(见图2)。2)预制沉管节共分33节管节(E1~E33)(见表1),最终接头设置于E29和E30之间,长度为采用水下止水板方式施工3)横断面采用2孔1管廊形式,宽37.95m、高11.40m;标准管节由8个长22.5m的节段组成(见图3),节段间采用柔性连接。施工期间,通过张拉纵向临时预应力索,将8个节段连接成一个整体管节防水采用混凝土自防水,抗渗等级P12。为确保管节预制质量和控裂效果,每个22.5m的节段采用全断面一次浇筑工艺。3管节浮运沉放难点分析1)工程处于伶仃洋外海,岛隧工程所处的海域附近受热带气旋、强雷暴等恶劣天气影响大;工程处于白海豚核心保护区;施工海域的水上交通繁忙。2)与常规沉管法隧道相比,该工程具有管节数量多、埋置深度大、基槽浚挖量大、受恶劣气象条件影响大、航运组织和环境保护要求高等特点。3)工程总体规模宏大,海象、地质与环境条件复杂;且施工工期紧迫,综合技术难度与风险为世界罕有。(1)管节预制难度高,采用自防水全断面预制工艺。管节的早期裂缝控制、预制尺寸精度、钢端壳安装精度,以及混凝土重度控制等技术要求高。(2)水文气象条件复杂。全部33节管节的浮运安装,需要经历多个台风季节;施工水域水流受人工岛和基槽施工的影响,流态复杂。在整个管节沉放过程中,需对气象窗口进行精确的分析和准确的预测、预报。(3)施工作业环境差。岛隧工程施工区航道交叉,属于航道运输最繁忙水域之一,也是水上交通安全事故频发的敏感区域。管节浮运沉放期间,需精心组织临时海上交通,确保施工期间的航运畅通。(4)管节浮运沉放技术难点多。如在恶劣气象、复杂水流和航运条件下的管节浮运;深水条件水下测量定位、管节沉放及定位调整;管节安装轴线精度控制等。(5)施工工期具有挑战性。与国内外类似工程相比,该工程沉管段隧道的总体工期十分紧迫,全部管节在3年内完成沉放、安装,具有很大的挑战性。4新建技术的应用针对上述工程难点,在整个隧道管节制作、浮运及沉放定位作业中,将在对施工方案优化的基础上采用一系列新的施工工艺和工法。4.1工厂化干重系统1)每节管节由8个节段组成。节段在厂房内的生产线上不间断地生产,初步养护后,向前顶进;然后继续制作后续节段,全部8个节段生产完成后通过预应力锁张拉连成一整体(见图4)。工厂化干坞可以更好地控制混凝土的浇筑质量。建设干坞工作量较少,首次应用于厄勒海峡连接线工程。2)工厂化生产干坞建设分为生产厂房、管节滑行区、管节临时寄放区3大部分(见图5)。(1)生产厂房用于将预制钢筋网片的拼装和管节浇筑、养护。(2)管节滑行区用于将已制作完成的节段推进滑行。节段下方设置滑行梁,上部采用多点千斤顶系统和减摩垫层,控制差异沉降量,减少摩擦阻力,确保节段滑行时结构不产生有害裂缝。(3)管节临时寄放区用于临时寄放已经完成养护并完成一次舾装的管节。该区域可建于干坞出海口,减少干坞开挖工作量。4.2基床面浮泥层基槽总长5664m,底宽41.95m,底标高-16.0~-45.0m。基槽开挖包括粗挖、精挖及清淤。1)粗挖是开挖自然泥面至离设计底标高约2m间的泥层,选用1万m3以上耙吸船承担粗挖施工,耙吸船应具有动力定位及动力跟踪的功能。2)精挖是开挖粗挖完成后至设计底标高间的泥层,选用具有定深和平挖功能的大型抓斗挖泥船(见图6),可减少底部扰动和浮泥产生。3)清淤是清除粗挖结束后至精挖前基槽淤积的泥沙,以及精挖后基槽底和基床面回淤的浮泥层。选用专用清淤船进行清淤,确保沉放时水容重的变化控制在要求范围之内。4.3隧道基础处理1)沉管隧道的基础处理方法,以消灭不规则空隙为目的,可分为先铺法(在管段沉设之前,先铺好砂、石垫层)和后填法(先将管段沉设在预置在沟槽底上的临时支座上,随后再补填垫实)。2)为减少外海沉放作业时间,隧道基础的处理方法拟采用碎石刮铺法的基础垫层。碎石刮铺基础采用专用设备进行施工(见图7)。(1)该设备固定于打入海底的4根管桩,凭借船上的桁车移动和填料刮铺筒进行碎石刮铺施工。(2)刮铺船使用GPS定位,定位精度约10cm,由于刮铺范围要超出管节宽度3~5m,刮铺移动速度为1m/min,故该设备实际刮铺施工精度可达到±25~±40mm。(3)填料刮铺筒出料口前后设有超声波探测装置,可详细了解到碎石刮铺状态及偏差,并实时反映到中控室。刮铺筒的填料口可以根据船体标高灵活调整,其深度也可根据不同需要灵活调整。4.4管节无波浪变形控制1)管节体外定位系统由2个“门”形框架组成,分别安装在管节的接头端和尾端,框架与管节上的起重吊耳相连接。2)当隧道管节放置到基础上后,体外定位系统将投入使用。当移动隧道管节时,接头端和尾端两侧体外定位系统底座将提供支撑,并确保管节不会因为水流和波浪产生侧向位移。在轻微提升管节时,体外定位系统底座将依靠下部的碎石基础提供地基反力。3)当管节被提升后,可以在减少管节底部摩擦的情况下调整管节,管节向前移动则由安装在管节顶部的拉合千斤顶控制(见图8);管节尾端横向位置由安装在底座上的横向千斤顶调整(见图9)。4)定位系统具有如下优点:管节结构无需额外开孔;可反复使用;坐底沉放和水力压接全过程减少管节受水流波浪影响,可以在沉放驳上遥控实施千斤顶伸缩,安全高效;水力压接完成后,可以对管节的尾端进行精确调整定位。4.5浮运设计方案1)管节的浮运将采用拖轮拖带的方式,结合工程实际情况,采用纵拖和横拖相结合的浮运方案。2)选用稳定性和可控性较好的双驳扛吊法进行管节沉放安装。使用管节外部定位系统及选用沉管水下测量定位系统可以实现管节水下高精度测量定位。5岛鲤隧道以下简称港珠澳大桥岛鲤工程,根据系沉管隧道长度一般在2km左右,常用于内河。随着隧道施工技术的发展,外海沉管隧道的施工取得了突破性的进展。如连接欧亚大陆的土耳其马尔马拉海海峡隧道已于2010年4月贯通,该矩形复合结构铁路隧道长1387m,由11段管段组成;高8.6m,宽15.3m;结构底部深度-60m,为世界第一。该隧道利用泥水盾构完成了岸边段与海中沉管隧道的对接。又如2010年底投入运营的韩国釜山-巨济连线隧道为矩形混凝土公路隧道,长3240m,共有18段管段,高9.97m,宽26.46m,结构底部深度为-50m。连接丹麦和德国之间长达19km的公铁连线FEMERN隧道计划于2018年完成。作为我国隧道建设史上投资最高、施工难度最大的港珠澳大桥工程是我国继三峡工程、青藏铁路、南水北