详解港珠澳大桥沉管隧道新技术

详解港珠澳大桥沉管隧道新技术 1.工程概况与建设条件港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，连接香港、珠海和澳门，是一国两制三地的海上通道。

项目东起香港大屿山石湾，西至珠海拱北和澳门明珠，总长约３５.６ｋｍ，包括３项工程内容：１）海中桥隧主体工程；２）香港口岸及珠海、澳门口岸；３）香港连接线、珠海连接线和澳门连接线。

其中，海中桥隧主体工程东自粤港分界线，穿越铜鼓、伶仃西主航道以及青州航道、江海直达船航道、九洲航道，止于珠澳口岸人工岛，总长约２９．６ｋｍ，岛隧工程为海中桥隧主体工程的控制性工程，长约６．７ｋｍ，海中隧道采用沉管工法，沉管段长约５．７ｋｍ，人工岛各长６２５ｍ，岛隧平面及纵断面图见图１。

岛隧工程建设的主要难点：１）建设标准高。

①国家一级公路，双向６车道，设计时速１００ｋｍ／ｈ；②设计使用寿命为１２０ａ；③地震基本烈度为Ⅶ度。

２）水文气象条件复杂。

工程处于外海环境，台风频繁，海流、涌浪复杂，受冬季季风影响。

３）海底软基深厚。

工程所处海床面的淤泥质土、粉质黏土深厚，下卧基岩面起伏变化大，基岩埋深基本处于５０～１１０ｍ范围。

４）受规划中的３０万ｔ航道（通航深度－２９ｍ）影响，隧道水深、埋深（回淤量）大。

５）隧道距离超长。

沉管段长约５．７ｋｍ。

６）通航环境复杂。

航线复杂，船舶流量大，最大日流量约4000艘次。

７）环保要求高。

工程穿越国家一级保护动物中华白海豚的保护区核心区。

８）珠江口防洪纳潮要求高，阻水率要求控制在１０％以内。

因此，在如此苛刻的建设条件下建设大型海底沉管隧道，已有的内河沉管隧道建设技术和经验已远远不能满足工程需求，需要进行技术创新和突破。

2.地质勘察以往的沉管隧道一般位于河（海）床表面上，上覆荷载小，对地基承载力要求不高，即怕浮不怕沉。

由于规划航道的通航要求，随着深埋回淤问题的出现，港珠澳大桥沉管隧道工程对地质勘察的要求并非以往海上桥梁地质勘察工作所能满足，而且传统钻探获取的土样不可避免地受到扰动而难以取得较为准确的物理力学参数。

为了降低海床软土土体取样受扰动对勘察结果的影响、减少海上作业与通航运营船舶的相互干扰，港珠澳大桥沉管隧道工程采用了以静力触探ＣＰＴｕ为主、传统钻探为辅的勘察技术。

ＣＰＴｕ是带孔压的静力触探，主要适用于海、陆相交替的冲积层和沉积层，根据其仪器自动采集的端阻、侧阻和孔压等数据，可快速、准确地进行地质分层，见图２。

与传统的钻探勘察不同，ＣＰＴｕ主要是通过获取间接指标，以经验公式计算出变形参数，进而计算出地基沉降量。

我国静力触探技术应用历史短，经验少，相关的经验在２０世纪９０年代才开始被相关规范认可，其适用范围（主要用于陆上建筑）和深度与国际标准有较大的差别。

目前，我国仍主要使用ｑｔ（锥头阻力）、ｆｓ（侧摩阻力）和Ｐｓ（比贯入阻力）指标，而国际上已普遍使用Ｂｑ（孔压比）和Ｆｒ（摩阻比）进行详细的土体分类。

欧美国家形成的经验公式也具有明显的地区局限性，不一定适合我国广大地区，因此，在工程具体应用时还需要在原位或同类土质地层使用静载压板试验或螺旋压板试验进行对比或修正，并结合鉴别孔和消散孔进行综合分析，甚至还要结合地区特性开展研究工作。

此外，在沉管隧道设计过程中还需要考虑地基刚度的不确定性（包括勘察不确定性、基槽超欠挖和基础不平整等因素）对隧道结构内力和变形的影响，目前主要是以一定的偏差波动（一般按经验取２０％）结合管节长度计算出最不利的偏差波长，再以此作为沉管隧道结构纵向受力最不利工况。

因此ＣＰＴｕ的布孔应考虑管节长度和计算最不利偏差波长，并与鉴别孔、消散孔（孔压消散试验）的布置相结合。

港珠澳大桥岛隧工程在约７个月的补勘工作中完成了ＣＰＴｕ孔３７４个、消散孔２２个、原位测试孔３９个以及技术孔４１个，在确保对主航道航运影响最小的前提下，短时间内完成了大量的地质补勘工作，避开了台风期作业，通过精细化勘察，及时向设计和施工提供高质量的地层参数.3.管节长度与型式对于超长距离沉管隧道，其管节的长度与型式直接影响到隧道结构纵向受力、施工工艺、干坞（预制厂）规模、工期和造价，需综合各因素进行合理选择。

3.1 管节长度在20世纪，世界上修建的沉管隧道长度一般在２ｋｍ以内，每节管长一般在100～130ｍ。

目前，大型沉管隧道的长度已增加至３ｋｍ以上，随着隧道长度的增加和建设工期的要求，管节长度需要进一步增大：2000年建成的丹麦—瑞典的厄勒松海峡沉管隧道，沉管段长约3.5 km，其标准管节长１７６ｍ；２０１１年建成的韩国釜山—巨济沉管隧道，沉管段长约3.3km，其标准管节长180 ｍ；港珠澳大桥沉管隧道的沉管段长约５.７ｋｍ，在综合考虑装备能力和工期的影响下确定标准管节长180 ｍ；拟建的丹麦—德国的费马恩海湾沉管隧道，沉管段长约17.6ｋｍ，业主招标方案的标准管节采用了长217 ｍ的节段式钢筋混凝土矩形管节。

可见，跨海沉管隧道的管节长度有进一步增长的趋势。

3.2 管节型式沉管管节的结构型式主要有钢壳结构和钢筋混凝土结构２种型式，也有钢壳与钢筋混凝土的复合结构型式。

凭借混凝土结构防水及控裂技术的进步、柔性接头的出现和横断面利用的优势，矩形箱式钢筋混凝土结构成为当今沉管隧道的主流结构型式。

根据港珠澳大桥建设标准及规模要求，单向３车道的行车隧孔单孔跨度达14.55 ｍ，加上隧道深埋回淤上覆荷载偏大，一般的矩形箱式钢筋混凝土结构已不能适应，因此采用了折拱式横断面予以解决，见下图整体式管节采用管节接头把各管节通过沉放安装连接为沉管段，每管节纵向分为若干施工段，各施工段通过纵向钢筋连接在一起，各施工段之间为施工缝连接，加上可使用外包防水措施，因此管节本身具有良好的水密性；管节接头通过水力压接的ＧＩＮＡ橡胶止水带作为第１道密封，ＯＭＥＧＡ橡胶止水带作为第２道密封，加上设置接头受力结构件，管节接头具有良好的水密性。

节段式管节本身纵向亦分为若干节段，节段之间纵向钢筋断开，各节段通过临时预应力拉索连接在一起（在隧道完工后临时预应力拉索被剪断），节段之间形成变形缝作用的节段接头，这种结构形式改善了管节受力条件，但变形缝（节段接头）增多，这便将结构的受力矛盾转嫁为水密性矛盾。

随着隧道总长度的增加和工期的要求，管节长度也需要相应增加，而整体式管节的长度基本发展到了极限，难以满足工期要求，同时又由于混凝土温度应力和收缩徐变等因素的影响，长管节需以节段式取代整体式。

港珠澳大桥海中沉管隧道的标准管节采用８×22.5 ｍ方案，岛隧设计施工总承包商为提高长管节节段接头的水密性，提出将浮运沉放过程中的纵向临时预应力保留为永久预应力。

3.3 隧道纵向分析传统上，整体式管节和节段式管节也分别被称为“刚性管节”和“柔性管节”。

节段式管节在沉放完成后剪断纵向临时预应力，在计算分析中一般不考虑其纵向刚度，以节段接头的变形适应地基的不均匀沉降，从而减小结构内力。

港珠澳大桥岛隧设计施工总承包提出的保留纵向预应力的目的，是利用节段接头接触面摩擦力提高节段接头抗剪能力，通过增加节段接头抗弯刚度以减小可能的张开量，在增强结构的同时又提高了水密性。

国外曾有个别工程保留浮运沉放过程中的纵向临时预应力不剪断，其目的主要是为了缩短工期，在结构力学分析上并无重要突破，也难以证明结构“增强”后对其受力是否有利。

其实，传统的节段式管节在纵向轴力作用下也会存在一定刚度，因为水力压接使管节接头形成水密性能的ＧＩＮＡ止水带保持必要的压缩量，其反作用于管节形成了纵向轴力。

这个刚度与纵向轴力大小密切相关，见图５，保留纵向预应力，通过向管节“输入”一定的轴力，可进一步量化调节节段接头的刚度，这与盾构隧道横向接头抗弯刚度力学原理相同。

国外在节段式沉管隧道计算中一般偏于“保守”的视节段接头为可自由转动的铰，不考虑其抗弯刚度，虽然在分析理论上没有继续往前多走一步，但在实际工程中保留纵向预应力的可靠性是值得关注的。

判断预应力是否需要保留且进一步量化，应进行隧道结构的纵向受力分析，根据计算结果分析结构刚度增加所带来的管节与接头（包括管节接头与节段接头）的内力（弯矩和剪力等）和抗力（截面压力和摩擦力等）变化情况，以及接头（包括管节接头与节段接头）变形和止水带水密性安全系数的变化情况。

对于节段接头，若抗力增加快于内力增加，保留或增加预应力是有利的，但还需要考察管节接头的内力、张开量和ＧＩＮＡ止水带水密性的变化情况，从整体上进行协调平衡，不能只着眼于对局部是否有利。

因此，保留纵向永久预应力的节段式管节的最大意义是可以通过预应力调节管节的刚度，以量化的刚度和变形指标解决地基沉降、管节受力和水密性之间的矛盾。

需要注意的是，这也带来了永久预应力应用于水下隧道所需要面对的密封性和耐久性问题。

可见，大型沉管隧道的管节型式，从水密性良好但存在受力矛盾的整体管节，发展到将受力矛盾转化为水密性矛盾的节段式管节，未来可能会向寻求平衡受力与水密性矛盾的保留合适预应力管节的方向发展。

4.混凝土结构耐久性设计以往修建的沉管隧道，大部分处于江河下游，耐久性问题并不突出。

从２０世纪９０年代开始，沉管隧道工程从江河环境逐渐向江河入海口、海湾环境甚至跨海峡环境发展，暴露在海洋环境中的混凝土结构耐久性面临进一步挑战。

对于在海洋环境中采用钢筋混凝土结构的沉管隧道（特别是没有外包防水的节段式混凝土管节），混凝土结构的耐久性设计和控裂技术是实现混凝土结构自防水的关键。

4.1 传统耐久性设计传统的耐久性设计方主要是建立在经验的基础上，依据判断—符合原则（deem-to-satisfy rules）建立经验理论体系，综合经验、摸索和直觉确定钢筋混凝土钢筋保护层的厚度，无执行操作和设计使用年限定义的说明，依据的材料和工艺陈旧，试验方法存在较多缺点，没有论述与设计使用年限有关的混凝土早期质量要求。

发达国家从２０世纪５０年代中期起就投入大量人力、经费致力于混凝土结构耐久性研究。

欧盟资助的Duracrete研究项目（1996—1999），在国际上首次提出了混凝土耐久性的可靠度设计方法，作为使用年限设计方法在厄勒海峡和釜山—巨济通道等工程上得到了应用。

近２０年，我国在混凝土结构耐久性特别是暴露在海洋环境中的混凝土结构耐久性研究方面投入了大量的研究力量，发表了一批针对海洋环境钢筋混凝土结构腐蚀作用的研究成果，开发了实验室开展海洋环境研究的人工气候箱（室），编制和更新了相关的国家与行业技术标准，在多项跨海工程建设中逐渐积累了宝贵的经验。

然而在具体设计中，对于海底隧道混凝土结构的耐久性设计尚处于遵从经验判定的阶段，虽然可以给出对应不同设计使用年限的混凝土耐久性控制指标，但这些指标是基于目前规范规定和传统的经验进行取值，使得耐久性技术指标和设计使用年限之间缺乏可靠的理论对应关系，满足设计要求的工程是否就能达到规定的设计使用年限仍缺乏足够的理论依据。