中交第四航务工程勘察设计院有限公司 广东广州 510230
摘要：港珠澳大桥岛隧工程是连接香港、珠海及澳门的大型跨海通道。本篇综合介绍了其中人工海岛和沉管隧道工程的总体布置和技术要求；其次介绍了人工海岛建造技术、隧道的地质勘查和基础处理、沉管管节工厂化预制、水下挤密砂桩；管节接头防水技术、管节浮运与沉放等。
关键词：人工海岛；沉管隧道；
1 项目概况
港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港、珠海、澳门的大型跨海通道工程，是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程。港珠澳大桥起自香港口岸，跨越粤港分界线，下穿拱北口岸，止于南屏镇洪湾，线路总长约为55km。主体工程长约29. 6km，采用桥隧结合方案 ，穿越伶仃西航道和铜鼓航道段6.7km 采用隧道方案，其余路段约22.9km采用桥梁方案，主体工程隧道两端各设置1个海中人工岛。
主要技术指标: 公路等级为高速公路，设计速度为100km /h，双向六车道；设计使用寿命120年；建筑限界: 桥面标准宽度33. 1m，隧道2×14.25m，净高5.1m。设计汽车荷载按《公路桥涵设计通用规范》JTGD60—2004 汽车荷载提高25%用于设计计算，同时满足香港《道路及铁路结构设计手册》中规定的活荷载要求。抗风设计标准: 运营阶段设计重现期120年，施工期重现期 30 年。地震设防标准: 地震基本烈度为7度；结构防水等级为一级；主体结构耐火等级按一级隧道设计，采用RABT标准升温曲线测试的耐火极限不低于2h。
2 工程主要技术特点
2.1 人工海岛的主要技术特点
根据主体工程总体布置，隧道两端各设置长度为625m的海中人工岛，两岛间平面距离约5.6km，人工岛平面呈耗贝形，横向最宽处约215 m。
修建海上人工岛的目的是实现桥梁与隧道的顺利衔接，满足岛上建筑物布置需要，并提供基本掩护功能，保障主体工程(岛上的隧道暗埋段敞开段)的顺利建设和正常运营。其中，西人工岛靠近珠海市，岛的东侧与隧道衔接，西侧与青州航道桥的引桥衔接，平面呈椭圆形，采用“耗贝”的设计理念，岛长625m，最宽处约183m，工程区域天然水深约-8.0m。东人工岛靠近香港特别行政区，岛的西侧与隧道衔接，东侧与香港接线的桥梁衔接，平面基本呈椭圆形，总面积97962m2，岛长 625m，最宽处约 215m，工程区域天然水深约－10. 0m。
西人工岛的建造在岛隧工程中处于关键线路上，需要尽快在海中填筑出人工岛，形成下一工序的陆域，并在岛内开挖基坑后，建造隧道的暗埋段和敞开段结构，由于项目的需求和特点，人工岛的主要技术要求如下: ① 海上人工岛的快速建造；②人工岛的整体稳定；③ 软弱基础处理与沉降控制；④钢圆筒作为人工岛形成和基坑围护结构的稳定、止水以及施工的打设。
3.2 沉管隧道的主要技术特点
依据港珠澳大桥主体工程全线平、纵设计，隧道东端局部位于R =5500m平曲线上，其余部分均为直线；隧道纵断面设置为 W 线形，进出口纵坡为±2.98%，最小纵坡为±0.3%。隧道长6700m。其中东、西人工岛岛上段(包括减光段、敞开段和暗埋段)长均为518m，隧道采用沉管方案。沉管段总5664 m，共 分 33 节；标准管节每节长180m，宽37.95 m，高11.4m，单节重约7.4万t，最大沉放水深44 m，是我国首条于外海建设的超大型沉管隧道。
根据交通运输部对初步设计的批复，隧道建筑限界宽度：0.75m+0.5m+3×3.75m +1.0m+0.75m=14.25m，高5.1m，路面横坡1.5%。
为实现沉管隧道的顺利建成，确保使用功能和工程的可实施性，隧道工程的技术特点如下: ①隧道管段的工厂化预制；②基槽浚挖和地基处理；③隧道管节的浮运沉放施工技术；④防水和压接技术；
3 岛隧工程建造技术的应用
新技术、新工艺在工程中的应用和大型专业化设备的使用将贯穿工程建造的全过程。
3.1 人工海岛工程建造技术
考虑到要进行大范围的填海造陆以及回填施工，为满足规定的沉降与变形要求，基础设计非常关键，人工岛和明挖暗埋段隧道的施工流程如下。
1)海中人工岛位置挖除上层软淤泥 。
2)采用挤密砂桩改善下层黏土 。
3)下沉钢圆筒及副格仓，钢圆筒直径 22. 0m，壁厚 16mm，高 40 ～ 50m，采用 8台液压振动锤联动振沉体系进行钢圆筒的振沉，插入粉质黏土、粉质黏土夹砂层，圆筒内软土需插板处理，井点降水回填预压。
4)将永久的抛石斜坡堤和钢圆筒结构相结合形成岛壁结构，海侧护坡结构采用挤密砂桩复合地基。
5)地基处理：利用整岛止水条件 ，采用“局部开挖”换填、插打塑料排水板、井点降水联合堆载
的大超载比预压方案，加速固结并减少工后残余沉降。
6)利用钢圆筒作为基坑的围护结构 ，开挖人工岛内的基坑，开挖深度达 12 ～ 14m。
7)实施明挖暗埋段隧道、减光段、敞开段的基础工程。
8)施工明挖暗埋段隧道、减光段、敞开段的结构和外防水。
9)实施隧道内装工程以及附属工程。
3.2 沉管隧道建造技术
沉管隧道的技术核心是结构与基础的相互协调，必须获取准确的地质资料才能做好隧道的合理设计方案，可以明确潜在的风险和可能的设计优化空间；结构的自防水体系在于混凝土的质量控制和接头的止水效果，本项目的主要建造技术应用如下。
3.2.1 精细化地质勘查
在初步设计阶段按照《公路工程地质勘察规范》JTJ064—98完成了岛隧工程的初勘和详勘工作，但对于沉管隧道的设计关键是结构与地基相互作用关系，地质勘察的准确度直接影响到结构的设计方案和 安全度，因此在地质初勘和详勘的基础上，结合初步设计的结构方案进行针对性的补充地质勘察。
沉管隧道工程对 地层划分及 地 质参数的准确度较高，主要采用静力触探( CTPU) 的方法，并使用英国标准实施精细化的勘 察，辅 以部分地质 钻探。在获取原位静力触探资料为主，以现匹配的实验室
试验进行校核和验证。CTPU 可有利于揭示原位地质信息，以 20mm /s 的速度进行，每 20mm 采集数据1次，能够快速、连续地揭示地层 ，获取设计所需的岩土参数信息。隧道区共布置钻孔79个CTPU测试点387个，孔压消散点22个。
3.2.2 管段基础处理
为实现沉管基础刚度的平顺过渡，保证施工质量，降低施工风险，基础纵向分区如下：东、西岛敞开段：降水联合超载预压；东、西暗埋段: 降水联合超载预压 + PHC 桩; 岛上沉管段首两节段：降水联合超载预压 + 高压旋喷桩; 斜坡段 E1 ～ E6 和 E30 ～E33 采用挤密砂桩 ( 部分超载预压 ) ；中段：天然地基(局部换填)。管节基础垫层碎石整平层具有的优点如下： ①在相对较大的波浪和水流情况下仍能适用; ②基础垫层和管节沉放施工速度快；③管节沉放连接后能快速形成保护和管节的稳定; ④采用的设备可用于回填施工; ⑤管节沉放前，与隧道接触的垫层顶面可以进行可视化检查。对于在海中的管节长度长的节段式沉管隧道，从安全、风险等角度出发，本阶段采用整平碎石垫层，横向从隧道外墙向两侧各延伸至少 2m 范围。
3.2.3 水下挤密砂桩
水下挤密砂桩是在砂桩船上，利用振动锤将由活掰封住下口的钢套管沉入土中，达到预定深度后，在套管内灌砂，打开活瓣，在套管内施加气压的状况边振边上拔套管，逐段复打，将砂振密实，留砂于土中，形成砂桩扩径密实的工艺。
挤密砂桩对 松散砂土地基的主要作用是成桩时对周围砂层产生的挤密作用以及振密作用; 对软弱黏性土地基的主要作用是置换作用和牌示作用。挤密砂桩施工的自动化程度较高，质量较好保证，经加固后的地基承载能力能快速提高，残余沉降量较小，地基整体稳定性得到改善。人工岛的抛石斜坡堤的范围内设置了60%和24. 6%置换率的挤密砂桩，沉管隧道的E1～E6，E25～E33 管节范围内设置了70% ，62%，55%，42%置换率的挤密砂桩。
3.2.4 管节工厂化预制
管节预制采用了厄勒隧道的“工厂化”的理念，使管节在全室内环境下制造，易于控制混凝土浇筑和养护，取得有效的混凝土控裂。钢筋加工和绑扎、模板的安装和拆除、混凝土浇筑和养护等实现标准化流 水作业，提高生产效率；管节的舾装、起浮、出坞等作业形成独立的区域，不产生相互干扰。本工程由 33 节钢筋混凝土管节组成，每节标准管节长180m、宽 37. 95m，在预制时分为 8 个施工段。
管节的预制厂设置在珠海市的牛头岛，预制车间与浅坞、深坞呈“L”形布置，预制车间内布置2 条
平行生产线进行管节的制作。干坞位于牛头岛的西北端，利用原有的石场进行改造形成场地。干坞分为2 部分，即在海平面以上的浅坞和位于海平面以下的深坞。通过抬高水面，隧道管节可从浅坞浮运到深坞并最终运送到管节浮运航道。在坞的每一端都有坞门进行控制，在预制车间与坞之间由滑行闸门将二者分开，而在坞的另一端，采用浮坞门将干坞与大海隔离。管 节从车间到干坞采用滑行运输来完成。
3.2.5 管节接头
沉管隧道的接头分为: 管节接头、管段接头。管节接头( intermediate joint)是指在管节与管节( 即180m管节与180 m管节)之间防水的连接位置。管段接头(element joint)是指管段与管段( 即22.5m管段与22.5m管段)之间防水的连接位置。
接头的结构强度和刚度相对混凝土管节而言都显得更加脆弱。沉管基础和管节的不均匀沉降也容易导致柔性接头部位的错动和张开，使接头部位止水效果降低甚至失去止水效果，对沉管隧道的安全与正常运营造成很大威胁。管节接头防水一般采用GINA橡胶止水带+ Omega 止水带双层组合。国内外的管隧道管节接头设计与施工经验均采用同样的构造形式，只是根据隧道的纵向计算确定GINA橡胶止水带和 Omega 橡胶止水带的规格和安装方式。
由于采用节段式的管节结构方案，180m 的管节由8段结构组成，在每个管节中产生了7个节段接头。节段接头可以允许一定量的纵向位移、转动且传递剪力。采用中置式的可注浆钢边止水带 + 内置Omega 橡胶止水带的双重防水方案。节段接头的施工关键是可注浆钢边止水带的安装：混凝土浇筑后止水带与混凝土的密贴和注浆效果。工程实施中，在止水带安装完毕后，通过预埋管在两道止水带之间进行注水，检验止水效果。
4 结语
经过7年的努力，港珠澳大桥岛隧工程的建设现业已建成。港珠澳大桥沉管隧道的建设是土建工程的技术进步和施工装备的提升，约 6km 长沉管隧道的纵向计算分析是一项综合技术的体现；合理的地基处理方式和质量控制是保证该隧道长期使用的根本保障；约300个不同形式隧道接头的结构设计和抗震措施是一个新的技术挑战；120 年永久结构的耐久性设计是合理全寿命理念的实践；大型专用施工装备的研发和应用将提升沉管隧道施工技术的跨越。港珠澳大桥沉管隧道的建设将推进该领域的技术发展，在敏感的海洋环境和苛刻的建设条件下，采用世界上较高的设计和施工技术标准，面对沉管隧道设计与施工的极限挑战，期望通过所有参与建设工作者的共同努力，创造沉管隧道建设史的辉煌，它的成功建设将是世界沉管隧道技术的里程碑。
参考文献
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