陳 越, 陳偉樂, 宋神友, 劉 健, 金文良

(深中通道管理中心, 廣東 中山 528400)

0 引言

改革開放40年，中國的交通基礎(chǔ)設(shè)施獲得巨大的發(fā)展，跨江海通道遍布大江南北。多數(shù)跨江海工程首選橋梁工程，其次是隧道工程，在跨度巨大和建設(shè)條件復(fù)雜的情況下，采用橋島隧組合的工程方案。文獻(xiàn)[1-2]介紹了丹麥至瑞典的厄勒通道工程的公鐵兩用沉管隧道，其首次采用工廠化預(yù)制管節(jié)，開發(fā)了自平衡鋪設(shè)基礎(chǔ)墊層碎石系統(tǒng)專用設(shè)備； 文獻(xiàn)[3]介紹了韓國巨濟(jì)通道工程的公路沉管隧道，其根據(jù)項目的建設(shè)條件和需求進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)了遙控水下頂升模板微型潛水艇式海上運輸車等； 文獻(xiàn)[4-6]介紹了港珠澳大橋的高速公路沉管隧道，開發(fā)了第三代沉管隧道管節(jié)工廠化生產(chǎn)技術(shù)，創(chuàng)新性地實現(xiàn)了鋼圓筒打設(shè)圍蔽的人工島快速成島技術(shù)、推出式V型沉管隧道最終接頭等。

目前世界上已建成的沉管隧道約150座，只有日本建成并通車了3座鋼-混凝土復(fù)合的三明治結(jié)構(gòu)沉管隧道，還有1座尚在建造中。深圳至中山跨江通道(簡稱“深中通道”)是世界上首例集超寬超長海底隧道、超大跨海中橋梁、深水人工島、水下互通“四位”一體的集群工程，為國內(nèi)首次采用鋼-混凝土復(fù)合沉管隧道方案[5]。鋼-混凝土復(fù)合沉管結(jié)構(gòu)能解決大跨度隧道的結(jié)構(gòu)受力，提高過江通道資源集約化，大型專用施工裝備的研發(fā)能提升土木工程的建造能力，相關(guān)技術(shù)和工藝的突破和改進(jìn)使得隧道技術(shù)不斷進(jìn)步。本文結(jié)合工程的建設(shè)條件和結(jié)構(gòu)特點，介紹深中通道沉管隧道的主要建造技術(shù)。

1 項目概況

深中通道地處珠江口核心區(qū)域，位于港珠澳大橋上游40 km，距離虎門大橋下游30 km，直接連接深圳市和中山市、江門市。項目東接深圳的機荷高速，西至中山市的馬鞍島，與規(guī)劃的中開、東部外環(huán)高速對接，項目全長約24 km，其中跨海段長約22.4 km[7]。深中通道規(guī)?？涨啊⒔ㄔO(shè)條件復(fù)雜、綜合技術(shù)難度大，是我國繼港珠澳大橋之后又一項難度更大的重大跨海交通工程[8]。

從2002年啟動項目的前期工作以來，通過多方案比選，確定了橋、島、隧組合的設(shè)計方案，2015年國家發(fā)改委批復(fù)項目。按照“東隧西橋”方案，采用橋隧組合方案，共設(shè)2處通航孔； 穿越深圳機場支航道與礬石水道處采用海底沉管隧道，隧道總長6 845 m，兩側(cè)分別設(shè)置1座人工島； 伶仃西水道采用橋梁跨越，推薦采用主跨為1 666 m的懸索橋，橫門東水道橋推薦采用雙塔鋼箱梁斜拉橋； 其余段均為非通航孔橋，總長約11 km。工程地理位置如圖1所示。

圖1 工程地理位置示意圖

沉管隧道起于深圳市機場互通的東人工島，與廣深沿江高速二期工程對接；隧道終點在西人工島，與非通航孔橋連接。隧道全長6 845 m，其中沉管段長度為5 035 m。沉管段由26個標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)、6個非標(biāo)管節(jié)和1個水中最終接頭組成，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長度為165 m，非標(biāo)管節(jié)長度為123.8 m，水中最終接頭設(shè)置在E22/E23之間。沉管隧道縱斷面及管節(jié)布置如圖2所示。

圖2 沉管隧道縱斷面及管節(jié)布置圖(單位： m)

沉管段采用鋼-混凝土復(fù)合的三明治結(jié)構(gòu)，沉管隧道標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)橫斷面外包尺寸為46.00 m×10.60 m(寬×高)，行車孔凈高度為7.60 m，結(jié)構(gòu)板厚度為1.50 m。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)橫斷面如圖3所示。變寬管節(jié)橫斷面外包尺寸為(46.00～55.46)m×10.60 m(寬×高)，行車孔凈高度為7.60 m，結(jié)構(gòu)板厚度為1.50 m。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)橫斷面圖(單位： cm)

2 建設(shè)目標(biāo)和建設(shè)理念

深中通道建設(shè)目標(biāo)： 建世界一流可持續(xù)跨海通道，創(chuàng)珠江口百年門戶工程，安全舒適，優(yōu)質(zhì)耐久，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，和諧美觀。

深中通道建設(shè)理念： “系統(tǒng)集成工程觀”的建設(shè)理念、可持續(xù)工程建設(shè)理念、需求引領(lǐng)設(shè)計理念、創(chuàng)新驅(qū)動理念、智慧建造理念。

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

公路等級： 雙向8車道高速公路。設(shè)計速度： 100 km/h。汽車荷載： JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》規(guī)定的公路-Ⅰ級汽車荷載。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限： 100年。主體結(jié)構(gòu)安全等級： 一級。

4 主要建造技術(shù)

由于深中通道沉管隧道的建設(shè)條件和工程特殊性，沉管段采用鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，隧道的軟弱地基采用水泥深層攪拌樁(DCM)進(jìn)行基礎(chǔ)處理，研發(fā)鋼殼沉管隧道專用施工裝備等，為適應(yīng)本項目的需求開展了一系列的技術(shù)研究工作，并已將主要的研究成果應(yīng)用于工程實踐。

4.1 沉管段的鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)

從1896年美國首次利用沉管法建造穿越波士頓港Shirley Gut的輸水隧道開始[9]，各國已建成具有交通功能的沉管隧道約150座[10]。英國最早開展沉管隧道鋼-混凝土復(fù)合三明治結(jié)構(gòu)的研究并進(jìn)行了1∶3模型試驗，也編制了設(shè)計規(guī)則。但鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于沉管隧道主要是在日本，其主要結(jié)構(gòu)由2塊鋼板與鋼板之間的混凝土夾層構(gòu)成。一般來說，鋼板通過剪力釘與混凝土相連，混凝土被設(shè)置在鋼板之間，因此需要配制的混凝土流動性很強并且能夠自密實?；炷翝仓约氨ＷC混凝土具有足夠的密實度以完全填充鋼板之間的空隙，是這種施工工法的主要挑戰(zhàn)。

日本神戶港港島沉管隧道采用鋼混夾層結(jié)構(gòu)存在的主要問題： 一是結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)問題，包括剪力連接件的設(shè)計方法、拐角部的加固構(gòu)造、施工時的應(yīng)力處理和設(shè)計上的技術(shù)可靠性確認(rèn)； 二是高流動混凝土的相關(guān)問題，包括高填充性混凝土配合比、施工管理方法； 三是進(jìn)行填充性能檢測的非破壞性檢驗方法問題。

本項目是我國首次采用鋼-混凝土復(fù)合的三明治結(jié)構(gòu)建造沉管隧道，對于急需解決的技術(shù)問題，開展了《沉管隧道鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)》專項研究，對鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力機制及設(shè)計方法開展了系統(tǒng)的試驗研究，揭示了鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)抗彎和抗剪受力機制，提出了相應(yīng)的計算方法，定量分析了鋼殼內(nèi)混凝土脫空對承載能力的影響，提出了混凝土澆筑質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，研究成果已經(jīng)應(yīng)用于施工圖設(shè)計； 并開展了《高強自密實混凝土配制、澆筑工藝及質(zhì)量檢測關(guān)鍵技術(shù)》專項研究，針對自密實混凝土開展了系統(tǒng)試驗研究，形成了《深中通道鋼殼沉管自密實混凝土配制及施工關(guān)鍵技術(shù)指南》。深中通道沉管隧道鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)大樣如圖4所示。

圖4 鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)大樣

目前正開展《鋼殼混凝土沉管隧道足尺模型試驗施工工藝》專項研究，其中一個足尺模型的外輪廓尺寸為18 m×46 m×10.6 m(長×寬×高)，如圖5所示。模型的材料規(guī)格、等級、分艙設(shè)計及細(xì)部構(gòu)造與施工圖中鋼殼構(gòu)造要求完全一致。

圖5 足尺模型

沉管隧道足尺模型試驗研究的主要成果如下： 1)通過足尺模型及小模型試驗對混凝土配合比進(jìn)一步優(yōu)化，容重控制在2 300～2 370 kg/m3，其擴展度、V漏斗、L槽、含氣量、強度等指標(biāo)也均能滿足設(shè)計要求。2)混凝土澆筑系統(tǒng)能較為穩(wěn)定地實現(xiàn)自動尋孔，在一個艙格澆筑結(jié)束后自動尋址到下一個預(yù)設(shè)的艙格，滿足正式澆筑的尋孔精度要求；澆筑設(shè)備與拖泵聯(lián)動，利用無線模塊實現(xiàn)雙向信息互通，能自動開始澆筑，根據(jù)液面反饋信息及時精準(zhǔn)調(diào)整所需的速度，自動停止?jié)仓?；根?jù)液面信息自動提升泵管，保證混凝土下落高度不超過1 m，且避免了埋管現(xiàn)象。3)澆筑工藝。在混凝土距離頂板20 cm以下時采用30～40 m3/h的速度進(jìn)行澆筑，根據(jù)檢測結(jié)果初步判斷前期采用30～40 m3/h的澆筑速度對艙格內(nèi)混凝土的澆筑和排氣效果基本無影響。4)中子法脫空檢測可以較準(zhǔn)確地確定脫空位置及平均脫空高度，但檢測效率過低，且脫空高度與測點范圍面積關(guān)系較大。

4.2 沉管段基礎(chǔ)處理

隧道地基剛度的確定是沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的關(guān)鍵[11]，基礎(chǔ)處理方案的確定需根據(jù)工程的建設(shè)條件和工期要求。沉管段采用先鋪法的碎石基礎(chǔ)墊層。對于軟弱地層的基礎(chǔ)處理，在考慮工程地質(zhì)條件以及國內(nèi)土建施工裝備的情況下，西島斜坡段(E1—E5)軟弱淤泥層厚達(dá)30 m，受采砂坑擾動影響嚴(yán)重，經(jīng)多方案比選，采用水泥深層攪拌樁(DCM)作為沉管隧道基礎(chǔ)；另有E13—E21管節(jié)槽底為軟弱層，也采用DCM基礎(chǔ)方案，其他均采用天然地基； 基礎(chǔ)上設(shè)置約110 cm厚塊石振平層及100 cm厚級配碎石壟墊層，平整精度為±3 cm[12]。沉管段碎石墊層的結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與港珠澳大橋沉管隧道基本一致。全線基礎(chǔ)分布如圖6所示。

位置東島上段、堰筑段 機場支航道及東側(cè)管節(jié)E23—E32 淺埋中間段E14—E22 礬石水道兩側(cè)E5—E13 西島斜坡段E1—E4 西島暗埋段地質(zhì)情況 全強風(fēng)化花崗巖、殘積土 全強風(fēng)化花崗巖、殘積土 淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、砂層 全強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖淤泥質(zhì)土 島內(nèi)堆載預(yù)壓淤泥質(zhì)土 基礎(chǔ)處理方式 素混凝土墊層30 cm,局部換填/攪拌樁 1 m厚碎石墊層,1.1 m厚振密塊石 1 m厚碎石墊層,1.1 m厚振密塊石或2～3 m夯平塊石 1 m厚碎石墊層,局部夯平塊石 1 m厚碎石墊層,1.1 m厚振密塊石(局部夯平塊石),深層水泥攪拌樁 直徑0.6 m,PHC樁復(fù)合地基

圖6 全線基礎(chǔ)分布圖

Fig. 6 Distribution of tunnel foundation

沉管段軟弱地層的加固處理采用深層水泥攪拌法，是以水泥漿為固化材料，采用深層攪拌機，將水泥漿注入地基中并與地基土就地強制攪拌均勻形成水泥土，利用水泥的水化及其與土粒的化學(xué)反應(yīng)使原地基土的強度得到較大提高的軟土地基加固方法[13]。深層水泥攪拌樁(DCM)工藝在韓國釜山—巨濟(jì)通道獲得應(yīng)用，施工裝備是深層水泥攪拌船(DCM船)，其工作原理是： 1)切土下貫，當(dāng)DCM鉆機旋轉(zhuǎn)葉片進(jìn)入海床之后，開啟鉆桿旋轉(zhuǎn)，鉆桿底部的旋轉(zhuǎn)葉片旋轉(zhuǎn)切割土層； 2)下貫噴漿，鉆桿上拔至設(shè)計位置前，需提前噴漿將管路中的水?dāng)D出，確保在下貫過程中水泥漿的穩(wěn)定； 3)樁底加固，下貫噴漿完成后，管路及底部噴漿口存在大量泥漿，后續(xù)階段使用中心桿上拔噴漿，下貫噴漿快到樁底時，啟動底部噴水管路中的漿液擠至樁底并清洗下部噴漿口； 4)上拔噴漿，上拔噴漿采用中心桿噴漿，此時管路中存在較多的水，需提前啟動漿液擠水，確保中心桿達(dá)到距樁底設(shè)計位置的噴漿量穩(wěn)定； 5)在成樁過程中，施工管理系統(tǒng)會自動記錄各種施工數(shù)據(jù)，包括噴漿量、處理機運動速度、轉(zhuǎn)速、電流值、噴漿壓力等，作業(yè)結(jié)束后，通過軟件系統(tǒng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)并生成數(shù)據(jù)報表。

為研究深層水泥攪拌樁與管節(jié)之下的塊石+碎石墊層形成的復(fù)合地基受力模式，分析沉降、荷載分配等對整體管節(jié)結(jié)構(gòu)沉降變位和承載性能的影響，開展了DCM復(fù)合地基載荷試驗。通過4 m×3 m、3 m×3 m布置DCM樁間距的2種載荷等級試驗可知，2組試驗在不同荷載下，DCM復(fù)合地基沉降呈迅速發(fā)生、快速收斂的特性，變形及承載性能均呈穩(wěn)定狀態(tài)，滿足設(shè)計全回淤工況最大使用荷載(210 kPa)要求。樁間距4 m×3 m復(fù)合地基施加158.3 kPa的荷載，分3級加載；樁間距3 m×3 m復(fù)合地基施加211.1 kPa的荷載，分4級加載，通過全過程監(jiān)測獲得第1級荷載瞬時沉降量約占總沉降量的60%。樁頂應(yīng)力在加載過程中出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中，在各級維持荷載下未出現(xiàn)明顯消散，說明樁身承載性能良好，DCM樁體可有效發(fā)揮復(fù)合地基承載能力。

4.3 管節(jié)運輸安裝的專用施工裝備

本項目沉管段共32個管節(jié)和1個水下最終接頭。在工程管理上將管節(jié)鋼殼的制造劃分為2個施工標(biāo)段，管節(jié)的混凝土澆筑、浮運安裝等土建工程也劃分為2個施工標(biāo)段。每個管節(jié)的鋼殼在廠內(nèi)加工制造完成后，通過大型船舶運輸至管節(jié)的混凝土澆筑場區(qū)，進(jìn)行混凝土澆筑和一次、二次舾裝施工，達(dá)到具備管節(jié)水上浮運和沉放安裝的條件。

其中一個土建標(biāo)段負(fù)責(zé)E1—E22管節(jié)和水下最終接頭范圍的土建工程，管節(jié)的混凝土澆筑地點設(shè)置在珠海市的牛頭島(原港珠澳大橋沉管隧道的管節(jié)預(yù)制場)； 另一個土建標(biāo)段負(fù)責(zé)E23—E32管節(jié)的土建工程，其中管節(jié)的混凝土澆筑地點擬定在船廠的船塢內(nèi)。

牛頭島管節(jié)預(yù)制場距隧址較遠(yuǎn)，通過擬定管節(jié)浮運航道計算的浮運距離達(dá)到50 km。管節(jié)浮運航道一部分可利用港珠澳大橋沉管隧道的臨時浮運航道，但大部分的臨時浮運航道利用現(xiàn)有的航道進(jìn)行適度改造。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)在水中為165 m×46 m×10.60 m(干舷高度為150～300 mm)的鈍體，迎水面積較大，管節(jié)浮運、安裝受氣象、水文條件影響較敏感； 最大限度控制管節(jié)浮運、沉放安裝的總時間，才能選擇更多的氣象、水文作業(yè)窗口，提高抗風(fēng)險能力。對于每天約有4 000艘船舶在珠江口航行的繁忙水域，爭取做到不封航狀況下進(jìn)行管節(jié)施工，減少對珠江后航運的影響，研發(fā)專用施工裝備勢在必行。經(jīng)多方案的比選，確定了管節(jié)浮運、沉放安裝整合為一體，并具備自航功能的專用施工裝備。管節(jié)浮運安裝專用施工裝備方案如圖7所示。由于該裝備還處于建造階段，尚未獲得工程實際案例的驗證，本文暫不詳細(xì)介紹。

4.4 BIM信息技術(shù)

深中通道BIM技術(shù)應(yīng)用總體上由2部分組成： 一是BIM模型技術(shù)應(yīng)用，包括建模和用模技術(shù)，發(fā)揮BIM技術(shù)可視性、可計算性和可交互性，實現(xiàn)設(shè)計各專業(yè)協(xié)同和施工關(guān)鍵方案4D模擬； 二是BIM集成管理應(yīng)用，以BIM模型為載體集成工程各階段和各業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能建造、搭建BIM協(xié)同管理平臺和智慧工地系統(tǒng)，達(dá)到信息共享、管理協(xié)同、提質(zhì)增效的目的。

圖7 管節(jié)浮運安裝專用施工裝備方案圖

Fig. 7 Special equipment for element transportation, immersion & installation

BIM模型技術(shù)應(yīng)用以建模和用模為主，包括設(shè)計、施工和運維3個階段。目前BIM模型技術(shù)應(yīng)用覆蓋設(shè)計、施工階段的工作內(nèi)容，運維階段需要基于運營養(yǎng)護(hù)需求的數(shù)字化模型深化和建管養(yǎng)數(shù)據(jù)銜接等內(nèi)容，待工程建設(shè)后期進(jìn)行開發(fā)。BIM集成管理技術(shù)主要包括： 設(shè)計階段的聯(lián)合設(shè)計、數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)計； 施工階段的智能制造、協(xié)同管理和智慧工地； 運維階段基于BIM的可視化管養(yǎng)、資產(chǎn)管理和應(yīng)急管理。

本工程采用了鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)的沉管隧道結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為12 000 t，需要進(jìn)行大量的鋼結(jié)構(gòu)焊接。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)有2 500個隔艙、浮運安裝的各類預(yù)留預(yù)埋和交通工程(包括機電工程)的預(yù)留預(yù)埋約4萬個。為保證工程的整體耐久性和最大限度減少管節(jié)安裝后的洞內(nèi)焊接和補涂裝，要求鋼結(jié)構(gòu)的焊接在鋼殼制造期間完成，在焊接成大塊體后進(jìn)行噴砂除銹、涂裝。每個管節(jié)的鋼構(gòu)件眾多，還需兼顧鋼殼內(nèi)澆筑混凝土的充滿度，必須通過設(shè)計階段由各設(shè)計單位建立BIM 模型，在模型中進(jìn)行設(shè)計； 建造期間由制造單位建立BIM模型，通過模型檢查各構(gòu)件的碰撞情況和施工的可操作性，達(dá)到整個管節(jié)制造過程的連續(xù)性和可控性。管節(jié)鋼殼模型如圖8所示。

(a) 參數(shù)驅(qū)動模型及二維圖紙同時修改 (b) 剖切模型生成二維圖紙

5 結(jié)論與建議

1)已建成的鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)沉管隧道案例不多，采用該結(jié)構(gòu)形式可合理解決大跨度結(jié)構(gòu)的受力問題，在確定建設(shè)目標(biāo)和建設(shè)理念的基礎(chǔ)上，通過建立BIM模型和足尺模型試驗研究，平衡和協(xié)調(diào)每個管節(jié)的12 000 t鋼結(jié)構(gòu)與4萬個預(yù)留預(yù)埋的相互關(guān)系和鋼結(jié)構(gòu)制造工藝； 開發(fā)專用混凝土澆筑設(shè)備，有效實現(xiàn)每個管節(jié)2 400個隔艙混凝土澆筑過程控制，使每個隔艙的混凝土達(dá)到預(yù)期的充滿度。

2)沉管隧道的基礎(chǔ)處理是決定使用壽命的關(guān)鍵，結(jié)合隧址的地質(zhì)情況和上部荷載，分段采用不同的基礎(chǔ)處理方式，實現(xiàn)約6.8 km隧道的縱向地基剛度過渡較為平順； 采用DCM樁進(jìn)行軟弱地層的基礎(chǔ)處理，通過試驗研究，獲取了DCM樁布置方式、荷載與沉降關(guān)系，支撐了沉管隧道的設(shè)計和施工。

3)研發(fā)專用施工大型裝備是建設(shè)目標(biāo)和建設(shè)理念的保障。土木工程的技術(shù)進(jìn)步需要依托專用施工裝備研發(fā)的技術(shù)進(jìn)步，不但能提高工效，還可以提高工程的質(zhì)量和品質(zhì)，將設(shè)想轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實。

4)BIM信息技術(shù)在深中通道管節(jié)設(shè)計與施工中得到應(yīng)用，較好地解決了眾多構(gòu)件組合的相互關(guān)系，提高了設(shè)計質(zhì)量和施工精度，有效提高了工程品質(zhì)。

深中通道再度推進(jìn)了沉管隧道的建造技術(shù)，但技術(shù)進(jìn)步是無止境的，目前國內(nèi)每座沉管隧道的建設(shè)均需設(shè)置一個管節(jié)預(yù)制干塢，投資規(guī)模大、土地不能集約利用，建議研究適合我國國情的浮態(tài)澆筑鋼殼管節(jié)內(nèi)的混凝土建造技術(shù)；對于控制隧道差異沉降的基礎(chǔ)處理、研發(fā)通用施工裝備、精細(xì)化管理的BIM信息系統(tǒng)應(yīng)用還需拓展思路，進(jìn)一步減低沉管隧道的投資和節(jié)約社會資源，為沉管隧道持續(xù)發(fā)展提供新的生命力。