港珠澳大桥岛隧工程技术 68页

港珠澳大桥岛隧工程 技术难点及设计创新 Contents 目 录 3. 勘察创新 1 、岛隧工程概况 2. 工程面临的挑战 1 、岛隧工程概况 1. 工程概况 4. 人工岛设计创新 5. 沉管预制厂设计创新 6. 隧道基础设计创新 7. 沉管设计创新 8. 结束语 1. 工程概况 1.1 港珠澳大桥项目 港珠澳大桥东连香港、西接珠海 / 澳门， 是 集桥、岛、隧为一体的 跨海通道，全长 35.6km ； 大桥共分为珠海和澳门接线、珠澳口岸人工岛、大桥主体工程、香港连接线及香港口岸人工岛六部分； 岛隧工程是控制性工程。 1.2 港珠澳大桥岛隧工程 1. 工程概况 岛隧工程 总长 7440.5m ，包括 5664m 沉管隧道， 2 个面积 10 万 m 2 离岸人工岛及长约 800m 桥梁。 岛隧工程采用设计施工总承包模式，于 2010 年 12 月底全面开始工程建设，预计 2016 年底完成施工。 1.2 港珠澳大桥岛隧工程 1. 工程概况 港珠澳大桥沉管隧道共分 33 节，每节长 180m ，宽 37.95m ，高 11.4m ，单节重约 7.4 万吨，最大沉放水深 44m 。是我国首条于外海建设的沉管隧道。是目前世界唯一深埋大回淤节段式沉管工程，是目前世界上综合难度最大的沉管隧道之一，建成后是世界上最长的公路沉管工程。 Contents 目 录 3. 勘察创新 1 、岛隧工程概况 2. 工程面临的挑战 1 、岛隧工程概况 1. 工程概况 4. 人工岛设计创新 5. 沉管预制厂设计创新 6. 隧道基础设计创新 7. 沉管设计创新 8. 结束语 2.1 面临的挑战 2.1.1 开敞海域、深厚软土地基、复杂施工条件下的快速成岛 根据总工期要求人工岛需一年内快速成岛，且两年内完成软土地基处理及暗埋段施工，为首节管节对接提供条件； 工程海域地处白海豚核心保护区，施工的环保要求高； 工程海域是国内乃至世界范围内航运最密集的水域，施工的安全保障难度大 2. 工程面临的挑战 2.1 面临的挑战 2.1.2 沉管管节预制工程量巨大，工期紧迫，预制质量要求高 每个节段砼量约 3415m 3 ，钢筋约重 900t ， 8 个管段组成一个标准管节砼约 2.7 万 m 3 ，重约 7 万多吨；共 33 节约 85 万 m 3 混凝土，数量巨大、工期紧； 预制精度、质量要求高 （ 120 年设计使用寿命、结构自防水） ; 重达 7 万多吨巨形混凝土管节的安全下水。 2. 工程面临的挑战 2.1 面临的挑战 2.1.3 超长深埋、厚软土地基下的沉管基础刚度协调及不均匀沉降控制 沉管隧道长约 6km ，下卧有软土地基，沿线地层、土性纵向、横向差异大； 隧道深埋，面临巨大的、长期的，缓慢加载且不利于控制的回淤荷载 ; 世界范围内首次利用两个人工岛进行桥隧转换，岛隧结合部处的隧道荷载存在有台阶式的跳跃变化。 2. 工程面临的挑战 2.1 面临的挑战 2.1.4 港珠澳大桥沉管隧道是 世界范围内 第一条也是目前 唯一 的 深埋沉管 2. 工程面临的挑战 釜山 厄勒 港珠澳 深埋沉管与浅埋沉管的主要区别 项 目 常规沉管（浅埋） 深埋沉管（港珠澳） 回填及覆土厚度 约 2m 左右 2m+21m （淤积层） 加载过程 施工完成， 管顶荷载施加完成 施工完成，管节荷载完成约 1/6 ，后期回淤荷载逐渐增加 管底应力 约 40-50kPa 160kPa 2. 工程面临的挑战 2.1 面临的挑战 港珠澳大桥沉管隧道纵向设计的主要问题 —— 接头抗剪安全度 偏低 隧道 名称 管节宽度 /m 节段长 / m 管节高 / m 管底荷载 kPa 节段接头 面积 / m2 面积 / 荷载 比 e-5 港珠 澳 37.95 22.5 11.4 160 7.52 5.5 釜山 26.46 22.5 9.97 44.9 4.39 16.4 厄 勒 38.7 22 8.6 43.0 8.40 22.9 节段 接头 抗剪安全度对比 管节 接头 抗剪安全度对比 隧道 名称 管节宽度 /m 节段长 / m 管节高 / m 管底荷载 kPa 管节接头面积 / m2 面积 / 荷载 比 e- 2 港珠 澳 37.95 22.5 11.4 160 6.14 3.8 釜山 26.46 22.5 9.97 44.9 4.36 9.7 厄 勒 38.7 22 8.6 43.0 5.60 13.0 2. 工程面临的挑战 接头抗剪安全度偏低的风险 当大荷载条件与不利的地基不均匀耦合作用时，可能造成接头抗剪结构破坏，进而引起接头防水条件恶化，甚至漏水，将直接影响到隧道使用、结构耐久性等。 2. 工程面临的挑战 2.2 岛隧工程的工作总体思路 以精细化勘察为基础； 以科研为支撑； 以专用设备开发为保障； 以标准化管理及风险预控管理为手段； 设计与施工互动，总部与工区密切配合。 针对总工期紧、外海孤岛施工及通航安全等不利条件，确定： “大型化、工厂化、标准化、装配化、信息化”设计施工原则。 以“人工岛快速成岛、沉管预制、专用设备制造”为三条关键线路。 2. 工程面临的挑战 Contents 目 录 3. 勘察创新 1 、岛隧工程概况 2. 工程面临的挑战 1 、岛隧工程概况 1. 工程概况 4. 人工岛设计创新 5. 沉管预制厂设计创新 6. 隧道基础设计创新 7. 沉管设计创新 8. 结束语 国内首次按国际标准组织岛隧区地质勘察 , 获得准确精细的地质资料： 设备、现场作业均执行国际标准； 设计全过程介入现场外业工作，进行动态管理； 通过各种手段强调获取扰动少的现场原位数据，为设计提供可信、真实的地质参数。 3. 勘察创新 3.1 精细化勘察 带波浪补偿的海上钻探系统 本次勘察的技术创新包括： 自行研发、制造并使用带波浪补偿的海上钻探系统； 自行研发、制造并使用海上钻探平台系统； 国内首次在水运工程中引进并使用海底坐床式静力触探系统，以及采用 CPTU 数据对工程地质进行评估； 勘察成果获得了连续的地层地质参数、建立了三维地质模型及数据库，为设计提供了客观可信的基础数据。 3. 勘察创新 3.2 技术创新 海上钻探平台系统 3.2 技术创新 海底坐床式静力触探系统 三维地质数据库 3. 勘察创新 Contents 目 录 3. 勘察创新 1 、岛隧工程概况 2. 工程面临的挑战 1 、岛隧工程概况 1. 工程概况 5. 沉管预制厂设计创新 6. 隧道基础设计创新 7. 沉管设计创新 8. 结束语 4. 人工岛设计创新 4. 人工岛设计创新 4.1 人工岛设计 超载预压 采用插入式大直径钢圆筒截断软土的深层圆弧滑动面，形成稳定安全的岛壁结构，外侧辅以抛石斜坡堤解决越浪和使用寿命的问题，抛石斜坡堤下采用挤密砂桩处理软基； 大圆筒结构及其之间副格均插入不透水层，使之同时作为岛上隧道干施工的基坑围护结构； 利用整岛止水条件，采用降水大超载比预压进行岛内软基处理，改善了软基处理的效果。 4. 人工岛设计创新 4.1 人工岛设计 超载预压 整岛基槽挖泥至 -16.0m ； 下沉钢圆筒及副格仓；钢圆筒下沉深度约 25.0m ，插入粉质粘土、粉质粘土夹砂层，底标高约为 -37.0m ～ -43.0m 。钢圆筒直径 22.0m ，壁厚 16mm ，筒顶标高 +3.5m ，筒高 40.5m ～ 46.5m ，重约 500t ，圆筒之间净距为 2.0m ，采用副格仓相连 , 底标高 -26.5m 。 -16.0m 钢 圆 筒 钢 圆 筒 西小岛典型断面施工过程 4. 人工岛设计创新 圆筒内插板处理，井点降水回填预压； -16.0m 袋装砂 袋装砂 西小岛典型断面施工过程 4. 人工岛设计创新 西小岛合龙后，岛内回填砂至 -5.0m ，降水至 -6.0m ，插塑料排水板； 回填砂至 +5.0m ，降水至 -16.0m ；满载预压 120 天； 海侧可同步施工挤密砂桩（置换率为 27.6% ）和护坡结构； -16.0m 中粗砂 -5.0m +5.0m 西小岛典型断面施工过程 挤 密 砂 桩 挤 密 砂 桩 4. 人工岛设计创新 4.1 人工岛设计 快速成岛 + 止水和围护结构一体 采用该方案，实现了： 快速成岛，五个月完成两个人工岛成岛，施工效率提高了近十倍； 止水和围护结构一体； 改善了岛内软基处理的同时，为隧道基础的优化创造了条件； 实现了岛内、岛外同步施工。 快速成岛 止水和围护结构一体 PVD+ 大超载比预压 同步施工 4. 人工岛设计创新 4.2 技术创新 世界范围内创新采用深插式钢 圆筒 快速成岛，开创了外海快速成岛新技术； 开创了外海大型基坑围护结构以及外海基坑止水的新技术； 国内首次采用挤密砂桩技术作为抛石斜坡堤的软基加固方案； 采用降水大超载比预压进行岛内软基处理 , 开创了外海环保节约型的软基处理新方法； 4. 人工岛设计创新 板单元制作 圆筒拼装 圆筒对接 圆筒装驳 圆筒运输 圆筒振沉 4. 人工岛设计创新 4.2 技术创新 采用 8 台 600Kw 液压振动锤同步联动振沉系统进行振沉作业，开发的同步锤组总激振力达到约 4000t ； 2011 年 5 月 15 日开始西岛首个钢圆筒振沉， 215 天完成了东西人工岛 120 个钢圆筒振沉施工，垂直度达到 1/200 。 4. 人工岛设计创新 4.2 技术创新 Contents 目 录 3. 勘察创新 1 、岛隧工程概况 2. 工程面临的挑战 1 、岛隧工程概况 1. 工程概况 4. 人工岛设计创新 6. 隧道基础设计创新 7. 沉管设计创新 8. 结束语 5. 沉管预制厂设计创新 5. 沉管预制厂设计创新 5.1 沉管预制厂设计 综合考虑工期要求及预制质量控制，本工程沉管采用工厂法预制。 沉管预制厂选址在桂山牛头岛。 5.1 沉管预制厂设计 沉管预制厂位于桂山岛，距离隧道轴线约 7 海里。预制厂主要包括： 预制车间（约 2 万 m 2 ） 混凝土生产区 浅坞区（包括跨度 105m 的浅坞门） 深坞区（包括跨度 61m 的深坞门） 设置两条流水线同时生产，每两个月生产两个管节。 混凝土生产区 预制车间 浅坞区 深坞及舾装区 5. 沉管预制厂设计创新 顶推完成关闭滑移坞门 灌水、起浮、移位 排水、舾装 管节出坞 5.3.1 沉管预制厂设计 匹配前段浇筑下段管段 连续浇筑连续顶推 5. 沉管预制厂设计创新 5.2 技术创新 5.2.1 平面布置创新 根据现场地形地貌，创新性的提出了预制车间与浅坞一字布置，浅坞与深坞并排布置的工厂平面布局格式。 利用现成的采石坑，扩大深坞尺度，将管节存放和舾装创新性地移至坞内，避免了存放区防波堤的建设，大规模的减少了建厂费用 建成后的沉管预制厂全景 进行现场开挖中的沉管预制厂全景 5. 沉管预制厂设计创新 5.2 技术创新 5. 沉管预制厂设计创新 5.2 技术创新 5.2.2 预制车间创新 “ T ”形厂房布置格局，两侧为钢筋加工区，中间为钢筋绑扎台座及砼浇筑坑，创造出流水式的生产模式； 钢筋加工区和生产线区标高错落，成功解决厂内外物流水平运输的困难，同时有效减少土石方爆破开挖量、拦水坝工程量和深浅坞灌排水量。 5. 沉管预制厂设计创新 5.2 技术创新 5.2.3 浅坞钢闸门结构和止水技术创新 创新性采用了一种新型自稳式三角形结构钢闸门。不仅在构造本身上有利于自稳，而且利用倾斜的迎水面巧妙地化解了 12.7m 水头差形成的巨大水平推力和倾覆力矩，同时将其部分转换为有利于稳定的垂直力。同时也一定程度减少了大跨度带来的弯矩问题。 钢闸门侧止水和底止采用背贴式波纹形止水带分别与钢闸门和闸墩止水底座贴紧，形成连续侧止水面。 采用该结构后，跨度达 105m ，需要抵御 12.7m 水头的浅坞钢闸门结构自重仅约 800t 。 5. 沉管预制厂设计创新 5.2 技术创新 浅坞钢闸门现场拼装照片 浅坞钢闸门止水带安装 蓄水中的浅坞钢闸门（迎水面） 5. 沉管预制厂设计创新 5.2 技术创新 5.2.4 深坞坞门结构和止水技术创新 创新性地采用钢筋砼 + 钢结构组合浮坞门结构，降低浮坞门结构重心高度提高坞门的浮游稳定性；将坞内蓄水水压转换为坞门配重，化解坞门抗倾和起浮对坞门自重两个截然相反的要求之间的矛盾； 浮坞门和坞口底板联合设计，解决坞门抗滑稳定问题；在坞口底板上设置橡胶垫，消除浮坞门反复坐底时由于底板应力集中可能导致的破坏； 坞口止水采用三维空间设计，确保坞口侧止水和底止水连续过渡，提高止水的可靠性。 5. 沉管预制厂设计创新 5.2 技术创新 预制中的浮坞门 浮运中的浮坞门 坐底与坞口处的浮坞门 5. 沉管预制厂设计创新 5.2 技术创新 5. 沉管预制厂设计、技术创新及科研 2012 年 9 月 10 日，桂山沉管预制厂深浅坞蓄水试验，深浅坞蓄水至设计水位 +15.35m ，试验结果证明整个深浅坞止水安全可靠，满足使用要求。至 2013 年 6 月底，预制厂已经按期累计完成 6 个管节的预制、起浮、横移，并实现了 E1/E2 管节的出坞、浮运和安装，整厂运行安全、高效和可靠。 Contents 目 录 3. 勘察创新 1 、岛隧工程概况 2. 工程面临的挑战 1 、岛隧工程概况 1. 工程概况 4. 人工岛设计创新 6. 隧道基础设计创新 7. 沉管设计创新 8. 结束语 5. 沉管预制厂设计创新 6.1 隧道基础设计 6.1.1 设计思路 采用常规的、成熟的施工工艺来解决复杂的沉管隧道基础。 对于地质条件较好，沉降较小的的区段以天然地基为基础，对于地质较差、附加荷载引起的沉降较大的区段在施工期采取措施提前消除其主固结沉降。 采用天然地基和复合地基相结合，使整个纵向刚度趋于一致，控制总沉降并匹配纵向的不均匀沉降。 通过分析未经处理天然地基沉降曲线，确定须进行地基处理的区段，同时根据中间段天然地基沉降量值确定过渡段地基处理深度，并且使岛上段地基处理深度与过渡段深度相近从而使整条线路沉降协调一致。 6. 隧道基础设计创新 6.1 隧道基础设计 6.1.2 设计方案总体简介 6. 隧道基础设计创新 基础 纵向 布置 区段 岛上段 斜坡段 中间段 斜坡段 岛上段 管节 暗埋段 敞开段 E33~E30/S4 E30/S4 ～ E6/S2 E6/S2~E1 暗埋段敞开段 基础 类型 刚性桩复合地基 SCP 复合地基 天然地基 或局部开挖换填（块石夯实 + 碎石整平） SCP 复合地基 刚性桩复合地基 6.1 隧道基础设计 6.1.3 岛隧结合部、斜坡段基础设计方案详情 - 以西岛为例 6. 隧道基础设计创新 E4/S3~E6/S2 挤密砂桩（ 62% 、 55%) E1/S3~E4/S3 SCP （ 70% 、 55% 、 42% ） + 堆载预压 E1-S1~E1-S2 高压旋喷桩 止推段 PHC 复合地基 降水联合超载预压 开挖卸载 振冲、碾密 铺设碎石垫层 施工敞开段结构 6.1.1 岛上敞开段 岛上敞开段 6. 隧道基础设计创新 岛上暗埋段 降水联合超载预压 开挖卸载 施打 PHC 桩 铺设碎石垫层形成复合地基 现浇隧道上部结构 6.1.1 岛上暗埋段 6. 隧道基础设计创新 岛上 E1/E33 部分沉管 6.1.3 岛上沉管段 降水联合超载预压 开挖卸载 施工高压旋喷桩形成复合地基 铺设碎石垫层 安放沉管 6. 隧道基础设计创新 岛头过渡段沉管（ E1 ～ E4S3/E33 ～ E30S3 ） 6.1.4 过渡段沉管一 挤密砂桩 堆载预压 开挖卸载 碎石垫层 管节沉放 6. 隧道基础设计创新 6.1.5 过渡段沉管二 过渡段沉管（ E4S3 ～ E6S2 ） 挤密砂桩 基槽开挖 块石夯平 碎石垫层 管节沉放 6. 隧道基础设计创新 6.1.6 中间段沉管 基槽开挖 块石夯平 碎石垫层 管节沉放 中间段沉管（ E6S2 ～ E30S3 ） 6. 隧道基础设计创新 6.2 技术创新 国内首次全面使用复合地基作为沉管隧道基础的设计施工方案； 国内第一次大规模使用挤密砂桩进行软基加固，并且是用作沉管隧道基础的首例； 根据需要处理的软土厚度，以及沉管上覆荷载的变化，通过调整挤密砂桩置换率，实现隧道基础刚度的协调和控制不均匀沉降； 6. 隧道基础设计创新 6.2 技术创新 E1/S1~S2 采用高压旋喷桩的半刚性桩复合地基，实现与挤密砂桩柔性桩复合地基的平顺过渡； 岛上暗埋段在经过降水堆载预压处理过土层内打入 PHC 桩形成复合地基，以刚性桩复合地基实现与高压旋喷半刚性桩复合地基的刚度协调； 将重力式码头工程成熟的抛填块石 + 强夯技术引入隧道基础，协调全线基础刚度、降低清淤难度和加快施工速度。 6. 隧道基础设计创新 6.2 技术创新 目前，西岛过渡段挤密砂桩复合地基、高压旋喷桩复合地基和岛上暗埋段 PHC 桩复合地基均已施工完毕。经现场检测，效果良好： PHC 桩复合地基在暗埋段施工后较长期的累计沉降约 4cm ，高压旋喷桩复合地基经过原型堆载试验验证，预计沉降在 4~5cm ，挤密砂桩复合地基加固区在超载预压期间发生沉降约 4~7cm 。 6. 隧道基础设计创新 Contents 目 录 3. 勘察创新 1 、岛隧工程概况 2. 工程面临的挑战 1 、岛隧工程概况 1. 工程概况 4. 人工岛设计创新 6. 隧道基础设计创新 7. 沉管设计创新 8. 结束语 5. 沉管预制厂设计创新 7.1 应对挑战的解决思路 减载回填 —— 采用轻质材料回填减小管顶荷载；该方案主要问题是：经济性差（增加投资约 10 亿），减载效果有限（最多减小 5 ～ 6t/m2) ，耐久性及对环境影响有待评估。 加强结构 —— 采取措施提高接头抗剪能力；该方案主要问题是： 结构设计方案要有突破。 维护性 疏浚 —— 运营期 进行 维护性 疏浚（根据监测情况）控制 管 顶覆土 荷载 ，保证结构安全；该方案主要问题是：增加了运营管理难度。 通过组织技术攻关，在结构设计方面取得突破，以 加强结构 为主案；考虑到深埋沉管结构属于首次应用，也没有条件进行实体工程验证，为确保沉管结构的安全以 维护性 疏浚 做 预案 。 7. 沉管设计创新 7.2 沉管纵向设计 —— 半刚性管节 7. 沉管设计创新 7.2 沉管纵向设计 —— 阶段接头与管节接头 7. 沉管设计创新 7.2 沉管纵向设计 —— 纵向永久无粘结预应力 7. 沉管设计创新 1/2 管节接头预应力钢束布置 7.2 沉管纵向设计 —— 纵向永久无粘结预应力 7. 沉管设计创新 7.2 沉管纵向设计 —— 阶段接头 7. 沉管设计创新 7.2 沉管纵向设计 —— 管节接头 7. 沉管设计创新 7.2 沉管纵向设计 —— 半刚性管节的效果 对静、动力数百种工况组合进行验算； 各项指标满足要求； 日本 NCC 、清华大学、同济大学开展 同步平行复核计算，结论相当。 7. 沉管设计创新 管节接头张开量验算（ SLS2a ） 管节接头张开量验算（ SLS2b ） 管节接头张开量验算（ ALS2 ） 7.2 沉管纵向设计 —— 半刚性管节的效果 7. 沉管设计创新 7.3 技术创新 “ 半刚性管节 ” 结构行为与机理； “ 半刚性管节 ” 节段接头传力可靠性； 节段接头在低应力条件下混凝土摩擦系数 非均布正压力对节段接头摩擦力的影响； 节段接头微张开状态对节段接头摩擦力的影响 ; 节段接头摩擦力与竖向剪力键的协同作用规律； “ 半刚性管节 ” 设计方法； “ 半刚性管节 ” 动力性能及响应； “ 半刚性管节 ” 节段接头剪 力及结构内力变化规律； “ 半刚性管节 ” 对管节接头（大接头）的影响； 深埋沉管温度场及对沉管结构的影响； 深埋沉管周边土体的约束效应及计算参数； 永久无粘结预应力体系； 无粘结预应力接头连接件研发及施工工艺； 7. 沉管设计创新 7.3 技术创新 预应力提供的节段接头摩擦力可与接头剪力键协同作用，提高抗剪 安全度，降低接头止水失效风险； 节段接头处无粘结预应力可有效控制节段接头张开变形，使接头能 在较小张开情况下适应地基不均匀性，同时降低接头漏水风险。 7. 沉管设计创新 Contents 目 录 3. 勘察创新 1 、岛隧工程概况 2. 工程面临的挑战 1 、岛隧工程概况 1. 工程概况 4. 人工岛设计创新 6. 隧道基础设计创新 7. 沉管设计创新 8. 结束语 5. 沉管预制厂设计创新 结束语： 8. 结束语 港珠澳大桥岛隧工程东、西人工岛、桂山沉管预制厂、隧道基础设计以及沉管设计工作，是联合体内各设计单位有史以来参与设计的使用要求最高、难度最大、技术综合运用要求最全以及创新性最多的工程项目。参战的各设计单位本着实事求是的态度，精心科研，开放兼容，勇于创新，圆满地完成了各项设计任务。在设计期间，各项科研活动和技术创新均得到了中交联合体岛隧工程项目总部各兄弟单位、诸多同仁特别是项目总经理林鸣总工程师的全力支持，也得到了在座众多专家们的帮助。在此，表示诚挚的感谢！ 目前，设计团队正在对取得的成果加以总结和归纳，使上述创新技术形成规范或理论以便在国内外加以推广应用，这些工作仍需要各位专家们的技术支持和帮助。 谢谢 THANKS 让世界更畅通