港珠澳海底隧道建設技術2011-12

1、港珠澳大橋海底隧道建設技術,長安大學公路學院 謝永利 2011年12月,報告提綱,1. 基本情況2. 技術標準 3. 海底隧道技術方案 4. 海底隧道施工組織設計 5. 海底隧道全壽命工程費用估算6. 工程地質(zhì)對隧道工程的影響分析7. 海底隧道工程風險分析8. 工法綜合比選及推薦意見9. 目前的建設情況,,港珠澳大橋跨越珠江口水域，東連香港，西接澳門、珠海，是一座“溝通三地、承東啟西”的特大型跨海工程。工程規(guī)

2、模宏大、涉及面廣、技術難點多，尤其是受香港國際機場航空限高和規(guī)劃航道制約。基于對擬建的港珠澳大橋橋位的現(xiàn)場勘察、調(diào)研及多次論證，依據(jù)相關專題提供的研究成果，圍繞橋位的總體路線布局要求開展了一系列詳實研究，在確保滿足預定交通功能的前提下，提出了大橋跨越珠江口伶仃西航道、銅鼓西航道等主航道時以海底隧道的方式通過。,1. 基本情況,,,,,,,,2024/3/31,（1）隧址區(qū)海底地層分布,水深：隧道沿線7-16m左右，西深東淺，海中部微

3、隆，為淺灘。淤泥：全新世海洋沉積物，厚10-20m，流塑狀。粘土：更新世海洋沖積物，厚5-15m，可塑～軟塑為主 。砂礫層：更新世海洋沖積物，厚10-30m，粉~細~中~粗砂、礫砂、圓礫土 ，飽和，中密～密實。 基巖：K10+400以東至東人工島為燕山期花崗巖分布；K10+400以西至西人工島為震旦系片麻混合花崗巖分布。巖面約-60~-80m，起伏大。,區(qū)域地質(zhì)構造,非全新世活動斷裂F2，對隧道影響小。,隧道補充地質(zhì)勘察1,,隧

4、道補充地質(zhì)勘察2,（2）水文條件1,潮汐：不規(guī)則的半日潮混合潮型 、弱潮海灣;從外海向內(nèi)漲潮歷時遞減、落潮歷時遞增 ;高潮位由外海向珠江口內(nèi)逐漸增大，低潮位由外海向珠江口逐漸降低;臺風暴潮引起海面升降。潮流：落潮流速大于漲潮流速，中部海域潮流流速比兩邊大;流速較小，流向為S～N向 。流速分布受水下地形影響較大 。波浪：實測最大有效波高(Hs)2.86米，周期(T)為10.1秒，波向為SE向 。泥沙：工程水域的含沙量分布特點是西側高

5、于東側，落潮大于漲潮。隧址區(qū)含沙量低。,（2）水文條件2,重度：海水重度為10.0～10.3kN/m3,并隨著分層從上向下增大, 與漲落潮存在一定關聯(lián)性。鹽度：海水鹽度變化范圍為11.256～33.908，均值為26.972。 海水底層平均鹽度高于表層。鹽度隨潮位的漲高而增 大，又隨潮位的退落而減小，其變化的趨勢和周期與 潮位基本一

6、致 。溫度：水溫度變化范圍為18.7℃～21.7℃，均值為20.3℃。表、 底層水溫接近，水溫分層不明顯。,（2）水文條件3,海水pH: 變化范圍為7.11～8.33，均值為8.11。渾濁度：海水渾濁度變化范圍為3.7°～283°，平均值為 38.9°。海水渾濁度變化范圍較大，小潮期以退潮 時渾濁度較高，大潮期以漲

7、潮時渾濁度較高，底層 平均渾濁度高于表層。,（3）地震條件,據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306－2001），珠海、澳門地區(qū)地震動峰值加速度為0.10g，香港地區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，與之對應橋址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。據(jù)國家地震局地殼應力研究所完成的近場區(qū)地震危險性分析專題，本工程場地的地震基本烈度復核結果Ⅶ度。,（4）氣象條件,風向風速:東南偏東和東風為主 ,HK側年平均風速達6.3

8、米/秒。氣溫:年平均氣溫22.3～23℃ 降水:多年平均降水量介于1800～2300毫米之間。 霧、雷暴：霧日年平均達19.3天 ，年平均雷暴日年平均為61.6天。 主要災害性天氣：熱帶氣旋、暴雨、龍卷風、雷擊、短時雷雨大風,（5 ）通航條件,根據(jù)交通運輸部《關于港珠澳大橋通航凈空尺度和技術要求的批復》（交水發(fā)[2008]97號），同意隧道區(qū)伶仃西航道和銅鼓航道采用30萬噸級油輪、25萬噸級散貨船和15萬噸級集裝箱船控制隧道最小

9、通航寬度和埋深。 同意隧道區(qū)船舶通航最小埋深為設計最低通航水位以下29米。考慮各航道代表船型通航寬度、航道間的安全距離及人工島頭部紊流區(qū)影響等因素，兩人工島之間最小通航寬度為4100米，其中滿足30萬噸級油輪安全通航深度-29米的寬度應不小于2810米。,船舶通航安全深度1,30萬噸油輪航道設計水深為D=T+Z0+Z1+Z2+Z3+Z4，其中： T －30萬噸級油輪滿載吃水最大水深T為22.2m ； Z0－船舶航行

10、時船體下沉值，取0.9m； Z1－船舶龍骨下最小富裕水深，取0.4m； Z2－波浪富裕深度，取0.7m； Z3－船舶裝載縱傾富裕深度，取0.15m； Z4－備淤富裕深度，取0.5m。 經(jīng)分析計算，航道設計水深D取24.9m。,船舶通航安全深度2,4、航道施工超深 根據(jù)本地區(qū)航道施工情況，施工超深取0.70m。5、安全富裕深度 安

11、全富裕深度主要考慮意外事故迫使船舶在隧道區(qū)拋錨、擱淺等危險情況下應留出的土層厚度。根據(jù)《霍爾錨》規(guī)范，錨爪長度為2.99m，故取錨的入土深度3.0m較為適宜。 在保證通航安全的條件下，隧道區(qū)船舶通航安全深度應不小于：24.9+0.7+3.0=-28.6 m(理論最低潮面以下)，建議采用-29m為宜。,通航寬度的組成1,根據(jù)《海港總平面設計規(guī)范》計算：伶仃洋西航道和銅鼓航道 30萬噸級雙向航道底寬為573m；

12、榕樹頭航道 5萬噸級雙向航道底寬為335m；主航道兩側預留小型船舶的單向航道：萬噸級及以下船舶單向航道寬度為153m。,通航寬度的組成2,為避免船吸作用，安全船距取為4.5倍船寬。 人工島頭部的紊流范圍在200～300m。兩人工島間最小通航寬度應為： 300+153+270+573+1461+573+270+153+300 =4053m，取4100m。,隧道區(qū)滿足安全通航深度-29.0m的寬度,考慮航道施工期間可能的

13、影響，伶仃西航道底寬西側和銅鼓航道底寬的東側需加一富裕寬度，經(jīng)分析取100m。鑒于伶仃西航道和預留銅鼓航道呈“Y”分叉，兩航道間有1461m的間距， 隧道區(qū)滿足安全通航深度-29.0m的寬度100+573+1461+573+100=2807m，取2810m。,,（6） 其它條件,環(huán)境保護 對白海豚、底棲生物的影響： 挖泥船機械操作而產(chǎn)生噪音（?300Hz） 施工期水域污染：底土擾動和懸浮物釋放有毒有害物質(zhì) 。

14、 施工期需嚴格控制廢水、垃圾處理及運輸,干塢選址,建筑材料、施工用水電,鋼筋、水泥、混凝土骨料 各種模板均要從內(nèi)陸運到海島和人工島工地。 施工、生活用水 隧址區(qū)附近桂山島-牛頭島有少量淡水。工程用水需要船運。施工用電 從珠海側鋪設海底電纜或自備發(fā)電機組以滿足施工用電需要。,拋泥區(qū),必須拋到海事部門指定的海洋傾倒區(qū)水下拋卸。距離工程區(qū)約35km。,2．技術標準論證1,（1） 平、縱、橫標準

15、 基于同一設計標準、同一建筑限界和通風要求，擬定比 選的隧道斷面尺寸。 隧道軸線盡可能位于直線上； 最大縱坡：?3% 現(xiàn)行JTG B01要求； 經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)適應遠期交通量、安全性和行車舒適性很重要； 縱坡加大會影響隧道乃至整個大橋的通行能力，為此要設置爬坡車道（盾構段加寬幾乎不可能）、增設安全保障措施；,2．技術標準論證2,（2）設計頻率 設計使用壽命（120年）、設計潮位頻率

16、（3） 通航標準 通航凈寬尺度、典型船舶類型、口門寬度、通航水位等,2．技術標準論證3,（4） 抗震設計標準 工程場地120年超越概率63%、10%、2%的基巖加速度峰值分別為41 cm/s2、134 cm/s2、233 cm/s2。（5） 汽車荷載標準 公路-I級。同時滿足香港規(guī)范對活載的要求。,2．技術標準論證4,（6） 結構安全標準 工程安全等級：一級 人防

17、抗力等級：六級 隧道結構耐高溫標準：最高溫度1200℃，持續(xù)時間2小時。,2．技術標準論證5,（7） 通風技術標準 通風CO/VI／NO的控制標準CO設計濃度Cadm： 正常工況 100ppm，阻塞工況 150 ppmVI設計濃度Kadm： 正常工況 0.005 m-1，阻塞工況 0.009 m-1NO2設計濃度Cadm： 正常工況 1ppm，阻塞工況 1 ppm稀釋異味標準空氣排

18、放標準CO一般環(huán)境濃度： 5ppm CO環(huán)境容許濃度： 9ppmNO2一般環(huán)境濃度： 0.08ppm NO2環(huán)境容許濃度： 0.13ppm,2．技術標準論證5,通風技術標準風速標準：隧道內(nèi)設計風速：≤10 m/s 風道內(nèi)設計風速：≤18 m/s 車輛尾氣排放標準：以最新《PIARC》2004中污染物基準排放量為基礎，根據(jù)香港、澳門與大陸地區(qū)制定的汽車排放標準時間表，并考慮各設計年

19、限車輛更新?lián)Q代EURO-2、EURO-3、EURO-4各占比例及車輛使用年限影響系數(shù)，使各污染物排放量計算值盡可能接近真實值。香港要求:隧道需設有單獨排煙風道，建議采用橫向或半橫向通風方式。,2．技術標準論證6,（8） 消防技術標準 交通工程等級、火災規(guī)模（50MW）、火災次數(shù)標準、消防用水標準（JTG/T D71—2004 ） 沉管隧道橫通道：間距90m（對應180m管段） 盾構隧道橫通道設置：間距500m，

20、每100m設置一處安全口，通往車道板下疏散通道。,HK《最低限度之消防裝置及設備守則（二零零五年七月）》,橫向連接兩條隧道的行人信道 – 每個信道相隔的距離應為100公尺，通道的高度及闊道不應少于2.1公尺及1.5公尺，而通道大門的耐火時效不應少于兩小時，大門需以雙向方式開啟并應在門的上部設有一塊透明觀察板，通道門開啟時應同時啟動警鐘。,香港消防處對《港珠澳大橋設計技術規(guī)范使用指南》的初步意見,建議隧道管道的設計需要考慮消防排煙系統(tǒng)的

21、管道及風扇安裝要求。本處（HK消防處）在考慮了隧道的長度及車輛流量等因素后，認為以 semi-transverse（半橫向通風）系統(tǒng)較為可取。而該系統(tǒng)的功率須最少能抽走火警現(xiàn)場煙量的3/4，并配有應急后備電源。若果在隧道管道內(nèi)發(fā)生火警，在火警現(xiàn)場三百米范圍內(nèi)（每端最遠一百七十米的距離)的煙均須被排煙系統(tǒng)抽走，系統(tǒng)亦同時抽入鮮風以作補充。煙層下的空氣流動速度須保持在2m/s以下。排煙系統(tǒng)的設計亦須顧及滯留在隧道內(nèi)的汽車及隧道坡度對空氣及煙

22、霧流動的影響。,2008-12-22廣東的反饋意見,2．技術標準論證7,（9） 沉管隧道其它技術標準 浮運期管段安全系數(shù)：?1.04 運營期抗浮系數(shù)：?1.2 混凝土強度及抗?jié)B等級：C45、?S12（管節(jié)） 混凝土保護層厚度：50mm 不同工況下的荷載組合等,2．技術標準論證8,（10） 盾構隧道其它技術標準 襯砌結構變形：直徑變形?1‰D（隧道外徑）；環(huán)縫張開<2mm

23、，縱縫張開<3mm 抗浮安全系數(shù)：?1.2 管片混凝土強度等級：C60 抗?jié)B等級：S12 混凝土保護層厚度：50mm 考慮不同工況下的荷載組合等,3 海底隧道技術方案1,（1） 隧道建筑限界,通過對兩孔單管廊（包括中間管廊設風道與兩側行車孔頂部設風道二種情形）、兩孔雙管廊、兩孔三管廊的斷面形式進行對比分析、計算，暫推薦兩孔三管廊斷面。,（2）沉管管段橫斷面形式,沉管隧道平面布置

24、,沉管隧道縱面布置,縱坡：W形,管段防水及接頭 分節(jié)式/整體式、自防水+外包防水、柔性接頭+限位裝置 最終接頭：靠近西人工島側水深較淺處，底板標高控制在-25米范圍內(nèi)。采用止水板方式施作。 基槽、地基處理與基礎型式 基槽坡率：1：3 、 1：5 、1：7 粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾砂及砂層：砂流法 淤泥或淤泥質(zhì)粘土：打入預制樁＋砂漿囊袋 管段回填 鎖定回填

25、 一般回填 頂部防錨層,島隧結合部,1.格形鋼板樁+ 預沉管段方案（推薦方案）2.格形鋼板樁+ 島上段明挖方案,,東、西島隧結合部,前期2016年隧道以消除異味為主，2020年以后到2035年，隧道通風以稀釋NO2為主。 受洞內(nèi)縱向風速、風機安裝等限制，全縱向通風加獨立排煙風道方案不宜采用；受通航限制，分段縱向通風加獨立排煙風道方案不具可行性，全橫向通風方案需 加大隧道斷面 。

26、 綜合考慮各項因素尤其是香港提出的消防排煙要求，沉管隧道宜用半橫向加縱向組合通風方案。,通風方案,建議通風系統(tǒng)示意圖,消防救援方案,橫通道與縱向疏散相結合,3 海底隧道技術方案2,（3）盾構隧道橫斷面布置,,盾構隧道縱斷面布置,縱坡：W形,盾構隧道最小埋深 考慮隧道抗浮安全系數(shù)和注漿層穩(wěn)定性，經(jīng)計算取為0.6D。 管片環(huán)結構 7+2+1=10片，錯縫拼接,管片接頭與防水,擬選用全面

27、對接式，設置密封墊槽和嵌縫槽，接頭采用斜螺栓連接。管片采用 C60 混凝土，抗?jié)B等級 S12。,隧道橫通道設置,人行橫通道暫按間距500m布置,右側每隔90m設置一處安全口(設滑梯通往縱向疏散通道) 。 香港（12月3日）、廣東（12月22日）已回復意見。,島隧結合部,,1.筑島+預沉鋼沉箱方案（推薦方案）2.筑島+始發(fā)/接收井,半橫向+縱向通風 方式,通風方案,消防救援方案,橫通道+縱向疏散通道,4. 海底

28、隧道施工組織設計1,（1） 沉管隧道施工組織方案 干塢方案 傳統(tǒng)干塢式、工廠化生產(chǎn)； 選址---桂山島、三角島、中山； 干塢布置: 2塢×4節(jié)=8節(jié),四批,干塢平面布置,施工期通航方案,開辟臨時航道施工期實施通航管制提前發(fā)布施工公告加強海面巡監(jiān)其它安全保障措施,工期安排 （56個月）,基槽開挖期對中華白海豚和保護區(qū)生境構成影響的主要因素有噪音干擾、底棲生物

29、破壞和有毒有害物質(zhì)的釋放。施工噪音干擾將導致受影響的海豚個體調(diào)整習慣活動范圍甚至遷往他處，在4～8月白海豚的繁殖高峰季節(jié)施工，影響會更顯著，但施工噪音的影響是暫時的和可逆的，施工結束后將得到緩解；,環(huán)保措施1,基槽開挖對底棲生物群落的破壞面積占保護區(qū)的0.5%，將間接導致海豚食物來源減少，從而降低保護區(qū)的食物保障功能；渾濁的水體和施工產(chǎn)生的懸浮物將主要影響新生幼豚的成活率，其影響不是即時的，影響滯后期可能比較長；由于拋泥區(qū)遠離白

30、海豚保護區(qū)，因此疏浚土處置對中華白海豚和保護區(qū)生境沒有影響。,環(huán)保措施2,4. 海底隧道施工組織設計2,（2） 盾構隧道施工組織方案 盾構機選型 基于地質(zhì)的盾構機選型至關重要，要求對擬穿過地層的地質(zhì)勘察深度和準確度高。 從工可補勘成果來看，擬選氣墊式泥水加壓平衡盾構機。,盾構機臺數(shù)與推進方式1大直徑盾構機單臺推進可達10km;盡最大可能充分發(fā)揮盾構機效能是選用盾構法的出發(fā)點之一;深海

31、高水壓條件和淤泥、砂質(zhì)地層中大直徑盾構機對接技術難度大、風險高;若四臺盾構機對推，則設備及管理維護費增加一倍，加大施工成本；,盾構機臺數(shù)與推進方式2東、西人工島同時施工，要求設備多、管理難度大、泥漿循環(huán)處理系統(tǒng)及棄碴、管片運輸、后勤保障要求高，臨水、臨電供應困難。綜上，在合理工期的前提下，從盾構機設計制造、運輸安裝調(diào)試、管理維護難度、后勤保障、施工風險、投入產(chǎn)出比等綜合考慮，推薦兩臺盾構平行推進。,,泥漿循環(huán)處理系統(tǒng),施工用水用電

32、 島上水塘 +船運 自建集中發(fā)電站供應施工用電現(xiàn)場運輸保障 VTS、海域交通管制,橫通道施工,凍結+暗挖法 頂管法,,工期安排 66個月,,,,環(huán)保措施,泥漿處理與泄漏運輸船只油類泄漏,5.海底隧道全壽命費用估算,（1） 編制說明（2 ）沉管隧道建安費用估算 隧90.92億元 /6648m、島37.23億元 /19.3ha （3 ）盾構隧道建安費用估算

33、隧92.56億元 /7240m、島50.83億元 /24.51ha （4） 兩方案總費用比較 120年運營費： 189 億元（沉管）、 214 億元（盾構） 全壽命總費用：沉管--317 億元 盾構--363億元,6. 工程地質(zhì)對隧道工程的影響分析1,（1） 對沉管隧道工程的影響分析 不均勻沉降分析 地層、淤泥壓縮變形不均一 基槽邊坡穩(wěn)定性分析 計算、分臺階開挖

34、 基槽回淤分析 清淤要及時,6. 工程地質(zhì)對隧道工程的影響分析2,（2） 對盾構隧道工程的影響分析 巖面起伏 盾構換刀、刀盤刀具磨損 開挖面穩(wěn)定性分析 兩端覆蓋層淺埋段施工 橫通道施工 進洞、出洞 花崗巖球狀風化、囊狀風化 構造斷裂 抗浮分析,7.隧道工程風險分析,8.1 概述 R=P*C定級法 8.2 沉管隧道工程風險分析

35、 天氣與波浪 結構漏水、結構耐久性 基槽開挖（環(huán)境風險）,7. 隧道工程風險分析,（3） 盾構隧道工程風險分析 人工島填筑 火災、涌水以及由于各種原因造成盾構機的停止等 復合式盾構機 4種地層 橫通道 環(huán)境風險（4） 兩方案風險評價比較 盾構隧道和沉管隧道這兩種工法的主要區(qū)別在于施工風險。,,沉管隧道風險評估指標1,沉管隧道風險評估指

36、標2,盾構隧道風險評估指標1,,盾構隧道風險評估指標2,,盾構隧道風險評估指標3,,1. 總體而言，沉管隧道方案所有的主要風險比盾構隧道 方案都小。2. 和沉管隧道相比，盾構隧道在成本和延誤工期方面有 更高的風險。3. 從本質(zhì)上講，沉管隧道工程包括預制管段與海中水工 工程，這與跨海大橋的施工風險相似。4.人員安全風險（出現(xiàn)嚴重事故）在兩種不同隧道工法 中是一樣的。環(huán)境風險可以借助規(guī)劃，監(jiān)理和現(xiàn)代先

37、 進設備的使用來加以管理。,主要結論1,5. 在不考慮施工過程中可能出現(xiàn)的事故風險情況下，從 K6+030～K13+730長7700m比較段內(nèi)，“盾構隧道＋人 工島”和“沉管隧道＋人工島＋部分橋梁（521m）” 的建 設費用高128503萬元。結合風險和相應的直接施工成本 可以看出，沉管方案是最優(yōu)方案。 綜上所述，盾構隧道施工的風險比沉管隧道要高很多，并會由此導致更多的直

38、接成本和工期風險。,主要結論2,8.方案綜合比選及推薦意見,比選意見,1）兩種隧道工法在技術、環(huán)保、通航和經(jīng)濟等方面都具備可行性。2）從工程地質(zhì)、海域水文條件綜合來看，和盾構法相比，沉管法具有較強的地質(zhì)適應性。3）和盾構隧道相比，沉管隧道具有埋深淺、長度小、運營管理成本相對較低的特點。,4）盾構法施工對環(huán)境影響相對較小，但其人工島阻水長度較沉管隧道長1891m，阻水作用影響遠大于沉管隧道，對防洪不利。5）沉管法施工組織要求高，需要

39、協(xié)調(diào)海事、航運等緊密配合，并且對氣象、水文等條件依賴性較強。6）沉管隧道具有工期和施工風險可控性強、對人工島填筑依賴性較弱的特點。,7）風險分析表明，沉管隧道的絕大部分主要風險都不在施工關鍵路徑上，如接頭張開、端封門損壞、接頭漏水等。 而盾構隧道所有的主要風險都位于施工的關鍵路徑上，如人工島完工延誤、盾構機制造與地質(zhì)不符合、盾構機內(nèi)出現(xiàn)刀具磨耗大、火災與滲水、地層中出現(xiàn)障礙物等等。因此，盾構隧道施工的風險比沉管隧道要高很多，并會由

40、此導致更多的直接成本。,8）K6+030～K13+730長7700m的比較段內(nèi)，盾構隧道方案比沉管隧道方案高128503萬元，沉管方案優(yōu)勢明顯。9）沉管隧道方案工期比盾構隧道方案短10個月，沉管方案優(yōu)勢明顯。 綜合比選表明，港珠澳大橋主體工程海底隧道采用沉管法比盾溝法更具有優(yōu)勢，故推薦沉管隧道方案。,人工島建設 預制場建設 沉放管節(jié)準備 面臨的技術難題,9.目前建設情況,,2024/3/31,國家科技