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（见《隧道建设（中英文）》2018年第4期“规划与设计”，原文为中、英文）
导语
深圳至中山跨江通道是世界上首例集超宽超长海底沉管隧道、超大跨海中桥梁、深水人工岛、水下互通“四位”一体的集群工程，采用双向8车道高速公路技术标准进行设计。 针对工程技术特点及难点，工程设计方案和技术创新如下： 1）提出“标准化、工厂化、智能化、一体化”的设计理念，完成深圳至中山跨江通道总体设计方案研究——海中隧道采用钢壳混凝土组合结构沉管隧道方案，管节宽度达46~55.5 m，伶仃洋大桥采用悬索桥方案，主跨为1 666 m、主塔高度为270 m，西人工岛采用直径达28 m超大钢圆筒临时围护方案，实现快速成岛。 2）总结沉管隧道钢壳混凝土组合结构设计施工、高强自密实混凝土配制、浇筑工艺及质量检测、沉管隧道深层水泥搅拌桩（DCM）基础设计施工、大型海域地下互通立交设计施工、超大跨整体箱梁悬索桥颤振抗风稳定性设计、离岸深水海中锚碇设计施工等关键技术，研发了沉管浮运安装一体化装备，有力保障了工程的顺利实施。
引言 我国是桥梁大国，多数跨江海工程首选桥梁工程方案。随着水底隧道设计与施工技术的不断进步，对环境、通航、通行保障等要求的日趋严苛，跨江海隧道方案优势逐渐提升。 由于工程建设标准、规模、难度及现场条件等不同，工程设计方案和施工技术也往往不同。 深圳至中山跨江通道（简称“深中通道”）全长约24 km，是世界上首例集超宽超长海底隧道、超大跨海中桥梁、深水人工岛、水下互通“四位”一体的集群工程，是国内首次采用钢壳沉管隧道方案，其建设标准、工程规模、建设难度、工程复杂程度均为现今世界类似工程之最。 工程地理位置示意如图1所示。 图1 工程地理位置示意图
1 建设条件
工程场地位于珠江内伶仃洋海域，水下地形为典型三滩两槽构造，海底表层为河流堆积形成的巨厚淤泥层，近年河床基本稳定，隧道西岛侧局部受采砂坑影响，地形变化较大，海区潮流属于不规则半日潮类型，大潮落潮时表层最大流速超过1.1 m/s。工程区域水下地形如图2所示。
图2 工程区域水下地形
场区属于典型亚热带海洋性季风气候区，台风频发，近年来实测最大台风超过30 m/s,对工程建设影响较大。工程场地地质以全新世淤泥及晚更新世黏土和砾砂为主，基岩埋深较大，但沉管隧道基槽局部有基岩出露。区域新构造运动表现为强烈的垂直升降运动，工程全线断裂以北西向为主，共11条，均为非活动断层。工程线位断裂带分布如图3所示。
图3 工程线位断裂带分布
2 项目特点及难点
深中通道规模空前、建设条件复杂、综合技术难度大，是我国继港珠澳大桥之后难度更大的又一项重大跨海交通工程。与深中通道类似的国内外桥岛隧集群工程实例如表１所示。
表1 桥岛隧集群工程实例
深中通道沉管隧道总宽度达46~55.5 m，为世界之最，主桥2座，其中伶仃洋大桥采用悬索桥方案，主跨1 666 m，是世界上最大跨悬索桥之一，综合规模和难度均大于世界同类工程。
1）深中通道采用8车道高速公路标准，沉管隧道总宽度为46~55.5 m，行车道单孔跨度达18.3~24.0 m，沉管隧道宽度及跨度均居世界之最。采用传统的钢筋混凝土结构很难满足受力及耐久性要求，合理选择沉管隧道结构形式以及如何确保施工质量与安全，是本工程的难点和重点。
2）沉管隧道埋深大、水压高、地质条件变化大，西岛侧E1—E5管节位于采砂坑范围内，地质复杂敏感，合理选择沉管隧道基础及地基加固方案是本工程的关键技术难题。
3）东岛侧主线明挖现浇隧道宽度达46.0~69.8 m，机场互通采用海底互通立交匝道隧道，最小半径为125 m，最大纵坡为3.78%。主线隧道下穿既有沿江高速桥墩，匝道隧道部分下穿、部分紧邻沿江高速桥墩顺其线位延伸，新建隧道结构与既有桥墩最小距离仅约2 m，其设计施工技术及沿江高速正常运营安全保障是深中通道设计的一大挑战。
4）伶仃航道桥主跨为1 666 m，桥位距中山侧海岸约10 km，桥下通航净空为76.5 m，桥面设计风速达到53.7 m/s，伶仃航道悬索桥抗风设计以及大型海中锚碇的设计施工是本工程桥梁的关键技术难题。
3 工程设计方案
3.1.1 平面 路线起自深圳机场南，起点桩号为K5 695（隧道起点），与广深沿江高速二期工程（深圳侧连接线）对接，并设置机场枢纽互通立交，路线向西通过东人工岛进行桥隧转换，设置海中特长隧道（6 845 m）穿越大铲水道、机场支航道、矾石水道，通过西人工岛再次进行桥隧转换，设置伶仃洋大桥（悬索桥，主跨1 666 m）垂直跨越伶仃西航道，再折向西北，经万顷沙下游浅滩区，预留万顷沙互通接至南沙新区，路线再向西设置中山大桥（斜拉桥，主跨580 m）垂直跨越横门东水道，于中山翠亨新区马鞍岛登陆，与中开高速公路对接，并设置横门枢纽互通立交，路线终点桩号为K29 609.497。 路线全长23.914 km，最大平曲线半径为6 000 m，最小平曲线半径为2 300 m，平曲线占路线长为45.317%。全线平面设计如图4所示。 图4 全线平面设计
3.1.2 纵断面 全线最大纵坡为2.98%，最短坡长为640 m，最小凸曲线半径为25 000 m，最小凹曲线半径为20 000 m，竖曲线占总长为36.551%。自矾石水道最低点到伶仃洋大桥最高点高差为124.45 m，平均纵坡为2.026%。深中通道全线纵断面设计如图5所示。 图5 深中通道全线纵断面设计
3.1.3 伶仃洋大桥 为满足伶仃航道、龙穴水道的通航要求，伶仃航道桥的桥跨布置为（570 1 666 570） m。通过对独柱塔分离箱空间缆悬索桥、A型塔整体箱空间缆悬索桥以及门式塔平面缆悬索桥方案的研究比较，最终将门式塔平面缆悬索桥作为实施方案。伶仃航道桥采用3跨吊全漂浮体系，加劲梁在2个桥塔处设置横向抗风支座和纵向限位阻尼装置；过渡墩位置设置抗震竖向拉压支座和横向抗风支座。矢跨比为1∶9.65，主缆在塔顶、锚碇处间距均为42.1 m。伶仃洋大桥桥型布置如图6所示。 图6 伶仃洋大桥桥型布置图（单位：ｍ）
3.1.4 中山大桥 中山大桥主跨跨径为580 m的整幅钢箱梁斜拉桥，大桥全长1 170 m，位于半径为25 000 m的竖曲线上，两侧桥面纵坡为2.0％，桥面宽度为43.5 m，设2.5%双向横坡。大桥为5跨连续结构，跨径组成为（110 185 580 185 110） m，边主跨比为0.509，结构体系采用半漂浮结构体系。中山大桥桥型布置如图7所示。 图7 中山大桥桥型布置图（单位：ｍ）
3.1.5 沉管隧道 隧道起点（东侧接地点）即本项目起点与广深沿江高速二期工程（深圳侧连接线）对接，隧道终点在西人工岛岛头内与非通航孔桥连接，里程终点为K12 540，全长6 845 m，其中沉管隧道长5 035 m，最大纵坡为2.98%（位于西岛侧），东岛侧处于半径为5 003.1 m的平曲线上。 沉管隧道共设置32个管节，其中标准管节为26个，管节长165 m，东侧曲线变宽及西侧非标管节6个，管节长123.8 m，最终接头设置在E22/E23之间，长度为2.2 m。沉管隧道纵断面及管节布置如图8所示。 图8 沉管隧道纵断面及管节布置图（单位：ｍ） 西岛斜坡段（E1~E5）软弱淤泥层厚达30 m。受采砂坑扰动影响严重，经多方案比选，采用水泥深层搅拌桩（DCM）作为沉管隧道基础；另有E13—E21管节槽底为软弱层，亦采用DCM基础方案，其他均采用天然地基；基础上设置70 cm厚二片石找平层及100 cm厚级配碎石垄垫层，平整精度为±3 cm。基础理论最大沉降值为8 cm，管节两端理论差异沉降最大为3 cm。全线基础分布如图9所示。 图9 全线基础分布图（单位：ｍ） 沉管隧道标准管节横断面外包尺寸为46.00 m（宽）×10.60 m（高），行车孔净高度为7.60 m，结构板厚度为1.50 m。标准管节横断面如图10所示。变宽管节横断面外包尺寸为（46.00~55.46）m（宽）×10.60 m（高），行车孔净高度为7.60 m，结构板厚度为1.50 m。 图10 标准管节横断面图（单位：ｃｍ）
3.1.6 机场互通隧道 为实现深中通道与广深沿江高速互通互联，在东人工岛侧设置4条机场互通匝道隧道（E、F、G、H）。除H匝道设计速度为40 km/h外，其余均为60 km/h；4条匝道均按2车道布置，其中E匝道按单车道运营。 地下互通匝道布置如图11所示。 图11 地下互通匝道布置
深中通道设置东、西 2个人工岛。东人工岛长930 m，采用抛石斜坡岛壁结构，回填砂成岛，岛体面积为34.38万 ㎡。东人工岛平面布置如图12所示。
图12 东人工岛平面布置（单位：ｃｍ）
西人工岛长625 m，岛体面积为13.7万 ㎡，岛壁结构采用直径为28 m的钢圆筒 抛石斜坡结构，基础采用水下挤密砂桩。岛壁止水通过插入式钢圆筒和钢弧板等不透水结构和之间的锁口进行止水，底部止水采用高压旋喷止水帷幕辅以降压管井方案。西人工岛平面布置如图13所示。
图13 西人工岛平面布置（单位：ｃｍ）
4 关键技术创新
国内外目前已建成和在建的钢壳沉管隧道主要有日本那霸隧道、大阪关洲隧道及东京港临港隧道等，深中通道钢壳沉管隧道的建设难度和建设规模均超过同类隧道。现有钢壳混凝土组合结构沉管隧道工程及隧道规模如表2所示。
表2 钢壳混凝土组合结构沉管工程实例
深中通道沉管隧道具有超宽变截面（46.0~55.5 m）、超大单孔净跨18.3~24.0 m）、大回淤（管顶超17 m）及高水压（管底超35 m）等特点，导致结构内力大。如果采用常规钢筋混凝土结构，配筋将超过5层，混凝土浇筑困难，控裂难度及质量控制风险高。为解决结构受力难题，降低工程风险，创造性提出采用钢壳混凝土管节组合结构方案。
针对沉管隧道钢壳混凝土组合结构，首次对钢壳混凝土组合结构的受力机制及设计方法进行了系统的试验研究，揭示了钢壳混凝土组合结构抗弯和抗剪受力机制，提出了相应计算方法，定量分析了钢壳结构混凝土脱空对承载能力的影响，提出了混凝土浇筑质量控制标准，研究成果已经应用于施工图设计。依托研究成果，优化后钢壳构造论述如下。
深中通道沉管隧道管节钢壳构造由内、外面板，横、纵隔板，横、纵加劲肋及焊钉组成（见图14）。横隔板间距为3 m，纵隔板间距为3.5m，组成封闭的混凝土浇筑隔舱。内、外面板作为主受力构件，承受拉压应力。横、纵隔板为受剪主要构件，且连接内、外面板成为受力整体。纵向加劲肋T型钢、角钢及焊钉作为抗剪抗拔复合连接件，以保证面板和混凝土的有效连接。纵向加劲肋与横向扁肋共同作用增强面板刚度。
图14 沉管钢壳构造
主体结构内外侧面板采用Q420C，最大板厚为40 mm；横向隔板采用Q390C，最大板厚为30 mm；其余采用Q345C，填充混凝土采用C50自流平混凝土。
管节混凝土通过浇筑孔进入钢壳封闭隔舱内，无法振捣，必须采用高强自密实混凝土。为提高混凝土浇筑质量，降低工程风险，针对自密实混凝土开展了系统试验研究，形成了《深中通道钢壳沉管自密实混凝土配制及施工关键技术指南》，取得如下成果。
1）钢壳沉管自密实混凝土性能需求及施工关键控制指标；
2）高体积稳定性钢壳自密实混凝土配制技术；
3）钢壳沉管自密实混凝土长期性能预测方法；
4）钢壳沉管自密实混凝土质量控制技术；
5）钢壳沉管自密实混凝土施工质量检测技术。
针对西岛斜坡段E1—E5管节及中段E13—E21管节软弱地基厚、西岛斜坡段受挖砂坑不利影响大等特点，国内首次将海域深层水泥搅拌桩（DCM）技术应用在隧道建设基础中，在技术说明中明确要求引进DCM自动化施工船并对控制系统进行二次开发，以实现土层参数与水泥用量的实时动态关联及智能化控制。
沉管隧道浮运安装传统骑吊拖带方案航速慢，临时航道宽度及疏浚量大，在突发情况下难以迅速返航，不利于施工风险及工程造价控制，对环保影响大。
针对上述问题，依托深中通道工程，世界上首次创造性提出了沉管浮运与安装一体化理念，并据此进行了装备研发。该装备的应用将显著减小浮运航道疏浚量及对现有航运的影响，有利于环境保护，经济效益和社会效益显著。沉管浮运安装一体船如图15所示。
图15 沉管浮运安装一体船
本工程东岛侧互通采用定向匝道涡轮型立交方案，4条匝道隧道在水下与主线隧道分合流，匝道隧道与既有沿江高速最新距离仅2 m左右，建设条件复杂，工程风险极高。目前，国内缺乏高速公路地下互通立交相关技术标准和设计规范。针对本工程特点，通过专项研究重点解决了海域地下互通立交选型与路线技术标准，地下互通隧道围护结构近接施工、海域大型围堰及超深超宽基坑围护的设计与施工等重大技术问题。
伶仃洋大桥主跨为1 666 m，采用整体箱梁悬索桥方案，主缆刚度和主梁气动外型对抗风稳定性影响大。大桥通航净空为76.5 m，桥面颤振检验风速达到76.7 m/s，成为目前世界上同类跨径悬索桥抗风稳定性最严峻的一座桥梁。针对伶仃洋大桥主体构造及抗风设计要求，制作全桥尤其是主梁模型，高度重视全桥模型相似性验证和检验，采用理论分析及风洞试验技术手段，持续优化风嘴导流板、中央稳定板构造设计，成功解决了伶仃洋大桥抗风稳定性设计难题。
伶仃洋大桥桥塔高度达270 m，采用离岸超大型重力式锚碇方案，锚碇区域水深3~5 m，地层为深厚软弱淤泥及粉砂层。通过专项研究，首次提出在海中采用锁扣钢管桩围堰填砂筑岛形成陆域，在陆域施作8字形地下连续墙锚碇基础方案。与抛石筑岛方案相比，该方案具有施工效率高、环境影响小及工后易于清除的优点，解决了离岸深水海中锚碇设计施工的关键技术难题。钢管桩围堰筑岛平面示意如图16所示。
图16 钢管桩围堰筑岛平面示意图（单位：ｃｍ）
结论与讨论 根据深中通道项目特点及难点，从总体设计层面提出了集群工程的设计思想，制定并贯彻了“标准化、工厂化、智能化、一体化”的设计理念，对工程总体设计、沉管隧道及伶仃洋大桥等主体工程技术方案进行了论述，总结了工程关键设计施工技术创新，针对钢壳混凝土组合结构受力机制以及设计方法等方面进行了重点研究，取得了较丰富的创新性成果。 当前工程刚刚开始，上述成果还需接受工程实践的检验。在后续工程施工过程中，结合工程实际将继续在组合结构理论创新、大型沉管预制、沉放施工技术及装备、超大跨桥梁抗风减震及复杂地下互通行车运营安全等方面进行系统全面研究，以期为我国今后类似大型工程的设计与施工提供借鉴指导。
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