港珠澳大桥海底沉管隧道基础垫层选型与总体设计

张志刚，付佰勇，刘晓东，刘亚平，刘洪洲

（1.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

1 工程概况

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道，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。港珠澳大桥主体工程是由海中桥梁、海底隧道及人工岛组成的集群公路交通工程。

隧道采用沉管方案，隧道全长6.704 km，沉管段总长5 664 m，共33节，其中曲线段管节5节，半径5 500 m，标准管节长180 m，采用分节段预制的半刚性纵向结构体系，由8节长22.5 m、宽37.95 m、高11.4 m的节段组成，重约7.8万t，基槽底标高最深处约-47.2 m，最大沉放水深45 m。

该海底隧道为目前世界上唯一的深埋沉管，隧道顶板至原始海床的回淤厚度达23 m的纵向长度约3 km，隧道两端均位于海中离岸人工岛上，纵向穿越5种地层，建成后是世界上最长的公路沉管隧道，也是我国首条于外海修建的海底沉管隧道[1-2]。

由于水下沉管基槽施工控制的难度大、水流条件复杂，槽底处理后表层的施工精度难以达到隧道结构的刚度支撑要求，因而沉管隧道无论是采用天然地基还是经过特殊措施改良后的人工地基均需要在地基与隧道管节之间充填垫层材料[3]。垫层的主要功能是充填管节底部与基槽底之间的空隙，保证上部荷载均匀传递到下部地基，避免由于地基受力不均导致结构的局部破坏或者产生较大的不均匀沉降。基础垫层的工程规模不大，多数设计为1 m左右的厚度，但在沉管隧道工程中起的作用却是至关重要的，垫层选择或设计的合适与否，直接关系到沉管隧道工程的长期运营安全。港珠澳海底沉管隧道管节数量多、工程区域航运繁忙、水流条件复杂、下覆地层种类多，再加上项目风险控制要求高、工期紧张，基础垫层的选择是本项目设计中重要的一个环节。

近年来，我国沉管隧道建设进入了快速发展时期，江西红谷最长内河沉管隧道已经合龙，深圳至中山过江通道工程与大连湾海底隧道工程已相继启动。本文以在建港珠澳沉管隧道工程为研究对象，从基础垫层选型思路、总体方案设计、支撑试验的研究成果、工程现场检测情况等几个方面进行系统分析，以便为类似工程提供借鉴。

2 基础垫层选型

从沉管隧道垫层设计的发展及实例调查来看，按处理方法大致可分为先铺法和后铺法两大类，先铺法指先铺碎石垫层，后铺法包括喷砂、砂流与压浆3种方法[4]。

从国际上的应用情况来看，每种方法均有各自的优缺点，具体采用哪种方法，需要根据工程条件、承包商施工经验、风险控制、工期及经济性等因素，结合相应的地基处理方案或天然地基现状综合确定。表1中所列为港珠澳海底沉管隧道基础垫层比选情况。

表1 沉管隧道垫层对比Table1 Comparison of immersed tunnel bedding

2.1 先铺碎石垫层

先铺碎石垫层是采用一个固定在指定位置上的简单开口钢箱来实现，一边沿隧道轴线方向移动钢箱，一边向箱内补充碎石，形成隧道基础垫层，是最早使用的沉管基础方式。早期美国修建的沉管隧道，不论规模大小均采用这种方式。这种方法对于基础宽度较大的隧道，需要将钢箱的规模与牵引力设计的很大，经济性差。在20世纪末的厄勒海峡隧道建设期间，承包商首次将全覆盖满铺碎石垫层更改为垄沟相间的碎石基础垫层形式，取得了良好的工程效果。

2.2 喷砂垫层

喷砂法是用砂泵把砂水混合填料通过管节外部管道喷入沉管管段底部和基槽之间的空隙中。喷砂前，管节放在临时支座上，喷砂结束后可卸开支座上的千斤顶，管节重量从而全部作用到砂垫层基础。喷砂基础可用于宽度较大的沉管隧道，在早期欧洲修建的多座沉管隧道中应用，如德国的Elbe隧道、比利时的Scheldt E3隧道、荷兰的Spij-kenisse隧道。

2.3 压砂垫层

压砂基础也称为砂流基础或灌砂基础，是在喷砂基础上发展起来的一种新方法，依靠水流作用将砂通过预埋在管段底板（竖向或横向）上的注料孔注入管段与基底间的空隙，其既可在管节外部施工，也可在管节内充填。压砂法不需专门的喷砂台架，对砂粒径的要求也较低，因此从20世纪70年代后期，压砂基础逐渐在世界各地的沉管隧道中采用，如荷兰Vlake隧道、澳大利亚悉尼跨港隧道，我国广州珠江沉管隧道、上海外环越江隧道及台湾高雄跨港隧道等。

2.4 压浆垫层

压浆基础是在管段沉放到位后，即沿管段边墙及后封端墙边抛堆高1 m的砂石混合料，封闭管底空间。接着从管段里面通过预埋在管段底板上的压浆孔向管底空隙压注混合砂浆，充填管段底部与碎石垫层间的空隙。此法在日本广泛应用，如Tokyo港隧道的中间区段、Dainikoro隧道、Kawasaki隧道，可避免“强震区”中常规砂基础的液化问题。

经综合比选，港珠澳海底沉管隧道推荐采用先铺碎石垫层方式。

3 基础垫层设计

港珠澳海底沉管隧道采用垄沟相间的碎石垫层设计理念，呈S形布设，如图1所示。碎石垄用于支撑管节及外部荷载作用，碎石沟提供临空面，用于消除硬点、少量纳淤，并可作为管节安装触底时重要的水力通道。

图1 沉管隧道基础碎石垫层构造Fig.1 Structureof gravel bedding for immersed tunnel

横向上，根据管节宽度尺寸37.95 m，结合碎石整平形状及垫层扩散角作用范围，碎石垫层宽度设计为41.95 m。纵向上，首先按照设备下料管直径，确定出碎石垫层垄顶面理论宽度为1.80 m，然后根据隧道管节长度划分以及整平船机设备施工安全控制需要，按垄宽1.80 m与沟宽0.8～1.2 m的多种垄沟组合方式进行比选，以碎石垄与管节结构接触面积所能达到的承载能力与结构沉降控制为标准，确定标准管节采用碎石垄宽1.80 m+碎石沟宽1.05 m的组合。竖向上，根据工程区水域内基槽底的施工偏差控制及槽底地基刚度情况，结合沉降控制需要确定碎石垫层厚度为1.30 m，设计理论坡度为1∶1.5，接近水下碎石的休止角。本项目因地制宜地确定了相关设计参数，与国际上3座典型沉管隧道的类似垫层参数对比如表2所示。

表2 典型参数对比表Table2 Comparison of typical parameters

先铺碎石垫层在设计时除了制定常规的几何参数外，还需要根据管节在加载工况下的可能沉降，考虑一定的预抬量数值，结合管节施工期实测数据再进行动态修正，用以调节施工期相邻管节之间的差异沉降，同时为运营期管节内部空间所需的限界高度提供保障。

4 试验及验证

港珠澳沉管隧道基础设计采用了先铺碎石垫层，该基础方案的工程案例较少，在我国尚属首次采用，碎石垫层传力的机理、理论分析资料，设计规范及依据资料缺乏，同时沉管隧道碎石垫层在水中作业时存在平整度、夹淤泥等诸多不确定性需要分析，为此设计之初开展了典型的物理模型试验，如图2所示为碎石垫层物理模型试验装置。试验包括了天然地基段刚性场地无侧限陆上试验、标准情况下大试验槽有侧限水中试验、不同垄沟构造小试验槽完全侧限水中试验，以及不同碎石级配、落管预压、回淤情况下小试验槽完全侧限水中试验共计4类23组试验。

通过试验确定了沉管隧道基础碎石垫层的合理碎石级配及组成（最大粒径63 mm），以及碎石垫层的合理厚度，并获得基础碎石垫层沉降量、?等效压缩模量等设计参数与指标。

图2 碎石垫层物理模型试验Fig.2 Physical model testing of gravel bedding

港珠澳沉管隧道基础垫层施工历时约4 a，完成了全部33个管节，从垫层铺设的工后检验及管节安装后总体沉降情况来看，先铺碎石垫层达到了预期效果。图3所示为单个深水整平船位碎石垫层的典型检测结果，通过水下声呐测试碎石层顶面的标高95%以上介于设计允许上下限区间之内[5-6]，保证率大于设计要求的85%。通过对多管节的测试点进行统计分析可知，碎石整平垫层的分布符合正态分布规律，均值位于设计标高±2 cm附近。

图3 单船位碎石垫层检测结果Fig.3 Testing result of gravel bedding for a ship position

5 结语

通过对港珠澳海底沉管隧道基础垫层方案选型及总体设计的分析，以及在工程实施过程中的再思考，得出以下结论与体会：

1）基于工程条件分析，经过对各种沉管垫层方案进行综合比选，提出港珠澳超长海底沉管隧道选用先铺碎石垫层的方案，并结合管节结构、模型试验与工程类比进行了参数设计。工程实践证明，先铺碎石垫层方案是合适的，先铺法不用预设临时支撑，管节安装完成并确认平纵线形指标满足设计要求后即可进入回填防护工序，避免了管节就位后在设定小负浮力条件下的压砂与压浆过程，降低了外海深水深槽的作业风险。

2）港珠澳海底沉管隧道地层复杂，为降低差异沉降，达到沉降控制的总体协调，纵向地基采用了挤密砂桩等不同的处理方式。先铺碎石垫层是介于地基与结构之间的褥垫层，起到了承上启下的重要作用。在每个沉管隧道中，基础垫层的工程规模所占比重不大，但也应下大力气去研究比选，因地制宜，不可盲目效仿，在自然回淤较大的水域，应慎重选用先铺垫层方式。

3）先铺碎石垫层的施工质量控制参数制定应科学合理，不宜只强调某一项指标的数值高低，而降低方案整体的设计效果。港珠澳沉管隧道在垫层正式实施之前，开展了典型施工试验，结合施工装备能力与检测验收手段，通过参数敏感性分析，提出了一套适用于项目的施工质量验收管理办法。

4）垄沟相间碎石垫层在港珠澳海底沉管隧道中首次采用并取得了良好效果，丰富了我国沉管隧道垫层的可选方案，可作为类似长大沉管隧道的重要参考。

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