工程一线：世界首条大规模采用钢壳混凝土组合结构的沉管隧道

原创贺春宁上海市土木工程学会

本文选自《上海土木科技》（03）

供稿人：贺春宁

前言

深圳至中山跨江通道(以下简称深中通道)是国务院批复的《珠江三角洲地区改革发展规划纲要（2008~2020年）》确定的重大基础设施项目。该通道直接连接深圳经济特区与中山市，位于虎门大桥下游约30km，港珠澳大桥上游约38km，东接机荷高速，经深圳市机场南侧，跨越珠江口，西至中山市新隆立交（京珠高速与中江高速的交汇处），与中开高速对接，全长约24km、跨海段全长约22.4km，是集“隧、岛、桥、地下互通”于一体的跨海通道工程。

项目位于粤港澳大湾区的核心位置，是粤东与粤西地区之间最为便捷的东西向高速通道，建成后将增强珠江口东西两岸的交通联系，有效缩短深圳与中山等珠江东西两岸地区的交通距离。

图1 深中通道地理位置示意图

1工程概况

深中通道采用东隧西桥方案，其中桥梁段长约16.9km，包括主跨1666m的伶仃洋大桥、主跨580m的中山大桥、长约13km的非通航孔桥和陆地引桥；隧道全长6.845km，其中沉管段长5035m，设32个管节；此外，全线设东、西两处人工岛及3处互通立交、1 处综合管理处、1 处养护救援区等建构筑物。

图2 数值风洞对比分析模型

深中通道西人工岛工程于2016年12月开工建设，桥梁工程于2017年年底开工；目前西人工岛暗埋段已全部完成、E1~E4管节已顺利完成浮运和安装，东人工岛海中围堰基坑最深段也已开挖到底，项目已转入全面建设阶段。预计2024年工程建成通车。

主要工程技术标准：

(1) 公路等级：高速公路标准

(2) 建设规模：双向八车道

(3) 设计车速：主线设计车速100km/h

(4) 建筑限界：限界宽度18m，限界高度5.0m。

(5) 结构安全等级一级，设计使用年限100年。

(6) 抗震设防要求：按100年超越概率10%进行抗震设防。

(7) 隧道防火设计标准：50MW。

深中通道沉管隧道起于深圳侧东人工岛，线路自东往西先后下穿沿江高速、大铲航道、机场支航道、矾石水道，止于伶仃西航道和矾石水道之间的西人工岛。

隧道全线最小纵坡0.4%、最大纵坡2.98%

隧道总长：6845m

沉管段长：5035m

管节数量：32个

标准管节：26×165m/约7.6万t

非标管节：6×123.8m/约7万t

曲线管节：E28~E32/5个

变宽管节：E27~E32/6个

图3 沉管隧道平纵示意图

图4 沉管隧道横断面示意图

2工程建设创新思路

深中通道是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，规模空前、建设条件复杂、综合技术难度高，是我国继港珠澳大桥之后又一项难度更大的世界级跨海交通工程。类似的桥岛隧集群工程国内外主要有：丹麦至瑞典的厄勒海峡通道、韩国釜山至巨济岛通道和港珠澳大桥。无论隧道还是桥梁，其规模和难度均大于世界同类工程。

作为超级集群工程，深中通道已经远远超越了单纯的隧道、桥梁、水工的设计思路，需要用跨领域、系统化的理念来设计，需要优先考虑施工工艺和方法作为设计的前提条件，需要整合隧道、桥梁、水工、疏浚、材料、装备等不同领域优势资源；以满足建设条件为前提，以功能需求为导向，以科研为支撑，以创新为灵魂，以实现平安交通、绿色交通和智慧交通为目标，开展项目建设工作。

深中通道沉管隧道管节总宽度达46～55.5m，行车道单孔跨度达18.3～24m，沉管隧道宽度及跨度均居世界之最；隧址还具有大回淤、深埋等特点，采用传统的钢筋混凝土结构较难满足结构受力及耐久性要求；合理选择沉管隧道结构形式，如何确保施工质量与安全，是隧道工程设计施工的难点和重点。工程所在区域航线密集，航道等级高，航行条件复杂；工程地质条件复杂，隧道穿越地层涉及淤泥、淤泥质粉质粘土、粉土、粉砂、中砂、砂砾、全强风化花岗岩等，且岩面起伏较大，而西岛斜坡段最大淤泥层厚达17.8m；上述均给隧道的设计和施工带来极大的挑战。

3隧道工程设计、施工创新

3.1

钢壳混凝土组合结构受力机理及设计方法关键技术

沉管隧道沉管段分32个管节，其中标准管节27个，管节宽×高×长：46×10.6×165m；非标管节(曲线、变宽管节)6个，管节宽×高×长：46~55.46×10.6×123.8m。

隧道沉管段具有超宽变截面、超大单孔净跨、大回淤(管顶覆土达17.8m)、高水压（管底水深超35m）等特点，如若采用常规的钢筋混凝土结构，结构配筋将超过5层，不仅混凝土浇筑困难，而且结构控裂难度及质量控制风险高；钢筋混凝土管节自重较大，致使管节高度过高而造成基槽疏浚量巨大、管节预制厂选址困难；且因管节断面超宽、变宽导致施工工艺问题等综合性因素致使工程造价、风险和环保一系列问题较为突出。

为解决结构受力难题，降低工程风险，设计中创造性提出隧道沉管管节采用钢壳混凝土组合结构方案，这也是世界首条大规模和国内首次采用钢壳混凝土组合结构的沉管隧道。

在没有国内规范、标准可循的情况下，设计中首次对钢壳混凝土组合结构的受力机理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、抗剪受力机理，提出了相应计算方法；定量分析了钢壳混凝土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。

钢壳混凝土组合结构中钢壳构造由内外面板、横纵隔板、横纵加劲肋及焊钉组成。横隔板间距3m，纵隔板间距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；横纵隔板为主要受剪构件，且连接内外面板形成受力整体；纵向加劲肋T型钢、角钢及焊钉作为抗剪复合连接件，以确保钢面板与混凝土的有效连接与共同受力，纵向加劲肋与横向扁肋共同作用增强面板刚度。主体结构内外侧钢面板采用Q420C，最大板厚达40mm；横向隔板采用Q390C，最大板厚达30mm，其余采用Q345C；隔舱内采用C50自流平混凝土充填。

3.2

沉管管节钢壳智能制造关键技术

钢壳混凝土组合结构是国内首创，国际上首次大规模应用的超大、超宽、超重的沉管隧道管节结构型式。

管节钢壳制造工艺十分复杂，标准管节内纵横隔板、连接件交错，由纵横隔板形成的隔仓数量多达2500个，各类工艺孔达15000个；高强钢面板厚达40mm，厚板焊接要求高、难度大；标准管节46×165m范围钢壳平面度要求不大于10mm，制造精度远高于造船行业及钢箱梁制造的精度要求；钢壳制造工效更要达到1节/月的产能要求，工效要求高。传统建造工艺已难以满足工程所需的大规模、高质量和精度、高工效的要求，国内并没有成熟的施工经验。

考虑到管节钢壳结构与船舶结构相类似，所以在钢壳建造中大胆借鉴船舶建造工艺，引入机器人在线编程、自动焊接为核心的智能片体生产线和以钢壳防腐为核心工艺的智能涂装生产线，有效确保了焊接质量的稳定性；在确保钢壳水密的同时，大幅提升了生产效率和耐腐蚀性。

图5 沉管隧道标准管节示意图

图6 沉管隧道钢壳混凝土管节构造示意图

为提高制造工效，项目结合BIM信息技术平台，建设了钢壳智能制造“四线一系统”，大力推行智能钢壳制造，大规模应用机器人智能化焊接、智能化喷砂、智能化喷涂。这也是国内首条在超大型构件制造上大规模应用的智能制造系统，其片体智能焊接机器人的焊接速度达到了0.5m/min，极大提高了焊接效率和焊接质量的稳定性。

实施过程中国内首次全过程运用钢壳智能制造技术，将钢壳制造按阶段划分为小节段车间智能化制造、大节段场地数字化搭载、标准管节船坞自动化总组，利用新一代信息技术研究开发钢结构智能管控系统，实现车间设计、工艺、制造、管理、监测、物流等环节的集成优化。

图7 管节钢壳片体焊接

图8 管节钢壳块体制作

图9 管节钢壳总拼

图10 钢壳管节过驳至半潜船

图11 钢壳管节由半潜船浮运至管节预制厂

3.3

高强自流平混凝土配制、浇筑工艺及质量检测关键技术

类似三明治结构的钢壳混凝土组合结构，具有承载能力大、防水性能好等优点。每个标准管节由2500个约4～16m3封闭隔仓构成，混凝土浇筑量达28000m3。

为了突破钢壳“芯”技术，项目早期即组织产学研联合攻关，历时三年多，进行了上百次隔仓模型浇筑试验，开展了钢壳混凝土组合结构自密实混凝土性能需求及施工关键控制指标、高体积稳健性钢壳自密实混凝土配制技术、钢壳自密实混凝土长期性能预测、钢壳自密实混凝土质量控制技术、钢壳自密实混凝土施工质量检测技术等研究工作，突破了封闭式隔仓混凝土填充密实度等难题。

钢壳混凝土浇筑完成了四大方面的技术突破。一是研发了新材料，研制出了高稳健、自流平、自密实混凝土；二是基于自流平混凝土流动的工作原理，提出了合理的工艺孔构造设计，保障浇筑时排气的通畅性；三是形成了项目专用自密实混凝土浇筑质量控制指南，明确了浇筑速度等工艺指标；四是世界上首次研制了钢壳混凝土智能浇筑装备和系统，该系统具有自动控制浇筑速度、自动感应液面上升速度、自动提升导管等功能，有效保障了钢壳混凝土浇筑质量。

3.4

高强自流平混凝土智能浇筑关键技术

若采用传统浇筑法全靠人工，在封闭的隔舱中进行混凝土浇筑，容易出现疲劳或浇筑错仓、溢孔等情况，且无法控制混凝土下料高度和浇筑速度，难以保证自密实混凝土浇筑质量。为了解决这一难题，除经科研试验配制出适合钢壳混凝土组合结构浇筑且稳健性更强的高流动性自密实混凝土，同时还自主研发了智能浇筑系统全程自动智控保证浇筑质量。

智能浇筑系统是对管节隔舱进行精准浇筑的新型平台，通过对混凝土生产及浇筑等全过程监控，实时记录统计数据，实现高流动自密实混凝土的过程控制，以控制下料高度、浇筑速度等精细化手段控制每个隔舱的浇筑过程，具有效率高、风险低、稳定性高等优点，超越了行内的传统施工技术，极大提高了管节混凝土浇筑效率和质量。

智能浇筑控制系统一是研发智能化浇筑监测装备和智能浇筑小车，通过温度传感器、定位仪、混凝土液面测距仪等传感器、智能浇筑小车，可实现混凝土自动布料、自动浇筑、浇筑速度控制；二是基于BIM、智能传感和物联网技术，研发涵盖混凝土生产、运输、浇筑、监测管节混凝土浇筑全过程智能化、信息化管理系统，利用大数据辅助决策，实现管节混凝土浇筑各环节任务智能分配、实时监控记录以及施工缺陷快速定位、自动生成报表的优质、高效、智能化、精细化管理，提升混凝土浇筑品质。

图12 管节混凝土预制厂内浇筑

图13 管节混凝土智能浇筑小车

图14 管节混凝土智能浇筑控制室

图15 位于浅坞浇筑完成的管节

3.5

管节浮运安装一体化装备关键技术

沉管隧道位于深圳海域的东、西人工岛之间，管节自桂山岛预制场至隧址，浮运距离长达50km；该海域航路纵横交错，航道狭窄，船舶交通密度大，通航环境极为复杂。沉管管节浮运、安装是一项系统复杂的高风险工作，安装难度系数极高。针对城管隧道浮运航道中存在繁忙复杂航路、基槽长距离横拖、深水沉放、复杂风浪流等不利建设条件，为增强沉管浮运安装能力、保障施工安全，提高施工精度和施工效率，研发了核心装备“一航津安1”作业船，首次将沉管浮运与安装实现一体化。

“一航津安1”作为深中通道项目“量身打造”的专用船舶，是世界上第一艘集沉管浮运、定位、沉放和安装等功能于一体、具有DP动力定位和循迹功能的专用船。该船采用双体船船型设计，船长190.4m、船宽75m、型深14.7m，运载沉管管节深水静水航速可达5节。每个片体各配备4台侧推发动机，满足DP动力定位要求，具有航迹追踪及偏移纠偏功能，在不需要其它船舶协助的情况下，可严格按照设定宽度进行循迹航行。相比传统管节浮运安装方式，可大幅减少浮运航道的疏浚量。

其具有系统集成度高、自动化程度高、安全控制性能高、施工精度高等优势，增强了管节浮运安装能力、保障施工，提高了施工精度和施工效率；配有先进的沉管施工管理系统，集成管节姿态控制系统、压载水系统、拉合系统、测量与监控系统及其它所有子系统的数据和信号，并配有远程故障诊断系统，实现了全船动态信息监控，形成了数控化、智能化、可视化的综合控制中心。

“一航津安1”于2018年7月开工建造，2019年9月顺利交船，2020年5月在强对流天气、大雨、阵风、能见度低等恶劣天气下，完成管节浮运安装一体船重载演练。自2020年6月E1管节顺利沉放至今，已完成4管节浮运沉放作业。

图16 “一航津安1”浮运沉放一体船

3.6

碎石整平设备关键技术

沉管隧道所在海域具有“超宽、变宽、深埋、回淤量大、区域地层稳定性差”五大技术难点，其中台风期最大回淤强度超过5cm/d，管节沉放及沉降控制难度大。在海底隧道施工过程中，基槽碎石整平是隧道基础质量控制重要环节之一，因此碎石整平船也是隧道质量控制的重要保障设备。

在实际作业中，碎石整平清淤船的功能相当于“海底铺路机”，通过抛石管精准定位，向海床投入碎石并铺平作为管节基础，高效率的作业速度可以解决受海底水流影响在碎石上产生回淤量大的难题，确保后续管节能快速安装和减少后期可能的沉降。

作为核心装备之一的“一航津平2”是为深中通道项目研发的专用作业船舶，集基准定位、石料输送、高精度铺设整平、质量检测验收功能于一体，是目前世界最大、最先进的自升式碎石铺设整平船。主船体为箱型“回”字结构，船长98.7m、宽66.3m、型深6.5m、桩腿总长75m，可根据水深工况环境接长至95m，铺设整平作业最大水深达40m，每4个船位即可完成单个沉管的抛石整平作业。因铺设作业的高效率和自动化，该船被誉为深水碎石铺设的“3D打印机”。

与港珠澳大桥深水整平作业船“津平1”相比，“一航津平2”在性能、规格、国产化程度等方面均实现超越，多项性能位居国际领先水平：该船铺设范围更广，在不移动船身的情况下，单个船位碎石铺设整平作业范围达2500m2；整平效率更高，整平速度最高可达每分钟5m，较“津平1”提升了一倍；作业寿命更长，桩腿使用寿命长达2000小时。同时，在设计、建造方面均实现了国产化，尤其是施工管理系统成功突破国外技术封锁，实现了整套系统国产化。

“一航津平2”于2018年7月开工建造，2019年4月顺利交船。

图17 “津平2”碎石铺设整平船

3.7

海域深层搅拌桩（DCM）基础设计施工关键技术

海域深层搅拌桩(DCM)加固水下软基的应用及研究在我国处于起步阶段，工艺技术尚不成熟。沉管隧道范围地质复杂，尤其是西人工岛斜坡段位于采砂坑内，区域地层扰动严重，表层淤泥覆盖约30m，受采砂坑扰动的影响比较突出，土层稳定性很差，对基槽开挖成槽及基础处理造成较大困难。经多方案的比选，推荐采用DCM进行基底加固，对于最深处达海面以下40m的地基处理深度，难度不言而喻。

结合深中通道项目DCM现场试验以及基础设计方案研究，国内首次将DCM技术应用在隧道基础中，包括DCM船的引进和二次开发，力求实现土层参数动态与水泥用量的智能化。结合港珠澳大桥施工和装备制造经验，自主研发出国内首艘水下水泥搅拌船——“四航固基”DCM作业船。DCM装备制造技术之前由日本和韩国垄断和封锁，“四航固基”号打破技术封锁，填补了国内施工技术空白，该设备可直接硬化深海淤泥形成水泥搅拌桩，解决跨海通道深海淤泥疏浚环保难题。

“四航固基”DCM作业船拥有完全自主知识产权的核心装备，创下了单日完成36根DCM长桩，单日完成2300m3的基床建设的高记录，为沉管隧道首节管节建设筑就了一条水下长城。

图18 “四航固基”DCM作业船

3.8

海中围堰、深基坑设计施工关键技术

根据东人工岛互通匝道布置、沉管结构宽度和施工难度、福永码头影响等因素，为减少沉管管节变宽段宽度和长度，确保变截面大跨海底隧道结构施工的可实施性和曲线变宽管节的适应性，在靠深圳侧海域中设围堰作为临时挡水结构，在围堰内实施堰筑段变宽分叉隧道的明挖现浇结构施工。

堰筑段位于深圳宝安机场南侧，紧邻福永码头，位于东人工岛西侧，与沉管段对接，围堰周长约1394m，采用双排钢板桩围堰、堰宽10m，内外排钢板桩之间采用拉杆连接。堰筑段围护结构采用地下连续墙明挖顺作。

靠近深圳侧海域工程地质条件复杂多变且分布极为不均，地层自上而下依次为淤泥、黏土、淤泥质黏土、残积土、底部为强中风化花岗岩层。在海域环境下最大厚度达15m的淤泥软弱层上进行围堰筑岛、形成施工陆域，为确保堰体的稳定，须对表层淤泥进行换填，同时针对底部存在的软弱淤泥夹层进行加固。堰筑段形成陆域条件后，陆域标高比海平面低5~7.5m，而基坑开挖最深达海平面下23m、最宽达73m，在基坑施工过程中须确保围堰和基坑的安全，这都给工程建设带来极大挑战。