港珠澳海底隧道建设技术

港珠澳大桥海底隧道建设技术长安大学公路学院谢永利2011年12月报告提纲1.基本情况2.技术标准3.海底隧道技术方案4.海底隧道施工组织设计5.海底隧道全寿命工程费用估算6.工程地质对隧道工程的影响分析7.海底隧道工程风险分析8.工法综合比选及推荐意见9.目前的建设情况港珠澳大桥跨越珠江口水域，东连香港，西接澳门、珠海，是一座“沟通三地、承东启西”的特大型跨海工程。工程规模宏大、涉及面广、技术难点多，尤其是受香港国际机场航空限高和规划航道制约。基于对拟建的港珠澳大桥桥位的现场勘察、调研及多次论证，依据相关专题提供的研究成果，围绕桥位的总体路线布局要求开展了一系列详实研究，在确保满足预定交通功能的前提下，提出了大桥跨越珠江口伶仃西航道、铜鼓西航道等主航道时以海底隧道的方式通过。1.基本情况2019/10/10（1）隧址区海底地层分布•水深：隧道沿线7-16m左右，西深东浅，海中部微隆，为浅滩。•淤泥：全新世海洋沉积物，厚10-20m，流塑状。•粘土：更新世海洋冲积物，厚5-15m，可塑～软塑为主。•砂砾层：更新世海洋冲积物，厚10-30m，粉~细~中~粗砂、砾砂、圆砾土，饱和，中密～密实。•基岩：K10+400以东至东人工岛为燕山期花岗岩分布；K10+400以西至西人工岛为震旦系片麻混合花岗岩分布。岩面约-60~-80m，起伏大。区域地质构造非全新世活动断裂F2，对隧道影响小。隧道补充地质勘察1隧道补充地质勘察2（2）水文条件1•潮汐：不规则的半日潮混合潮型、弱潮海湾;从外海向内涨潮历时递减、落潮历时递增;高潮位由外海向珠江口内逐渐增大，低潮位由外海向珠江口逐渐降低;台风暴潮引起海面升降。•潮流：落潮流速大于涨潮流速，中部海域潮流流速比两边大;流速较小，流向为S～N向。流速分布受水下地形影响较大。•波浪：实测最大有效波高(Hs)2.86米，周期(T)为10.1秒，波向为SE向。•泥沙：工程水域的含沙量分布特点是西侧高于东侧，落潮大于涨潮。隧址区含沙量低。（2）水文条件2重度：海水重度为10.0～10.3kN/m3,并随着分层从上向下增大,与涨落潮存在一定关联性。盐度：海水盐度变化范围为11.256～33.908，均值为26.972。海水底层平均盐度高于表层。盐度随潮位的涨高而增大，又随潮位的退落而减小，其变化的趋势和周期与潮位基本一致。温度：水温度变化范围为18.7℃～21.7℃，均值为20.3℃。表、底层水温接近，水温分层不明显。（2）水文条件3海水pH:变化范围为7.11～8.33，均值为8.11。浑浊度：海水浑浊度变化范围为3.7°～283°，平均值为38.9°。海水浑浊度变化范围较大，小潮期以退潮时浑浊度较高，大潮期以涨潮时浑浊度较高，底层平均浑浊度高于表层。（3）地震条件•据《中国地震动参数区划图》（GB18306－2001），珠海、澳门地区地震动峰值加速度为0.10g，香港地区地震动峰值加速度为0.15g，与之对应桥址区地震基本烈度为Ⅶ度。•据国家地震局地壳应力研究所完成的近场区地震危险性分析专题，本工程场地的地震基本烈度复核结果Ⅶ度。（4）气象条件•风向风速:东南偏东和东风为主,HK侧年平均风速达6.3米/秒。•气温:年平均气温22.3～23℃•降水:多年平均降水量介于1800～2300毫米之间。•雾、雷暴：雾日年平均达19.3天，年平均雷暴日年平均为61.6天。•主要灾害性天气：热带气旋、暴雨、龙卷风、雷击、短时雷雨大风（5）通航条件•根据交通运输部《关于港珠澳大桥通航净空尺度和技术要求的批复》（交水发[2008]97号），同意隧道区伶仃西航道和铜鼓航道采用30万吨级油轮、25万吨级散货船和15万吨级集装箱船控制隧道最小通航宽度和埋深。•同意隧道区船舶通航最小埋深为设计最低通航水位以下29米。考虑各航道代表船型通航宽度、航道间的安全距离及人工岛头部紊流区影响等因素，两人工岛之间最小通航宽度为4100米，其中满足30万吨级油轮安全通航深度-29米的宽度应不小于2810米。船舶通航安全深度130万吨油轮航道设计水深为D=T+Z0+Z1+Z2+Z3+Z4，其中：T－30万吨级油轮满载吃水最大水深T为22.2m；Z0－船舶航行时船体下沉值，取0.9m；Z1－船舶龙骨下最小富裕水深，取0.4m；Z2－波浪富裕深度，取0.7m；Z3－船舶装载纵倾富裕深度，取0.15m；Z4－备淤富裕深度，取0.5m。经分析计算，航道设计水深D取24.9m。船舶通航安全深度24、航道施工超深根据本地区航道施工情况，施工超深取0.70m。5、安全富裕深度安全富裕深度主要考虑意外事故迫使船舶在隧道区抛锚、搁浅等危险情况下应留出的土层厚度。根据《霍尔锚》规范，锚爪长度为2.99m，故取锚的入土深度3.0m较为适宜。在保证通航安全的条件下，隧道区船舶通航安全深度应不小于：24.9+0.7+3.0=-28.6m(理论最低潮面以下)，建议采用-29m为宜。通航宽度的组成1•根据《海港总平面设计规范》计算：•伶仃洋西航道和铜鼓航道30万吨级双向航道底宽为573m；•榕树头航道5万吨级双向航道底宽为335m；•主航道两侧预留小型船舶的单向航道：万吨级及以下船舶单向航道宽度为153m。通航宽度的组成2•为避免船吸作用，安全船距取为4.5倍船宽。•人工岛头部的紊流范围在200～300m。两人工岛间最小通航宽度应为：300+153+270+573+1461+573+270+153+300=4053m，取4100m。隧道区满足安全通航深度-29.0m的宽度•考虑航道施工期间可能的影响，伶仃西航道底宽西侧和铜鼓航道底宽的东侧需加一富裕宽度，经分析取100m。鉴于伶仃西航道和预留铜鼓航道呈“Y”分叉，两航道间有1461m的间距，隧道区满足安全通航深度-29.0m的宽度100+573+1461+573+100=2807m，取2810m。（6）其它条件环境保护对白海豚、底栖生物的影响：•挖泥船机械操作而产生噪音（300Hz）•施工期水域污染：底土扰动和悬浮物释放有毒有害物质。•施工期需严格控制废水、垃圾处理及运输干坞选址建筑材料、施工用水电•钢筋、水泥、混凝土骨料各种模板均要从内陆运到海岛和人工岛工地。施工、生活用水隧址区附近桂山岛-牛头岛有少量淡水。工程用水需要船运。•施工用电从珠海侧铺设海底电缆或自备发电机组以满足施工用电需要。抛泥区•必须抛到海事部门指定的海洋倾倒区水下抛卸。距离工程区约35km。2．技术标准论证1（1）平、纵、横标准基于同一设计标准、同一建筑限界和通风要求，拟定比选的隧道断面尺寸。隧道轴线尽可能位于直线上；最大纵坡：3%•现行JTGB01要求；•经济发达地区适应远期交通量、安全性和行车舒适性很重要；•纵坡加大会影响隧道乃至整个大桥的通行能力，为此要设置爬坡车道（盾构段加宽几乎不可能）、增设安全保障措施；2．技术标准论证2（2）设计频率设计使用寿命（120年）、设计潮位频率（3）通航标准通航净宽尺度、典型船舶类型、口门宽度、通航水位等2．技术标准论证3（4）抗震设计标准工程场地120年超越概率63%、10%、2%的基岩加速度峰值分别为41cm/s2、134cm/s2、233cm/s2。（5）汽车荷载标准公路-I级。同时满足香港规范对活载的要求。2．技术标准论证4（6）结构安全标准工程安全等级：一级人防抗力等级：六级隧道结构耐高温标准：最高温度1200℃，持续时间2小时。2．技术标准论证5（7）通风技术标准通风CO/VI／NO的控制标准•CO设计浓度Cadm：正常工况100ppm，阻塞工况150ppm•VI设计浓度Kadm：正常工况0.005m-1，阻塞工况0.009m-1•NO2设计浓度Cadm：正常工况1ppm，阻塞工况1ppm•稀释异味标准•空气排放标准•CO一般环境浓度：5ppmCO环境容许浓度：9ppm•NO2一般环境浓度：0.08ppmNO2环境容许浓度：0.13ppm2．技术标准论证5通风技术标准•风速标准：隧道内设计风速：≤10m/s风道内设计风速：≤18m/s•车辆尾气排放标准：以最新《PIARC》2004中污染物基准排放量为基础，根据香港、澳门与大陆地区制定的汽车排放标准时间表，并考虑各设计年限车辆更新换代EURO-2、EURO-3、EURO-4各占比例及车辆使用年限影响系数，使各污染物排放量计算值尽可能接近真实值。•香港要求:隧道需设有单独排烟风道，建议采用横向或半横向通风方式。2．技术标准论证6（8）消防技术标准交通工程等级、火灾规模（50MW）、火灾次数标准、消防用水标准（JTG/TD71—2004）沉管隧道横通道：间距90m（对应180m管段）盾构隧道横通道设置：间距500m，每100m设置一处安全口，通往车道板下疏散通道。HK《最低限度之消防装置及设备守则（二零零五年七月）》•横向连接两条隧道的行人信道–每个信道相隔的距离应为100公尺，通道的高度及阔道不应少于2.1公尺及1.5公尺，而通道大门的耐火时效不应少于两小时，大门需以双向方式开启并应在门的上部设有一块透明观察板，通道门开启时应同时启动警钟。香港消防处对《港珠澳大桥设计技术规范使用指南》的初步意见•建议隧道管道的设计需要考虑消防排烟系统的管道及风扇安装要求。本处（HK消防处）在考虑了隧道的长度及车辆流量等因素后，认为以semi-transverse（半横向通风）系统较为可取。而该系统的功率须最少能抽走火警现场烟量的3/4，并配有应急后备电源。若果在隧道管道内发生火警，在火警现场三百米范围内（每端最远一百七十米的距离)的烟均须被排烟系统抽走，系统亦同时抽入鲜风以作补充。烟层下的空气流动速度须保持在2m/s以下。排烟系统的设计亦须顾及滞留在隧道内的汽车及隧道坡度对空气及烟雾流动的影响。2008-12-22广东的反馈意见2．技术标准论证7（9）沉管隧道其它技术标准浮运期管段安全系数：1.04运营期抗浮系数：1.2混凝土强度及抗渗等级：C45、S12（管节）混凝土保护层厚度：50mm不同工况下的荷载组合等2．技术标准论证8（10）盾构隧道其它技术标准衬砌结构变形：直径变形1‰D（隧道外径）；环缝张开2mm，纵缝张开3mm抗浮安全系数：1.2管片混凝土强度等级：C60抗渗等级：S12混凝土保护层厚度：50mm考虑不同工况下的荷载组合等3海底隧道技术方案1（1）隧道建筑限界•通过对两孔单管廊（包括中间管廊设风道与两侧行车孔顶部设风道二种情形）、两孔双管廊、两孔三管廊的断面形式进行对比分析、计算，暂推荐两孔三管廊断面。（2）沉管管段横断面形式沉管隧道平面布置沉管隧道纵面布置纵坡：W形管段防水及接头分节式/整体式、自防水+外包防水、柔性接头+限位装置最终接头：靠近西人工岛侧水深较浅处，底板标高控制在-25米范围内。采用止水板方式施作。基槽、地基处理与基础型式基槽坡率：1：3、1：5、1：7粉质粘土、粉质粘土夹砂及砂层：砂流法淤泥或淤泥质粘土：打入预制桩＋砂浆囊袋管段回填锁定回填一般回填顶部防锚层岛隧结合部1.格形钢板桩+预沉管段方案（推荐方案）2.格形钢板桩+岛上段明挖方案东、西岛隧结合部前期2016年隧道以消除异味为主，2020年以后到2035年，隧道通风以稀释NO2为主。受洞内纵向风速、风机安装等限制，全纵向通风加独立排烟风道方案不宜采用；受通航限制，分段纵向通风加独立排烟风道方案不具可行性，全横向通风方案需加大隧道断面。综合考虑各项因素尤其是香港提出的消防排烟要求，沉管隧道宜用半横向加纵向组合通风方案。通风方案建议通风系统示意图消防救援方案•横通道与纵向疏散相结合3海底隧道技术方案2（3）盾构隧道横断面布置盾构隧道纵断面布置纵坡：W形盾构隧道最小埋深考虑隧道抗浮安全系数和注浆层稳定性，经计算取为0.6D。管片环结构7+2+1=10片，错缝拼接管片接头与防水拟选用全面对接式，设置密封垫槽和嵌缝槽，接头采用斜螺栓连接。管片采用C60混凝土，抗渗等级S12。隧道横通道设置人行横通道暂按间距500m布置,右侧每隔90m设置一处安全口(设滑梯通往纵向