第38卷第1期 中国港湾建设 Vol 38 No I 2018年1月 China Harbour Engineering Jn.2018 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2，刘洪洲1 (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) 摘要：对港珠澳大桥海底沉管隧道可选的基础垫层进行多方面比选分析，提出了采用先铺碎石垫层作为隧道结构 与地基之间的过渡构造。通过与国外类似工程设计进行比对，结合袋层受力作用机理，从横向、纵向及竖向3个纸 度对整沟相问碎石垫层的几何参数进行设计，并通过物理模型试验确定了碎石垫层的物理力学指标。工程实线检测 表明，先铺碎石垫层各项指标均能满足设计要求，施工工序衔接合理，是一种可位、可达、可修的沉管隧道垫层， 可在类似工程中推广应用。 关键词：港珠澳大桥：沉管隧道：基础：碎石垫层：设计 中图分类号：U655.544.2:U459.5 文材标志码：A 文章编号：2095-7874(2018)01003405 doi:10.7640/zggwjs20180100 General design and type selection of foundation bedding of undersea immersed tunnel for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge ZHANG Zhi-gang'.FU Bai-yong',LIU Xiao-dong',LIU Ya-ping',LIU Hong-zhou (L CCCC Hish 2.CCCC First Harbor Engineering Co.Ld,Tianiin 300461.China) Abstract:Based on the Zhuhai-Macao Bridge. n the tunnel structure and foundation.B aring with the foreign en we designed the g and vertical sides based on action mechanism of gravel laver with ridge and groove.and determined the physical and pechanical indexes by the physical model test.Practical testing show that gravel bedding can meet the desig easonable construction nm epairable.it is valuable to popularize and use in similar projects Key words:Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge:immersed tunnel foundation:gravel bedding design 1工程概况 梁、海底隧道及人工岛组成的集群公路交通工程。 港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接 残道采用沉管方案，隧道全长6704km,沉 香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政 管段总长5664m,共33节，其中曲线段管节5 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 半径5500m, 标准管节长180m,采用分节 段预制的半刚性纵同结构体系，由8节长22.5m、 的关键性工程。港珠澳大桥主体工程是由海中桥 宽37.95m、高11.4m的节段组成，重约7.8万t 基槽底标高最深处约-47.2m,最大沉放水深45m。 该海底隧道为目前世界上唯一的深埋沉管 E-ml5289426e4 隧道顶板至原始海床的回淤厚度达23m的纵向 C)1994-2019 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnkin
中国港湾建设 China Harbour Engineering General design and type selection of foundation bedding of undersea immersed tunnel for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge ZHANG Zhi-gang1 , FU Bai-yong1 , LIU Xiao-dong1 , LIU Ya-ping2 , LIU Hong-zhou1 （1. CCCC Highway Consultant Co., Ltd., Beijing 100088, China; 2. CCCC First Harbor Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China） Abstract： Based on the comparison and analysis of the foundation bedding of undersea immersed tunnel for Hongkong - Zhuhai-Macao Bridge, we proposed the gravel bedding as the transition layer between the tunnel structure and foundation. By comparing with the foreign similar engineering design, we designed the geometric parameters about the transverse, longitudinal and vertical sides based on action mechanism of gravel layer with ridge and groove, and determined the physical and mechanical indexes by the physical model test. Practical testing show that gravel bedding can meet the design requirements, reasonable construction process connection, which is a kind of underwater structure with the features of detectable, reachable, repairable, it is valuable to popularize and use in similar projects. Key words：Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge; immersed tunnel; foundation; gravel bedding; design 摘 要：对港珠澳大桥海底沉管隧道可选的基础垫层进行多方面比选分析，提出了采用先铺碎石垫层作为隧道结构 与地基之间的过渡构造。通过与国外类似工程设计进行比对，结合垫层受力作用机理，从横向、纵向及竖向 3 个维 度对垄沟相间碎石垫层的几何参数进行设计，并通过物理模型试验确定了碎石垫层的物理力学指标。工程实践检测 表明，先铺碎石垫层各项指标均能满足设计要求，施工工序衔接合理，是一种可检、可达、可修的沉管隧道垫层， 可在类似工程中推广应用。 关键词：港珠澳大桥；沉管隧道；基础；碎石垫层；设计 中图分类号：U655.544.2；U459.5 文献标志码：A 文章编号：2095-7874（2018）01-0034-05 doi：10.7640/zggwjs201801007 收稿日期：2017-06-03 作者简介：张志刚 （1977 — ），男，内蒙古凉城人，博士，高级工程师， 主要从事隧道设计、咨询与研究方面的工作。 E-mail：52894264@qq.com 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 1 ，付佰勇 1 ，刘晓东 1 ，刘亚平 2 ，刘洪洲 1 （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） 第 38 卷 第 1 期 2018 年 1 月 Vol. 38 No.1 Jan. 2018 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
2018年第1期 张志刚，等：港珠澳大桥海底沉管隧道基础垡层选型与总体没计 ·35 度约3km,隧道两端均位于海中离岸人工岛上 层的选择是本项目设计中重要的一个环节。 纵向穿越5种地层，建成后是世界上最长的公路 近年来，我国沉管荐道建设进入了快速发展 沉管隧道，也是我国首条于外海修建的海底沉管 时期，江西红谷最长内河沉管隧道己经合龙，深 首-4 圳至中山过江通道工程与大连湾海底隧道工程已 由于水下沉管基槽施工控制的难度大、 水滴 相继启动 本文以在建港珠澳沉管隧道工程为研 条件复杂，槽底处理后表层的施工精度难以达到 究对象，从基础垫层选型思路、总体方案设计、 隧道结构的刚度支撑要求，因而沉管隧道无论是 支撑试验的研究成果、工程现场检测桔况等几个 采用天然地基还是经过特殊措施改良后的人工地 方面讲行系统分析，以便为类似工程提供借鉴 基均需要在地基与隧道管节之间充填垫层材料 基础垫层选型 垫层的主要功能是充填管节底部与基槽底之间的 从沉管隧道垫层设计的发展及实例调查来看 空隙，保证上部荷载均匀传递到下部地基，避免 按处理方法大致可分为先铺法和后铺法两大类 由于地基受力不均导致结构的局部破坏或者产生 先铺法指先铺碎石垫层，后铺法包括喷砂、砂流 拉大的不均匀沉降。基础垫层的工程规模不大， 与压浆3种方法州。 多数设计为1m左右的厚度，但在沉管隧道工程 从国际上的应用情况来看，每种方法均有各 中起的作用却是至关重要的， 垫层选择或设计的 自的优缺点，具体采用哪种方法，需要根据工 合适与否，直接关系到沉管残道工程的长期运营 条件、承包商施工经验、风险控制、工期及经荡 安全。港珠澳海底沉管游道管节数量多、工程冈 性等因素，结合相应的地基处理方案或天然地基 域航运繁忙、水流条件复杂、 下覆地层种举多 现状综合确定。表1中所列为港珠澳海底沉管隧 再加上项目风险控制要求高 工期紧张，基础垫 道基础垫层比选情况 表1沉管隧道垫层对比 Table1 Compar ison of immersed tunnel beddins 项目 后法垫 地层适应 地基适应性好，不会发生液化存在地震液化的可能 存在地震液化的可能 与地基适应性好，不会发生液 施工经哈 似经 水文条件限制小 业不受水文条件限制 沉降可控 年相 航道影响 作业时阿长，对道 水上作业时间短，对航道 工所量 质量有保 质量有保 情所量有保 工期 风险 材料要求 定级配的碎石 砂水混合料 专门配制的砂浆 经济性 保资开州 2.1先铺碎石垫层 的沉管隧道，不论规模大小均采用这种方式。 先铺碎石垫层是采用一个固定在指定位置 种方法对于基础宽度较大的隧道，需要将钢箱的 的简单开口钢箱来实现，一功沿球道轴线方向羧 规模与牵引力设计的很大，经济性差。在20世纪 动钢箱，一边向箱内补充碎石，形成隧道基础垫 末的厄粉海峡隧道建设期间，承包商首次将全覆 层，是最早使用的沉管基础方式。早期美国修至 盖满铺碎石垫层更改为垄沟相间的醉石基础垫层 C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing Hous A1 rights reserved http://www.cnki.ne
2018 年第 1 期 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 表 1 沉管隧道垫层对比 Table 1 Comparison of immersed tunnel bedding 项目 先铺法垫层 后铺法垫层 碎石整平 喷砂 砂流 压浆 地层适应性 与地基适应性好，不会发生液化 存在地震液化的可能 存在地震液化的可能 与地基适应性好，不会发生液 化 施工经验 国内无类似经验 欧美与韩国有类似经验 国内无类似经验 欧洲有类似经验 国内有类似经验 欧洲有类似经验 国内有类似经验 美国及日本有成熟经验 水文条件 受水文条件限制小 作业受水文条件限制 作业受水文条件限制 作业不受水文条件限制 沉降控制 后期沉降可控 后期沉降相对大 后期沉降相对大 后期沉降小 航道影响 水上作业时间短，对航道影响小 设有台架，水上作业时间长， 对航道影响大 水上作业时间长，对航道影 响大 水上作业时间短，对航道影响 小 施工质量 施工质量有保障 可达、易检 施工质量有保障 可检 施工质量有保障 可检 施工质量有保障 可检 工期 管节安装前铺设，与管节安装及 回填工序不冲突，工期短 管节安装后实施，需要临时支 撑，与回填工序有冲突，工期 长 管节安装后实施，需要临时 支撑，与回填工序有冲突， 工期长 管节安装后实施，需要临时支 撑，与回填工序有冲突，工期 长 风险 纳淤能力有限，存在施工期清淤 的风险 存在工后过渡沉降、接头漏水 的风险 存在工后过渡沉降、接头漏 水的风险 需在底板设置压浆孔，渗漏风 险大 材料要求 一定级配的碎石 砂水混合料 砂料 专门配制的砂浆 经济性 设备一次性投入费用高 不需要管节开孔、布管 设备一次性投入费用高 不需要管节开孔、布管 设备简单、费用低 需要管节开孔、布管 设备简单、费用低 需要管节开孔、布管 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。 张志刚，等：港珠澳大桥海底沉管隧道基础垫层选型与总体设计 ·35·
·36 中因港湾建设 2018年第1期 形式，取得了良好的工程效果。 跨港隧道，我国广州珠江沉管隧道、上海外环越 2.2喷砂热层 江隧道及台湾高雄跨港隧道等。 喷砂法是用砂泵把砂水混合填料通过芦节外 2.4压浆垫层 部管道喷入沉管管段底部和基槽之间的空隙中。 压浆基础是在管段沉放到位后，即沿管段边 喷砂前，管节放在临时支座上，喷砂结束后可卸 墙及后封端墙边抛堆高1m的砂石混合料，封闭 开支座上的千斤顶，管节重量从而全部作用到砂 管底空间。接着从管段里面通过预埋在管段底板 垫层基础。喷砂基础可用于宽度较大的沉管隧道， 上的压浆孔向管底空隙压注混合砂浆，充填管段 在早期欧洲修建的多座沉管隧道中应用，如德国 底部与碎石垫层间的空隙。此法在日本广泛应用 的Elbe隧道、比利时的 Scheldt E3隧道、荷兰的 如Tokyo港隧道的中间区段 Dainikoro隧道 Spij-kenisse隧道。 Kawasaki建道，可避免“强震区”中常规砂基础 23压砂垫层 的液化问题。 压砂基础也称为砂流基础或灌砂基础，是在 经综合比选，港珠澳海底沉管殘道推荐采用 喷砂基础上发展起来的一种新方法，依靠水流作 牛铺碎石热层方式 用将砂通过预埋在管段底板（竖向或横向 上的 基础垫层设计 料孔注入管段与基底间的空隙，其既可在管节外 港珠澳海底沉管隧道采用垄沟相间的碎石垫 部施工，也可在管节内充填。压砂法不需专门的 层设计理念，呈S形布设，如图1所示。碎石垄 喷砂台架，对砂拉径的要求也较低，因此从20田 用于支撞管节及外部荷教作用，碎石沟提供临空 纪70年代后期， 面，用于消除硬点 、少量纳淤。 并可作为管节安 隧道中采用，如荷兰Vake隧道、澳大利亚悉尼 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.I Structure of gravel bedding for immersed tunnel 描向上，根据管节密府尺十37.95m,结合碎 设计理论坡度为1：15，接析水下碎石的休止角 石整平形状及垫层扩散角作用范围，醉石垫层 本项目因地制宜地确定了相关设计参数 与国阿 度设计为41.95m。 纵向上，首先按照设备下料管 上3座典型沉管隧道的类似垫层参数对比如表2 直径，确定出碎石垫层垄顶面理论宽度为180m,然 所示。 后根据隧道管节长度划分以及整平船机设备施工 表2典型参数对比表 安全控制需要，按垄窗1.80m与沟资08-12m Table 2 Comparison of typical parameters 的多种垄沟组合方式进行比选，以碎石垄与管节 浅首多热 项目 结构接触面积所能达到的承载能力与结构沉降控 尼动釜山R港味澳 1.8 制为标准，确定标准管节采用碎石垄宽1.80m+碎 1.63 0.8 105 石沟宽1.05m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， 187 结合沉降控制需要确定碎石垫层厚度为1.30m C)1994-2019 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
中国港湾建设 2018 年第 1 期 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。 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 Structure of gravel bedding for immersed tunnel 表 2 典型参数对比表 Table 2 Comparison of typical parameters 垄宽/m 1.65 1.8 1.65 1.8 沟宽/m 1.0 0.8 0.85 1.05 接头间距/m 4.25 4.0 3.85 4.35 沟垄面积比/% 23.25 18.2 20.48 22.59 碎石垄顶面积占比/% 61 68 65 62 厄勒 釜山 Roer 港珠澳 项目 隧道名称 垄面 沟槽 ·36·
2018年第1期 张志刚，等：港珠澳大桥海底沉管隧道基础鉴层选型与总体设计 ·37 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 隆，考虑一定的预怡量数值，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 抹珠澳沉管隧消基础设计采用了先铺碎石热 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 图2碎石垫层物理模型试验 设计规范及依据资料缺乏，同时沉管隧道碎石垫 Fig.2 Physical model testing of gravel bedding 层在水中作业时存在平整度、夹淤泥等诸多不确 等效压缩模量等设计参数与指标。 定性需要分析，为此设计之初开展了典型的物理 港珠澳沉管隧道基础垫层施工历时约4a,完 模型试验， 如图2所示为碎石垫层物理模型试华 成了全部33个管节，从垫层铺设的工后检验及 装置。试验包括了天然地基段刚性场地无侧限陆 节安装后总体沉降情况来看，先铺碎石垫层达到 上试验、标准情况下大试验槽有侧限水中试验、 了预期效果。图3所示为单个深水整平船位碎石 不同垄沟构造小试验槽完全侧限水中试验，以及 热层的典型检测结果，通过水下声呐测试碎石层 不同碎石级配、落管预压、回淤情况下小试验槽 顶面的标高95%以上介于设计允许上下限区间之 完全侧限水中试验共计4类23组试% 保证率大于设计要求的85%。通过对多 通过试验确定了沉管隧道基础碎石垫层的合 节的测试点进行统计分析可知，碎石整平垫层的 理碎石级配及组成（最大粒径63mm),以及碎石 分布符合正态分布规律，均值位于设计标高±2©m 垫层的合理厚度，并获得基础碎石垫层沉降量 附近 4567g910111 43.7元 43.90 Fig.3 Testi shipposition 5结 标满足设计要求后即可进入回填防护工序，避身 过对港珠澳海底沉管隧道基础垫层方案选 了管节就位后在设定小负浮力条件下的压砂与用 型及总体设计的分析，以及在工程实施过程中的 浆过程，降低了外海深水深槽的作业风险。 再思考，得出以下结论与体会： )港珠澳海底沉管等道地层复杂，为隆低弟 D基于工程条件分析，经过对各种沉管垫 异沉降，达到沉降控制的总体协调， 纵向地基采 方案进行综合比选，提出港珠澳超长海底沉管隧 用了挤密砂桩等不同的处理方式。先铺碎石垫月 道选用先铺碎石垫层的方案，并结合管节结构、 是介于地基与结构之间的褥垫层，起到了承上启 模型试验与工程类比进行了参数设计。工程实践 下的重要作用。在每个沉管隧道中，基础垫层的 证明，先铺碎石垫层方案是合活的。先铺法不用 工程规模所占比重不大，但也应下大力气去研究 预设临时支撑，管节安装完成并确认平纵线形指 比选，因地制宜，不可目效仿 在自然回淤较 C)1994-2019 China Academic Joural Electronic Publishing House .All rights reserved http://www.cnki.net
2018 年第 1 期 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。 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 2 碎石垫层物理模型试验 Fig. 2 Physical model testing of gravel bedding 图 3 单船位碎石垫层检测结果 Fig. 3 Testing result of gravel bedding for a ship position 检测值 设计值 上限值 下限值 -43.60 -43.65 -43.70 -43.75 -43.80 -43.85 -43.90 -43.95 -44.00 高程/m 水平向距离/m -12 -11 -10 -1-2-3-4-5-6-7-9 -8 4 10987653210 11 12 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 张志刚，等：港珠澳大桥海底沉管隧道基础垫层选型与总体设计 ·37·
·38 中因港湾建设 2018年第1期 大的水域，应慎重选用先铺垫层方式 设2015,35(： 3先铺碎石垫层的施工质量控制参数制定应 CHE 科学合理，不宜只强调某一项指标的数值高低， jee Tamnel,2015.35(5):396-403. 而降低方案整体的设计效果。港珠澳沉管隧道在 [31 Int n Working Croup."Imn 垫层正式实施之前，开展了典型施工试验，结 els"st Tunnelling anc 施工装各能力与检验收手段，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 间张志刚，刘洪洲，付佰勇。沉管隧道地基与基酷的没计选 公路球道安全设计与送营管理辱水下球道建设技术国际合 理办法。 论文集.2011：500-510 垄沟相间醉石垫层在港珠澳海底沉管隧运 ZHANG Zhi--gag山Uhg-小h FU Bai-yong.Design selectic 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 of moad011.00-10 的重要参考。 可刘先权.多波束测深精度评估.中国港湾建设，2017,37⑤： 参老文哉： 尹卿.港珠澳大桥岛隧工程设计施工关键技术隧建设 63-6 2014.40,60-66 YIN Hai-qing Key technologies applied in design and 孙阳良，张建军，等基于多发束测深的海底基床蓝测 分折中国港建，2015.351》，4648 Zhuh -Macao Bridge(HZMB)Project Tunnel Construction 2014. SUN Yang-vang.XU Liang.ZHANG Jian-i .ct al.Monito nd analysis of sealoor 宗，陈越港珠澳大桥沉管隧道新技术隧道 ur Engineering.2015,35(1146 (上接第11) 参考文献： 肖忠，王元战，及春宁.简型基础防波是稳定性有限元数值分 陈杨 张建民 大筒结构候覆定分析的有限元法 土木工程学报.3009.42万.110-125 XIAOmg.WANG Yuan han.JI Cun -ning.Finite cl WANG C CHEN Yang.ZHANG Jian-min.Finite elemen foundation breakwater Bock and Soil Mechanies 2006 2702 238-241 大圆筒结构 以范庆来，桑茂田，杨肤软基上沉入式大圆筒结构的水平承载 稳定性分折U岩士力学，010,31，26426 XIAO Zhone.WANG Yuan=than I Chun=nine d a Stabilit 力分析岩土力学，2004,25(2：191-195 nalysis of large evli山 ing soft founda. FAN Qing-lai.LUAN Mao-tian.YANG Qing.Numerical analysis wave loads月Rock and Soil Machanics..2010,318 191 王元，，王西格型钢版结构有限元数值分析岩 力2登.2013.340.11631170 范庆来，突茂围，杨庆，等考虑循环软化效应的软基上深埋力 WANG YH an.YAN Zhen.WANG Yu-chi.Finite elementa 圆简结构承载力分析.大走理工大学学报，2006,6（③： r steel sheet pile structure.Rock 702-706 ,2013.3441163-117 FAN Qing-lai,LUAN Ma ian,YANC Qing.et al.Anah 三种失效判据的适 bearing capocity for deeply-buried large-diameter eylindrica e on solt elay e ering clie-oening efle Joumal CHEN L-hug IN Xio ,465 用下软恭 av上 g J 2012.45 乳茂田，畅 基于 16146 折减弹甲 FAN Oin drical strueture subjected to cyelie loadingJ.Jourmal of Hydrauli cinforced with piles by Engincering.2008.3971836-842. FEMUL Rock and Soil Mechanies 2007.28 (S)558-562. C)1994-2019 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
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