[分享]世界级工程深中通道技术大揭秘

发表于2017-09-22 689人浏览 0人跟帖总热度:40

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标签：深中通道桥岛隧沉管隧道

核心提示

深中通道是一个世界级“桥、岛、隧、水下互通”集群工程，拥有超宽特长钢壳混凝土沉管隧道、海中超大跨径悬索桥、海中人工岛以及深圳机场水下互通立交等重点构筑物。深中通道的建设，不仅要克服复杂的海床环境，超长的跨海距离，还得应对恶劣的自然环境。这些特点汇集，注定了它是一个史无前例的工程。

由2002年开展深圳至中山公铁通道走廊研究开始，历经15 年艰辛论证与准备，深中通道于2017 年全线开工建设。随着先行工程西人工岛基础打好，深中通道各个重点构筑物的神秘面纱慢慢被揭开。9月18日，记者采访到了深中通道的设计师、项目施工单位技术负责人，他对深中通道这个超级工程进行全方位的技术揭秘。

岛

西人工岛快速成岛，如何做到的？

9月18日，深圳机场附近的矾石水道风平浪静，正是适合振沉最后一个钢圆筒的好天气。今年5月1日，首个钢圆筒在这片海域振沉成功，只用了4个月多的时间，深中通道西人工岛快速成岛，这项深中通道的先行工程进展顺利，为后续工程建设开了个好头。看着最后一个钢圆筒精准振沉到位，中交一航局深中通道西人工岛项目技术负责人徐波心情愉悦，“西人工岛目前相当于毛坯房建成了，下一步将进入精装修阶段。”

西人工岛是如何快速成岛的呢？

■海床地质情况比港珠澳大桥更恶劣

深中通道西人工岛的筑岛结构与港珠澳大桥人工岛的一样，都是采用“钢圆筒围岛”。在港珠澳大桥人工岛建设的时候，工程师对筑岛海底15米至20米厚的淤泥层做了一个形象的比喻——“水豆腐”。在“水豆腐”上筑岛，如果用常规的抛石斜坡堤或者重力式沉箱结构的话，抛石、沉箱一旦落到“水豆腐”上，就会滑出去，固定不了。

“钢圆筒围岛计划，用57个直径28米的巨型钢圆筒，直接固定在海床上，然后在中间填沙形成人工岛。这个巧妙的方法，很快就能形成稳定的结构。”徐波表示，钢圆筒围岛的施工结构，既避免了复杂海床结构对施工造成困难，对海洋环境的污染也是最小的。

然而，西人工岛的海底勘探工作完成后，给中交一航局施工团队带来了难题。“这里的海床结构不仅有厚厚的淤泥，而且表面凹凸不平，有些地方很硬、有些地方很软。”徐波表示，以前这里是采海砂的地方，海底遗留众多深浅不一的采砂坑，地质条件比港珠澳大桥人工岛的施工条件更恶劣。这块凹凸不平、软硬不一的“水豆腐”，在振沉过程很容易造成钢圆筒位置出现偏差，无法保证精准地到达设计预定的位置。

■用“搅拌机”把“水豆腐”搅松拌匀

地质问题一天不解决，钢圆筒振沉就无法施工。徐波指了指停泊在钢圆筒振沉施工现场的DSM 船（水下深层搅拌船）说，它是解决西人工岛地质问题的功臣，现场施工人员习惯称之为 “沙桩6号”。“这条船本来是为香港机场施工准备的，主要作用是把软土硬化加固处理。我们运用反向思维，把它应用于硬泥变软。”

DSM 船上有三根标志性的圆筒，如果说DSM 船是一台巨大的搅拌机的话，这三根管就相当于搅拌机的搅拌钻头。“这三根管在海底，沿着将要振沉的钢圆筒壁的位置，用钻机深入砂层，人工注入泥浆作为砂砾间的‘润滑剂’并搅拌，使施工区域地质更加柔软，让钢圆筒更容易穿透硬质砂层。”徐波说，地质问题是西人工岛施工的最大难点，DSM 船施工技术的应用，对水下密实砂层进行预处理，使得振沉时水下地层岩土性质相对较均匀，便于钢圆筒平整精确地振沉至设计位置。

“13号强台风‘天鸽’袭击过后，我们对每个筒进行测量，位置几乎纹丝不动，说明了钢圆筒的结构和稳定性都经受住了考验，这种施工方式可行性也得到了很好的证明。”徐波表示，中交一航局已对DSM 船施工技术申请了专利，这项技术使得钢圆筒快速成岛施工的应用范围更广了，有助于以后的推广应用。

■“天下第一锤”助力成岛

“看到抓住钢圆筒的黄色抓手了吗？那是我们公司研发的十二锤联动振动锤组。”徐波说，就是这组“天下第一锤”把57个平均重量超600吨的钢圆筒成功打入海底。

“相较于港珠澳大桥，深中通道钢圆筒更长的直径，意味着更大的体积与重量，振沉作业所需要的动力势必更强。”在接驳船船长驾驶室内，徐波随手拿一个矿泉水瓶与一桶方便面进行对比，“这就是港珠澳大桥使用的钢圆筒与深中通道西人工岛钢圆筒在体量的不同。”

实际上，早在港珠澳大桥收尾阶段，关于振动锤组改造事宜就被提上了日程。徐波介绍说，为保证钢圆筒打设顺利，项目在原有的“八锤联动锤组”技术基础上，选用集震力更大的12台进口APE600型液压振动锤联动方案来实施振沉。

“单个锤从美国购买，但12个锤怎样组装起来，怎么按预设的标准协同作业完成施工，是我们自己研发的。”徐波说，“例如在振沉时，设备受力不均衡，会产生轻微的抖动。在十二锤联动锤组的设计与制造中，我们对之前发现的问题进行了系统梳理。”

从“八锤联动锤组”到“十二锤联动锤组”，振动锤结构进行重新优化改造。改造完成后，不仅在振沉力量上有了跨越式升级，最大的施重力达到5900吨，称为“天下第一锤”当之无愧。

隧道

世界首例特长隧道，如何设计的？

深中通道管理中心副主任、总工程师宋神友，在手下工程师心目中是大神级的人物。他参与了深中通道项目设计的全过程，每当设计遇到瓶颈、受到质疑的时候，他总能提出可行性的解决方案力挽狂澜，推动项目前进。宋神友认为，深中通道的各个重点构筑物中，6.8公里的特长双向八车道海底钢壳混凝土沉管隧道是最具技术创新性的。

■隧道设计出动驾驶模拟器收集数据

这条双向八车道的海底钢壳混凝土沉管隧道具有五大技术难点，分别是超宽、变宽、深埋、回淤量大、挖砂坑区域地质条件差。其中“超宽”很好理解，双向八车道设计标准，管节断面宽度46米，为世界第一；而“变宽”，指的是隧道内部有615米的变宽段，在这里将增加4条匝道形成水下互通立交，这意味着双向八车道在这里变为双向十二车道，隧道内多次分合流，行车安全性问题突出。

隧道内部的设计互通立交，在设计阶段就遭遇巨大的困难。

第一个“拦路虎”就是视距。“平常我们开车走互通立交桥，视野是很开阔的，坐在驾驶位置能连续看到前面的景观和障碍物。但在隧道里面驾驶，司机视线是受限制的，看不到远处的来车。”宋神友表示，匝道往哪个方向延伸最佳、怎样设计保障行车顺畅、安全？这些都是在设计阶段工程师难以逾越的难题。

怎么解决这个问题呢？宋神友和他的团队想到了使用驾驶自由模拟器的方法。这是一种类似虚拟现实的技术（VR），工程师在一个驾驶模拟器模拟行车，体验虚拟的行车环境，收集视距的相关数据为设计提供支撑。

■165米长钢壳混凝土沉管全球首次采用

长6.8公里的双向八车道海底隧道，采用怎样的施工方法和结构进行建设？深中通道设计团队经过反复的比选，最终确定采用钢壳混凝土沉管结构。该结构具有适应建设超宽、深埋、变宽等建设条件，承载能力、抗裂性能好，耐久性有保障，对海洋环境影响较小等优势。

但是，双向八车道海底沉管隧道世界上没有先例，创新的结构方式钢壳混凝土沉管，每个标准管节的尺寸为46×10.6×165米，为全球首次采用，存在极大的技术挑战。据介绍，深中通道钢壳混凝土沉管隧道合计32个管节，每个标准管节长约165米，用钢量超过30万吨，体量巨大。

宋神友告诉记者，由于面临超宽、变宽、深埋、地层差异大、加淤强度大等复杂建设条件，隧道的钢壳混凝土管节构件尺寸大大超出了既有国外工程案例的经验范围。

宋神友说，目前国内尚缺乏成套的钢壳混凝土沉管隧道建设标准和规范，因此从结构理论、技术标准、设计方法、材料、工艺、装备等方面都需要开展一系列的科技攻关。

“预期成果是，我们将研发一种新型沉管隧道结构型式，填补国内钢壳混凝土沉管技术空白，形成国家标准、行业标准。”宋神友说。

桥

海上超高桥面伶仃航道桥，将如何建设？

深中通道项目由东往西，重点构筑物分别为东人工岛、机场互通、海底隧道、西人工岛、伶仃航道桥、万顷沙互通、横门东航道桥、横门互通。由此可以看出，靠近中山这边的西侧，建设施工以桥梁为主。其中，主跨1666米的海上超高桥面悬索桥——伶仃航道桥，在国内并没有先例，类似的工程建设经验少，海中深水锚碇建设、超高桥面的抗风安全问题存在较大技术挑战，目前仍处于施工设计阶段。

伶仃航道桥的设计，受到防空限高和通航的限制。宝安机场决定了伶仃航道桥桥塔的高度以及施工装备的高度；需要穿越两条出海航道，伶仃洋航道和矾石水道，通航等级高，决定了伶仃航道桥的净高。

“伶仃航道桥主桥的桥面达90米，主桥超高桥面将成为全球最高的海中大桥。”宋神友说，这个高度相当于30层高楼，这意味着伶仃航道桥建成后，司机可以驾驶车辆体验30层高楼上高速疾驰的感觉。“珠三角是台风多发的区域，我们正在进行桥梁的抗风性能试验。”

伶仃航道桥将采用什么结构呢？宋神友表示，伶仃航道桥将是一座门塔式悬索桥，两座桥塔像两道门一样分别矗立在主跨两侧。记者采访了解到，今年年初公布的深中通道设计方案竞赛第一名的设计稿中，伶仃航道桥是一座独柱塔式悬索桥，后来根据设计要求，目前已经调整了设计方案，改为门塔式悬索桥。

宋神友说：“中山境内现阶段还没有悬索桥，但是这种结构的桥珠三角的市民都很熟悉。目前珠江东西岸唯一的连接通道虎门大桥就是一座悬索桥。”

■深中通道项目档案

深圳至中山跨江通道位于珠江三角洲核心区域，北距虎门大桥约30km，南距港珠澳大桥约38km，是集“桥、岛、隧、水下互通”于一体的世界级集群工程。项目采用东隧西桥方案，路线起自广深沿江高速机场互通立交，通过广深沿江高速二期东接机荷高速，向西跨越珠江口，在中山市马鞍岛登陆，与在建的中开高速对接，通过连接线实现在深圳、中山及广州南沙登陆。项目全长约24km，，主要由长6.8km 的特长海底钢壳混凝土沉管隧道、主跨1666m 伶仃洋大桥、主跨580m 横门大桥、长约13km 非通航孔桥、东、西人工岛以及深圳机场枢纽（地下部分）、万顷沙（部分工程）、横门枢纽（部分工程）3 处互通立交、1 处综合管理处、1 处养护救援区等关键构造物组成。采用设计速度100km/h 的双向8车道高速公路技术标准，项目概算总额约446.9亿元，计划于2024年建成通车。

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