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深中通道工程关键技术及挑战

文章来源：未知作者：深地研究院
时间：2020-03-18 17:28 访问量：

深中通道工程关键技术及挑战

宋神友，陈伟乐，金文良，夏丰勇，付佰勇

深中通道工程是我国继港珠澳大桥之后又一个世界级集桥、岛、隧、水下互通立交为一体的跨海交通集群工程。工程面临着建设条件复杂、超宽钢壳混凝土沉管隧道设计与建造、超宽变宽隧道运营安全、离岸海中悬索桥设计与施工、堰筑段深基坑及东人工岛近接影响等多种挑战。

本文在对深中通道工程面临的建设挑战进行详细梳理的基础上，按照问题导向、需求引领、吸收借鉴、创新提升、资源整合、高效组织的原则，对深中通道主要工程单元面临的关键科学问题与关键技术问题进行提炼与归纳，针对海洋环境超宽特长钢壳混凝土沉管隧道建设关键技术、饱和交通下钢壳沉管和互通隧道火灾防控及智能交通管控关键技术、离岸海域大型桥梁多灾害极端作用及安全性能控制研究、跨海集群工程全寿命管理及耐久性保障关键技术、跨海集群工程智能建造关键技术、起伏风化岩人工岛成岛及海域互通立交建设关键技术6大课题分别开展研究及创新规划，给出主要研究内容及创新点，形成详细的创新规划实施方案。

一、工程概况

深中通道位于粤港澳大湾区核心战略区域，北距虎门大桥30 km，南距港珠澳大桥38 km，是国高网G2518（深圳—广西岑溪）跨珠江口关键控制性工程，是“十三五”国家重大工程。深中通道地理位置见图1。

图1 深中通道地理位置图

深中通道项目的建设对完善国家高速公路网和珠三角地区综合交通运输体系、推进粤港澳大湾区城市群深度融合发展、贯彻国家“一带一路”战略、落实习近平总书记对广东“四个走在全国前列”的新要求具有重要战略意义。

1.1 工程方案

工程位于内伶仃洋海域，水下地形为三滩两槽构造，表层淤泥层深厚，基岩埋深较大，区域新构造运动表现为强烈的垂直升降运动，工程全线断裂共11条，以北西向为主，均为非活动断层。场地潮流属于不规则半日潮类型，气候属于典型亚热带海洋性季风气候，台风频发，对工程建设有很大的影响。

项目采用设计速度为100 km/h的双向8车道高速公路技术标准，桥梁宽度为40.5 m，隧道建筑限界净宽为2×18.0 m，汽车荷载等级为公路-I级；设计使用年限100年。

路线全长约24 km，由东向西依次设置了东人工岛（岛面面积为34.38万㎡）、机场枢纽互通立交（匝道隧道部分）、海底沉管隧道（隧道全长6 845 m，沉管段长5 035 m）、西人工岛（岛面面积为13.7万㎡）、伶仃泄洪区非通航孔桥、伶仃洋大桥（主跨1 666 m的3跨连续全飘浮体系海中悬索桥）、非通航孔桥、万顷沙互通、中山大桥（主跨580 m的斜拉桥）、横门泄洪区非通航孔桥、马鞍岛陆域段引桥及横门互通立交（部分），全线设综合管理区1处、养护救援区1处。

深中通道主要构造物见图2。其中，沉管隧道总宽度为46~55.5 m，居世界之首（矾石水道沉管隧道示意图见图3）；伶仃洋大桥采用悬索桥方案，主跨1 666 m，是世界上最大跨悬索桥之一，综合规模和难度均大于世界同类工程。伶仃洋大桥示意图见图4。

图2 深中通道主要构造物示意图

图3 矾石水道沉管隧道示意图

图4 伶仃洋大桥示意图

1.2 项目建设目标

1）工程目标。建世界一流可持续跨海通道工程；创珠江口百年门户工程。具体要求为：安全舒适、优质耐久、绿色经济、和谐美观。

2）行业目标。依托项目进行延伸研究，攻克行业带有推广性的共性关键技术难题，形成可在行业内推广的关键技术成果，形成跨海隧-岛-桥-水下枢纽互通集群工程系列化的设计、施工指南、技术规范、工法、发明专利，并促进行业产业装备升级。

3）国家目标。进一步深化研究，形成跨海集群工程，建设新的中国标准，带动相关产业发展，提升国家竞争力，为交通强国建设、国家“一带一路”、“21世纪海上丝绸之路”等战略服务。

二、工程面临的主要建设挑战

深中通道项目建设条件复杂、工程规模宏大、综合技术难度非常高，是世界级的集“桥-岛-隧-水下枢纽互通”于一体的超大型跨海交通基础设施工程。主要建设挑战包括：

1）处于珠江口门、粤港澳大湾区核心位置，建设条件极为复杂。

项目起点位于深圳机场南侧，航空限高决定了项目东侧只能采用隧道方案，同时也对伶仃洋大桥桥塔高度以及投入到附近区域的施工装备高度提出了限制性要求；
项目线位穿越7条航道，其中矾石航道、伶仃西航道是珠江口的出海主航道，通航等级高，是世界最繁忙航道之一，这就决定了跨（穿）越航道的桥梁净高及隧道埋深，且通航安全管理问题突出；
项目位于珠江口门，所处区域台风等异常极端灾害气候频发，对伶仃洋大桥主梁抗风性能提出了极高的要求，对主桥及沉管浮运沉放施工带来了巨大挑战；
项目处于珠江口东四口门出海口河口湾，防洪纳潮敏感，阻水比控制严格；
项目穿越国家一级保护动物中华白海豚洄游区，区域内环保要求高。

工程海域航道情况示意图见图5。

图5 工程海域航道情况示意图

2）世界首例双向8车道海底钢壳沉管隧道，钢壳混凝土沉管国内首次应用、国际首次大规模应用，综合技术难度高，极具挑战性。

为适应项目沉管隧道超宽、变宽、深埋、大回淤技术特点，本项目在世界上首次应用了双向8车道超大跨钢壳混凝土沉管隧道结构型式（见图6），设计、预制及浮运安装难度极大，在结构设计上缺乏成熟的规范与标准，也面临着自流平混凝土制备及质量控制难度大等诸多难题；

同时，隧址区地质条件复杂，存在挖砂坑范围大、基槽回淤强度高、粉砂层地震液化、风化层软硬不均等诸多不利因素，超深挖砂坑软弱淤泥层的地基基础沉降控制、病害诱发机制和主动防控技术面临巨大挑战；

受航道水深条件、干坞预制场选址条件制约，预制场距离隧址达50 km，长距离管节浮运、长达5 km基槽横拖及穿越繁忙伶仃航道等不利因素，给沉管浮运和安装带来极大挑战。

图6 超宽钢壳混凝土沉管示意图

3）世界最大跨离岸悬索桥（主跨1 666 m），且位于强台风频发区，技术难度高。

本项目处于珠江口开阔水域，是强台风区，伶仃洋大桥为离岸超大跨径三跨吊全飘浮体系悬索桥，桥梁结构柔、阻尼比小、桥面超高，颤振检验风速高达83.7 m/s，伶仃主桥的抗风问题突出。伶仃洋大桥是全离岸结构，2个锚碇位于海中，国内外罕有类似案例供参考，建设经验不足；同时，还存在外海高温高湿高盐环境悬索桥主缆的耐久性、大交通量高货车比例条件下正交异性钢桥面板疲劳耐久性等系列世界性难题。

4）海域水下枢纽式匝道隧道与双向8车道超长海底沉管隧道组合属世界首例，运营安全与防灾救援面临极大挑战。

机场互通立交为世界首例采用高速公路水下枢纽立交，超大交通量、高货车比、无主线收费站，危化品车管控难，运营安全问题突出；

超大断面钢壳混凝土沉管结构防火标准缺乏，特长超宽隧道通风排烟技术不成熟，海底互通式隧道交通流态势研判及智能管控技术薄弱；

同时，水下枢纽互通的隧道内存在多次分合流，行车视距受限，安全问题突出。

5）海域超宽深基坑防渗止水难度大。东人工岛隧道基坑处于水中回填砂填筑区段，淤泥层的厚度大，地下水位与海水相持平，并且与海水相贯通；堰筑段施工区位于水中，堰内陆域标高比最低海平面水位低5 m左右，基坑最宽72 m，最深20 m，基坑体量大，且下伏风化花岗岩，防渗止水难度大，施工风险高。

6）粤港澳大湾区几何中心，海陆空视点丰富，社会关注度高，对项目建设品质提出要求高。本项目位于粤港澳大湾区的几何中心，紧邻深圳前海新区、广州南沙新区、中山翠亨新区，东接深圳机场，向西跨越珠江口各条主航道，周边自然环境优美，海陆空立体视点丰富。项目的建设受到沿线地市及珠江口两岸人民的高度关注，如何把项目建成与大湾区城市规划、自然环境和谐的珠江口门户工程是需要慎重考虑的问题。

深中通道海底隧道是世界首例双向8车道海底钢壳混凝土沉管隧道，钢壳沉管隧道规模及技术复杂性居世界首位；机场互通立交为国内首例高速公路水下枢纽互通；伶仃洋大桥是世界已建跨海桥梁中跨径最大的全离岸海中悬索桥，其抗风标准为世界最高之一。因此，深中通道是目前世界上综合技术难度最大的交通基础设施工程。

深中通道与国内外现有跨海集群工程对比见表1。

三、前期开展的主要工作

3.1 工可立项阶段

深中通道前期研究工作自2002年开始，历时14年（2002—2015年）。深中通道作为连接珠江东西两岸的战略性通道，项目的建设将完善珠江三角洲城市交通格局，且项目建设条件异常复杂，涉及行业众多，受到航空限高、通航净空、防洪纳潮等多因素条件制约。

针对项目建设条件及海中段工程方案进行了长达8年（2008—2015年）的反复研究和论证。项目的工程方案比选、通航安全影响论证工作被认为是我国交通行业最深入、最彻底的一次。高标准、高质量组织完成了60余项建设条件、关键技术、前置专项、设计参数等专题研究工作，对海底隧道方案、通航标准等关键技术问题先后组织国内、国际多家单位开展平行研究。高标准、高要求组织开展了船舶大型化发展趋势及通航标准等22项专题研究，组织了国内外5家权威单位开展平行咨询研究。对任何可能有价值的跨海通道方案均进行了同深度平行论证研究，从工程安全、风险控制、功能、海洋环境、工期和造价等方面进行综合比选，最终推荐A3东隧西桥方案。

3.2 初步设计阶段

根据深中通道工程特点及工可批复意见，初步设计阶段（2016年1月—2017年3月）针对性开展了建设条件、技术标准、总体设计、设计参数和关键技术（桥梁、隧道、人工岛）、沉管隧道总体施工组织设计等40个专项研究，这些研究成果较好地支撑了项目总体设计方案和推荐工程方案，回答了行业主管部门和专家所关注的重点问题，使得项目初步设计成果顺利得到交通运输部的批复。

3.3 施工图设计阶段及建设期

在明确了项目推荐工程方案后，针对海中超大跨径悬索桥、海底钢壳混凝土沉管隧道、饱和交通量下超宽沉管隧道与水下枢纽互通立交组合的运营安全、水下枢纽互通立交施工技术问题等开展了一系列针对性研究，施工图设计阶段和联合设计阶段组织开展一系列科研试验，以利于与设计、施工更好地结合。

四、科技创新的理念和原则

4.1 科技创新工作遵循的主要理念

1) 围绕1个中心。保障工程安全高效高品质建设为科技创新的中心。

2) 聚焦2类问题。聚焦各工程单位的关键科学问题及关键技术问题。

3) 统筹3个层次。国家专项、科技厅专项、交通厅课题一体化统筹。

4) 立足4大支点。以安全、耐久、智慧、绿色为科技创新的着力点。

5)设立6项课题。设立钢壳混凝土沉管、运营安全、海中悬索桥、耐久性保障、智能建造、风化岩地基人工岛成岛及海域互通立交等6大课题。

4.2 各课题研究内容设立遵循的原则

1）问题导向、需求引领。按照不同工程单元的建设目标，梳理关键科学与技术难题，围绕关键科学与技术难题，寻找现有的、适用的技术方案或创新需求。

2）吸收借鉴、创新提升。充分吸纳和借鉴虎门二桥、港珠澳大桥、香港机场第3跑道等类似工程的科研成果（包括大体积混凝土耐久性保障技术、1 960 MPa超高强主缆钢丝索股技术、钢圆筒快速成岛技术、深层水泥搅拌DCM技术等）。

在钢壳混凝土沉管受力机制、全离岸悬索桥海中锚碇与抗风技术、水下枢纽式匝道隧道运营安全与防灾救援、智能建造等鲜有成熟技术可借鉴的方面，设置专项课题进行创新提升。

3）资源整合、高效组织。充分调动本项目设计、施工、装备单位的科研积极性，联合行业领军科研机构、著名高校，组建产学研用相结合的课题组，实现资源的高效组织与合力攻关，开展“桥、岛、隧、水下枢纽互通”跨海集群工程建设关键技术研究，构建科研、设计、施工、装备“四位一体”互动机制，真正让技术创新为设计、施工、管理养护建养全过程一体化服务，见图7。

图7 科研、设计、施工、装备“四位一体”互动机制

五、关键科学与技术问题

5.1 沉管隧道

1）关键科学问题

①钢壳组合沉管结构受力机制及计算方法；

②深层水泥搅拌桩与桩间土复合地基承载机制；

③不良地质条件下沉管隧道病害诱发机制与破坏模式。

2）关键技术问题

①钢壳混凝土沉管隧道结构合理构造技术；

②深层水泥搅拌桩施工质量控制技术；

③高稳健自流平混凝土制备及施工工艺；

④长距离浮运沉放一体船及碎石整平装备研发。

5.2 运营安全

1）关键科学问题

①钢壳沉管耐火极限标准及火灾场景构建方法；

②超宽断面及水下互通式隧道火灾致灾机制；

③海底互通立交式隧道紊流状态下交通流回波模型。

2）关键技术问题

①海底超宽沉管隧道及水下互通式隧道通风排烟控烟技术；

②超大断面钢壳沉管和互通式隧道火灾安全保障技术；

③海底互通隧道安全风险预防及智能干预技术。

5.3 海中悬索桥

1）关键科学问题

①海洋极端环境超大跨桥梁结构灾变机制；

②多灾害耦合作用下桥梁性能评价和安全评定。

2）关键技术问题

①极端动力作用桥梁综合抗灾技术及系统；

②离岸海中超大跨径悬索桥设计施工关键技术；

③多灾害作用下海中超大桥梁结构体系及装备；

④海中桥梁船撞智能监测技术及预警技术。

5.4 耐久性保障

1）关键科学问题

①基于多场耦合的海工混凝土收缩开裂机制；

②海洋环境钢壳沉管多重防腐体系的腐蚀机制；

③海洋腐蚀环境主缆钢丝劣化机制；

④正交异性钢桥面板疲劳破坏及失效机制。

2）关键技术问题

①海工混凝土裂缝控制及耐久性保障关键技术；

②海洋环境下超宽钢壳混凝土沉管隧道耐久性保障技术；

③超高强φ6 mm大直径主缆钢丝索股防腐关键技术；

④正交异性桥面板高品质焊接接头抗疲劳性能关键技术；

⑤建养一体化监测养护管理系统；

⑥平安百年品质工程管理体系。

5.5 智能建造关键技术问题

1）钢结构智能制造及智能涂装应用技术；

2）钢壳沉管智能浇筑技术；

3）钢壳混凝土脱空智能检测技术；

4）预制梁智能梁场；

5）基于BIM+移动互联网的智慧工地。

六、课题设置及预期创新点

深中通道工程是集超宽海底沉管隧道、超大跨桥梁、海中人工岛、海域水下枢纽互通“四位一体”的世界级集群工程，是复杂巨系统工程，综合技术难度非常大。本项目研究工作主要以解决深中通道建设、运营和养护中存在的关键技术难题为目标，以支撑深中通道顺利建设为出发点，以超宽深埋特长变宽钢壳混凝土沉管隧道、海域水下枢纽互通立交运营安全、海上超大跨径悬索桥、跨海集群工程耐久性保障、跨海集群工程智能建造及海域地下互通深基坑工程为研究对象，结合深中通道建设和运营中的技术特点和难点，针对集群工程复杂、海中结构设计施工难度大、运营安全与应急救援系统性强、行业升级发展要求高等方面存在的技术瓶颈，通过研究新技术、新装备、新方法、新材料、新工艺等，提出合理、有效、经济、可靠的技术措施。

因此，围绕深中通道项目开展深中通道跨海集群工程建设及运营关键技术研究与工程示范项目的研究工作，也是贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，落实交通运输部品质工程建设要求，围绕工程设计、建设、运营全过程的核心关键技术问题，开展产学研联合攻关和技术创新工作，调动各方技术资源，形成合力，用创新技术成果将深中通道建设成为世界一流的可持续跨海通道，打造成为跨海集群的品质工程、绿色工程和珠江口百年门户工程。

6.1 课题设置及主要研究内容

项目总体技术路线如图8所示。

图8 项目总体技术路线图

6.2 预期的主要创新点

1）突破特长超宽钢壳混凝土沉管隧道设计理论，提出设计计算方法及关键构造；研发高体积稳定性钢壳自密实混凝土配制技术及施工工艺；研发特长超宽混凝土沉管长距离浮运沉放一体船，填补国内外空白；提出海中深层水泥搅拌桩加固设计理论、工艺及质量控制技术，丰富我国海底沉管隧道地基处理类型; 研制超宽钢壳混凝土沉管隧道最终接头关键技术；建立不良地质条件下海底超大变宽沉管隧道病害演化理论；揭示隧道病害诱发机制与破坏模式，形成隧道病害分级标准及评价体系；研发海底沉管隧道全寿命周期的主动防控技术。

2）揭示火灾高温时钢壳沉管结构耐火性能，形成海底钢壳沉管隧道结构防火抗灾集成技术；基于多因素耦合作用下火灾排烟规律和应急疏散特性，建立饱和交通下超大断面沉管隧道排烟与应急救援技术体系；研究饱和交通下海底互通式隧道交通流模式，研发VR综合仿真平台，建立海底互通式隧道态势研判及智能管控技术体系。

3）建立华南沿海地区台风风场模型和强台风区离岸海中悬索桥风荷载设计作用标准，研发超大跨悬索桥施工全过程抗风安全性能实用控制技术，建立基于抗风安全性能的整体钢箱梁悬索桥极限跨径预测模型；建立考虑新填筑岛体变形影响的海中超大型重力式锚碇基础设计方法，研发厚覆盖层、起伏基岩下海中超大型锚碇基础施工工艺及控制技术；建立多灾害作用下跨海超大跨桥梁结构体系设计的主要目标参数，提出多灾害作用下超大跨缆索承重桥梁适宜多功能组合结构体系及设计方法，研发大跨径缆索承重桥梁结构体系实现关键装置；提出跨航道桥梁船舶撞击模式和灾情演变规律，建立桥梁跨航道多层次船撞安全预警数学模型和动态安全评价机制，构建跨海航道桥梁防撞智能安全预警系统及防护系统。

4）建立基于可靠度理论的混凝土结构全生命耐久性设计方法，提出海工混凝土裂缝控制及耐久性保障关键技术；提出海洋环境下超宽钢壳混凝土沉管隧道耐久性保障技术，研发迎水面“预留腐蚀厚度+重涂装+外置牺牲阳极块”的三重钢壳防腐技术；研制具有良好防腐性能的φ6 mm大直径超高强度主缆钢丝索股；建立“隧-岛-桥-地下互通”跨海集群工程建养一体化监测养护综合管理系统。

5）研发钢壳智能制造“四线一系统”及钢箱梁组焊一体、全熔透技术；基于BIM、智能传感和物联网技术，研发钢壳沉管自密实混凝土及预制梁混凝土智能浇筑技术；研发钢壳混凝土沉管隧道脱空智能检测技术和厚钢板下混凝土脱空定量检测仪器；建设基于BIM+移动互联网的智慧工地。

6）提出风化岩深基坑渗流控制技术，形成斜向浪作用下岛壁结构稳定关键技术，研发风化岩地基条件下钢圆筒振沉技术，建立人工岛对滨海桥梁影响与变形控制技术。

项目将以“基础理论研究、关键技术研发、系统平台构建、工程应用示范”为主线进行链条式设计。预期研究成果包括：理论/方法/模型、核心技术、软件系统、平台及设备装置、应用示范、指标类成果、人才培养。

七、结语

本文在分析深中通道工程建设挑战的基础上，对深中通道面临的关键科学与技术问题进行了系统凝练分析，提出了科技创新实施方案，为工程顺利建设提供了坚实基础，也为同类工程提供了参考。

专家简介

宋神友，深中通道管理中心副主任兼总工程师，教授级高级工程师。先后主持了多座大斜拉桥、大跨径梁桥及多条高速公路的勘察设计工作。

近十年主要从事深中通道项目桥-岛-隧集群工程的工程技术及科研管理工作。倡导建筑设计与结构设计深度融合建设理念，实现工程与自然和谐共生；积极推行跨海交通集群工程智能建造，促进交通基础设施行业高质量发展。

主持《深中通道项目建设关键技术研究》、《海洋环境下钢壳混凝土沉管隧道建设关键技术研究》、《主缆长效防腐关健技术》等多项省部级科研课题。曾获中国公路学会科技进步特等奖1项，省部级科技进步三等奖3项，中国公路学会BIM工程创新特等奖1项。

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