港珠澳大橋沉管隧道路面問題的探討與改良構(gòu)想

林鳴，林巍，劉曉東，尹海卿

（1.中國交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100088；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088；3.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

港珠澳大橋沉管隧道路面問題的探討與改良構(gòu)想

林鳴1，林巍2，劉曉東2，尹海卿3

（1.中國交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100088；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088；3.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

由于隧道路面不處于日照與雨水的開敞環(huán)境中，所以從耐久性角度考慮，通常認(rèn)為隧道的路面環(huán)境相比開敞環(huán)境較為有利。該情況可能不適用于港珠澳大橋沉管隧道的路面?；诟壑榘拇髽驆u隧工程施工期在隧道內(nèi)的長期觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)每年有5個(gè)月隧道內(nèi)持續(xù)的潮濕，并且管節(jié)接頭存在往復(fù)張合運(yùn)動(dòng)。經(jīng)原因分析，判斷這些問題在隧道運(yùn)營期仍有可能存在。并且，對(duì)近期修建的國內(nèi)外（水下）隧道路面進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)路面早期損壞現(xiàn)象較常見。港珠澳大橋沉管隧道位于55 km的跨海通道中部，無替代路線，為避免隧道投入使用后路面在很短時(shí)間就損壞，導(dǎo)致修補(bǔ)，甚至封閉隧道，引起整條跨海通道不通順或運(yùn)營中止，針對(duì)隧道路面面層提出改良建議。

港珠澳大橋；島隧工程；沉管隧道；路面；反射裂縫；無縫伸縮縫

1 背景

港珠澳大橋是連接珠海、澳門與香港的通道[1]，全長大約55 km。除了海中橋梁段，該通道還包括一條長6.7 km的海底隧道。通過修建2個(gè)人工島，海底隧道的兩端與海中的橋梁相接。

隧道由沉管工法建造，沉管段總長度5.664 km，包括33個(gè)管節(jié)，每個(gè)管節(jié)由8個(gè)節(jié)段組成。為適應(yīng)基礎(chǔ)沉降，沉管管節(jié)縱向體系采用半剛性構(gòu)造，即運(yùn)營期節(jié)段與節(jié)段接觸面之間一直保留正壓力與摩擦力，當(dāng)沉降較大時(shí)允許發(fā)生一定量的轉(zhuǎn)動(dòng)與豎向差異變形。

隧道底板為鋼筋混凝土，往上依次是壓重混凝土（剛性路基）、30 cm調(diào)平層，以及原方案的10 cm復(fù)合瀝青面層。

與路面關(guān)聯(lián)的項(xiàng)目特點(diǎn)有：

1）春夏高濕季節(jié)隧道內(nèi)的溫度較低，而大氣溫度較高（溫差達(dá)到10℃），施工期間已觀察到冷凝水持續(xù)析出的現(xiàn)象。

2）管節(jié)長180 m。年溫度變化引起管節(jié)縱向的膨脹與收縮，隨之，管節(jié)接頭每年一張一合。

3）深厚的軟基。沉管隧道下方的軟土地基厚度30～50 m，運(yùn)營期可能出現(xiàn)沉降與差異沉降。

4） 回淤（或海床演變）。港珠澳大橋隧道可能是世界上唯一的深埋沉管隧道，在運(yùn)營期，隧道上方將增加20 m的覆土荷載。

這些特殊的環(huán)境條件作用于沉管隧道結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)路面有可能帶來直接危害。2014年初沉管隧道安裝長度超過1 km（總長5.664 km），從累積的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及隧道內(nèi)持續(xù)潮濕的現(xiàn)象來判斷，有必要對(duì)路面運(yùn)營期使用時(shí)可能存在的問題進(jìn)行探討。如果路面在使用后很短的一段時(shí)間內(nèi)就損壞，大規(guī)模的維護(hù)、修補(bǔ)，甚至封閉通道，將帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失與不利的社會(huì)影響。

2 問題與探討

2.1 深埋沉管與潮濕氣候

經(jīng)隧道內(nèi)長期觀察，發(fā)現(xiàn)每年5—9月的潮濕季節(jié)，即回南天，隧道內(nèi)壁及施工路面處于持續(xù)潮濕狀態(tài)，如圖1所示。經(jīng)查找原因，是冷凝水造成的。由于隧道內(nèi)溫度低于環(huán)境溫度，且空氣濕度大（參考表1），所以熱空氣進(jìn)入隧道內(nèi)發(fā)生冷凝。

圖1 隧道內(nèi)潮濕狀況Fig.1 Moisture condition inside tunnel

表1 月平均濕度統(tǒng)計(jì)Table 1 Summary of monthly mean moisture content

隧道內(nèi)路面每年5個(gè)月處于持續(xù)潮濕狀態(tài)，與常規(guī)認(rèn)為的隧道路面比開敞環(huán)境路面的防雨條件好的常識(shí)相違背。因此原方案對(duì)于該隧道的適用性，從路面使用壽命、維護(hù)代價(jià)及行車安全方面[2]，值得考量。

2.2 管節(jié)接頭

2.2.1 張合問題

海底隧道采用的是沉管工法，隧道縱向有34個(gè)管節(jié)接頭，管節(jié)接頭在端面上是一圈柔性的橡膠。盡管管節(jié)四周有一般回填碎石，對(duì)結(jié)構(gòu)表面運(yùn)動(dòng)起到一定的約束作用，但監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)管節(jié)接頭張合量每年往復(fù)變化[3]，如圖2所示，兩端變化幅值比中部略大。原因是180 m長的管節(jié)結(jié)構(gòu)，隨著溫度的升高與降低，發(fā)生膨脹與收縮，發(fā)生圖2所示的張合變化。

圖2 施工期管節(jié)接頭張合量-時(shí)間監(jiān)測(cè)曲線Fig.2 Monitoring curves of immersion joint openingclosing with time in construction period

2.2.2 豎向差異沉降

港珠澳大橋島隧工程采用精細(xì)化地質(zhì)勘察，為控制沉降，基礎(chǔ)方案做過大量改良，并開發(fā)專用清淤設(shè)備及基礎(chǔ)施工船舶，嚴(yán)格控制基礎(chǔ)施工質(zhì)量，目前施工期的沉降被控制在平均沉降5 cm，差異沉降不超過1 cm的水平。盡管如此，考慮港珠澳大橋沉管隧道是世界上唯一的深埋沉管，即路面施工之后，未來的幾年隧道會(huì)逐漸因頂部回淤而加載，同時(shí)考慮沉管隧道下方是軟土地基，軟土層厚度從30～50 m變化不等，仍然存在管節(jié)接頭部位發(fā)生差異沉降的可能。

綜上兩點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，管節(jié)接頭部位存在縱向與豎向的相對(duì)位移，路面層施工完成后，運(yùn)營期上述現(xiàn)象仍然會(huì)發(fā)生，管節(jié)接頭上方的路面層就可能出現(xiàn)反射裂縫。如處理不當(dāng)，將導(dǎo)致半年內(nèi)所有管節(jié)接頭的失效，進(jìn)而引起隧道的維護(hù)甚至封閉，導(dǎo)致整個(gè)跨海通道不通暢或封閉，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.3 節(jié)段接頭

本項(xiàng)目沉管隧道有33個(gè)管節(jié)，由于管節(jié)預(yù)制采用流水線工廠法，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)包含7個(gè)節(jié)段接頭，間隔22.5 m，整條隧道有219個(gè)節(jié)段接頭。

節(jié)段接頭允許一定量的轉(zhuǎn)動(dòng)與豎向位移。港珠澳大橋島隧工程已將原案的“柔性”管節(jié)變更為“半剛性”管節(jié)[4]，即保留預(yù)應(yīng)力，提高節(jié)段接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與豎向相對(duì)位移剛度，因而對(duì)防止路面反射裂縫起到一定的積極作用。但是，施工期的位移沉降監(jiān)測(cè)已觀察到了節(jié)段沉降的不均勻特點(diǎn)。圖3所示為路面層施工以后以及回填施工以后E12管節(jié)的8個(gè)節(jié)段測(cè)得的沉降變化。路面施工完成后，在隧道頂部因回淤積累荷載逐漸增加，比對(duì)觀測(cè)結(jié)果判斷，運(yùn)營期節(jié)段接頭也可能發(fā)生豎向差異變形與轉(zhuǎn)動(dòng)。況且，節(jié)段接頭數(shù)量眾多，節(jié)段接頭防止反射裂縫的處理是一個(gè)值得斟酌的問題。

圖3 E12管節(jié)節(jié)段沉降值監(jiān)測(cè)曲線Fig.3 Monitoring curves of E12 segment settlement monitoring data

2.4 暗埋段與敞開段的伸縮縫

與隧道內(nèi)路面比較而言，暗埋段的溫度變化更劇烈，而敞開段暴露在大氣條件，且直接受到雨水影響，車輛剎車頻率較高。所以暗埋段與敞開段的縱向縫也是需要特別注意的問題。路面層需要能適應(yīng)縱向與豎向的運(yùn)動(dòng)，且敞開段的路面層需要較高的耐磨性能。

2.5 近期建成的隧道項(xiàng)目路面狀況調(diào)研

注意到上述問題，調(diào)研了近期建成的隧道項(xiàng)目路面（表2），發(fā)現(xiàn)該問題具有一定的普遍性。

表2 近期建成的隧道路面調(diào)研Table2 Pavementconditionsurveyofrecentlybuilttunnel

2.6 路面問題討論

港珠澳大橋隧道路面將持續(xù)潮濕5個(gè)月；每隔大約180 m的位置其“路基”就會(huì)發(fā)生3 cm縱向張合位移，并且可能發(fā)生1 cm豎向差異變形；隧道路面有219處（間距22.5 m）“路基”會(huì)發(fā)生少量轉(zhuǎn)動(dòng)與豎向差異變形；敞開段與暗埋段路面問題相似。以上可知，對(duì)隧道路面層、管節(jié)接頭、節(jié)段接頭，以及洞口段都需謹(jǐn)慎處理，避免早期損壞。

施工期觀察到每年5個(gè)月隧道內(nèi)有持續(xù)冷凝水，且水量很大，導(dǎo)致施工路面長期潮濕。隧道開通之后，內(nèi)外溫差的差異相比施工期可能會(huì)減小，冷凝水現(xiàn)象可能會(huì)有所好轉(zhuǎn)。然而，隧道路面長期處于潮濕狀態(tài)的概率仍然很大。從路面結(jié)構(gòu)方面需要關(guān)注以下幾個(gè)問題。

1）潮濕一直是瀝青路面的最大問題。施工期觀察到5個(gè)月的潮濕也許可以說相當(dāng)于連續(xù)下5個(gè)月的雨的路面設(shè)計(jì)工況。要確保路面壽命，確保路面不過早大修以避免55 km跨海通道運(yùn)行不暢或停運(yùn)。

2）隧道的路面修補(bǔ)環(huán)境不如開敞路面修補(bǔ)環(huán)境?？紤]封閉空間的通風(fēng)、排煙等問題，隧道路面修補(bǔ)時(shí)，如果環(huán)境惡劣，整個(gè)隧道可能需要封閉，不同于開敞路面只需封閉某個(gè)車道。超長跨海通道隧道路面修補(bǔ)對(duì)通行的影響比開敞環(huán)境的影響要大。

3）港珠澳大橋隧道處于全長55 km的外海通道的海中央，無替代通道。一旦隧道封閉，意味著切斷整個(gè)主通道。

從行車安全方面還需關(guān)注：港珠澳大橋設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，運(yùn)營期路面如果也像施工期一樣，長期處于非常潮濕的狀態(tài)，前方行駛的車輛可能會(huì)帶起水霧，后方車輛視線受到影響，再加上隧道內(nèi)路面的平面線形有一段1 km的曲線段，可能會(huì)帶來行車安全問題。

3 路面問題解決方案探討

3.1 路面層結(jié)構(gòu)

原方案與兩個(gè)構(gòu)想方案如圖4示意。構(gòu)想方案一采用排水性路面來解決隧道內(nèi)5個(gè)月的潮濕問題，并且增強(qiáng)了行車的安全度。方案二相對(duì)較經(jīng)濟(jì)，維持原方案面層結(jié)構(gòu)不變，增加了1層3 cm厚的改性瀝青AC10下面層，目的是延緩面層在長期潮濕環(huán)境中的損壞。從全壽命成本的考慮[1]出發(fā)，采用方案一的澆筑式面層有利于路面的長壽，采用排水性路面有利于解決水霧、打滑等潮濕路面影響行車安全的問題，并且對(duì)于高速行駛的車輛起到降噪的作用。

圖4 路面原設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化構(gòu)想Fig.4 Original design scheme of pavement and the optimization configurations

3.2 管節(jié)接頭、暗埋段與敞開段伸縮縫

圖5 管節(jié)接頭方案優(yōu)化構(gòu)想Fig.5 Immersion joint optimized solution configuration

為了適應(yīng)接頭近3 cm的張合運(yùn)動(dòng)與預(yù)計(jì)最大1 cm的豎向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)兼顧行車舒適感，采用瀝青伸縮縫接頭的解決方案構(gòu)想（圖5）。首先在管節(jié)接頭正上方，路面施工縫部位開槽，然后填筑伸縮縫材料，相關(guān)技術(shù)要求參考文獻(xiàn)[5]。

3.3 節(jié)段接頭

為避免或減緩反射裂縫，節(jié)段接頭可采用管節(jié)接頭類似的處理方式。但考慮到節(jié)段接頭數(shù)量為219個(gè)，從經(jīng)濟(jì)性角度，也可在路面的下面層增加防反射裂縫構(gòu)造措施來降低節(jié)段接頭部位路面層損壞風(fēng)險(xiǎn)。

圖6為幾個(gè)可能的解決方案的構(gòu)想。這幾個(gè)方案的出發(fā)點(diǎn)，都是通過構(gòu)造或材料措施，來分散節(jié)段接頭的張合作用，將基層發(fā)生的水平位移更均勻地傳遞與分散至面層。

圖6 節(jié)段接頭路面問題解決構(gòu)想方案Fig.6 Pavement configurations schemes above the segment joint

4 結(jié)語

與建筑或結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相比較，路面設(shè)計(jì)對(duì)公共安全的隱患似乎較小，更多的是經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，即材料與施工中是否投入過多或過少的問題[6]。而對(duì)于55 km長的港珠澳跨海通道，隧道是海中的必經(jīng)之路，如果因?yàn)槁访媸褂貌坏綆啄晟踔涟肽昃托枰扪a(bǔ)，造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響是難以估量的。瀝青路面面層結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是路面壽命與其實(shí)現(xiàn)所期望的功能不可分割的要素；面層厚度是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)[6]。

本文基于對(duì)工程環(huán)境的深入認(rèn)識(shí)，包括回南天、深埋、軟基、節(jié)段構(gòu)造以及回淤荷載，報(bào)告了施工期間隧道內(nèi)大量冷凝水與5個(gè)月的持續(xù)期，總結(jié)了多年管節(jié)接頭張開量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比了節(jié)段接頭加載前后的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，綜合判斷原方案路面構(gòu)造在該特殊項(xiàng)目環(huán)境下有可能出現(xiàn)反射裂縫并發(fā)生破壞，導(dǎo)致較高的維護(hù)與修補(bǔ)成本。對(duì)于超長跨海通道，隧道路面的修補(bǔ)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的交通不暢、較大經(jīng)濟(jì)損失以及不利的社會(huì)影響。從全壽命成本出發(fā)，提出了解決構(gòu)想：用5 cm厚澆筑式路面結(jié)構(gòu)層提高路面壽命，用排水性面層解決潮濕問題，進(jìn)而降低水霧、防止打滑、降低路面早期損害概率；對(duì)于管節(jié)接頭、節(jié)段接頭，以及隧道暗埋段與敞開段的伸縮縫部位，采用無縫伸縮縫或防反射裂縫的路面構(gòu)造來避免面層早期破壞。

[1] 尹海卿.港珠澳大橋島隧工程設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2014，34（1）：60-66.YIN Hai-qing.Key technologies applied in design and construction of artificial island and immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge(HZMB)Project[J].Tunnel Construction,2014,34(1):60-66.

[2]JTG D50—2017，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].JTG D50—2017,Specifications for design of highway asphalt pavement[S].

[3] 李哈汀，胥新偉，高潮，等.港珠澳大橋沉管隧道施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].中國港灣建設(shè)，2015，35（7）：49-52.LI Ha-ting,XU Xin-wei,GAO Chao,et al.Construction monitoring system of immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering,2015,35(7):49-52.

[4]林鳴，林巍.沉管隧道結(jié)構(gòu)選型的原理和方法[J].中國港灣建設(shè)，2016，36（1）：1-5，36.LIN Ming,LIN Wei.Principles and methods for structural-type selection of immersed tunnel[J].China Habour Engineering,2016,36(1):1-5,36.

[5] ASTM D 6297,Standard specification for asphaltic plug joints for bridges[S].

[6] LAVIN Patrick.Asphalt pavements:a practical guide to design,production,andmaintenanceforengineersandarchitects[M].London:Spon Press,2003:75.

Discussions on pavement problem of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel and its improvement

LIN Ming1,LIN Wei2,LIU Xiao-dong2,YIN Hai-qing3
（1.China Communications Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.CCCC Highway Consultancy Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;3.CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

The pavement in the tunnel does not expose to the sunlight and rain,thus,from the perspective of durability,it is generally considered that the pavement environment of the tunnel is more favorable than the open environment.This may not apply to the pavement of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel.Based on the long term observation in the construction of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island and tunnel project,we found that there is continues moisture in the tunnel within 5 months each year,and there exists a reciprocating opening-closing movement in the pipe joint.By analyzing the reason,it was judged that the problem still exists in the service period.And,some recently constructed tunnels were investigated,early damages of road surface were commonly seen.The Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel is located in the middle of the 55 km cross-sea channel,there is no alternative route.In order to avoid quick damage of road surface after the tunnel is put into use,which causes repairs,and even closing of the tunnel,leading to the slow traffic or close of the entire link,we proposed improvement suggestions to the pavement.

Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;island and tunnel project;immersed tunnel;pavement;reflection crack;seamless expansion joint

U455.46；U452.25

A

2095-7874（2017）10-0001-05

10.7640/zggwjs201710001

2017-08-08

林鳴（1957— ），男，江蘇南京人，總工程師，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事水工及路橋施工技術(shù)管理。

E-mail：linming1004@sohu.com