深中通道上游距虎门大桥30km，下游距港珠澳大桥约38km，工程起自广深沿江高速公路机场互通式立交，接广深沿江高速公路，通过拟建的广深沿江高速公路二期工程与机荷高速公路对接，向西跨越珠江口，在中山马鞍岛登陆，止于横门互通立交，顺接中开高速公路。采用八车道高速公路标准建设，设计速度为100km/h。工程由隧道、桥梁、人工岛及海底互通组成，全长约24 km。隧道长6845m，其中沉管段长5035m，采用钢壳混凝土组合结构，整体式管节，纵向刚性结构体系；岛上段长1810m，采用钢筋混凝土结构；全线设置东、西两处人工岛，东岛长930m，西岛长625m；桥梁长约16.9km，包括伶仃航道桥、中山大桥、非通航孔桥、岛桥结合桥等；伶仃航道桥采用530m+1660m+530m三跨吊全漂浮体系，中山大桥为主跨580m斜拉桥，泄洪区非通航孔桥为110m跨径，上部采用双幅钢箱梁结构，下部采用整体式桥墩。浅水区非通航孔桥采用60m跨径整孔吊预应力混凝土梁桥。岛桥结合段非通航孔桥采用45m跨径预应力混凝土现浇箱梁。
规模和难度大于世界同类工程
深中通道是集超宽超长海底隧道、超大跨海中桥梁、深水人工岛、水下互通“四位”一体的集群工程，规模空前、建设条件复杂、综合技术难度高，是我国继港珠澳大桥之后难度更大的又一项世界级重大跨海交通工程。与深中通道类似的桥岛隧集群工程国内外主要有丹麦至瑞典的厄勒海峡通道、韩国釜山至巨济岛通道和我国刚竣工的港珠澳大桥。深中通道无论隧道还是桥梁，其规模和难度均大于世界同类工程，见表1。
深中通道采用八车道高速公路标准，沉管隧道总宽度达到了46～55.5m，行车道单孔跨度达18.3m，沉管隧道宽度及跨度均居世界之最。同时还具有大回淤、深埋等特点，采用传统的钢筋混凝土结构很难满足受力及耐久性的要求。合理选择沉管隧道结构形式，如何确保施工质量与安全，是本工程的难点和重点。另外，珠三角地区水深浅、地质条件差，沉管隧道预制干坞选址难度很大。西人工岛位于采砂区，工程地质条件复杂，岛上隧道止推段基坑止水难度大。
伶仃航道桥主跨为1666m，桥位距中山侧海岸约10km，桥下通航净空为76.5m，桥面设计风速达到了53.7m/s。伶仃航道悬索桥抗风以及大型海中锚碇的设计施工，为本工程桥梁的关键技术难题。
机场互通为海底互通立交，主线隧道宽度从46m变化到69.8m，匝道的最小半径为125m，最大纵坡为3.78%。其设计施工技术及运营期的行车安全保障措施，是深中通道设计的又一大挑战。
设计原则及思路
深中通道作为超级集群工程，已经远远超越了单纯的隧道、桥梁、水工的设计思路，需要用跨领域、系统化的理念来设计，需要优先考虑施工工艺和方法作为设计的前提条件，需要整合隧道、桥梁、水工、疏浚、材料、装备等不同领域优势资源，站在国家整个工业化发展的高度来思考问题、解决问题。
深中通道以满足建设条件为前提，以功能需求为导向，以科研为支撑，以创新为灵魂，以实现平安交通、绿色交通和智慧交通为目标，开展勘察设计工作。
根据深中通道的项目特点，设计遵循“标准化、工厂化、智能化、一体化”的理念和原则。“标准化”和“工厂化”是相辅相成的，只有做好标准化才能实现工厂化，工厂化能够改善施工条件，提高工程质量。沉管隧道结构、桥梁主梁、桥墩墩身等尽可能做到全线的标准化，有利于工厂化制造，减少现场施工作业量，缩短工期，确保施工质量。钢结构的采用是实现标准化、工厂化，满足绿色交通的最好途径；“智能化”主要体现在工厂制造、施工装备以及运管期间的监测养护。超大型海中工程的建设质量与效率主要取决于大型施工装备，如大型超宽的碎石整平船、海中深水深层搅拌桩（DCM）船、沉管浮运安装一体化船、大型主梁浮吊船等，智能化越高，越有利于提高效率，确保工程质量。“一体化”主要指在设计阶段应将建设、运营、养护进行一体化考虑，应始终贯彻全寿命设计的理念。深中通道通过驾驶模拟仿真技术，进行运营期间的行车安全性评价，进行主线平面及长纵坡、机场海底互通平纵、隧道内交通标志标线设置等进行优化。应用仿真模拟技术对运营阶段进行模拟试验，是实现一体化的有效手段之一。
工程主要技术方案
伶仃航道桥
为满足伶仃航道、龙穴水道的通航要求，伶仃航道桥的桥跨布置为570+1666+570m。通过对独柱塔分离箱空间缆悬索桥、A形塔整体箱空间缆悬索桥、门式塔平面缆悬索桥方案的研究比较，最终将门式塔平面缆悬索桥作为实施方案。伶仃航道桥采用三跨吊全漂浮体系，矢跨比1/9.8，主缆在塔顶和锚碇处间距均为42.1m。总体布置见图1所示。
图1 主跨1666m门式塔平面缆悬索桥
该方案的主要难点是如何解决整体箱梁悬索桥颤振抗风稳定性、海域厚软基锚碇基础的设计施工难题。
悬索桥的抗风稳定性主要取决于主缆刚度和主梁的气动外形，主梁刚度对于超大跨悬索桥的抗风稳定性影响不十分显著。平行主缆的刚度小于空间主缆，其抗风性能劣于空间主缆。伶仃航道桥通航净空76.5m，桥面颤振检验风速达到76.7m，成为目前世界上同类跨径悬索桥抗风稳定性最严峻的一座桥梁。需要深入研究主梁的气动稳定措施，如风嘴导流板、中央稳定板等措施的研究。悬索桥其全桥气弹模型试验得到的颤振临界风速值，一般均大于节段模型风洞试验的颤振临界风速值，由于风洞试验设备的限制，超大跨悬索桥的全桥模型比尺一般均较小，需重视全桥模型试验主梁模型的加工制作，以及相似性的验证和检验。
伶仃航道悬索桥锚碇是离岸厚覆盖层的超大型重力式锚碇。设计针对地下连续墙、沉井、沉箱三种锚碇基础方案，通过施工风险、环境影响、工期和造价的综合比选，推荐采用8字形2×65m地连墙方案。采用锁扣钢管桩围堰填砂筑岛形成陆域，在陆域施工地下连续墙基础。锚碇基础平面布置见图2所示。
图2 锚碇基础平面布置
沉管隧道
隧道起于东岛，止于西岛，在沉管段与主线暗埋段，设置曲线半径5003.1m的平曲线，沉管段曲线长536.5m，隧道最大纵坡2.98%。沉管隧道分32个管节，其中标准管节27个，管节长度165（123.8）m；变宽管节5个，管节长度123.8m；最终接头采用推出式结构，长2.2m。沉管隧道纵向布置如图3所示。
图3 沉管隧道纵向布置
沉管西岛侧斜坡段覆盖层厚度约30m，受挖砂坑扰动的影响比较突出，经多方案的比选，采用DCM水泥深层搅拌桩作为沉管隧道的基础。其他区段除局部槽底为软弱层采用DCM外，均采用天然地基，基础以上设置找平层二片碎石，以及100cm厚的级配碎石整平层，平整精度±4cm。基础理论最大沉降值为8cm，管节两端理论差异沉降最大为3cm。
标准管节横断面外包尺寸4 6 . 0 0 m（宽）×1 0 . 6 0 m（高），车孔净高7.60m，结构板厚1.50m，标准横断面见图4。变宽管节横断面外包尺寸46.00m～55.46m（宽）×10.60m（高），车孔净高及板厚同标准断面。
图4 沉管标准横断面
沉管隧道采用钢壳混凝土组合结构，钢壳构造由内外面板、横纵隔板、横纵加劲肋及焊钉组成，详见图5所示。横隔板间距3m，纵隔板间距3.5m，组成封闭的混凝土浇筑隔舱。内、外面板作为主受力构件，承受拉压应力；横纵隔板为受剪主要构件，且连接内外面板成为受力整体；纵向加劲肋T型钢、角钢及焊钉作为抗剪抗拔复合连接件，以保证面板与混凝土的有效连接，纵向加劲肋与横向扁肋共同作用增强面板刚度。
图5 沉管钢壳构造
主体结构内外侧面板采用Q420C，最大板厚38mm；横向隔板采用Q390C，最大板厚30mm，其余采用Q345C。填充混凝土采用C50自流平混凝土。
人工岛
深中通道设置东、西两个人工岛。西人工岛长625m，岛壁结构采用直径28m的钢圆筒+抛石斜坡结构，基础采用水下挤密砂桩。小岛基坑止水围护包括岛壁止水和底部止水两个关键部分。岛壁止水通过插入式钢圆筒和钢弧板等不透水结构和之间的锁口进行止水，底部止水采用高压旋喷止水帷幕辅以降压管井方案。东人工岛长930m，采用抛石斜坡岛壁结构，回填砂成岛。
主要创新点
1．深中通道沉管隧道为世界最长、横向跨度最大、首座大规模采用钢壳混凝土组合结构的沉管隧道。见表2。
深中通道沉管隧道具有超宽变截面(46.0m～55.5m)、超大单孔净跨(18.3m～24.0m)、大回淤(管顶超17m)、高水压（管底超35m）等特点，造成结构内力大，如果采用常规钢筋混凝土结构，配筋将超过5层，混凝土浇筑困难，控裂难度及质量控制风险高。为解决结构受力难题，降低工程风险，创造性提出管节结构采用钢壳混凝土组合结构方案。
首次对钢壳混凝土组合结构的受力机理及设计方法进行了系统的试验研究，揭示了钢壳混凝土组合结构抗弯、抗剪受力机理，提出了相应计算方法。定量分析了钢壳混凝土结构混凝土脱空对承载能力的影响，提出了混凝土浇筑质量控制标准，研究成果已经应用于施工图设计。
2．高强自流平混凝土配制、浇筑工艺及质量检测关键技术。
（1）钢壳沉管自密实混凝土性能需求及施工关键控制指标研究
（2）高体积稳定性钢壳自密实混凝土配制技术
（3）钢壳沉管自密实混凝土长期性能预测研究
（4）钢壳沉管自密实混凝土质量控制技术研究
（5）钢壳沉管自密实混凝土施工质量检测技术研究
3. 海域深层搅拌桩（DCM）基础设计施工技术。
国内首次将海域深层水泥搅拌桩（DCM）技术应用在隧道基础中，包括DCM船的引进和二次开发，力求实现土层参数动态与水泥用量的智能化；DCM的现场试验以及基础设计方案研究。
4．沉管浮运安装一体化装备技术。
首次将沉管浮运与安装实现一体化，将显著减少浮运航道疏浚量及对现有航运的影响，有利于环境保护，具有十分显著的经济效益。
5．大型海域地下互通立交设计施工关键技术研究。
重点解决海域地下互通立交选型与路线技术标准，地下互通隧道结构、海域大型围堰、超深超宽基坑围护的设计与施工等关键技术问题。
6．离岸深水海中锚碇设计施工关键技术。
首次在海中采用钢管桩及围檩作为临时作岛的围护结构，在海域环境中进行锚碇深基坑的设计和施工。
深中通道是集超宽超长海底隧道、超大跨海桥梁、深水人工岛、水下互通“四位”一体的集群工程，其综合难度高居世界之最。根据项目特点和难点，提出了集群工程的设计思路和理念，供类似工程设计参考。世界首次大规模采用，国内首次提出了钢壳混凝土组合结构沉管隧道，并在受力机理以及设计方法等方面做了深入的研究和探讨，为类似结构的设计提供了理论与方法，丰富了沉管结构的类型，为《沉管隧道设计规范》的编制提供了技术保障，为深中通道的顺利建设提供了技术支撑。
本文刊载 /《桥梁》杂志 2019年 第1期 总第87期
作者 / 徐国平
作者单位 /中交公路规划设计院有限公司
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