跨海交通集群工程绿色公路技术创新实践

宋神友 刘学欣 刘建波 宁进进 邹威 高硕晗

深中通道管理中心 交通运输部科学研究院 中交第二航务工程局有限公司 中交第一航务工程局有限公司

摘 要：为提升跨江(海)通道工程绿色发展水平，在系统分析我国绿色公路发展历程及存在问题的基础上，依托超级工程深中通道开展海上交通集群工程绿色公路技术探索，构建了交通集群工程智能建造、海工构筑物工程耐久、公路海洋生态环境保护、岛隧工程低碳建造等4类特色技术体系，并对各类分项技术进行了创新分析，为未来其他跨江过海通道绿色公路建设提供可复制、可参考的经验，为完善行业绿色公路体系提供重要支撑，促进公路建设全生命周期高质量发展。

关键词：道路工程;交通集群;绿色公路;深中通道;智能制造;工程耐久;环境保护;节能减排;

基金：广东省重点领域研发计划，项目编号2019B111105002;

公路建设者们一直致力于绿色公路探索实践，从2003年～2006年的川九公路[1]、思小公路[2]等交通部公路勘察设计典型示范工程起，就开展了以人为本、公路建设与自然和谐的生态公路初步探索；2008年～2010年依托神宜公路[3]、广梧高速[4]等交通部科技示范工程，开展了资源节约型、环境友好型公路的科技创新探索；2013年～2017年开展了吉林鹤大高速[5]、三淅高速[6]等交通运输部绿色公路主题性项目，初步形成了以节能减排为核心的绿色循环低碳公路建设理念的行业共识；2016年交通运输部颁布了《关于实施绿色公路建设的指导意见》[7],将国家生态文明建设战略结合公路行业特点进行了充分贯彻落实，绿色公路建设理念系统拓展为资源节约、生态环保、节能高效、服务提升等特征，并设立了延崇高速[8]、无岳高速[9]等绿色公路典型示范工程，强化绿色公路设计、建设、运营等各环节的指导，以点带面，促进了全行业绿色公路快速发展。

为完善综合立体交通运输 络和推进新型城镇化建设[10],越来越多的跨江(海)公路通道工程开工建设。同普通公路相比，因地质、水文、环境等条件特殊，工程技术难度及复杂程度高，跨江(海)通道绿色公路建设的技术有着显著区别，绿色公路建设提升迎来了新的机遇和挑战，目前瓯江北口大桥[11]、沙埕湾跨海通道[12]等项目开展了初步探索，但系统性和创新度还有大量提升空间；港珠澳大桥[13]开展了绿色公路主题性项目创建工作，但侧重于节能减排[14]和白海豚保护[15]等工作，缺乏深入挖掘和系统总结。

深中通道是继港珠澳大桥之后又一超级工程，集“桥、岛、隧、水下互通”于一体，设有世界首例双向八车道钢壳混凝土沉管隧道、世界最大跨径的全离岸海上悬索桥、世界首例全水下枢纽互通，是世界综合技术难度最高的跨海交通集群工程之一。项目全长23.974 km, 概算投资达446.9亿元，工期8年。项目工程规模宏大，建设条件复杂，综合技术难度高，生态保护要求严，具备开展绿色公路示范得天独厚的基础条件。因此，在公路建设全面绿色的行业要求下，研究依托深中通道开展新时代绿色公路技术创新探索实践，结合项目特点和需求构建智能建造、工程耐久、生态保护、节能降耗等四方面特色技术体系，以期为跨江(海)通道工程绿色公路建设提供一套可复制、可推广的经验，为交通强国建设提供技术支撑。

1 交通集群工程智能建造技术

1.1钢壳智能加工制造

目前世界越江跨海沉管隧道多采用钢筋混凝土结构，如厄勒海峡隧道、釜山-巨济隧道和港珠澳沉管隧道等。深中通道采用的双向八车道钢壳混凝土沉管隧道，结构形式全新，综合难度和规模均为世界之最。为满足大规模、高工效、高质量的建造要求，深中通道在港珠澳大桥工位自动化的基础上，进一步提档升级为四线一系统的流水线自动化智能车间，通过钢壳板材型材切割智能生产线(图1)、片体智能焊接流水线、块体智能焊接生产线、智能喷涂生产线(图2)及车间制造执行过程的信息化管控系统，尤其是通过机器人完成智能焊接和涂装，实现了我国重工业领域首次钢结构智能制造，全面提升钢壳制造工效和质量，避免重复加工、返工等无效损耗，减少后期管养维护。

图1 型材智能切割生产线

图2 智能喷涂机器人

在国际上首次研发了钢壳混凝土的智能浇筑系统，能够根据坐标自动移位，设置液位测距仪和阀门自动探测，根据信号自动调整速度和开关阀门自动调节浇筑速率。开展了25种不同配合比适配试验，研发了更适合钢壳沉管浇筑，且稳健性更强的高流动性自密实混凝土。研发了快速脱空检测装备，采取冲击映像法检测混凝土密实度，现场采集获取近源波场分布，获得缺陷的脱空面积和脱空高度。通过这些措施，实现对自密实混凝土浇筑全过程进行智能化管控，有效提高了混凝土浇筑效率，缩短了浇筑工期，并优化了资源配置，保证钢壳隧道的工程质量。

1.2智慧化预制梁场

深中通道智慧梁场包括钢筋自动加工系统、混凝土智能控制系统、监控监测系统和管理平台。采用数字化加工制造技术，基于三维模型生成交互代码导入加工设备，远程下达加工任务进行钢筋自动化加工。采用PLC控制模块，通过液压自动控制系统和红外测温测距系统实现在混凝土浇筑过程中外模自动横移和纵移，内模自动支拆模。开展陆域桥梁墩身以及大型盖梁工厂化施工研究实践，将模板托架类和钢筋骨架施工变高空为地面、变现场为工厂、变部分为整体、变先后为同步，实现了部品化快速施工(图3)。搅拌站采取智能化全封闭形式(图4),全自动生产中控系统，集成混凝土ERP系统、搅拌站生产系统、物料管理系统、车辆管理系统等，对原材料和配合比进行集中监控预警，实现无人值守。在制梁台座和存梁台座上布设传感器，通过智能管理平台可记录、查询混凝土的养护状态、温湿度趋势、历史喷淋数据等，实现自动化智能化管理。通过实施智慧梁场，实现大规模工厂化生产，发挥集约优势，显著提高工程质量，有效减少施工过程中的人力作业误差、人员安全风险。

图3 部品化施工

图4 智能化全封闭搅拌站

1.3生命周期BIM技术

深中通道探索“互联 +BIM+现代工程管理”发展新思路，全方位创新应用BIM技术为项目提供全生命周期支撑，打造交通新基建样板工程：在设计阶段，全线所有专业均采用三维数字化设计，对东、西人工岛(图5)和沉管钢壳等特殊结构物进行了BIM正向设计，能够实现参数调整驱动三维模型和二维图纸同步更改，并开展了快速比选方案、精细化设计、碰撞检测、工程量校核、功能模拟分析等工作；在施工阶段采用BIM技术进行图纸校核、深化设计、场地规划、施工组织模拟和施工方案4D仿真，并实现对钢壳沉管的制造、浇筑和安装智能制造，钢箱梁智能制造、智慧预制梁场和智慧工地的协同管理(图6),并在基建程序审批表格、质量检验表格、计量凭证等的无纸化填 、线上审批流转和自动归档使用数字签名，目前已实现交竣工验收电子档案覆盖率100%,参建单位数字签章使用率100%[15],彻底解决以往工程信息化管理“两张皮”的问题根源；在运维阶段计划开展数字化模型深化和建养数据衔接工作，实现基于BIM的可视化管养、资产管理、健康监测、机电协同和应急管理。深中通道实施生命周期BIM技术，实现数据互联共享，使沟通更为便捷、成本更为低廉、协作更为紧密、管理更为高效、信息得以追溯、工程质量和进度显著提高。

图5 BIM模拟人工岛施工场景

图6 智慧梁场BIM协同管理系统

2 海工构筑物工程耐久技术

2.1工程结构耐久设计

为满足深中通道大车流量往复荷载、海洋环境、台风频发等实际情况，项目采取了一系列工程结构耐久的技术措施：考虑荷载影响因素，构建“水化-温度-湿度-约束”多场耦合作用机制抗裂性评估及设计方法，制备了基于水化热速率和膨胀历程协同调控的低收缩、高抗裂海工混凝土材料，降低海工大体积混凝土开裂风险；通过抗疲劳设计方法、先进制造技术和新型构造细节的引入，提出高性能正交异性钢桥面板结构，研发U肋和顶板的全熔透焊接技术(图7),实现焊缝全熔透、可检测，大幅提升钢桥面板抗疲劳性能；开展节段模型风洞试验(图8),研发多灾害作用下海中超大桥梁结构体系及约束关键装置，设置1.2 m的上中央稳定板，结合梁底检查车轨道设置0.7 m高的双下稳定板，检修道栏杆透风率95%,箱梁外缘设2.5 m的导流板，可将整体钢箱梁的颤振临界风速提升至87 m/s; 索塔承台采用“钢围堰套箱”防撞方案，沉管隧道选用C40混凝土预制的防撞等级SA级F型混凝土防撞侧石，以降低深中通道运营后过往船只的碰撞风险。通过上述技术措施能够确保工程达到设计使用年限，延长养护周期，实现创珠江口百年品质工程的建设目标。

图7 U肋全熔透焊接

图8 节段模型风洞试验

2.2海上工程耐腐蚀技术

针对深中通道所处的高温高湿高盐的海洋环境，采取一系列的交通集群工程防腐技术措施，全面提升工程防腐耐久性：研发出6 mm-2 060 MPa高强度主缆钢丝，开发出防腐性能超越现有热镀锌钢丝3倍以上的新型锌铝镁合金镀层技术，通过新型复合防护缠绕防护体系、新型干空气系统、缆内环境监测及多元合金镀层的自修复等技术研究，开发具有自感知、自调节、自保护功能的主缆耐久性保障及控制技术，实现主缆钢丝100年内不锈蚀；沉管隧道钢壳迎水侧采用“预留腐蚀厚度+重涂装+外置牺牲阳极块”三重防腐措施，空气侧采用“重涂装+定期维护”双重防腐措施，形成适用于复杂服役环境中沉管钢壳耐久性防护系统的长寿命、自感知监测技术，为实现沉管钢壳100年超长寿命有效防腐提供技术保障；钢箱梁外表面采用金属热喷涂体系防腐，内表面采用内部除湿+防腐涂层配套体系。

2.3水下工程防水与止水技术

沉管隧道管节接头防水采用“GINA止水带+OMEGA止水带”双重止水措施，根据水深选择4种不同硬度的GINA止水带；岛上段隧道敞开段侧墙到地面防水层采用喷涂型聚脲防水涂料，底板预铺高分子防水卷材，暗埋段顶板、侧墙防水层选用喷涂型聚脲防水涂料，底板素混凝土垫层上干撒水泥基渗透结晶型防水剂，顶板变形缝结构内侧预留凹槽设置不锈钢板接水盒。垂直施工缝设置中埋式止水带、遇水膨胀止水胶；岛上段隧道设置二次止水结构，隧道顶设置挡水墙，隧道结构底部止水采用3排连续高压旋喷桩，隧道两侧采用C30现浇钢筋混凝土扶壁结构结合底部高压旋喷桩的止水结构；人工岛越浪泵房采用两种方式排海，正常情况下采用重力流排海箱涵，当超过重力流排海箱涵能力的越浪量和降雨均考虑压力排海。水下构筑物防止水措施，显著提高工程质量，延长使用寿命，减少养护消耗，实现全生命周期的绿色发展。

3 公路海洋生态环境保护技术

3.1深水凿岩施工

深中通道地处珠江口核心地带，施工周边航道纵横，航线船舶众多，沉管隧道硬质基槽清礁如采用常规的水下爆破工艺，对基槽基础和边坡及海洋环境影响较大。深中通道采用专用凿岩船“金建”轮配备有35 t楔形凿岩棒，配套凿岩系统，通过物理冲击破坏礁石。施工时根据工程地质条件和基槽开挖要求确定凿岩布点排、位距，计算选用凿岩棒重量尺寸和提升高度。操作人员将凿岩棒提升、移动至指定位置，后自由落下，依靠自身的冲击力撞击水底岩石，以纵向冲击荷载破碎岩石。凿岩棒施工完成后将凿岩棒替换成抓斗，进行水下清渣作业。深水凿岩工艺改“炸”为“凿”,作业时产生的水冲击波和震动波能量较小，引起的水中悬浮泥沙增量较少，极大减轻了对水下生态环境扰动，显著降低了对海洋生物和水体环境污染，有效保证地质稳定性，不影响河道航运。

3.2高精度清淤

为提高外海风浪流下沉管基槽开挖精度，研制了具有定深、平挖功能的专用精挖船“金雄”轮，提出直接高程控制挖泥模式，研制具有可视、可控、可测、防超深功能的高精度抓斗船疏浚监控系统，研制基于迭代拟合原理的挖掘机液力变矩器控制系统，使大型抓斗船的开挖精度达到0～-50 cm。

鉴于深中通道强回淤的工程特点，研制专用清淤船“捷龙”轮，采用定点盖章式清淤工艺，清淤泥泵功率达到7 000 m3/h,同时配置了用于多种工况使用的新型多功能清淤吸头装置，创新性研发了利用恒压技术的清淤防损系统和触底保护装置，实现各基础工序前高精度清淤。研制大型耙吸船，配备有显著提高疏浚效率与精度的动态定位和动态航迹系统(DPDT)及挖泥轨迹显示系统(DTPS),通过计算机实时计算来控制艏侧推、CPP及舵产生适当的推力和转矩，确定挖泥船船位、艏向或预定航迹，采取不溢流、不开高压冲水作业方式对回淤边坡进行精确清淤施工。通过“金雄”轮、“捷龙”轮、大型耙吸船等专用施工设备研发，最大限度提高基槽开挖精度和清淤精度，减少水下施工对深水环境的扰动，减少疏浚量。如图9、图10。

图9 专用精挖船“金雄”轮

图10 专用清淤船“捷龙”轮

3.3自然和谐景观设计

坚持创作性设计理念，通过国际竞赛筛选深中通道设计方案，总体设计简洁、和谐、大气、识别性强，并与周边环境高度融合，每一座桥梁、每一个构件、每一种附属设施，被赋予的美学设计元素都是统一的。海上长桥采用整幅式桥墩，塔柱截面、横梁及锚碇均采用了晶体切面的几何构造，两座主桥塔冠、构造等建筑风格力求一致，形成姊妹桥格局，美学上力求简洁及韵律感。西人工岛采用鲲鹏展翅造型，美观大气，与周边整体环境和谐，充分考虑了功能平衡，极好地实现了交通功能、水利防洪、施工便利及美学性于一体。项目建成后将成为岭南地区新地标，车辆穿行于深中通道之际，可以全面感受丰富的海陆空三维立体视点，尤其是周边浩渺无边的海洋景象，展现千船竞发的景观意向，真正体现超级工程的宏大与壮美。如图11、图12。

4 岛隧工程低碳建造技术

4.1统筹资源集约利用

港珠澳大桥在桂山岛建设了全球最大的沉管预制厂，投资超10亿元，占地56万m2。为最大限度减少重复建设，减少社会资源消耗，深中通道经综合比选，沉管隧道预制充分利用桂山岛预制厂，由于沉管隧道由双向六车道变为双向八车道，对生产线进行全面拓宽改造，并通过技术创新和设备研发实现由传统工厂向信息化智慧工厂跨越，生产线工人由1 000人减至300人，8万t沉管顶推从港珠澳大桥建设期间用时1月减至3 d,每节沉管预制效率从75 d提升到1个月。为克服海上孤岛作业风险大、施工环境复杂，通航船舶干扰多等困难，经过方案比选，采用钢栈桥+钻孔平台方案施工，在大桥两侧将岛屿和海上平台分别修建施工栈桥连通至各墩位，打通水上与陆地生产区之间的运输通道，将海上施工转化为栈桥及平台陆上施工，显著提高施工材料运输效率，减少船舶反复穿梭对海洋环境的污染。如图13、图14。

图11 世界最高海中大桥伶仃洋大桥

图12 鲲鹏展翅的西人工岛

图13 桂山岛沉管预制场

图14 全线建设栈桥施工

4.2施工节能减排技术

为降低超级工程施工能耗，深中通道结合项目需求进行了许多微创新发明，比如：为实现重达万吨的“巨无霸”钢壳快速高效移动，研发出了单台承载力达到800 t的智能台车，由200台电动轮轨式液压台车编队作业，采用“多点支撑、三点平衡、同步行走”原理，实现管节的平稳移，满载理论测速达1 m/min,单节沉管纵横移用时从30 d缩到1 d,大大提升管节转运工效，降低沉管转运能耗；为解决海上施工供电稳定性和成本问题，项目采用智能柴储混合电站，通过控制单台或者多台发电机组工作在最经济油耗带载区间，快速充放电响应确保机组工作在最佳油耗工况，智能运维监控云平台控制储能系统单独供电与发电机组和储能系统混合供电两种模式无缝切换，大幅提升了施工供电效率，降低柴油消耗。

4.3人工岛绿色建筑技术

西人工岛采用类菱形岛形，相比传统的椭圆或方形岛面面积更大，利于附属设施、隧道分离、消防救援、施工场地等布局，而且显著降低阻水效应。建筑屋盖优化采用了棕榈树叶仿生造型，通透节能，与华南地区自然环境相适应。建筑立面采用大开窗和玻璃幕墙，通过自然采光，为室内办公人员提供良好的对外视野和舒适采光环境。为减弱地面热岛效应，通过景观绿化及高反射材料遮蔽构筑物表面及地面，建筑屋面采用浅色饰面及珍珠岩板隔热，减少建筑及场地吸热。因地制宜地采用空气源及太阳能等清洁能源，大大降低运营能耗。人工岛设置中水回用系统，水源来自生活污水处理后排放水、回收雨水及隧道污废水，处理后中水用于岛内浇洒植被和便器冲洗，实现水资源循环利用。

5 结语

今后绿色公路建设都应以绿色公路指导意见为根本遵循，以全寿命周期全面绿色为目标，结合项目特色和需求，量体裁衣，因地制宜地筛选构建最适合项目的绿色公路建设技术体系。在全面构建现代化高质量国家综合立体交通 的新时代，越来越多的跨江过海通道的技术瓶颈将被逐步突破。

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