深中通道上游距虎門大橋30km，下游距港珠澳大橋約38km，工程起自廣深沿江高速公路機場互通式立交，接廣深沿江高速公路，通過擬建的廣深沿江高速公路二期工程與機荷高速公路對接，向西跨越珠江口，在中山馬鞍島登陸，止於橫門互通立交，順接中開高速公路。採用八車道高速公路標準建設，設計速度為100km/h。工程由隧道、橋樑、人工島及海底互通組成，全長約24 km。隧道長6845m，其中沉管段長5035m，採用鋼殼混凝土組合結構，整體式管節，縱向剛性結構體系；島上段長1810m，採用鋼筋混凝土結構；全線設置東、西兩處人工島，東島長930m，西島長625m；橋樑長約16.9km，包括伶仃航道橋、中山大橋、非通航孔橋、島橋結合橋等；伶仃航道橋採用530m+1660m+530m三跨吊全漂浮體系，中山大橋為主跨580m斜拉橋，洩洪區非通航孔橋為110m跨徑，上部採用雙幅鋼箱梁結構，下部採用整體式橋墩。淺水區非通航孔橋採用60m跨徑整孔吊預應力混凝土樑橋。島橋結合段非通航孔橋採用45m跨徑預應力混凝土現澆箱梁。
規模和難度大於世界同類工程
深中通道是集超寬超長海底隧道、超大跨海中橋樑、深水人工島、水下互通“四位”一體的集群工程，規模空前、建設條件複雜、綜合技術難度高，是我國繼港珠澳大橋之後難度更大的又一項世界級重大跨海交通工程。與深中通道類似的橋島隧集群工程國內外主要有丹麥至瑞典的厄勒海峽通道、韓國釜山至巨濟島通道和我國剛竣工的港珠澳大橋。深中通道無論隧道還是橋樑，其規模和難度均大於世界同類工程，見表1。
深中通道採用八車道高速公路標準，沉管隧道總寬度達到了46～55.5m，行車道單孔跨度達18.3m，沉管隧道寬度及跨度均居世界之最。同時還具有大回淤、深埋等特點，採用傳統的鋼筋混凝土結構很難滿足受力及耐久性的要求。合理選擇沉管隧道結構形式，如何確保施工質量與安全，是本工程的難點和重點。另外，珠三角地區水深淺、地質條件差，沉管隧道預製乾塢選址難度很大。西人工島位於採砂區，工程地質條件複雜，島上隧道止推段基坑止水難度大。
伶仃航道橋主跨為1666m，橋位距中山側海岸約10km，橋下通航淨空為76.5m，橋面設計風速達到了53.7m/s。伶仃航道懸索橋抗風以及大型海中錨碇的設計施工，為本工程橋樑的關鍵技術難題。
機場互通為海底互通立交，主線隧道寬度從46m變化到69.8m，匝道的最小半徑為125m，最大縱坡為3.78%。其設計施工技術及運營期的行車安全保障措施，是深中通道設計的又一大挑戰。
設計原則及思路
深中通道作為超級集群工程，已經遠遠超越了單純的隧道、橋樑、水工的設計思路，需要用跨領域、系統化的理念來設計，需要優先考慮施工工藝和方法作為設計的前提條件，需要整合隧道、橋樑、水工、疏浚、材料、裝備等不同領域優勢資源，站在國家整個工業化發展的高度來思考問題、解決問題。
深中通道以滿足建設條件為前提，以功能需求為導向，以科研為支撐，以創新為靈魂，以實現平安交通、綠色交通和智慧交通為目標，開展勘察設計工作。
根據深中通道的項目特點，設計遵循“標準化、工廠化、智能化、一體化”的理念和原則。“標準化”和“工廠化”是相輔相成的，只有做好標準化才能實現工廠化，工廠化能夠改善施工條件，提高工程質量。沉管隧道結構、橋樑主樑、橋墩墩身等儘可能做到全線的標準化，有利於工廠化製造，減少現場施工作業量，縮短工期，確保施工質量。鋼結構的採用是實現標準化、工廠化，滿足綠色交通的最好途徑；“智能化”主要體現在工廠製造、施工裝備以及運管期間的監測養護。超大型海中工程的建設質量與效率主要取決於大型施工裝備，如大型超寬的碎石整平船、海中深水深層攪拌樁（DCM）船、沉管浮運安裝一體化船、大型主樑浮吊船等，智能化越高，越有利於提高效率，確保工程質量。“一體化”主要指在設計階段應將建設、運營、養護進行一體化考慮，應始終貫徹全壽命設計的理念。深中通道通過駕駛模擬仿真技術，進行運營期間的行車安全性評價，進行主線平面及長縱坡、機場海底互通平縱、隧道內交通標誌標線設置等進行優化。應用仿真模擬技術對運營階段進行模擬試驗，是實現一體化的有效手段之一。
工程主要技術方案
伶仃航道橋
為滿足伶仃航道、龍穴水道的通航要求，伶仃航道橋的橋跨佈置為570+1666+570m。通過對獨柱塔分離箱空間纜懸索橋、A形塔整體箱空間纜懸索橋、門式塔平面纜懸索橋方案的研究比較，最終將門式塔平面纜懸索橋作為實施方案。伶仃航道橋採用三跨吊全漂浮體系，矢跨比1/9.8，主纜在塔頂和錨碇處間距均為42.1m。總體佈置見圖1所示。
圖1 主跨1666m門式塔平面纜懸索橋
該方案的主要難點是如何解決整體箱梁懸索橋顫振抗風穩定性、海域厚軟基錨碇基礎的設計施工難題。
懸索橋的抗風穩定性主要取決於主纜剛度和主樑的氣動外形，主樑剛度對於超大跨懸索橋的抗風穩定性影響不十分顯著。平行主纜的剛度小於空間主纜，其抗風性能劣於空間主纜。伶仃航道橋通航淨空76.5m，橋面顫振檢驗風速達到76.7m，成為目前世界上同類跨徑懸索橋抗風穩定性最嚴峻的一座橋樑。需要深入研究主樑的氣動穩定措施，如風嘴導流板、中央穩定板等措施的研究。懸索橋其全橋氣彈模型試驗得到的顫振臨界風速值，一般均大於節段模型風洞試驗的顫振臨界風速值，由於風洞試驗設備的限制，超大跨懸索橋的全橋模型比尺一般均較小，需重視全橋模型試驗主樑模型的加工製作，以及相似性的驗證和檢驗。
伶仃航道懸索橋錨碇是離岸厚覆蓋層的超大型重力式錨碇。設計針對地下連續牆、沉井、沉箱三種錨碇基礎方案，通過施工風險、環境影響、工期和造價的綜合比選，推薦採用8字形2×65m地連牆方案。採用鎖釦鋼管樁圍堰填砂築島形成陸域，在陸域施工地下連續牆基礎。錨碇基礎平面佈置見圖2所示。
圖2 錨碇基礎平面佈置
沉管隧道
隧道起於東島，止於西島，在沉管段與主線暗埋段，設置曲線半徑5003.1m的平曲線，沉管段曲線長536.5m，隧道最大縱坡2.98%。沉管隧道分32個管節，其中標準管節27個，管節長度165（123.8）m；變寬管節5個，管節長度123.8m；最終接頭採用推出式結構，長2.2m。沉管隧道縱向佈置如圖3所示。
圖3 沉管隧道縱向佈置
沉管西島側斜坡段覆蓋層厚度約30m，受挖砂坑擾動的影響比較突出，經多方案的比選，採用DCM水泥深層攪拌樁作為沉管隧道的基礎。其他區段除局部槽底為軟弱層採用DCM外，均採用天然地基，基礎以上設置找平層二片碎石，以及100cm厚的級配碎石整平層，平整精度±4cm。基礎理論最大沉降值為8cm，管節兩端理論差異沉降最大為3cm。
標準管節橫斷面外包尺寸4 6 . 0 0 m（寬）×1 0 . 6 0 m（高），車孔淨高7.60m，結構板厚1.50m，標準橫斷面見圖4。變寬管節橫斷面外包尺寸46.00m～55.46m（寬）×10.60m（高），車孔淨高及板厚同標準斷面。
圖4 沉管標準橫斷面
沉管隧道採用鋼殼混凝土組合結構，鋼殼構造由內外面板、橫縱隔板、橫縱加勁肋及焊釘組成，詳見圖5所示。橫隔板間距3m，縱隔板間距3.5m，組成封閉的混凝土澆築隔艙。內、外面板作為主受力構件，承受拉壓應力；橫縱隔板為受剪主要構件，且連接內外面板成為受力整體；縱向加勁肋T型鋼、角鋼及焊釘作為抗剪抗拔複合連接件，以保證面板與混凝土的有效連接，縱向加勁肋與橫向扁肋共同作用增強面板剛度。
圖5 沉管鋼殼構造
主體結構內外側面板採用Q420C，最大板厚38mm；橫向隔板採用Q390C，最大板厚30mm，其餘採用Q345C。填充混凝土採用C50自流平混凝土。
人工島
深中通道設置東、西兩個人工島。西人工島長625m，島壁結構採用直徑28m的鋼圓筒+拋石斜坡結構，基礎採用水下擠密砂樁。小島基坑止水圍護包括島壁止水和底部止水兩個關鍵部分。島壁止水通過插入式鋼圓筒和鋼弧板等不透水結構和之間的鎖口進行止水，底部止水採用高壓旋噴止水帷幕輔以降壓管井方案。東人工島長930m，採用拋石斜坡島壁結構，回填砂成島。
主要創新點
1．深中通道沉管隧道為世界最長、橫向跨度最大、首座大規模採用鋼殼混凝土組合結構的沉管隧道。見表2。
深中通道沉管隧道具有超寬變截面(46.0m～55.5m)、超大單孔淨跨(18.3m～24.0m)、大回淤(管頂超17m)、高水壓（管底超35m）等特點，造成結構內力大，如果採用常規鋼筋混凝土結構，配筋將超過5層，混凝土澆築困難，控裂難度及質量控制風險高。為解決結構受力難題，降低工程風險，創造性提出管節結構採用鋼殼混凝土組合結構方案。
首次對鋼殼混凝土組合結構的受力機理及設計方法進行了系統的試驗研究，揭示了鋼殼混凝土組合結構抗彎、抗剪受力機理，提出了相應計算方法。定量分析了鋼殼混凝土結構混凝土脫空對承載能力的影響，提出了混凝土澆築質量控制標準，研究成果已經應用於施工圖設計。
2．高強自流平混凝土配製、澆築工藝及質量檢測關鍵技術。
（1）鋼殼沉管自密實混凝土性能需求及施工關鍵控制指標研究
（2）高體積穩定性鋼殼自密實混凝土配製技術
（3）鋼殼沉管自密實混凝土長期性能預測研究
（4）鋼殼沉管自密實混凝土質量控制技術研究
（5）鋼殼沉管自密實混凝土施工質量檢測技術研究
3. 海域深層攪拌樁（DCM）基礎設計施工技術。
國內首次將海域深層水泥攪拌樁（DCM）技術應用在隧道基礎中，包括DCM船的引進和二次開發，力求實現土層參數動態與水泥用量的智能化；DCM的現場試驗以及基礎設計方案研究。
4．沉管浮運安裝一體化裝備技術。
首次將沉管浮運與安裝實現一體化，將顯著減少浮運航道疏浚量及對現有航運的影響，有利於環境保護，具有十分顯著的經濟效益。
5．大型海域地下互通立交設計施工關鍵技術研究。
重點解決海域地下互通立交選型與路線技術標準，地下互通隧道結構、海域大型圍堰、超深超寬基坑圍護的設計與施工等關鍵技術問題。
6．離岸深水海中錨碇設計施工關鍵技術。
首次在海中採用鋼管樁及圍檁作為臨時作島的圍護結構，在海域環境中進行錨碇深基坑的設計和施工。
深中通道是集超寬超長海底隧道、超大跨海橋樑、深水人工島、水下互通“四位”一體的集群工程，其綜合難度高居世界之最。根據項目特點和難點，提出了集群工程的設計思路和理念，供類似工程設計參考。世界首次大規模採用，國內首次提出了鋼殼混凝土組合結構沉管隧道，並在受力機理以及設計方法等方面做了深入的研究和探討，為類似結構的設計提供了理論與方法，豐富了沉管結構的類型，為《沉管隧道設計規範》的編制提供了技術保障，為深中通道的順利建設提供了技術支撐。
本文刊載 /《橋樑》雜誌 2019年 第1期 總第87期
作者 / 徐國平
作者單位 /中交公路規劃設計院有限公司