通常有兩種結(jié)構(gòu)用于跨越河流、運(yùn)河、海洋或其他障礙物：上跨障礙物的橋梁結(jié)構(gòu)和下穿障礙物的隧道結(jié)構(gòu)。盡管橋梁和隧道的建造可以追溯到幾千年前，但使用島嶼作為跨海通道（SCFL）的橋隧組合跨海通道僅有82年的建造史。第一條橋隧組合SCFL可能是美國(guó)的舊金山—奧克蘭海灣大橋，海灣大橋長(zhǎng)6.4 km，于1936年竣工。最近建造的集橋梁、隧道和島嶼于一體的SCFL是港珠澳（HZM）大橋，港珠澳大橋于2018年10月24日通車，是世界上最長(zhǎng)的橋島隧組合SCFL，全長(zhǎng)29.6 km。

在橋隧組合SCFL 82年的建造史中，全球已經(jīng)建成了10個(gè)著名的工程項(xiàng)目。繼舊金山—奧克蘭海灣大橋之后，同樣位于美國(guó)的漢普頓道路橋隧是第二個(gè)已建的橋隧組合SCFL。該橋隧組合SCFL長(zhǎng)9.72 km，于1956年建成，是第一個(gè)在橋梁段和隧道段之間建造人工島的SCFL。隨后，1964年在美國(guó)建成的切薩皮克灣跨海大橋是港珠澳大橋建成之前最長(zhǎng)的橋隧組合SCFL。切薩皮克灣跨海大橋項(xiàng)目包括22.2 km橋梁、3.2 km隧道和4個(gè)人工島。在20世紀(jì)90年代，世界各地完成了3個(gè)橋島隧（BIT）組合SCFL項(xiàng)目：美國(guó)的Monitor–Merrimac紀(jì)念橋隧、日本的東京灣跨海公路及其聯(lián)絡(luò)線和丹麥的大貝爾特橋。在21世紀(jì)，除了港珠澳大橋之外，迄今為止還建造了3個(gè)BIT組合項(xiàng)目：連接丹麥和瑞典的厄勒海峽大橋、中國(guó)的上海長(zhǎng)江隧橋，以及韓國(guó)的巨濟(jì)大橋。表1提供了這10條BIT組合SCFL的基本信息。

表1 10條橋島隧（BIT）組合跨海通道（SCFL）

由于SCFL組合通常由一個(gè)或多個(gè)橋梁、隧道、天然島或人工島及其連接線組成，因此SCFL體系的施工技術(shù)必然包括建造橋梁、隧道和人工島的關(guān)鍵技術(shù)。為了將港珠澳大橋與其他BIT組合SCFL進(jìn)行對(duì)比，對(duì)上述8個(gè)項(xiàng)目中橋梁、隧道和人工島的施工技術(shù)進(jìn)行了比較。由于缺乏關(guān)于Monitor–Merrimac紀(jì)念隧橋的詳細(xì)資料，所以未對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比。

與許多其他橋梁相比，BIT組合跨海大橋具有長(zhǎng)度長(zhǎng)、跨度大、基礎(chǔ)深等顯著特點(diǎn)，同時(shí)也會(huì)遇到一些特殊的條件，如腐蝕性條件和惡劣的施工環(huán)境，這可能會(huì)影響其設(shè)計(jì)和施工?？紤]到這些因素，表2對(duì)用于建造上述跨海大橋的最新技術(shù)進(jìn)行了比較，包括通航孔橋、非通航孔橋和深水基礎(chǔ)。

（一）通航孔橋

雖然BIT組合SCFL的主航道位于隧道上方，但是大跨度橋梁可作為一個(gè)或多個(gè)其他航道修建在通航孔下方。本次對(duì)比的8個(gè)BIT組合項(xiàng)目涉及4種通航孔橋：梁橋、桁架橋、斜拉橋和懸索橋（表2）。

表2 8條BIT組合SCFL建設(shè)中采用的技術(shù)對(duì)比 

PC: prestressed concrete; RC: reinforced concrete.

梁橋是最簡(jiǎn)單但使用最廣泛的橋型，采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系。最長(zhǎng)的梁橋是東京灣跨海公路及其聯(lián)絡(luò)線的通航孔橋，這是一座最大跨度為240 m的10跨連續(xù)鋼箱梁橋。上部結(jié)構(gòu)完工后，發(fā)現(xiàn)存在渦激振動(dòng)（VIV），振幅超過(guò)0.5 m。為了抑制這種振動(dòng)，安裝了16個(gè)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD），如圖1所示。這是TMD在VIV控制中的最早應(yīng)用之一。上海長(zhǎng)江隧橋擁有世界第二大梁橋，這是一座中央跨度為220 m的連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土（PC）箱梁橋。

圖1. 調(diào)諧質(zhì)塊阻尼器（TMD）

19世紀(jì)70年代至20世紀(jì)30年代，鋼桁架橋是一種常見(jiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)形式，建于1936年的舊金山—奧克蘭海灣大橋通航孔橋就屬于鋼桁架橋。該橋的原東段由5個(gè)下承式桁架跨、一個(gè)桁架引橋和一個(gè)427 m長(zhǎng)的雙懸臂跨（當(dāng)時(shí)為世界第三長(zhǎng)橋梁）組成，所有結(jié)構(gòu)均采用雙層橋面。切薩皮克灣跨海大橋采用跨度為140 m的鋼桁架梁作為其通航孔橋。2000年，厄勒海峽大橋還使用了最大跨度為140 m的鋼桁架與混凝土板組合梁。

斜拉橋是1955年后出現(xiàn)的最年輕的橋型，近年來(lái)在跨海通航孔橋項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。厄勒海峽大橋采用了能支承重載公路和鐵路的跨度為490 m的雙層斜拉橋，該斜拉橋是當(dāng)時(shí)最長(zhǎng)的鐵路斜拉橋。大約10年后，上海長(zhǎng)江隧橋建成了一座730 m的雙箱梁斜拉橋，巨濟(jì)大橋建成了兩座斜拉橋，其中包括一座475 m主跨橋和一座有兩個(gè)230 m主跨的大橋。

雖然這8個(gè)BIT組合項(xiàng)目?jī)H包括兩座懸索橋，但大跨度跨海懸索橋的發(fā)展對(duì)橋梁施工技術(shù)做出了重大貢獻(xiàn)。舊金山—奧克蘭海灣大橋西段包括兩座跨度為701 m的單主跨懸索橋（當(dāng)時(shí)為世界第二長(zhǎng)橋梁）。如圖2（a）所示，這兩座單主跨懸索橋通過(guò)中間共用錨碇連接，這在當(dāng)時(shí)是一種保持力學(xué)平衡同時(shí)降低成本的絕好方法。懸索橋的進(jìn)一步發(fā)展促進(jìn)了多主跨懸索橋的發(fā)展。多主跨懸索橋是一種具有兩個(gè)邊跨、多個(gè)主跨、兩端只有兩個(gè)錨墩的懸索橋，其他地方均不需要修建錨碇，如圖2（b）所示。懸索橋技術(shù)的另一個(gè)貢獻(xiàn)是創(chuàng)造了一項(xiàng)新的跨度世界紀(jì)錄：大貝爾特橋是鋼箱梁懸索橋，橋長(zhǎng)1624 m，其進(jìn)一步的特點(diǎn)是采用角形導(dǎo)流板進(jìn)行顫振和渦振控制的抗風(fēng)技術(shù)。

圖2. 單主跨或雙主跨懸索橋。（a）兩座單主跨懸索橋；（b）一座雙主跨懸索橋。單位：m

（二）非通航孔橋

非通航孔橋因其長(zhǎng)度長(zhǎng)，出于工程經(jīng)濟(jì)和施工方便的考慮，幾乎全部采用鋼、混凝土、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的梁式橋。由于跨海大橋的建造條件惡劣，并且有深水基礎(chǔ)，所以必須設(shè)計(jì)為大跨度并逐跨建造。

非通航孔橋的跨度通常比通航孔橋的跨度小，因此出于經(jīng)濟(jì)原因，混凝土箱梁是首選。前3座組合跨海大橋建于1936—1964年，使用鋼筋混凝土（RC）和預(yù)應(yīng)力混凝土梁，其最大跨度從23 m至48 m不等。

東京灣跨海公路及其聯(lián)絡(luò)線建于1997年，是第一座使用80~240 m跨度的連續(xù)鋼箱梁組合跨海大橋。大約在同一時(shí)間，大貝爾特橋采用了跨度為193 m的鋼箱梁和跨度為110 m的PC梁。因此，在逐跨吊裝施工時(shí)，每種類型的梁重量相同。為了使材料強(qiáng)度和重量之間保持平衡，21世紀(jì)建造的3座最新的BIT組合橋梁均采用跨度為90~140 m的鋼桁架和混凝土橋面板組合梁。有趣的是，我們可以得出這樣的結(jié)論：跨海大橋非通航孔橋的發(fā)展已經(jīng)從混凝土過(guò)渡到鋼，然后又過(guò)渡到鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。

幾乎所有的非通航孔橋均采用逐跨建造技術(shù)，這就需要建造大型船只或浮吊船來(lái)吊裝整孔梁。橋梁建造中使用的最大浮吊船是荷蘭于1991年制造的HLV“天鵝”號(hào)浮吊船，吊裝能力為8700 t，吊裝高度為76 m[圖3（a）]。第二大的是日本于1995年制造的3000 t浮吊船。中國(guó)為了建造跨海大橋，專門制造了兩臺(tái)大型浮吊船，包括在2003年的東海大橋建造中首次使用的起吊能力為2500 t的“小天鵝”號(hào)浮吊船[圖3（b）]，以及在2005年的杭州灣大橋建造中使用的起吊能力為3000 t的“天一”號(hào)浮吊船。這兩臺(tái)浮吊船，連同最近建造的另外兩臺(tái)浮吊船（起吊能力為3200 t的“長(zhǎng)大海升”號(hào)浮吊船和起吊能力為4000 t的“一航津泰”號(hào)浮吊船）一起用于港珠澳大橋的吊裝施工。

圖3. 巨型浮吊船。（a）“天鵝”號(hào)浮吊船；（b）“小天鵝”號(hào)浮吊船

（三）深基礎(chǔ)

深基礎(chǔ)是一種比淺基礎(chǔ)更能將橋梁荷載傳遞至地表以下的土壤中的基礎(chǔ)。深基礎(chǔ)主要有兩種類型：樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)。

樁基礎(chǔ)可采用兩種不同類型的樁：鋼打入樁或RC鉆孔灌注樁。表2中的前4座BIT組合橋梁以及上海長(zhǎng)江隧橋采用了打入樁或鉆孔樁基礎(chǔ)。其中，舊金山—奧克蘭海灣大橋保持了水下最深基礎(chǔ)的紀(jì)錄（水下74 m），切薩皮克灣跨海大橋是第一座采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力圓柱式混凝土空心樁橋梁基礎(chǔ)的大橋。

沉井基礎(chǔ)是一種由RC或鋼制成的水密圍護(hù)結(jié)構(gòu)，將其沉入地下達(dá)到一定深度后，填充混凝土形成基礎(chǔ)。表2中的其余3座BIT組合橋梁采用沉井基礎(chǔ)，沉井基礎(chǔ)在岸上預(yù)制，從岸上運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，然后在現(xiàn)場(chǎng)沉置。大貝爾特橋東段采用了最大的鋼筋混凝土沉井，橋塔基礎(chǔ)沉井長(zhǎng)78 m，寬35 m，深20 m，重3×10⁴ t，錨碇基礎(chǔ)沉井占地面積為6100 m² ，質(zhì)量為5×10⁴ t 。巨濟(jì)大橋475 m跨度斜拉橋的橋塔基礎(chǔ)采用了最大的鋼沉井（圖4）。該沉井占地面積為38 m×20.5 m，深度為14 m，重量為2600 t。

圖4. 巨濟(jì)大橋使用的橋塔鋼沉井。EL：標(biāo)高，單位：m

天然島或人工島均可用于連接橋梁與隧道，或?qū)崿F(xiàn)從橋梁到隧道的過(guò)渡。如果規(guī)劃項(xiàng)目區(qū)內(nèi)沒(méi)有天然島，則必須建造人工島。

人工島大小不一，功能各異，歷史悠久。近代以來(lái)，用于陸上運(yùn)輸?shù)娜斯u已成為橋梁的墩臺(tái)基礎(chǔ)、隧道的通風(fēng)塔以及銜接橋梁與隧道之間的交通通道。可通過(guò)兩種主要方式填海造地形成人工島：利用既有小島或礁盤填筑成人工島，以及直接填海造地建成人工島。

（一）在小島或礁盤填筑，然后保護(hù)堤岸

填海造地的傳統(tǒng)方法是選定淺水區(qū)小島或礁盤的位置，然后用石頭和其他建筑材料將其擴(kuò)大。所需的人工島填造地形成后，有必要建造堤岸防護(hù)結(jié)構(gòu)。通過(guò)填海造地建造的人工島包括東京灣橫斷道路的木更津島和厄勒海峽大橋的佩伯霍爾姆（Peberholm）島等人工島。上述人工島起到了從海底隧道到橋梁的過(guò)渡作用。

（二）先圍海，再造地

另一種方法是圍堰造地。過(guò)去，通過(guò)向水中傾倒散料建造圍堰，目的是形成圍封水域的岸堤。板樁是一 種圍封水域的方法，該方法通常用于淺灘水域。如果所需填造的人工島場(chǎng)地不大，則可選擇沉置預(yù)制沉井。建造東京灣橫斷道路的川崎島時(shí)就采用了這種方法（圖5）。沉井也充當(dāng)了盾構(gòu)機(jī)的盾構(gòu)始發(fā)豎井，在運(yùn)行過(guò)程中成為隧道通風(fēng)塔。

圖5. 川崎島。單位：mm（Reproduced from Ref. with permission of Ingenta, ?1993）

軟土地基上的人工島偶爾會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)期沉降。這不僅對(duì)島上防護(hù)結(jié)構(gòu)的功能有害，而且也不利于橋梁與隧道的轉(zhuǎn)換連接。軟土地基的改善很重要。常用的方法包括用砂（即夯實(shí)砂樁或SCP）或水泥（即深層水泥攪拌樁或DCM）代替軟土。另一種方法涉及樁基礎(chǔ)的應(yīng)用，然而，這種方法花費(fèi)更高。

舊金山—奧克蘭海灣大橋由通過(guò)芳草島上的隧道相連的東橋和西橋組成。這條隧道實(shí)際上是一條山嶺巖石隧道（寬23 m，高18 m，長(zhǎng)160 m），因此不同于涉及水下隧道建設(shè)的其他BIT組合項(xiàng)目。

BIT項(xiàng)目的本質(zhì)之一是建設(shè)海底隧道。漢普頓道路隧橋的BIT組合項(xiàng)目應(yīng)用了沉管隧道。這條隧道是當(dāng)時(shí)世界上最長(zhǎng)的沉管隧道，也是第一條建在兩個(gè)人工島之間的隧道。

1994年修建了連接英國(guó)和法國(guó)的英吉利海峽隧道（Channel Tunnel），這是隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）在海底隧道建設(shè)中的首次成功應(yīng)用。同一建設(shè)時(shí)期的大貝爾特鐵路隧道的建設(shè)，由于海水浸入淹沒(méi)了TBM（1991年），該工程的竣工時(shí)間遲于海峽隧道。因此，該項(xiàng)目說(shuō)明了施工前測(cè)量的重要性。在地震區(qū)，地震作用是必須解決的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

（一）沉管隧道

BIT組合項(xiàng)目中采用的沉管隧道與其他水域采用的沉管隧道差別不大。早期沉管隧道的預(yù)制通常利用造船碼頭先在干塢內(nèi)預(yù)制成型鋼管，然后再運(yùn)輸?shù)筋A(yù)定位置沉放安裝。漢普頓道路隧橋也采用了這項(xiàng)技術(shù)。隨著沉管隧道技術(shù)的發(fā)展，鋼筋混凝土（RC）沉管隧道建設(shè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。根據(jù)隧道的地質(zhì)條件以及施工和運(yùn)行過(guò)程中需要考慮的荷載，可將隧道管件設(shè)計(jì)并預(yù)制成整體式管節(jié)或節(jié)段式管節(jié)。如表3所示，最近20年建成的BIT項(xiàng)目中，節(jié)段式RC沉管隧道包括厄勒海峽大橋、巨濟(jì)大橋和港珠澳大橋。用鋼殼預(yù)制的沉管隧道通常為整體式管節(jié)。漢普頓道路隧橋和切薩皮克灣隧道大橋項(xiàng)目是整體式沉管隧道范例。

表3 BIT項(xiàng)目的沉管隧道 

a  is the diameter of a cross section of the immersed tube. The number in parenthesis is the inner diameter, the other one is outer diameter, of the tube.

在建造沉管隧道時(shí)，通常遇到的挑戰(zhàn)包括開(kāi)挖隧道基槽，軟土地基處理，隧道管節(jié)預(yù)制、運(yùn)輸、下沉和對(duì)接，然后回填覆蓋固定。早期在建造沉管隧道時(shí)，主要通過(guò)安裝在駁船上的挖掘機(jī)開(kāi)挖槽溝，并采用拖船拖運(yùn)管段。用纜機(jī)來(lái)下沉懸掛在駁船之間的管段。

沉管隧道的加固處置有先處理和后處置兩種不同的方法基礎(chǔ)。一種方法是在管段覆蓋穩(wěn)定后，在其底部注入噴射砂或砂流；另一種方法是先用碎石鋪一層碎石基層，然后再沉放沉管管節(jié)。軟土地基的沉管基礎(chǔ)也可采用樁基礎(chǔ)。

（二）TBM 隧道

雖然僅有3條BIT工程項(xiàng)目的隧道使用TBM建造，但每條TBM隧道均打破了復(fù)合地基或軟土地基的現(xiàn)有紀(jì)錄（表4）。大貝爾特橋用于鐵路運(yùn)輸。9.6 km東京灣跨海公路及其聯(lián)絡(luò)線的雙線隧道使用了8臺(tái)TBM進(jìn)行盾構(gòu)施工，每臺(tái)TBM掘進(jìn)了大約2.4 km。當(dāng)兩臺(tái)護(hù)盾式盾構(gòu)機(jī)在管道部分中心相遇時(shí)，使用地層凍結(jié)技術(shù)在海平面以下60 m處進(jìn)行連接。為了適應(yīng)地震作用并確保耐久性，在管片襯砌的基礎(chǔ)上還設(shè)計(jì)了300 mm厚的二次襯砌。

表4 BIT項(xiàng)目的TBM隧道 

EPB: earth pressure balance.

^a Here, diameter is referred to the bore diameter of the TBM tunnel

通風(fēng)是海底長(zhǎng)隧道的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在東京灣跨海公路及其聯(lián)絡(luò)線項(xiàng)目中，將一個(gè)預(yù)制RC沉箱拖運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，然后沉置作為4臺(tái)隧道掘進(jìn)機(jī)的盾構(gòu)始發(fā)豎井。

上海長(zhǎng)江隧橋保持了當(dāng)前運(yùn)營(yíng)公路隧道最大直徑（15.43 m）TBM的紀(jì)錄，也保持了在砂質(zhì)軟土地基上不用更換刀盤的最長(zhǎng)盾構(gòu)距離（7.0 km）的紀(jì)錄。從2013年開(kāi)始，美國(guó)華盛頓州西雅圖SR99隧道項(xiàng)目使用了更大的土壓平衡式（EPB）隧道掘進(jìn)機(jī)（17.45 m）。在建的屯門至赤鱲角連接路是另一條經(jīng)海底隧道通往香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)人工島的路線，全長(zhǎng)4.2 km。該項(xiàng)目于2015年動(dòng)工，采用了17.6 m混合護(hù)盾TBM。如圖6所示，大直徑TBM隧道將繼續(xù)保持需求。