沉管隧道連接段底板分段施工關鍵技術研究

常建梅

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

本文依托天津市濱海新區(qū)中央大道海河隧道工程進行關鍵技術研究，工程為華北地區(qū)第一條沉管隧道，在其區(qū)域內(nèi)地質(zhì)、水文等條件下，工程具有一定的代表與典范性，將為我國該區(qū)域內(nèi)沉管隧道發(fā)展儲備經(jīng)驗與提供技術指導。

1 概況

工程為天津市內(nèi)河沉管隧道，穿越海河，水中沉管段長為255 m，與之相連為岸邊主體段，兩岸各為一段。工程連接段施工關鍵技術，在于基坑一次開挖到位后，由于底板分段施工而形成基坑的二次開挖，從而采用了深基坑斜坡段加固、基坑防透水、底板澆筑等關鍵技術。連接段位置如圖1所示。

岸邊連接段采用明挖法施工，基坑尺寸長35 m×寬36.9 m×深25 m，為超深基坑。連接段的主體為3層結構，寬度為36.6 m，高度21.5 m，負一層為行車通道，形式為“兩孔三管廊”，主體結構橫斷面如圖2所示。

圖1 沉管隧道平面(單位:m)

主體段底板第一段13.03 m澆筑完成后，在縱向長度14.83 m位置處，以1∶2.8坡度進行第二段底板基坑開挖，當?shù)诙位娱_挖完成后轉入底板第二段施工，結構形式見圖3。

圖2 連接段主體結構橫斷面(單位:cm)

圖3 沉管隧道連接段底板斜坡段縱斷面(單位:cm)

基坑環(huán)境條件:臨近海河，鋼管樁圍堰，兩邊采用地下連續(xù)墻圍堰，整個基坑采用工具柱與混凝土支撐的組合體系。地基采用高壓旋噴樁滿堂加固，基坑開挖遵循“先降水，后支護開挖”的原則。降水井遵循“提前布置，抽水不抽泥沙”的原則。井點降水采用大口礫石井，外包針孔無紡布，進行過濾降水。

2 施工重難點分析

工程部位連接段施工風險性較大，關系到整個深基坑乃至施工人員安全。由于此底板施工，圍護結構支撐非常密集，操作有限空間小，因此也給施工造成了一定難度大。從施工難度上分析，不僅是空間有限操作難度，更大難度是如何保證落差5 m多高，二次開挖斜坡段的穩(wěn)定，以及預防臨河邊鋼管樁透水事故的發(fā)生，基底抗拔樁與支撐體系工具柱穿破砂層，承壓水往上透水等問題的解決與預防，是本工程底板分段澆筑施工的難點。

進行歸類從以下方面考慮:(1)斜坡段的基坑開挖階段，必須保證第一次澆筑完成的底板結構穩(wěn)定;(2)基坑防透水事故發(fā)生;(3)基坑支撐安全穩(wěn)定。從最根源的這幾個重要因素出發(fā)，進行深入分析研究，才能有針對性的保證底板分段澆筑施工質(zhì)量。

3 二次開挖斜坡段穩(wěn)定性計算

3.1 地質(zhì)狀況

此底板高程位于地質(zhì)層-15.3～-21.7 m位置處。根據(jù)地質(zhì)勘查報告顯示，處于第Ⅰ海相層和第Ⅱ～Ⅲ陸相層之間，主要以粉質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細砂為主，土體透水率大，穩(wěn)定性能比較差。

第Ⅰ海相層:本層為海相沉積，主要含有黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、淤泥質(zhì)土。第一亞層:黏土、粉質(zhì)黏土，厚度1.00～3.00 m，層底高程-1.23～-4.42 m。第二亞層:軟土，主要為淤泥質(zhì)土，局部含粉質(zhì)黏土夾層，厚度3.90～6.80 m，層底高程-6.26～-11.12 m。第三亞層:黏土，主要以黏土為主，局部含粉質(zhì)黏土、粉土夾層，厚度4.20～12.00 m，層底高程-10.80～-18.48 m。

第Ⅱ～Ⅲ陸相層:本層主要為河流相沉積，頂部含有少量湖沼相沉積，主要含有黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細砂。第一亞層:粉質(zhì)黏土，厚度2.00～10.10 m，層底高程-17.69～-26.73 m。第二亞層:粉土，厚度2.10～9.50 m，層底高程-21.11～-28.36 m。第三亞層:粉砂、細砂，厚度 2.00～13.40 m，層底高程-30.36～-32.54 m。

3.2 斜坡段穩(wěn)定性計算分析

根據(jù)斜坡的土體性質(zhì)和滑坡可能形狀，采用摩根斯坦—普萊斯法進行邊坡穩(wěn)定性驗算。已知條件:滲透系數(shù)K=10-3～10-4cm/s;其液性指數(shù) IL＞1.2，孔隙比 e＞1.3，φ=20°52″，穩(wěn)定系數(shù)取 1.25，第一次澆筑完成的底板重力約為20 000 kN。

經(jīng)計算，發(fā)現(xiàn)力矩平衡難以達到，土體下滑力過大，所以需要對原斜坡段進行坡面穩(wěn)定加固處理，即采取相應的加固措施確保坡面穩(wěn)定。

3.3 斜坡段坡面穩(wěn)定加固措施

通過二次開挖斜坡段穩(wěn)定性計算分析，為保證斜坡段施工質(zhì)量，防止開挖過程中出現(xiàn)滑坡，制定了針對性的施工措施。

(1)在坡頂和坡腳位置各設置1道混凝土地梁，用于加固斜坡段兩側土體，同時也起到一定止水效果。坡頂設置地梁高度為110 cm、寬度為50 cm;坡腳地梁高度110 cm、寬度100 cm，均采用C20鋼筋混凝土，其作用為加固、穩(wěn)定坡面。

(2)坡頂位置降水，利用第一次已澆筑完成的底板區(qū)域的降水井降水;斜坡段下方施工6口φ400 cm大口深井，井底高程為基底高程下6 m，用于抽排地下水，以保證基坑降水質(zhì)量，具體施工布置見圖4。

圖4 斜坡段加固縱剖面(單位:cm)

(3)為保證基底和坡面的穩(wěn)定，在基坑開挖到位后，依次施工厚50 cm碎石、厚30 cm混凝土墊層。

(4)為保證斜坡面的土體穩(wěn)定，防止斜坡段發(fā)生滑坡，在開挖到位，人工修坡后，填筑砂袋、鋪設碎石，然后施工1道厚40 cm、間距25 cm×25 cm、φ14 mm的混凝土鋼筋網(wǎng)片護坡面。

(5)斜坡段混凝土施工完成，進行坡底地梁的施工。

(6)基坑整個墊層施工完畢后，進入下道工序—底板柔性防水層的施工。

在底板斜坡段施工中，雖然地基加固有滿堂高壓旋噴樁做支承與止水，但是考慮到第一次底板已完成，以及高壓旋噴樁樁頭的止推力和止水能力。所以為了保證施工質(zhì)量的萬無一失，在基坑斜坡段坡頂與坡腳位置處設置混凝土梁。主要作用是為了保護第一次澆筑完成的底板主體，同時也在斜坡段坡面位置處，施做了混凝土鋼筋網(wǎng)片，予以穩(wěn)定斜坡面。

根據(jù)后續(xù)的施工驗證，這種方案是完全可靠，有質(zhì)量保證的。在基坑開挖完成后，施做底板混凝土結構前，須在抗拔樁、降水井的周圍設置遇水膨脹條和止水鋼環(huán)，以防地下水通過此結構物，往上冒泥沙。根據(jù)開挖情況，也可適當在開挖完畢后，填筑砂袋，然后再回填碎石。在超深基坑開挖施工中，降水是關鍵，重中之重，必要時可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，適當增加降水井的數(shù)量，以達到更好的降水效果，提供良好的作業(yè)場所。

4 施工不利因素分析與應對措施

基坑透水可能性發(fā)生，主要來自四方面:基坑南側鋼管樁;圍護地下連續(xù)墻結構;基坑底部透水;由于基底高程差異，臨近主體段地下水匯集。

4.1 圍護結構滲水分析與應對措施

圍護結構的滲水，主要可能發(fā)生部位:連續(xù)墻接縫處滲水和臨海河邊鋼管樁圍堰鎖口部位的滲水。

(1)地下連續(xù)墻接縫處滲水

因兩邊的格構連續(xù)墻深度達52.5 m，采用十字鋼板接頭，如此深地下連續(xù)墻施工，穿越近20 m砂層，施工難度較大，垂直度要求嚴格，如果兩十字鋼板接頭接茬處不嚴實，基坑開挖時漏水是可能發(fā)生的。

預防措施:在連接段基坑開挖前，在地連墻的外側施做降水井，提前降低連續(xù)墻外側的地下水位，或者在地下連續(xù)墻接頭位置，進行高壓旋噴樁止水施工。

(2)鋼管樁圍堰鎖口部位滲水

鋼管樁圍堰采用φ1.19 m的鎖口鋼管，伸入地下深度為52.5 m，臨近海河，因此有可能發(fā)生滲水的部位為鋼管樁鎖口位置。

預防措施:在海河邊鋼管樁外側進行滿堂高壓旋噴樁止水帷幕施工，此方法對兩鋼管樁鎖口部位止水起到很好效果。

(3)鋼管樁基坑底處滲水

地下承壓水通過砂層沿著鋼管樁往上滲水，俗稱為管涌，如果發(fā)生此現(xiàn)象，將對整個基坑穩(wěn)定構成安全隱患。

應對措施:為防止此現(xiàn)象的發(fā)生，必須保證鋼管樁外側止水帷幕深度、厚度，同時在基坑開挖前，適當增加降水井的數(shù)量，從而降低承壓水位。

4.2 基坑底部透水分析與應對措施

該基坑深達25 m，臨近海河邊，地下水位高。雖然在基坑開挖前，進行了滿堂高壓旋噴樁加固，但是地質(zhì)資料表明，從該斜坡段開挖面到基底(-21.731 m)處為粉質(zhì)土層，基底下6 m進入細砂層，由此分析，當抗拔樁、降水井、鋼管樁穿過粉質(zhì)土和細砂層時，地下承壓水通過砂層沿著樁基礎周圍往上冒水。

應對措施:主要是降低地下承壓水高度，適當增加降水井數(shù)量，通過降水井把承壓水位高度降下去。

4.3 臨近主體段地下水匯集分析應對措施

該連接主體段，基坑為最深，高程最低，因此由于基坑高程差異，前面相連段地下水往此基坑里匯集。

應對措施:在前面主體段里，橫斷面上設計了素混凝土墻，阻止臨近主體段地下水往此基坑里匯集。同時在基坑斜坡段上，設計布置了滿堂高壓旋噴樁，此處的旋噴樁深入斜坡段坡腳底2 m，作用是在基坑開挖時，穩(wěn)定斜坡的土體和止水。

5 沉管連接段底板分段分層澆筑施工

在斜坡段小基坑開挖、鋪填碎石、澆筑混凝土墊層后，進行主體底板施工，底板分段澆筑。進行第2次澆筑時，應充分考慮到連接段端鋼殼安裝定位精確度。在沉管隧道施工中，端鋼殼的安裝精度及牢固，直接影響到沉管對接即隧道走向。所以在底板第2次混凝土澆筑，即鋼筋綁扎時，在端鋼殼的底部預埋工字鋼，有利于其安裝與定位。

第3次底板澆筑時，注意管段之間的PC拉鎖預埋位置，根據(jù)已預制完成與之相連的沉管段E1河中段的PC拉鎖位置來確定。反之，會造成沉管對接完成后，PC拉鎖孔道不在同一條軸影響張拉。

6 結語

沉管隧道具有對航運影響小、抵御自然災害能力強、截面尺寸自由度大及防水性能好等優(yōu)點。

作為沉管隧道關鍵部位連接段，施工質(zhì)量尤為重要，經(jīng)現(xiàn)場實踐驗證，本文總結出的技術研究成果，可為今后沉管隧道連接段設計與施工及深基坑工程施工，提供參考依據(jù)與指導思想。

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