海河隧道沉管沉放對接的主要施工技術

郭建文

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459)

海河隧道沉管沉放對接的主要施工技術

郭建文

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459)

海河隧道工程采用沉管法工藝施工，在中國北方首次應用。通過沉放對接技術的應用，實現(xiàn)沉管管段在水中的精確對接，針對沉管的浮運、沉放、對接等關鍵問題進行重點分析與闡述，采用岸拖方式將沉管管段依次浮運至沉放區(qū)域;采用浮駁吊沉法工藝進行管段沉放;利用全站儀、GPS、傾角儀實時監(jiān)控并調整管段空間位置及姿態(tài);利用水力壓接將GINA止水帶壓縮，完成沉管對接。施工結果表明，采用岸拖法浮運、浮駁吊沉法、水力壓接技術進行沉管對接是成功的，技術上是可靠的。

沉管隧道;岸拖法;浮駁吊沉法;水力壓接;施工

1 概述

海河隧道工程位于天津市濱海新區(qū)于家堡金融區(qū)，工程線路全長4.2 km，為雙向六車道，其中隧道全長3.38 km。本工程穿越海河采用沉管法施工工藝，是華北地區(qū)第一條沉管工藝隧道。

沉管段設計里程為 K28+492.0～K28+747.0，全長為255 m，由3節(jié)預制管段組成，管段長85 m(E1、E2管段)，80 m+5 m(E3-1、E3-2管段);管段橫斷面按照兩孔三管廊設計。其中沉管E3-1、E3-2在干塢內已經(jīng)采用拉合工藝連接成為整體。

沉管管段在干塢內預制并起浮，浮運至沉放區(qū)域進行沉放、對接作業(yè)。管段的浮運、沉放、對接技術是沉管隧道的核心技術［1］，單節(jié)沉管管段質量在3萬 t以上，在水中完成浮運、沉放、對接作業(yè)，安裝精度高，施工風險大，應用岸拖浮運技術、浮駁吊沉法、水力壓接等技術，實現(xiàn)沉管管段的精確對接。

2 主要方法原理

2.1 岸拖浮運

海河隧道所在位置，海河南北岸之間寬度243 m，管段浮運距離較小，在南北岸安裝固定卷揚機，作為動力牽引設備，將3節(jié)管段依次浮運至沉放區(qū)域。

2.2 浮駁吊沉法［2］

將浮駁安裝在沉管頂部，向管段內壓載水箱內依次對稱加水，沉管克服浮力下沉，通過系泊錨塊做定位系統(tǒng)，調整管段的平面位置，利用浮駁的吊索控制沉管下沉的速度與姿態(tài)，直至管段就位。

2.3 應用水力壓接原理實現(xiàn)管段對接［3］

管段就位后，通過沉管頂部千斤頂?shù)某醪嚼?，使沉管兩個封門之間形成密閉空間;排空封門之間水的過程，封門之間的空氣壓力與沉管尾端外側水壓力不再平衡，在水力壓差作用下，管段向已安裝管段方向移動，壓縮GINA止水帶完成管段最終對接。

3 主要施工技術

3.1 沉管岸拖浮運的準備工作

沉管浮運前已經(jīng)在干塢內進行了水密性檢驗，3節(jié)沉管依次試起浮，將沉管內全部水箱對稱、分次排出，在浮力作用下沉管開始起浮，水箱全部排空后，根據(jù)干舷值大小，在沉管頂板表面澆筑混凝土壓載層，將干舷值調整到20～25 cm。對沉管進行系泊，在沉管頂部的系纜柱上進行系纜，每節(jié)沉管縱向進行4點定位，橫向通過干塢四周地錨連接到固定的卷揚機，將鋼絲繩收緊，避免沉管在干塢內漂移。干塢內沉管管段臨時系泊如圖1所示。

圖1 干塢內沉管管段臨時系泊示意(單位:m)

管段的一次舾裝件安裝就位檢查，GINA止水帶保護罩安裝，吊點、拉合座、系纜柱、單輪滑車、五輪滑車、導纜鉗安裝，導向裝置安裝;檢查鋼端封墻、水密門、壓載水箱、進氣管和進排水管路系統(tǒng)、管內臨時照明系統(tǒng)、臨時通風系統(tǒng)。

沉管沉放主要設備就位情況，起重船、拉合千斤頂、測量塔、纜索測力計、超聲波測距儀、指揮交通器具、浮駁、鋼絲繩、卷揚機等。

測量監(jiān)測，沉管預制完成后，在沉管內部南北端封門附近布設4個測量點，作為對接完成后測量復核控制點;布設2條水平連通管，在邊隔墻上安裝標尺;同時在人孔附近隔墻預留洞口安裝傾角儀［4］，標定沉管初始狀態(tài)。沉管頂板表面做好軸線控制點，沉管內隔墻上做4個沉降監(jiān)測點。在塢口位置安裝有刻度浮尺，記錄管段浮運沉放對接過程中海河水位變化。

海河航道斷航公告已經(jīng)發(fā)布，上下游警戒船布置好，禁止任何船只在沉管浮運對接期間穿越施工水域，海河閘通過開、閉閘門方式，控制施工期間在水位的大沽高程為 0.8 ～1.0 m，控制海河流速＜0.3 m/s［5］。同時與氣象部門聯(lián)系，確定浮運、沉放、對接最佳時間。

3.2 沉管岸拖浮運

干塢內每節(jié)沉管采用岸拖浮運方式到沉放區(qū)域，沉管管段岸拖浮運如圖2所示。浮運采用6點控制管段移動，干塢塢口兩側岸壁結構上，固定2臺卷揚機控制管段沿軸線方向前移，管段兩側中部及管尾4點控制沉管移動路線，沉管前端到塢口時，錨艇將海河北岸的纜索拖至沉管前端進行系纜，由北岸固定的2臺卷揚機牽引沉管前移，管尾及塢口兩側的系纜控制行走路線，沉管出塢口后，海河北岸系纜控制沉管前移，兩側固定船只對沉管進行系纜，管尾改由塢口兩側系纜，控制沉管前進線路，直至指定位置，在干塢及塢口位置控制沉管浮運速度≤0.5 m/min，出塢口后控制沉管前進速度≤1.0 m/min。沉管前端距離設計位置5 m時，浮運結束。

圖2 沉管管段岸拖浮運示意(單位:m)

3.3 浮駁吊沉法進行管段沉放

3.3.1 系泊及沉放準備［6］

由于空間限制，第一節(jié)沉管無法在干塢內進行二次舾裝，浮運結束時進行二次舾裝作業(yè)，安裝測量控制塔，測量控制塔與人孔連接在一起安裝，每節(jié)管段設2個測量控制塔，采用桁架結構形式。測量控制塔的平面尺寸定為5.5 m×4.5 m，最大高度為20.85 m。每個測量控制塔上均配備3臺100 kN液壓絞車，其中2臺用于管段橫向調位，1臺用于管段縱向調位。管段首部的測量控制塔上還配備了1套供拉合千斤頂使用的液壓站，1個供指揮管段沉放對接用的控制室。將沉管頂面軸線控制點引測到兩個控制塔頂端，通過人孔引測傾角儀到測量塔，同時在測量塔頂部安裝GPS系統(tǒng)。

采用3 200 kN浮吊吊運兩個專用浮駁安裝到沉管頂部，將沉管兩側河床上沉放的4個預制系泊錨塊通過滑輪組系纜，與測量塔進行連接。測量塔橫向調節(jié)絞車連接上5輪滑車鋼絲繩的尾端并收緊，4條縱向調節(jié)系泊纜帶上管段，經(jīng)雙體滑車與測量塔縱向調節(jié)絞車連接，通過橫向、縱向調節(jié)絞車將管段定位于設計安裝軸線上。沉管管段沉放前系泊如圖3所示。

圖3 沉管管段沉放前系泊示意(單位:m)

在管段尾端底部距離端頭5 m位置，安裝φ700 mm水囊1條，防止基底注漿外溢，將用于浮運的系纜柱拆除，將GINA止水帶保護罩拆除，對止水帶進行探摸，確保無水生動植物附著。

在管段頂部端頭安裝拉合裝置，包括兩個行程為1.2 m的拉合千斤頂及配套設施;并將油管接到管段首部測量控制塔絞車平臺上的控制站。在管段內部安裝垂直千斤頂及配套設施。

3.3.2 系泊安全設計［7］

管段沉放對接時，準確定位必須依靠可靠的定位系泊系統(tǒng)抵抗水流作用力。由于管段安裝定位時主要承受橫向水流力，而縱向水流作用力相對較小，因此采用四點系泊系統(tǒng)進行定位。錨塊的拋設主要考慮抵抗橫向水流作用力。

(1)管段水流力計算

按照《港口工程載荷規(guī)范》，管段的水流力為

式中 Cw——水阻力系數(shù)，對于管段可取2.0;

ρ——水的密度，t/m3;

V——水流速度，m/s;

A——迎流面積，m2;

F——水流作用力，kN。

根據(jù)天津海河水文情況，海河內無潮流，但當開啟節(jié)制閘放水時最大流速可達1.5節(jié)(0.77 m/s)，按此水流速度對管節(jié)進行校核，則節(jié)制閥開啟放水時管節(jié)承受的水流作用力為

(2)系泊系統(tǒng)的設計及施工

①錨塊設計:采用吸附式重力錨塊，錨塊為方形，中間為空腔結構，外形尺寸5.5 m×5.5 m×3.5 m，質量為120 t，采用鋼筋混凝土結構。

②錨纜選型:主錨纜(橫向)用 φ72 mm×85 m，鋼芯鋼絲繩，破斷負荷3 000 kN。副錨纜(縱向)用φ42 mm的鋼芯鋼絲繩，破斷負荷為1 000 kN。

③施工:在管段浮運、對接之前，在管段沉放區(qū)的預定位置，利用起重船進行重力錨塊的沉放，并將各錨纜留好浮標備用。相鄰兩管節(jié)之間，上一管節(jié)尾部與下一管節(jié)首部共用一個重力錨塊進行系泊。E3管段由于受現(xiàn)有地形的限制，需在岸上設置地錨作為管段的縱向及橫向調節(jié)固定點。

(3)空腔式重力錨塊抗拉力計算

錨塊埋設后，其用于抗拉力的力主要有:錨塊的被動土壓力、泥土對錨塊側壓力產(chǎn)生的摩擦力、錨塊因自重與河床產(chǎn)生的摩擦力、錨塊內空腔土的抗剪力。設計時，不考慮錨塊內腔土的抗剪力及泥土對錨塊側壓力產(chǎn)生的摩擦力，其結果是偏于安全的。

3.3.3 管段浮駁吊沉法沉放施工［8］

沉管沉放，采用浮駁吊沉法工藝沉放。每節(jié)沉管頂板安裝4個吊點，與2個浮駁豎向連接，每個浮駁質量150 t，浮駁吃水產(chǎn)生浮力，控制沉管沉放及姿態(tài)。

初步下沉，向沉管內壓載水箱注水，注水分次對稱進行，控制相鄰水箱水面高差在10 cm以內，管段抗浮安全系數(shù)控制在1.01，測量塔的計算機系統(tǒng)顯示2個浮駁系纜拉力達到3 000 kN時，暫停注水。

通過計算機系統(tǒng)控制吊駁系纜下放，沉管開始下沉，第一次沉放高度控制在2 m，同時岸邊2臺全站儀讀取沉管位置數(shù)據(jù)，管段內部讀取水平連通管的數(shù)值，通過傾角儀、GPS、水下仿生系統(tǒng)監(jiān)測沉管姿態(tài)變化。初步下沉控制軸線偏差50 mm［9］，控制沉管最大橫向坡度≤0.2°。

根據(jù)海河水容重監(jiān)測數(shù)據(jù)，隨著深度變化，水容重略有增加，會造成沉管浮力增大，吊駁吊力會減小，沉管沉放的穩(wěn)定性會變差，沉管第一次沉放2 m時，進行壓載水箱注水，保證吊駁的吊力為3 000 kN。

沉管繼續(xù)沉放，距離設計高程2.0 m時，暫停沉放，開始調整管段縱坡(E1管段坡度為2.725%，E2管段坡度為0.548%、E3管段坡度為1.78%)，通過調整水箱壓載水量來調整縱坡，2個吊駁系纜升降配合，通過測量班控制測量塔高程來確定縱坡度?？v坡調整完成后，調整管段水平狀態(tài)，通過壓載水箱加水實現(xiàn)，利用水平連通管與傾角儀相互校核確認管段水平姿態(tài)，使用橫向調節(jié)絞車調整軸線偏差。

在縱坡調整前，相鄰水箱內的水位差不宜超過10 cm，在初步調整縱坡時，應避免只在個別水箱內加注壓載水的現(xiàn)象，保證相鄰水箱內的最大水位差不超過20 cm;管段縱坡的初步調整應緩慢進行，避免由于對姿態(tài)變化的滯后現(xiàn)象估計不足而造成姿態(tài)失控。管段縱坡的初調精度可控制在±0.2°［10］;管段姿態(tài)調整以全站儀、水平連通管數(shù)據(jù)為判斷依據(jù)，以傾角儀、GPS數(shù)據(jù)作為監(jiān)測數(shù)據(jù)進行復核。

沉管姿態(tài)調整完成后，沉管繼續(xù)沉放距離設計高程1.0 m時，管段開始前移，距離暗埋段或上一節(jié)沉管端面1.0 m時，管段繼續(xù)沉放距離設計高程0.5 m時，管段再次向前移動，端面距離GINA壓合面0.6 m時停止移動，每個動作完成后都要調整管段位置及姿態(tài)，待沉管姿態(tài)穩(wěn)定并滿足設計要求后方可進行下一個動作。

管段移位過程中，橫向移位調整時，每個測量塔2個橫向調節(jié)絞車通過滑輪組，拉緊、放松系泊錨塊上系纜，進行橫向位置調整;沿管段軸向移動時，2個控制塔縱向調節(jié)絞車通過滑輪組拉緊、放松系泊錨塊上系纜，進行軸向位置調整。

3.3.4 管段就位

管段的沉放就位應從鼻托端開始，先將沉管管段上鼻托落在B1段或已沉放管段下鼻托上，當測量數(shù)據(jù)表明上下導向裝置開始接觸后，應嚴格控制管段在水平面內的擺動，防止由此造成的導向裝置卡死;然后將管段后端輕輕地擱置到臨時樁樁帽上。根據(jù)測量數(shù)據(jù)調整千斤頂推桿的伸長量，來調節(jié)管段的縱坡及高程。管段高程調整到位后，4個吊點同時卸荷，每次卸荷約為10%，當卸荷50%時停止。卸荷過程中注意觀察千斤頂?shù)捻斄ψ兓⒓皶r進行調整。

3.4 利用水力壓接原理進行管段對接

3.4.1 管段初步拉合

當管段完成了初步對接后，安裝拉合裝置，由潛水員水下將拉桿及拉合擋塊安裝在已裝管段尾部拉合座上，以便于管段拉合對接。通過控制站將管段拉合至GINA止水帶尖角接觸到端鋼殼壓接面，達到初步止水的效果后停止。

拉合完成后測量鼻托頂高程及千斤頂伸長量，確定高程及伸長量滿足設計值要求時，拉合作業(yè)完成。100%卸除吊點吊力，使沉管尾端底部臨時樁處于全部受力狀態(tài)。

3.4.2 水力壓接

在拉合千斤頂拉合管段完成后，潛水員全面檢查GINA帶的壓接情況，并測量2條管段之間的距離，所有的實際情況與設計要求相符合時，進行水力壓接作業(yè)。

水力壓接是2條管段封門之間通過GINA帶形成一個相對水密空間，將封門之間的水排出時，封門位置水壓力不再平衡，在水力壓差作用下，管段向已安裝管段方向移動，壓縮GINA實現(xiàn)管段連接。打開封門上預先設置的空氣閥，封門之間水開始排出，水力壓接開始，待空氣閥排盡水之時，打開封門上預設的排水閥，并啟動水泵，將剩余水量排入管段內水箱，水力壓接結束，沉管對接完成。沉管管段水力壓接如圖4所示。

圖4 沉管管段水力壓接示意

管段水力壓接過程，是水力壓差作用，外力無法控制。豎向偏差由沉管豎向千斤頂、上下鼻托精度決定，壓接之前控制管段傾角偏差在±0.1°以內，高程偏差±10 mm以內，首端軸線偏差±10 mm以內;管尾軸向偏差由壓接面整體質量及GINA質量決定。

3.4.3 后繼工作

管段的拉合和水力壓接工藝完成后，向壓載水箱對稱、均勻加注壓載水，直至管段的抗浮安全系數(shù)達到1.04左右，相鄰壓載水箱內的水位不宜超過10 cm。

從管段加注壓載水開始到基礎施工結束，應實時監(jiān)測垂直千斤頂?shù)捻斄ψ兓?，確保2個垂直千斤頂受力均勻，當垂直千斤頂頂力滿足2 000 kN＜F＜3 800 kN時，是安全的，否則應采取應急措施。

由于沉管尾端支撐樁變更為鋼筋混凝土支撐墊塊，而墊塊基礎采用河床做基底，塊石、碎石做基礎，具有一定壓縮量，加大沉降觀測頻率，在沉管注漿之前通過千斤頂將管段管尾高程調整至設計高程。

3.5 最終接頭位置管段沉放對接的控制

沉管隧道多采用江、河中進行最終接頭，考慮河道寬度及通航要求，海河隧道最終接頭位置設在南岸的塢口內。南側2個系泊錨塊無法安裝，采用在塢口兩側預埋系攬裝置替換，受力角度發(fā)生變化，沉管沉放過程中穩(wěn)定性變差;最終接頭設計寬度為1.5 m，扣減GINA止水帶高度、導向裝置突出管外尺寸、岸上N1段鋼筋預留尺寸等影響，凈寬度只有45 cm;E3-2北端與E2之間預留30 cm最小安全距離，沉管沉放過程中，管段縱向移動只有15 cm。上述情況給管段沉放增加了更大的風險，沉放前在N1上方，安裝聲納掃側裝置，實時監(jiān)測管段與N1段空間位置，同時增加數(shù)據(jù)采集的頻率，沉放速度控制在正常沉放速度的1/3，最終順利完成了管段沉放作業(yè)。

4 結語

海河隧道沉管浮運對接自2012年11月12日至2012年12月30日，歷時49 d，完成3節(jié)沉管浮運、沉放、對接作業(yè)。沉管軸線偏差最大 10 mm(設計值50 mm)，高程偏差最大12 mm(設計值50 mm);GINA止水帶的壓縮量99～100 mm，止水帶壓縮均勻，符合設計要求。在北方最寒冷的季節(jié)完成沉管的浮運、沉放、對接作業(yè)，并取得了圓滿成功，為國內北方地區(qū)修建沉管隧道提供了借鑒。

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Key Construction Technologies of Sinking and Docking of Immersed Tube of Haihe River Tunnel

GUO Jian-wen
(The 5th Engineering Co.，Ltd.，China Railway 18 Bureau Group，Tianjin 300459，China)

The immersed tube method was used in the construction of Haihe River Tunnel，and it was the first time to be used in the north of China.By using the docking technologies，the accurate docking in water for immersed tube segment could be achieved.In this paper，some key issues are analyzed and described，such as the floating transportation，sinking and docking of the immersed tube and so on.By using the shore towing technique，the immersed tube segments were transported to the sinking area successively.By using the floating barge crane technique，the tube segments were put down to the water.By using total station device，GPS and inclinometer，the space position and gesture of the tube segments were real-timely monitored and adjusted.By using hydraulic pressure connecting technique，the GINA water-stops were compressed so that the docking of immersed tubes could be completed.The construction results show that by using the shore towing technique，floating barge crane technique and hydraulic pressure connecting technique，the docking of immersed tubes can be completed successfully and reliably.

immersed tube tunnel;shore towing technique;floating barge crane technique;hydraulic pressure connecting;construction

U455.49

B

1004-2954(2013)04-0073-04

2012-08-17;

2012-09-03

中國鐵建股份有限公司技術支持項目”軟基條件下海河隧道沉管施工綜合施工技術”(編號:09-03B)

郭建文(1972—)，男，高級工程師，1997年畢業(yè)于河北農(nóng)業(yè)大學城建學院水利工程專業(yè)，工學學士，E-mail:guojianwenjia@gmail.com。