南昌紅谷沉管隧道干塢塢底施工技術

趙康林，王秋林，崔玉國

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

沉管隧道在穿越江河、海峽水道具有多方面的優(yōu)勢［1－2］。近年來，隨著沉管隧道技術和經驗的不斷積累，國內沉管隧道建設發(fā)展較為迅速，已運營和在建的沉管隧道達10余座。

干塢作為沉管隧道的一項臨時工程，管段要在干塢內完成預制、存放、試漏等重要工序，在整個過程中起著舉足輕重的作用。而干塢塢底施工需要與沉管管段制作施工工藝等要求相結合，以保證管段制作質量，并考慮滿足管段預制快速施工需求和滿足后續(xù)管段起浮要求。

李榮高［3］結合上海外環(huán)線穿越黃浦江沉管隧道工程，通過一系列理論分析與實踐相結合的過程控制研究，解決了干塢邊坡及整體穩(wěn)定、地基變形等施工過程控制的難題。李向紅等［4］以上海外環(huán)隧道干塢工程為背景，結合干塢工程施工過程，對干塢的設計和干塢施工技術、干塢邊坡穩(wěn)定以及干塢基底變形等問題進行了研究。杜云龍等［5］結合寧波常洪沉管隧道干塢施工、張斌梁［6］結合天津海河沉管隧道干塢施工，從帷幕止水、降排水、開挖防護、防汛體系、塢底基礎處理及穩(wěn)定監(jiān)測等方面，對其較大型軸線干塢整體施工工藝及關鍵技術進行了介紹，對塢底復合地基處理及排水進行了介紹。

目前，在沉管隧道異地干塢施工過程中，能充分考慮沉管管段施工工藝要求，專門對塢底施工技術的系統(tǒng)性總結分析還是比較少的。本文以南昌紅谷沉管隧道異地大型固定干塢塢底施工為例，充分考慮結合沉管管段施工工藝要求，從塢底承載力及起浮層過水性要求高、起浮層平整度控制嚴、塢底施工分區(qū)多及塢底排水量大等方面，詳細闡述干塢塢底處理施工工藝重難點及關鍵技術要點。

1 工程概況

1.1 設計簡述

南昌紅谷隧道全長2 650 m，其中，江中沉管段總長1 329 m，共分12節(jié)管段，為國內在建最大的內河沉管隧道。干塢位于隧址上游8.51 km贛江岸邊處，采用異地“1+1”獨立固定子干塢型式(詳見圖1)，干塢尺寸為559 m×298 m，深度16 m，采用1∶3三級放坡開挖，占地面積近17萬m2(詳見圖2)。

2子塢南北對稱布置，塢底尺寸均為138 m×139 m，塢底設置排水溝、集水井和護墩，基底分為碎石基底和道路基底，基底采用分區(qū)域方式進行換填。

圖1 南昌紅谷隧道干塢平面布置圖Fig.1 Plan layout of dry dock of Honggu tunnel in Nanchang

圖2 干塢縱剖面示意圖Fig.2 Longitudinal profile of dry dock

1.2 工程地質與水文地質

實際開挖情況顯示，塢址區(qū)域除表面覆蓋少量人工素填土、塢底集水井處于粉砂質泥巖地層外，干塢邊坡及塢底基本處于松散全砂質地層中，且透水性較好，基坑開挖過程極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)。

干塢場地地表水主要為贛江地表水，地下水主要接受大氣降水的入滲補給和贛江地表水體側向補給，常年平均地下潛水位變化幅度為3～13 m。

2 干塢塢底施工重難點及技術要點分析

2.1 施工重難點

沉管的制作和起浮對干塢塢底有著特殊的要求:1)地基承載力滿足沉管管節(jié)自重及行車荷載的需要;2)管節(jié)預制過程中地基必須保持均勻沉降［6］，最大差異沉降量應不大于30 mm，避免造成管段主體結構裂縫;3)要便于管段起浮，管段與塢底基礎頂面間的吸附力要盡量小。

2.2 技術要點分析

1)干塢地質條件差，管段質量大，起浮層承載力要求高。干塢場地位于贛江河漫灘，塢底基本處于松散全砂質地層中，隨著挖除土體、荷載的釋放，必然會引起基底土體的隆起［7］，導致土體的極限承載力衰減和土體變形的加大;同時，干塢使用過程長達2.5 a，且經歷2次進水、1次放水過程，期間還要經歷2次汛期考驗，這對干塢塢底穩(wěn)定將產生不利影響。

本工程沉管每節(jié)管段質量約28 000 t，因此，對干塢塢底提出了較高承載力的要求，需對基底設計標高位置存在可塑或更差的土層進行挖除換填，并分層碾壓密實，及時封閉，增強其強度及抵抗變形能力，同時需加強監(jiān)控量測。

2)單管段質量大，起浮難度高，對塢底起浮層施工提出嚴格的過水性要求。沉管單管段質量為28 000 t，浮運出塢時，需提前放水使管段起浮，起浮層過水性需滿足要求，需對填筑的級配碎石提前做級配試驗，確定最佳級配，必要時需增設濾水導流槽［8］，增強過水性。

3)管段幾何尺寸允許誤差精度高，塢底起浮層施工平整度控制難度大。塢底管段預制基座平整度必須滿足設計要求，設計要求鋼筋混凝土枕梁臺座平整度允許偏差不超過±5 mm，碎石層平整度允許偏差不超過±10 mm，碎石起浮層施工平整度控制難度大，需進行分層碾壓，以減小沉降。

4)塢底分區(qū)兼顧管段快速流水預制作業(yè)需求，需進一步合理優(yōu)化分區(qū)。塢底初步分區(qū)為管段預制區(qū)、道路區(qū)及水溝護腳墩區(qū)，考慮管段預制快速作業(yè)設備配套需求，需增設軌道區(qū)及鋼筋加工區(qū)，用于龍門吊行走、外模行走、車輛通行及大型鋼筋加工;各區(qū)域換填厚度及結構不同，需分區(qū)域組織形成流水施工。

5)干塢匯水量大，塢底抽排水系統(tǒng)的施工是重點。干塢毗鄰贛江，深達16 m，四周采取塑性混凝土防滲墻組成防水帷幕將基坑內外水隔絕，汛期防洪壓力大;單子塢平面面積近7.5萬m2，雨天塢底匯水量巨大，對塢底排水系統(tǒng)提出較高要求。

3 關鍵技術及施工工藝要點

3.1 施工總體方案及要求

干塢在封閉止水帷幕結合疏干降水達到設計要求后，進行分層、分塊開挖。塢底設置排水溝、集水井和護腳墩，基底分為管節(jié)預制區(qū)碎石基底、道路及軌道基底，各區(qū)域結構及厚度不同，總體按照3個管段預制區(qū)依次開始基底處理，開挖到相應高程后，再采用具體分區(qū)分塊方式進行換填處理。

基底換填施工在入塢坡道修筑完畢后進行。施工總體流程如下:

施工準備—塢底土體整修，清除浮土、積水—鋪填10 cm中粗砂透水層—PVC盲溝管施工—基底墊層硬化—水溝、集水井、護腳墩施工—格梗枕梁施工—軌道基底施工—起浮層碎石填筑、碾壓—頂層墊層、濾水槽施工—施工下區(qū)域。

由于塢底換填質量直接關系到管段澆筑的質量，所以換填施工必須嚴格控制施工質量，在換填施工中需注意以下問題:1)干塢開挖后，塢底最后50 cm土體必須采用人工修挖，避免挖土機械對塢底土體過度擾動，影響塢底土體承載力;2)開挖塢底附近土方時，先在周邊挖設排水溝和集水井，防止開挖面受水浸泡;3)開挖至基底設計標高后，應及時施工塢底結構，對于預制管段位置下的基礎，應及時用混凝土封底，要求盡量減少基底地基土的暴露時間，做到挖一塊，施工一塊，基底地基土的暴露時間最長不得超過2 h;4)地基土開挖后，若受水影響產生軟化或因暴露時間較長產生松動的，需將受影響的表層土清除掉;5)由于本工程所在地區(qū)地下水位高，地下水較為豐富，開挖前，需完成干塢防滲體系，開挖過程中做好實時監(jiān)測，運用前期打設疏干井自動抽排水，同時，做好雨水排水措施，待塢底土層中水分充分疏干，土體固結，再進行墊層施工;6)起浮層填筑的級配碎石必須經過級配試驗，選用最佳級配，并需進行碾壓;7)預制管段基礎最上層起浮層的施工，一定要嚴格控制其平整度，平整度需滿足預制管段需要。

3.2 主要分項工程工藝

3.2.1 塢底區(qū)域劃分及優(yōu)化調整

南、北子塢塢底各設3座管段預制臺座，原預制臺座之間、臺座距四周邊坡距離均為12 m，為道路區(qū)域，用于車輛通行，塢底四周通長布置1.0 m×0.5 m(深×寬)排水溝，塢底四角設置5.0 m ×3.0 m ×2.5 m(長 ×寬 ×深)集水井。原干塢塢底場地區(qū)域平面布置見圖3。

考慮管段預制快速作業(yè)需求，對塢底分區(qū)進行優(yōu)化調整。在塢底東側設置臨時鋼筋加工場，用以加工大型號鋼筋，以減少鋼筋場內外倒運頻次，加快進度;同時考慮管段預制配備大型走行龍門吊，外膜采用走行式大型組合鋼模及大型施工車輛行走需求(其中普通混凝土泵車通行道路寬度需10 m、每節(jié)管段配置龍門吊及外模桁架將占據管段單側寬度3 m、考慮3節(jié)管段間預留2條泵車運輸道路)，需把3節(jié)管段間道路拓寬至16 m，具體為管段基座整體向臨江邊側移動3.5 m后，南北兩側管段基座向干塢坡面方向外移4 m(詳見圖4—6)。

圖3 塢底原分區(qū)布置圖(單位:m)Fig.3 Original zone division of dry dock bottom(m)

圖4 干塢塢底分區(qū)尺寸調整示意圖(單位:cm)Fig.4 Optimized zone division of dry dock bottom(cm)

圖5 干塢塢底布置剖視示意圖(單位:cm)Fig.5 Profile of bottom foundation of dry dock(cm)

圖6 塢底分區(qū)Fig.6 Picture showing zone division of dry dock

3.2.2 塢底土方開挖

1)塢底土方開挖前，需確保塢底積水排干，以免砂層含水造成塢底地基不均勻沉降。

2)因開挖時，塢底排水系統(tǒng)未施作，需邊開挖邊挖槽引排水，及時施作排水溝及集水井(詳見圖7)。

圖7 挖槽引排水及坡腳排水系統(tǒng)施工Fig.7 Water releasing channels and drainage system at slope foot

3)因塢底各分區(qū)開挖底面標高不同，分4次開挖:管節(jié)預制區(qū)域，軌道區(qū)域，道路基底，集水井、排水溝、護腳墩開挖。開挖底面標高需加強控制。

4)塢底開挖前，需確保該區(qū)域邊坡防護均已施工完畢，且應做試挖試驗，驗證該土層的特性。

3.2.3 盲溝管材料優(yōu)化調整及埋設施工

由于管段下有25～65 cm的換土層，此部分的排水對管段制作時的基礎穩(wěn)定有很大影響。所以在換土層基礎中設橫向盲溝，盲溝設計采用φ110PVC管，上部150°管壁打孔，外側包裹土工布，4 m間距沿中向東、西兩側按0.5%坡度布置。

因PVC管材質偏脆，表面光滑，人工打孔難度大，包裹土工布效果差，且考慮到盲溝管主要為防止地下水位抬高對基底的影響，現場改用高密度聚氯乙烯全環(huán)打孔波紋管。

盲溝管施工要點:

1)塢底PVC盲溝管區(qū)域采用挖機輔助人工開挖、埋設(詳見圖8)，盲管接頭采用兩通連接，盲溝管埋設必須保持暢通，并與周邊的排水明溝連通，且需用土工布裹緊，防止堵塞，以確保基底地下水得到及時排除。

2)須提前標識各PVC盲管位置，并控制坡度，注意端頭、中間開挖深度不同(詳見圖9)。

3)人工回填盲溝中粗砂透水層，施工時必須保持盲管溝暢通并與排水明溝連通。

圖8 挖槽及PVC盲溝管埋設Fig.8 PVC filter pipes

圖9 塢底PVC盲溝管埋設深度檢查Fig.9 Checking depth of PVCfilter pipes

3.2.4 塢底墊層硬化

1)須提前標識出不同區(qū)域硬化厚度及尺寸結構，撒白灰示意，5 m間距布置控制樁。

2)在透水層碾壓密實的過程中，注意對排設的盲溝管進行保護，避免破壞。

3)采用泵送混凝土，刮尺或滾筒收面，混凝土面層平整度不超過±5 mm，混凝土振搗密實。

3.2.5 軌道及水溝護腳墩基底結構優(yōu)化及施工

管段制作范圍以外的區(qū)域，根據調整后分區(qū)，主要為塢底道路、(門吊及外膜)軌道及水溝護腳墩區(qū)域，荷載小，主要根據行車荷載及堆放重物荷載計算，換填厚度只要能保證干塢土方開挖及后期管段預制過程中道路使用功能即可。對于道路基底，換填厚度為300 mm，自上而下結構依次為200 mm厚鋼筋混凝土、100 mm厚中粗砂倒濾層和φ110透水盲管(詳見圖10)。

3.2.5.1 軌道區(qū)優(yōu)化及施工

由于管段預制施工配置門吊、大型鋼模板，須預埋外模行走及固定鋼軌、龍門吊電纜槽及行走鋼軌，因此，將管段兩側基底結構進行微調作為軌道區(qū)域，管段兩側3.65 m范圍改為35 cm厚C25混凝土硬化，下部埋設單層鋼筋不變，換填厚度為450 mm，自上而下依次為:350 mm厚鋼筋混凝土墊層(預埋管段預制外膜型鋼軌道、門吊軌道)、φ110透水盲管(詳見圖11—13)。

圖10 道路基底結構布置圖(單位:mm)Fig.10 Structure of bottom foundation of road in dry dock(mm)

圖11 軌道基底結構剖面圖(單位:mm)Fig.11 Structure of bottom foundation of tracks in dry dock(mm)

圖12 軌道區(qū)鋼筋綁扎、預埋構件Fig.12 Re-bar arrangement and embedded part in track zone

圖13 軌道區(qū)基底施工成型照片Fig.13 Picture of completed bottom foundation of track zone

3.2.5.2 水溝、集水井護腳墩結構優(yōu)化及施工

塢底四周通長設置水溝、護腳墩，四角設置集水井，為相互獨立結構(詳見圖14)，考慮護腳墩、水溝需分次開挖施作，基底開挖后暴露時間長，對坡腳穩(wěn)定性影響較大，故對水溝(集水井)與護腳墩采取一起開挖澆筑的方式(詳見圖15)，達到快速封底、減小對坡腳穩(wěn)定性影響的目的。

1)水溝結構尺寸為100 cm×50 cm(深×寬)，集水井尺寸為5 m×3 m×2.5 m(長×寬×深)。為充分利用水溝、集水井范圍行車，考慮滿足行車重載要求，水溝(集水井)蓋板采用型鋼+螺紋鋼形式，采用L=800I10@300工字鋼+φ25@800螺紋鋼焊接而成。

圖14 水溝、護腳墩原獨立布置圖(單位:mm)Fig.14 Separate arrangement of drainage ditch and slope protection mound(mm)

圖15 水溝、護腳墩結構同體布置圖(單位:mm)Fig.15 Integration of drainage ditch and slope protection mound(mm)

2)排水溝施工必須分段進行，每段長度不超過25 m，當一段全部完成并回填可靠后，方可進行下一段的施工。

3)排水溝、集水井澆筑時，應注意按設計位置設置泄水孔，以利于邊坡及基礎的排水，特別注意南北向排水溝需預埋φ110PVC盲溝管及φ50PVC管。

3.2.6 管節(jié)預制區(qū)基底結構調整優(yōu)化及施工

為保證管節(jié)起浮以及提高塢底承載能力，管節(jié)預制臺座下塢底按換填地基設計［9－10］，換填厚度為800 mm，自上而下結構依次為鋼筋混凝土梗梁、400 mm碎石、150 mm厚鋼筋混凝土、100 mm厚中粗砂倒濾層、φ110透水盲管(詳見圖16)。

圖16 管節(jié)預制區(qū)碎石基底結構布置圖(單位:mm)Fig.16 Structure of crushed stone bottom foundation of tube element prefabrication zone(mm)

換填復合地基中各結構主要作用分別是:1)設置中粗砂倒濾層及沿平行于管段軸線方向每隔一定間距布置1根濾水管，可以起到排除基底地下水的作用;2)設置鋼筋混凝土板及梗梁，可以減小管段預制期間軟弱地基的沉降差;3)最頂層鋪筑中級配碎石層，并用120 kN壓路機碾壓密實，是為了減少管段不均勻沉降，且可以減小管段底板與混凝土板的吸附力，滿足管段放水起浮期間水流順利流入管段底部。

3.2.6.1 格梗枕梁優(yōu)化及施工

塢底管節(jié)預制的臺座為鋼筋混凝土格梗枕梁，按119 m×60 cm×40 cm(長×寬×高)@600 mm布置，1節(jié)管段預制臺座共5根格梗枕梁，其平整度精度要求高，誤差為5 mm以內。

為確保平整精度，格梗枕梁頂面采用預埋∠50×50角鋼找平并通過格梗與地板混凝土之間增加的接茬鋼筋(φ16@1 000)通長焊接固定，接茬鋼筋可防止后期管段起浮時抽排水導致枕梁與原地面剝離(詳見圖17—19)。

圖17 格梗枕梁配筋及預埋找平角鋼圖(單位:mm)Fig.17 Re-bar arrangement and embedded leveling angle steel of sleeper beam(mm)

圖18 格梗枕梁找平角鋼校正、焊接Fig.18 Correction and welding of leveling angle steel of sleeper beam

圖19 格梗枕梁澆筑收面Fig.19 Concrete casting for sleeper beam

3.2.6.2 起浮層結構優(yōu)化

格梗枕梁施工完畢后，進行中等級配碎石填筑及碾壓施工，事前需對碎石進行級配試驗，以確保最佳級配。但施工過程中，發(fā)現如下問題:

1)碎石碾壓過程中，碎石層間相互擠壓，固結性較差，易造成起拱現象，鋪筑米石、中粗砂后，平整度也難以達到±10 mm的設計要求;

2)防水底鋼板平整度要求高，延米平整度應不超過5 mm，碎石層平整度達不到要求，底鋼板承受不均勻荷載時，易造成底鋼板變形，影響管段預制幾何尺寸，同時改變管段整體容重，影響浮運干舷值，制約浮運安全。

基于上述原因，借鑒其他沉管項目施工經驗，采用“混凝土配合濾水槽做起浮層”［8］，即在塢底換填基礎上，將管段基底起浮層梗梁間碎石層改為“采用10 cm厚C25素混凝土+30 cm厚中等級配碎石(120 kN碾壓機碾壓)”方式，并在最上層素混凝土板上縱橫向設置垂直于管段的濾水槽，用米石填充，這樣，既可滿足起浮層平整度要求，又可滿足管段起浮過水性要求，在管段起浮階段，干塢內灌水后，濾水槽即可成為進水通路，水可以通過管段底部濾水槽，迅速進入管段底部，使管段順利起浮。

3.2.6.3 起浮層頂墊層及濾水槽施工

管段預制區(qū)30 cm厚碎石層填筑并碾壓整平后，施工最頂層10 cm厚素混凝土及濾水槽。

每管段預制區(qū)頂層素混凝土橫向每隔5 m設置1道、縱向設置3道濾水槽，槽寬10 cm，深10 cm，具體結構形式見圖20。每塊素混凝土板濾水槽內縱向均設置2根L=30 cm、φ12鋼筋連接素混凝土板抗浮，并與枕梁角鋼L型焊接。施工完畢，在濾水槽內填充100 mm厚小粒徑瓜子石。濾水槽可在澆筑頂板素混凝土時，預埋［10槽鋼施工，也可澆筑后采用切槽機切槽，詳見圖21和圖22。

圖20 管節(jié)預制區(qū)基底結構優(yōu)化平面和剖面布置圖(單位:mm)Fig.20 Optimized structure of bottom foundation of tube element prefabrication zone(mm)

圖21 管段預制各區(qū)起浮層頂層素混凝土澆筑Fig.21 Plain concrete casting for top layer of floating layers of tube element prefabrication zone

圖22 起浮層頂層素混凝土濾水槽填充瓜子石Fig.22 Gravel filling for filter channel of top layer of floating layers

3.2.7 塢底情況監(jiān)測

本工程北側子塢于2014年7月31日開始基底處理，當年8月31日結束，歷時約30 d;南側子塢于2014年10月18日開始基底處理，當年11月25日結束，歷時約38 d。管段施工期間在管段制作區(qū)四周布點，對塢內換填基礎的實際沉降情況進行監(jiān)測。北塢第1批E1～E3管段主體從2014年10月8日開始預制至2015年2月10日預制完畢，塢底基礎最大沉降量為－3.81 mm，設計監(jiān)測控制值為±30 mm，滿足管段制作對基礎的要求;預制期間，塢底未出現積水情況，塢底排水系統(tǒng)滿足要求;2015年5月7日，北塢E1～E3管段成功起浮(詳見圖23)，證明采用“濾水槽作起浮層”效果良好。

圖23 E1～E3管段成功起浮Fig.23 Successful floating of E1～E3 tubes

4 結論與體會

南昌紅谷隧道干塢工程較為充分地考慮了與沉管管段施工工藝相結合，在施工過程中主要采用如下技術措施:塢底合理優(yōu)化分區(qū)促成管段預制流水化施工、基底軟層分區(qū)換填確保承載力要求、預制基座格梗枕梁采用角鋼超平、起浮層采用“混凝土+濾水導流槽”、合理優(yōu)化排水系統(tǒng)等，較高質量地完成干塢塢底施工，滿足了管段荷載、快速預制和起浮等各方面要求，總體上，上述技術措施是合理可行的。施工中的工程問題及經驗教訓，對提高今后類似工程的設計及施工均有一定的借鑒意義。

干塢穩(wěn)定性監(jiān)測將隨著后續(xù)工程持續(xù)進行下去，以進一步驗證各種不同工況下塢底穩(wěn)定情況，確保其使用功能正常。

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