沉管密閉腔抬升方法的構(gòu)想與實(shí)踐

林 鳴,梁 桁,林 巍,尹海卿,李哈汀

（1.中國交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100088；2.中交港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部設(shè)計分部，珠海519015；3.中交港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部，珠海 519015）

海岸河口及港口工程

沉管密閉腔抬升方法的構(gòu)想與實(shí)踐

林 鳴1,梁 桁2,林 巍2,尹海卿3,李哈汀3

（1.中國交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100088；2.中交港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部設(shè)計分部，珠海519015；3.中交港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部，珠海 519015）

在港珠澳島隧工程沉管隧道E32-E31管節(jié)接頭發(fā)生異常沉降以后，筆者提出了沉管密閉腔壓漿預(yù)壓基床、抬升管節(jié)的構(gòu)想。實(shí)施結(jié)果與構(gòu)想基本符合，起到了協(xié)調(diào)差異沉降、預(yù)壓密實(shí)基床、調(diào)控沉降形態(tài)的目的。文章總結(jié)了該構(gòu)想的形成、實(shí)施的過程與結(jié)果。該構(gòu)想的成功實(shí)施創(chuàng)造了一種調(diào)控沉管沉降的新方法。

沉管隧道；港珠澳島隧項(xiàng)目；沉管密閉腔抬升法；基礎(chǔ)處理

1 構(gòu)想的提出

1.1 E32管節(jié)異常沉降問題

港珠澳島隧項(xiàng)目沉管隧道段長約5.6 km，由33節(jié)沉管組成（圖1），標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)安裝后的質(zhì)量約為76 000 t。該工程絕大多數(shù)管節(jié)基礎(chǔ)采用了復(fù)合（天然）地基+組合基床的創(chuàng)新方案，如圖2所示。管節(jié)安裝時的瞬時沉降大約為5～15 mm，管頂回填及管內(nèi)壓艙混凝土澆筑等施工期間的沉降大約為40 mm，隨后便呈現(xiàn)收斂趨勢。

圖1 港珠澳島隧項(xiàng)目縱斷面Fig.1 HZMB island-tunnel project longitudinal section

圖2 港珠澳島隧項(xiàng)目沉管隧道基礎(chǔ)方案Fig.2 HZMB immersed tunnel foundation

E32管節(jié)是33個安裝管節(jié)中唯一個沉降規(guī)律不同的管節(jié)。安裝之后尚未加載時，E32與E31管節(jié)接頭端的沉降監(jiān)測情況異常（圖3），發(fā)生了近50 mm的沉降，且不收斂；在碎石整平船插、拔樁腿時[1]，E32管節(jié)的豎向姿態(tài)出現(xiàn)跳躍變動的反應(yīng)，一端下降時另一端抬升（圖3），豎向運(yùn)動呈現(xiàn)“蹺蹺板”反應(yīng)。

E32管節(jié)置于預(yù)先開挖的基槽中，地基經(jīng)過超載預(yù)壓處理，其歷史應(yīng)力遠(yuǎn)高于當(dāng)時荷載應(yīng)力水平，經(jīng)工程判斷異常沉降主要發(fā)生在地基上層的基床中。如果不能進(jìn)行妥善的處理，可以預(yù)見的是，在E32管節(jié)回填加載過程中，E32管節(jié)的沉降以及與E31管節(jié)的差異沉降將不可接受。

1.2 密閉腔壓漿抬升沉管的構(gòu)想

利用E32-E31接頭部位的沉管隧道基槽、鎖定回填碎石、管節(jié)接頭底部自然形成的空腔（圖4），通過壓漿形成密閉腔，來協(xié)調(diào)接頭沉降、預(yù)壓密實(shí)基床、調(diào)節(jié)沉管豎向姿態(tài)。

（1）壓送漿體置換基床空隙中的水體，漿體凝結(jié)后形成固態(tài)墊層，填補(bǔ)可能的脫空空間，減少沉降及差異沉降。

（2）利用壓漿過程中的漿體壓力，對基床進(jìn)行預(yù)壓密實(shí)，預(yù)先完成后期加載沉降。

（3）利用近似液壓千斤頂原理，通過密閉腔與帶壓漿液抬升管節(jié)，調(diào)節(jié)控制沉降量和姿態(tài)。

2 方案評估

2.1 漿液性能

漿液是一種超低強(qiáng)度水下不分散混凝土，需要具備一些特殊性能。

密閉腔的壓力形成是必要條件，如圖4所示。這就要求漿液在水下能夠長距離流動，并保持不分散的狀態(tài)。

為達(dá)到形成整體墊層的目的，要求漿液凝固后具備一定強(qiáng)度且體積穩(wěn)定。

需要考慮整體墊層與周圍的碎石基床協(xié)調(diào)受力，因而要求漿體為超低標(biāo)號混凝土漿液。

此外，要達(dá)到預(yù)壓抬升管節(jié)的目的，形成壓力密閉空間是前提條件，因而對混凝土的骨料粒徑和用量需進(jìn)行控制，以保證漿體不向碎石孔隙中滲透析出，同時需具備一定的自填充性能。

最后，還要考慮漿能體適應(yīng)長距離向下輸送條件，同時適應(yīng)混凝土泵和壓漿泵泵送要求，具有良好的工作性能。

綜上需求，確定基礎(chǔ)碎石墊層壓漿性能要求，見表1。

2.2 抬升壓力

抬升管節(jié)是一個重要預(yù)設(shè)目標(biāo)。為此對抬升E32管節(jié)所需的壓漿壓力進(jìn)行了估算。

首先根據(jù)圖5對 E32管節(jié)下沉上運(yùn)動的抬規(guī)律性的觀察分析，判斷并設(shè)定E32管節(jié)在注漿抬升時旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)，如圖5所示。同時考慮管節(jié)上抬時需克服兩側(cè)回填碎石的摩擦力、壓載水重力、管節(jié)上浮力。決定抬升壓力最重要的參數(shù)是對初始管節(jié)底面與漿液接觸有效面積，需要水下測量配合完成。綜上分析計算得了E32管節(jié)抬升壓力為管底水深的水壓力加0.13 MPa，即約0.4 MPa。

2.3 壓漿風(fēng)險

對壓漿引起的施工期及運(yùn)營期風(fēng)險進(jìn)行了評估。施工期包括管節(jié)不受控起浮、管節(jié)接頭張開、節(jié)段接頭預(yù)應(yīng)力損失等；運(yùn)營期風(fēng)險包括GINA耐久性和管節(jié)接頭伸縮受限等。雖然2.1節(jié)計算的壓漿壓力不超過0.4 MPa，風(fēng)險評估時，按照漿體壓力達(dá)到1.0 MPa的假定進(jìn)行驗(yàn)算；管節(jié)張開風(fēng)險主要考慮GINA壓板外緣鋼端殼余寬[2]；結(jié)合E32管節(jié)GINA位移-壓縮量曲線和漿體固結(jié)強(qiáng)度等，評估結(jié)果均在可接受范圍。具體分析結(jié)果作為施工過程及施工監(jiān)控的參考數(shù)據(jù)。

圖3 沉管管節(jié)E32首尾端沉降-時間曲線Fig.3 Settlement-time curve at tunnel element

圖4 沉管隧道管底壓漿概念Fig.4 Concept of grouting underneath immersed tunnel element

表1 壓漿材料性能要求Tab.1 Performance requirement of grouting material

圖5 抬升E32管節(jié)所需的壓漿壓力估算Fig.5 Estimation of grouting pressure for lifting up TEE32

3 實(shí)施過程

壓漿準(zhǔn)備的主要工作內(nèi)容為：橫向壓漿管、縱向工字鋼、豎向壓漿管安裝，壓漿平臺（利用已有的碎石整平船）準(zhǔn)備，E32-E31兩側(cè)回填碎石。

監(jiān)測準(zhǔn)備工作包括沉管底部預(yù)設(shè)壓力盒，管內(nèi)布設(shè)靜力水準(zhǔn)儀。

（1）橫向壓漿管需在E31管節(jié)安裝前吊放至水下E32-E31接頭底部，如圖6所示。

（2）完成后，為加強(qiáng)協(xié)調(diào)沉降效果，需在壓漿管的上方安裝縱向工字鋼。圖7為工字鋼托架，工字鋼由潛水員在水下輔助安裝。

（3）為監(jiān)控壓漿過程中的漿體壓力，順接頭橫向等間距的布置了5個壓力盒；順?biāo)槭部v向壟溝放置了4個壓力盒來監(jiān)測漿液縱向流動覆蓋范圍和壓力。參見圖8。

（4）為實(shí)時監(jiān)測管節(jié)壓漿過程中的姿態(tài)變化，在管節(jié)內(nèi)沉管隧道設(shè)置了靜力水準(zhǔn)儀。實(shí)際壓漿時通過貫通測量也可測量姿態(tài)，但是數(shù)據(jù)獲取有一定的滯后性。

（5）安裝豎管一端連接水平壓漿管，另一端連接拖泵?？紤]海上作業(yè)，利用碎石整平船作為工作平臺固定拖泵。如圖9及圖10所示。

（6）施工E32-E31接頭部位的鎖定回填[3]，作為漿液的橫向密閉格擋，并在底部3 m左右高度采用袋裝回填料，如圖11所示。在E31的碎石基床壟溝中設(shè)置了兩道氣囊作為縱向圍擋措施，見圖12。

（7）采用攪拌船生產(chǎn)漿體，通過布料桿輸送至注漿平臺上的拖泵（圖10），經(jīng)由豎向管與水平管壓入E32-E31的接頭底部（圖9）。

（8）壓漿過程要確保施工安全及管節(jié)姿態(tài)可控，同時需要不間斷壓漿，避免混凝土堵塞在壓漿管道中（圖9）。對壓漿施工技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)及能力要求很高。

圖6 相鄰管節(jié)E31安裝前，E32接頭底部壓漿管的安裝（照片為平行于管節(jié)橫向）Fig.6 Grouting pipe installation at the bottom of E32 element joint before E31 installation scheme

圖7 壓漿管上的軸向加強(qiáng)工字鋼Fig.7 I-steel placed on top of the grouting pipe

圖8 壓力監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖Fig.8 Plane layout of pressure monitoring point

4 實(shí)施效果

壓漿過程歷時17個小時。壓漿量總計340.5 m3。

4.1 壓漿階段特征

如圖13及圖14所示。管底壓力及管節(jié)姿態(tài)監(jiān)測方面，可清晰地區(qū)分為3個階段。

（1）充填階段：壓漿量從0至140 m3，管節(jié)姿態(tài)監(jiān)測無變化，管底壓力增長緩慢；

（2）壓力密閉腔形成階段：壓漿量超過140 m3以后，管底監(jiān)測壓力增速上升，直至約220 m3。但是管節(jié)姿態(tài)并無明顯變化；壓力數(shù)據(jù)說明密閉空間已形成，基床被預(yù)壓變形，并且被此階段增加的漿液所充填。

（3）管節(jié)頂升階段：通過貫通測量及靜力水準(zhǔn)儀觀察到了E32管節(jié)尾端姿態(tài)的抬升，同時部分壓力盒的監(jiān)測壓力開始下降。原因是抬升管節(jié)需要的總力是一定的，隨著管節(jié)抬升漿體與管節(jié)底面的接觸面逐漸增加，總力不變壓力值就會減小。壓漿至340.5 m3時，管節(jié)最大抬升量3.7 cm。停止壓漿以后，漿液凝固，基地壓力消散，管節(jié)姿態(tài)穩(wěn)定后抬升1.6 cm。

4.2 預(yù)設(shè)目標(biāo)達(dá)成情況分析

分別討論協(xié)調(diào)沉降、預(yù)壓密室及調(diào)控姿態(tài)三個目標(biāo)的達(dá)成情況。

（1）壓漿前E32相對E31偏低且不收斂，壓漿過程E32相對E31發(fā)生4 cm抬升，壓漿后沉管回填荷載加載完成E32與E31的差異沉降不再變化（圖15），說明在水下壓入的漿液凝固后，連同包裹在內(nèi)的縱向工字鋼起到了協(xié)同E31、E32沉降的作用。

圖9 管節(jié)E32接頭部位壓漿設(shè)備斷面示意Fig.9 Cross section of grouting facilities at E32

圖10 壓漿施工照片F(xiàn)ig.10 Photo of grouting construction

圖11 E32管節(jié)接頭部位剖面圖（注漿管、工字鋼及整平船平臺等注漿設(shè)備未示出）Fig.11 Cross section of E32 element joint

圖12 E31碎石墊層縱向檔漿措施Fig.12 Longitudinal grout material stopper at E31 gravel bed

（2）壓漿壓力達(dá)到0.14 MPa（圖13），超出運(yùn)營期荷載壓力0.06 Mpa。此外，漿體固結(jié)后，對E32管節(jié)進(jìn)行回填加載作業(yè)，圖14為后續(xù)管節(jié)沉降情況，加載過程發(fā)生沉降6 cm，隨后趨于收斂。雖然該沉降值略大于其他管節(jié)，但可以判斷壓漿起到了預(yù)壓密實(shí)基床的作用，且效果顯著。

（3）E32與E31接頭端的管節(jié)豎向抬升了37 mm，漿體固結(jié)后穩(wěn)定在16 mm，此法也能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)管節(jié)豎向姿態(tài)的目標(biāo)。

圖13 壓漿階段管底壓力監(jiān)測情況（監(jiān)測位置對應(yīng)圖6）Fig.13 Pressure monitoring under tunnel element at grouting period (monitored position refers to Fig. 6)

圖14 管節(jié)壓漿階段的豎向位移Fig.14 Vertical displacement of the tunnel element at grouting period

圖15 E31與E32管節(jié)接頭豎向差異變形-時間曲線（“+”表示E32相對E31發(fā)生沉降）Fig.15 Vertical relative displacement of E31-E32 element joint

圖16 漿液凝固后E32端部沉降曲線Fig.16 E32 settlement after solidification of grout material

5 總結(jié)與討論

以往沉管基礎(chǔ)及基床鋪設(shè)工藝主要包括樁基礎(chǔ)、刮鋪法、噴砂法、沙流法、碎石墊層。港珠澳島隧項(xiàng)目的沉管隧道采用的是復(fù)合地基+組合基床的創(chuàng)新技術(shù)方案（圖2）。該方案總體上將5.7 km長的沉管隧道的沉降控制得很好。發(fā)生異常沉降的E32管節(jié)恰好采用的是一般后鋪法的方案，經(jīng)判斷該異常沉降主要發(fā)生在碎石基床層。

為了避免異常沉降所造成的管節(jié)沉降失控，結(jié)合E32-E31接頭底部鎖定回填后天然形成的空腔，提出了密閉腔壓漿抬升管節(jié)的構(gòu)想，實(shí)踐結(jié)果證明該方法能協(xié)調(diào)接頭沉降、預(yù)壓密實(shí)基床、調(diào)節(jié)沉管豎向姿態(tài)，是沉管隧道基礎(chǔ)處理的新方法。

設(shè)計施工總承包模式為異常沉降問題發(fā)生后的科學(xué)判斷與果斷決策提供了良好的工作環(huán)境[4]，也為后續(xù)工作的優(yōu)化提供了條件。

需注意的是，該工法充分利用了工程自身的條件：管節(jié)接頭下方有一段不鋪設(shè)碎石基床的空間，恰好可作為上抬力的作用面；管節(jié)兩側(cè)的回填施工可自然形成密閉空間，密閉空間是混凝土在水壓力作用下產(chǎn)生額外壓力的必要條件；管節(jié)考慮其自身浮力后不需很大的額外壓力就能被抬升；且已有提前配置的超低強(qiáng)度水下不分散混凝土。

此外，為降低海上作業(yè)風(fēng)險，詳細(xì)籌劃了信息化施工：對壓漿總量進(jìn)行了估算與控制，嚴(yán)密監(jiān)測水密度避免管節(jié)上浮，監(jiān)測管節(jié)姿態(tài)及管節(jié)接頭相對運(yùn)動，確保壓漿過程風(fēng)險可控。

最后需要指出：

（1）根據(jù)具體情況合理選擇混凝土的緩凝時間。凝固時間越長，壓漿可填充的區(qū)域就越廣泛，壓漿速率就可控制得緩慢；凝固時間短，優(yōu)點(diǎn)是管節(jié)抬升或壓漿完成以后，姿態(tài)穩(wěn)定的時間較短，抬升量的回復(fù)值預(yù)計較小。

（2）可在碎石壟溝上設(shè)置縱向漿體通道，可使得漿液在管底的填充及壓力更均勻。

（3）港珠澳島隧項(xiàng)目的最終接頭位于E29、E30之間，不同于日本的最終接頭工法形式[5-6]，安裝后為強(qiáng)化最終接頭與兩邊管節(jié)的協(xié)同沉降，擬再次應(yīng)用密閉壓漿法進(jìn)行一次施工。

（4）該新工法結(jié)合了多種沉管基礎(chǔ)工法優(yōu)勢，在特定的項(xiàng)目條件下有可能成為相對更優(yōu)的沉管隧道基礎(chǔ)工法。

致謝：王曉東對圖表進(jìn)行了梳理與完善，并為本文的出版送審做了版面的修改。在此表示感謝。

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Conception and practice of the seal chamber lifting method of immersed tunnel

LIN Ming1, LIANG Heng2, LIN Wei2, YIN Hai-qing3, LI Ha-ting3
(1.China Communications Construction Co. Ltd., Beijing 100088, China; 2.CCCC HZMB island and tunnel project offi ce design division, Zhuhai 519015, China; 3.CCCC HZMB island and tunnel project offi ce general offi ce, Zhuhai 519015, China)

After the unexpected settlement at E32-E31 element joint, a novel construction method was proposed, namely the seal chamber lifting method to grout material underneath to pre-compress gravel bed and lift tunnel element. The construction result is generally in good agreement with the expectation. The uneven settlement is accommodated. The foundation layer is pre-compressed, and the tunnel element position is adjusted. The development of conception and the implementation were generalized in this paper. The successful implementation of the conception creates a new method for managing the immersed tunnel settlement.

immersed tunnel; HZMB island and tunnel project; seal chamber lifting method of immersed tunnel; foundation treatment

TV 142；O 242.1

A

1005-8443(2017)03-0217-06

2017-03-27；

2017-04-19

林鳴（1957-），男，江蘇南京人，總工程師，教授級高級工程師，主要從事水工及路橋施工管理。Biography:LIN Ming(1957-),male,senior professor.