沉管隧道干塢工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

程曉明， 張莉娜， 鄧家勝， 宋吉榮

(1. 佛山市新城開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，廣東佛山 528316； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031；3.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東廣州 510000)

沉管隧道干塢工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

程曉明1， 張莉娜2， 鄧家勝3， 宋吉榮2

(1. 佛山市新城開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，廣東佛山 528316； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031；3.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東廣州 510000)

文章結(jié)合廣州佛山汾江路南延線程工程項(xiàng)目，介紹了沉管隧道施工重要臨時(shí)工程——干塢的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)。闡述了護(hù)坡與降排水設(shè)施等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，介紹了土方開(kāi)挖、基礎(chǔ)施工措施及監(jiān)測(cè)管理技術(shù)與方法，保證了工程項(xiàng)目的安全、質(zhì)量及工期，為類似工程提供參考與借鑒。

沉管隧道； 干塢工程； 土方開(kāi)挖； 護(hù)坡； 降排水； 基礎(chǔ)施工； 監(jiān)測(cè)

干塢是沉管隧道建設(shè)中的重要臨時(shí)工程，干塢根據(jù)其預(yù)制方式,一般分為移動(dòng)干塢和固定干塢兩類。移動(dòng)干塢方案便是修造或租用大型半潛駁作為可移動(dòng)式干塢,在移動(dòng)干塢上實(shí)現(xiàn)管段預(yù)制,繼而操縱拖輪將半潛駁拖運(yùn)到隧道四周已建好的港池內(nèi)下潛,達(dá)到管段與駁船的分離,再將管段浮運(yùn)到隧道位置實(shí)現(xiàn)沉放安設(shè)工作[1]。但當(dāng)前大多數(shù)選用固定干塢，固定干塢則是在陸地上選擇適合場(chǎng)地制作。依據(jù)與隧道位置的相關(guān)關(guān)系又可以分為軸線內(nèi)干塢和軸線外干塢[2]。在考慮隧道工期、造價(jià)以及對(duì)航道的各個(gè)方面影響時(shí)，合理選擇干塢非常重要。

1 工程概況

1.1 工程選址

廣東省佛山市汾江路南延線工程位于中心組團(tuán)核心區(qū)內(nèi)部,路線設(shè)計(jì)全長(zhǎng)為2. 41 km，其規(guī)劃道路寬度為 50 m,雙向六車(chē)道。工程北起汾江南路與瀾石路的十字路口,向南到樂(lè)從大道為止,是一條南北走向的城市主干道。南延線段全長(zhǎng)約 4.3 km，沉管段全長(zhǎng)為 445 m，干塢大小可以一次性制作 4 節(jié)管段，分別長(zhǎng)度為 115 m、115 m、105 m、 110 m ，其寬度為 39.9 m，高度為 9.0 m，兩岸采用地下連續(xù)墻深基坑圍護(hù)，并設(shè)置沉管接口段可與主體相接。本工程采用沉管法施工。

干塢工程選址位于佛山東平河道岸汾江路南延線軸線東側(cè)?；拥孛娓叱虨?3.50 m ，基槽開(kāi)挖至高程為-19.63 m，最多開(kāi)挖至-21.87 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)深度為 23.57 ～22.57 m，干塢塢底標(biāo)高為 -9 m,地下連續(xù)墻嵌固深度達(dá) 19 m。施工期間城市防汛設(shè)計(jì)按 50 年一遇洪水設(shè)防,塢頂防汛設(shè)計(jì)高程為 8.5 m。干塢側(cè)壁支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)按二級(jí)考慮。

1.2 工程水文及地質(zhì)條件

佛山市地處北回歸線的南緣,屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候帶,溫暖多雨。河面寬為 220 ～ 320 m，河流中心水深為 10 m左右，警戒水位為 4.84 m，歷史最高水位為 6.85 m，年平均降水量為 1 700 mm, 4～9 月雨量最多,在六個(gè)月內(nèi)的雨量平均占全年總量的 80 %。擬建工程場(chǎng)地為中軟土～中硬土場(chǎng)地,具體地質(zhì)分布見(jiàn)表1。建筑場(chǎng)地類別為II類。由于場(chǎng)地東平河以南存在厚度大分布較為連續(xù)的砂層,以及局部分布的軟土,綜合評(píng)價(jià)場(chǎng)地為抗震不利地段，因此需對(duì)軟土進(jìn)行處理。

表1 沉管隧道場(chǎng)區(qū)主要地質(zhì)鉆孔示意

2 施工工藝流程及要點(diǎn)

2.1 邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)

該段地質(zhì)條件比較弱，為了選擇合理的干塢邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案比選。我國(guó)國(guó)內(nèi)常用的干塢圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般有：放坡開(kāi)挖、格柵式攪拌樁重力式擋墻、SMW 樁+錨索、 鉆孔樁+擋土擋水帷、地下連續(xù)墻+錨索 5 種形式。

(1) 南側(cè)地質(zhì)條件差，考慮占地面積，采用放坡開(kāi)挖時(shí)占地面積比其他更大， 干塢坡頂影響隧道西側(cè)的佛山市氣象建筑大樓及東側(cè)的水閘，方案不可選。

(2)采用格柵式攪拌樁重力式擋墻時(shí)，對(duì)基坑開(kāi)挖深度要求高，攪拌樁擋墻剛度小、穩(wěn)定性達(dá)不到要求。

(3) 采用 SWM 樁+錨索時(shí)，塢底以下有7層強(qiáng)風(fēng)化泥巖或砂土，巖層強(qiáng)度要求較高，SWM 樁施工很困難，樁底嵌固不足。

(4) 采用地下連續(xù)墻+錨索方案，方案本身沒(méi)有特殊要求，但工程造價(jià)高。

綜合以上方案比較， 確定干塢南側(cè)岸上段采用鉆孔樁+擋土擋水帷幕支護(hù)方案。在平整場(chǎng)地完成后，基坑開(kāi)挖前，為提高坡面穩(wěn)定性，保證施工作業(yè)安全性，在干塢頂設(shè)置止水帷幕和坡頂截水溝進(jìn)行邊坡防護(hù)。在坡頂 1.5 m 范圍內(nèi)的地面和邊坡坡面上掛鋼筋網(wǎng)并噴射混凝土進(jìn)行坡面防護(hù),噴射混凝土采用 C20,厚度為8 cm。坡面上設(shè)置泄水孔,泄水孔采用φ100PVC 外包土工布反濾, 排水孔在坡面上間距為 2 000 mm×3 000 mm。

其次施工坑內(nèi)攪拌樁及支護(hù)樁,樁后攪拌樁。攪拌樁施工具體做法及要求如下：

(1)沿干塢東南西面設(shè)置雙排攪拌樁止水帷幕,北面原堤腳處設(shè)置格柵式攪拌樁;

(2)攪拌樁要求達(dá)到設(shè)計(jì)深度且樁底進(jìn)入不透水層大于 2 m;

(3)攪拌樁的垂直度偏差不得大于 1 %,樁位偏差不超過(guò) 50 mm。保證樁與樁之間的搭接質(zhì)量,相鄰樁施工間歇不超過(guò) 24 h。

2.2 基坑降排水措施

為了保證現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)順利進(jìn)行，需在基坑?xùn)|側(cè)建一條 6.0 m寬、厚 200 mm、強(qiáng)度等級(jí) C30 的混凝土路面作為土石方外運(yùn)棄土的主要對(duì)外通道。在道路南側(cè),建洗車(chē)槽,洗車(chē)槽的平面尺寸設(shè)計(jì)為 3 m×10 m, 深500 mm。場(chǎng)內(nèi)臨時(shí)道路用磚碴填筑而成,磚碴厚度 500 mm以上(滿足行車(chē)要求為準(zhǔn))。

透水層土質(zhì)(砂層)分部于場(chǎng)區(qū)各處,由西北角向東南角延伸,呈北“薄”南“厚” 特點(diǎn)。西北向平均砂層厚度 3.0 m,埋深約 5～6 m(3.5 m起計(jì)),即砂層底標(biāo)高約-5.5 m,比基坑設(shè)計(jì)底標(biāo)高-9.0 m高出 3.5 m;最南向(偏西)平均砂層厚度 9.7 m,埋深約 5～6 m,比基坑設(shè)計(jì)底標(biāo)高-9.0 m低 3.2 m。據(jù)此,基坑降排水方案選擇有兩種方式:

一種為水平明溝排水,即每開(kāi)挖一層,在該層的坡向及橫向設(shè)排水明溝，集水井等設(shè)施分層降排水。排水溝尺寸為500 mm×650 mm，集水井尺寸為1 000 mm× 1 000 mm×1 500 mm，共 4 座。且排水溝外部周?chē)O(shè)有MU10M7.5磚砌截水溝，尺寸為400 mm×500 mm。

另一種是在最南端(偏西)向北設(shè)3個(gè)降水井(如不足,可增加), 各井間隔約 30 m進(jìn)行超前降水,保證基坑干燥。保證開(kāi)挖過(guò)程中地下水位保持在開(kāi)挖面以下 0.5～1 m[3]。地下水位的變化是影響降排水的重要因素， 在降水過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)檢測(cè)其情況以及其他有關(guān)因素的變化情況，如出現(xiàn)異常，可以及時(shí)分析采取措施以得到相應(yīng)改善。

該地區(qū)為多雨地帶，在降排水處理過(guò)程中應(yīng)注意各方面條件影響。降排水的處理是否得當(dāng)關(guān)系到干塢工程以及整個(gè)工程的安全問(wèn)題，因此必須提前準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況的措施?；组_(kāi)挖后，應(yīng)及時(shí)設(shè)置排水溝與集水井等相關(guān)措施，同時(shí)確保兩者之間以及與外部連接通暢。

2.3 土方開(kāi)挖

塢坑開(kāi)挖按分層分級(jí)垂直挖運(yùn)土方法進(jìn)行,開(kāi)挖分層設(shè)計(jì)邊坡平臺(tái)標(biāo)高結(jié)合錨索支護(hù)結(jié)構(gòu),控制在錨索標(biāo)高以下 500 mm。待錨索張拉完成達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后,方可進(jìn)行下一層土方開(kāi)挖。上層土方用反鏟挖掘機(jī)直接挖土裝車(chē), 石方用液壓破碎頭先鑿巖(或爆破),再用反鏟挖掘機(jī)裝土上車(chē)。如 因工期較緊,可預(yù)留足夠反壓土(經(jīng)計(jì)算確定),保證支護(hù)樁平衡的狀態(tài)下,坡面平整度控制在 20 mm 以內(nèi),土體位移值控制在二級(jí)報(bào)警值以內(nèi)[4]，則可向下層開(kāi)挖。

每層土方開(kāi)挖均采用自卸汽車(chē)配合挖掘機(jī)直接挖土運(yùn)走,挖土方向由北向南退行,最后南段收尾。前期出土車(chē)輛可從未開(kāi)挖區(qū)域通行 ,2～3層選擇直接放坡至基坑底的方法。臨時(shí)道路的坡降比為 1∶6(圖1)。

圖1 土方開(kāi)挖示意

2.4 干塢基地處理

干塢的基底要同時(shí)滿足承載力和管節(jié)起浮各項(xiàng)相關(guān)要求，在眾多方法中采用換填法進(jìn)行基底處理比較符合此工程地基情況，并確保地基的承載力以及減小地基的不均沉降量保證密實(shí)度。對(duì)于管節(jié)布置方案，為保證管節(jié)起浮順利進(jìn)行以及提高塢底承能力，換填地基設(shè)計(jì)成800 mm 厚,自上而下依次為：14 mm 厚膠合板、 394 mm 碎石 (用于減少管段與基礎(chǔ)之間的相互吸引力， 便于管節(jié)起浮)、 150 mm 厚鋼筋混凝土 (減小軟弱地基的相對(duì)沉降差)、 96 mm厚中粗砂倒濾層、146 mm 巖碴。對(duì)于非管節(jié)布置區(qū)段(即管節(jié)側(cè)道路)，因該區(qū)域只承受較小荷載，故基底處理較管節(jié)布置區(qū)簡(jiǎn)單，自上而下依次為：220 mm 厚鋼筋混凝土路面、200 mm 厚中粗砂倒濾層。

2.5 護(hù)坡及塢口航道施工

2.5.1 護(hù)坡施工

根據(jù)時(shí)空效應(yīng)理論，在塢坑施工作業(yè)完成后，馬上對(duì)開(kāi)挖邊坡進(jìn)行錨索工程及土釘墻施工，以減少邊坡的暴露時(shí)間。此兩項(xiàng)工序未達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),不得進(jìn)行下層的挖土工作。如由于進(jìn)度要求,必須向下開(kāi)挖,可留足夠反壓土來(lái)平行支護(hù)體穩(wěn)定，以保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

土釘墻施工則是在土體內(nèi)安插旋轉(zhuǎn)一定長(zhǎng)度和數(shù)量的土釘體與土共同作用[5], 補(bǔ)充土體本身強(qiáng)度缺陷來(lái)達(dá)到穩(wěn)定性的施工。進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)需在前一級(jí)土方開(kāi)挖完后才能進(jìn)行下一級(jí)土方開(kāi)挖。上一級(jí)土釘施工后 , 需養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間，一般為 48 h, 同時(shí)要求在上一級(jí)坡面土釘墻施工結(jié)束并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度規(guī)定50 %后, 才能進(jìn)行下一級(jí)土方開(kāi)挖。在下一級(jí)土方開(kāi)挖時(shí)應(yīng)注意避免碰觸之前已施工完的護(hù)坡坡面及土釘 。土釘與聯(lián)系鋼筋 、 網(wǎng)片等單向焊縫長(zhǎng)度不小于30 mm。

2.5.2 塢口航道施工

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,塢口開(kāi)挖分兩期進(jìn)行：第一期從深水區(qū)開(kāi)口往塢里退,約 80 m 為第一期,石方爆破需 60 d完成;第二期待開(kāi)挖堤岸段土方挖運(yùn)完畢后暴露出石方再爆破,需 30 d完成。塢口需爆破開(kāi)挖巖石厚度為 0～6 m,可按一層爆破開(kāi)挖成型,根據(jù)本工程地形特點(diǎn),采用臺(tái)階爆破的形式,從深水區(qū)開(kāi)口爆破向塢里退。

2.5 基礎(chǔ)施工

根據(jù)地質(zhì)勘探資料揭示:地面以下5 m基本為淤泥層、砂層，以下為殘積土層、風(fēng)化巖層。為滿足地基承載力和變形要求，塢底承載力不足時(shí),應(yīng)進(jìn)行進(jìn)行地基處理。地基處理方法有碎石換填、攪拌樁等。在地板施工前，需進(jìn)行換填，換填深度為1 m。自上而下依次為：420 mm厚1～3級(jí)配碎石，且用120 kN壓路機(jī)分層碾壓；150 mm厚C15混凝土墊層；直徑為110PVC直溝管；最后為150 mm厚普通層(120 kN壓碾機(jī)碾壓)。

2.6 管理及監(jiān)測(cè)

加強(qiáng)施工管理,建立專職監(jiān)測(cè)小組,對(duì)基坑進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)。

干塢內(nèi)管段預(yù)制完成后，塢內(nèi)需灌水，進(jìn)行管段的試漏、浮運(yùn)工作[6]。 因此，在干塢內(nèi)灌水前應(yīng)對(duì)南岸已完工主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)。 防護(hù)的目的為：(1)塢內(nèi)灌水后防止對(duì)已完成主體結(jié)構(gòu)基底的軟化。(2)塢內(nèi)灌水后防止對(duì)已完成主體結(jié)構(gòu)外防水層遭受到浸泡。(3)防止塢內(nèi)灌水后引起已完成主體結(jié)構(gòu)起浮的出現(xiàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，同時(shí)考慮到造價(jià)、施工復(fù)雜程度和施工可行性的原則，干塢內(nèi)南岸主體結(jié)構(gòu)防護(hù)措施如下：采用黏土分層碾壓密實(shí)進(jìn)行回填，按 1∶2 邊坡坡率回填至公路結(jié)構(gòu)頂以上5.0 m 左右標(biāo)高， 坡腳設(shè)置混凝土護(hù)墩，坡面采用網(wǎng)噴混凝土并設(shè)置系統(tǒng)錨桿(錨桿尺寸：φ20@1.5 m×1.5 m、L=3.0 m)。

在干塢四周設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn) ,監(jiān)測(cè)頻率通常為每天 1 次。如遇漏水、漏砂孔洞大于 20 cm2或每小時(shí)漏砂、水量大于 5 m3,必須使用大量的級(jí)配砂、碎石堆填漏水、漏砂孔洞，漏水、漏砂孔洞通過(guò)反濾體僅能漏水,不能漏砂,以保證支護(hù)墻體的穩(wěn)定,然后在漏水、漏砂孔洞墻后用高壓旋噴注漿補(bǔ)漏。另外監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目包括:墻頂?shù)奈灰婆c沉降、連續(xù)墻內(nèi)力、土體側(cè)向位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)土壓力、地下水位、地面沉降四周建筑物沉降與歪斜等。特別對(duì)連續(xù)墻頂及墻體位移、基坑周邊地面沉降等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目加大監(jiān)測(cè)頻率[7]，通過(guò)監(jiān)測(cè)、收集、整理各種資料, 指導(dǎo)施工。對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的地方及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)改整。發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)受到破壞時(shí)或不符合要求,應(yīng)即刻采取措施,進(jìn)行修復(fù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

汾江路南延線工程在制定了干塢工程總說(shuō)明等詳細(xì)施工方案的前提下，按照施工流程進(jìn)行作業(yè)，充分考慮了整個(gè)工程選址特點(diǎn)，根據(jù)建設(shè)條件進(jìn)行地基降排水處理以及邊坡維護(hù)等措施。在安全作業(yè)情況下，嚴(yán)格確保施工質(zhì)量和進(jìn)度。干塢工程的順利完成,離不開(kāi)正確的指揮和嚴(yán)格的管理，整個(gè)施工過(guò)程順利完成,為后續(xù)沉管預(yù)制施工作參考。

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TU929

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[定稿日期]2017-05-10

程曉明(1975～)，男，工程師；張莉娜，女，碩士研究生，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)。