襄陽沉管隧道管節(jié)水力壓接及精調(diào)系統(tǒng)計算分析*

仇正中，劉陪陽，胡嘉懿

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040；5.湖北文理學(xué)院，湖北 襄陽 441000)

0 引言

沉管隧道是一種跨越江河、海灣的水下交通隧道結(jié)構(gòu)形式，從1910年美國底特律水底鐵路隧道建成算起，已有超過100年的歷史[1]。我國沉管隧道起步較晚但發(fā)展迅猛，陸續(xù)建成廣州珠江隧道、寧波甬江隧道、上海外環(huán)隧道、南昌紅谷隧道和港珠澳大橋沉管隧道等。隨著沉管隧道的逐漸增多，不同環(huán)境、地質(zhì)條件下，沉管隧道施工工藝有所不同[2]。

沉管隧道關(guān)鍵施工工藝包括管節(jié)預(yù)制、管節(jié)出塢、管節(jié)浮運及沉放安裝等，其中管節(jié)沉放安裝是施工的重難點和關(guān)鍵點。不同的基礎(chǔ)處理方式、不同的水力壓接流程、不同的精調(diào)系統(tǒng)等都會影響管節(jié)沉管安裝精度[3]。沉管管節(jié)在水力壓接作用下與已安裝沉管對接，根據(jù)貫通測量結(jié)果，若待安裝沉管軸線偏差超過設(shè)計要求，需借助精調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)待安裝沉管軸線。國內(nèi)外常用的沉管精調(diào)系統(tǒng)主要有內(nèi)調(diào)法和外調(diào)法。內(nèi)調(diào)法為通過管內(nèi)頂推待安裝沉管對接端邊墻，使得待安裝沉管尾端實現(xiàn)糾偏的方法，厄勒海峽沉管隧道、多摩川沉管隧道等均采用該方法。內(nèi)調(diào)法需大量千斤頂進行頂推作業(yè)，同步性要求很高；需在沉管尾端外墻內(nèi)部設(shè)置凹槽和預(yù)留孔，設(shè)備需提前安放；對沉管剛度要求很高，精調(diào)效果也相對較差。外調(diào)法一般采用沉管尾端橫調(diào)纜進行糾偏，操作簡單，糾偏能力強，對沉管剛度要求低，天津海河隧道、南昌紅谷隧道等均采用外調(diào)法。雖然外調(diào)法在內(nèi)河沉管隧道中應(yīng)用相對較多，但對其精調(diào)能力計算的研究相當(dāng)有限，更多依靠現(xiàn)場工人的實操經(jīng)驗，因此研究沉管管節(jié)水力壓接過程、分析沉管外調(diào)法精調(diào)過程很有必要[4]。

1 工程概況

襄陽市東西軸線道路工程魚梁洲段起點位于規(guī)劃旭東路東側(cè)，與東西軸線上跨大慶東路高架橋梁相接，兩過漢江和下穿魚梁洲后，東連東津區(qū)橫七路，工程終點位于縱四路西側(cè)，與上跨縱四路的東西軸線高架橋梁連接，主線全長5.4km。隧道工程包含樊城明挖隧道314m、西汊沉管351m、魚梁洲暗埋段3 580m、東汊沉管660m、東津明挖隧道495m。主線以-4.8%縱坡下穿沿江大道、漢江西汊，以4.8%縱坡“爬上”魚梁洲，魚梁洲段隧道縱坡為0.3%，-0.3%，-4.695%，以-0.9%和4.8%縱坡下穿漢江東汊后接入東津橫七路，止于縱四路西側(cè)(見圖1)。

圖1 工程地理位置

東汊沉管660m包括6個標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)+1個短管節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)E1～E6管節(jié)采用4×120.5m+2×86.5m的長度組合，短管節(jié)ES長度為5m；西汊沉管351m包括4個標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)+1個短管節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)W1～W4 管節(jié)采用4×86.5m的長度組合，短管節(jié)WS長度為5m。E1+ES管節(jié)、W4+WS管節(jié)干塢內(nèi)拉合成整體，東、西汊沉管管節(jié)均為直線段管節(jié)。沉管隧道方案采用兩孔一管廊方案，結(jié)構(gòu)側(cè)墻及頂、底板厚度均為1.25m，采用0.6m厚、結(jié)構(gòu)寬31.2m、高9.2m中隔墻，如圖2所示。

圖2 沉管隧道橫斷面布置(單位：m)

2 計算思路

2.1 水力壓接計算

沉管管節(jié)水力壓接是指兩條管節(jié)封門間通過GINA止水帶形成一個相對水密空間后，將封門間的水排出，利用待安裝管節(jié)尾部的水壓力將其向已安裝管節(jié)方向壓接的過程[5]。沉管管節(jié)水下壓接過程中受力情況如圖3所示。

圖3 管節(jié)水力壓接受力分析

以Ex管節(jié)為例，管節(jié)在水力壓接過程中受到左側(cè)水壓力F1、右側(cè)水壓力F2、摩擦力f，管節(jié)最大縱坡為4.8%，角度較小，可將摩擦力f考慮為水平方向。當(dāng)右側(cè)GINA止水帶密封，水力壓接開始，右側(cè)水壓力F2=0時，管節(jié)水力壓接完成。

2.2 精調(diào)系統(tǒng)計算

管節(jié)安裝時其自由端的軸線可能會產(chǎn)生偏差，一般產(chǎn)生偏差的原因有：①管段預(yù)制誤差；②GINA止水帶各段彈性變形量不均勻。當(dāng)管節(jié)安裝產(chǎn)生偏差時，通過外調(diào)法(尾端精調(diào)系統(tǒng))進行管節(jié)糾偏[6]，即給管尾軸線一個相反的預(yù)偏量，然后管尾的橫調(diào)系統(tǒng)收緊，給一定預(yù)張力，控制管尾偏移，從而達到糾偏效果，沉管管節(jié)糾偏如圖4所示，水力壓接計算如圖5所示。

圖4 沉管管節(jié)偏位

圖5 水力壓接計算示意

假定Ex管節(jié)水力壓接時出現(xiàn)軸線偏差，兩側(cè)GINA止水帶壓縮量分別為X1，X2，在錨纜力F1作用下進行管節(jié)調(diào)偏。旋轉(zhuǎn)中心為O點，由計算得出X1和X2間差值，即可分析管節(jié)偏差值。

3 GINA止水帶壓縮分析

3.1 計算參數(shù)選取

沉管管節(jié)設(shè)計水位高程62.730m，不同管節(jié)管尾底高程如表1所示。

表1 管節(jié)尾部底板高程 m

根據(jù)以往沉管工程案例，沉管管節(jié)下沉?xí)r負浮力多選擇在1%～2%的管節(jié)自重，如日本多摩川隧道、寧波常洪隧道負浮力1%[7]及韓國釜山沉管隧道負浮力1.5%等，本項目沉管下沉負浮力取1%。通過沉管與含壟溝卵石墊層摩擦試驗研究，確定沉管與墊層摩擦系數(shù)取0.43[8]。

3.2 管節(jié)水力壓接荷載分析

沉管管節(jié)初步壓接完成后，在已安裝管節(jié)內(nèi)，打開上部空氣閥及壓載管路進水閥門。當(dāng)接頭空腔內(nèi)的剩余水排出，水頭為0時，完成水力壓接工作。東、西汊沉管管節(jié)水力壓接完成后，管節(jié)受力情況如表2所示。

表2 沉管管節(jié)水力壓接荷載分析

本工程選用株洲時代SHA型GINA止水帶，根據(jù)不同水壓力，壓縮變形曲線如圖6所示。

圖6 GINA止水帶壓縮變形曲線

根據(jù)GINA止水帶水密性試驗報告，沉管管節(jié)接頭防水要滿足設(shè)計要求，止水帶壓縮量需達到40～60mm(考慮100年老化松弛條件)，考慮隧道的靜力和抗震工況，最大張開量為22mm，首次采用國產(chǎn)化GINA止水帶，建議10%的誤差，因此GINA止水帶最小壓縮量約90mm。由圖6可知，ES+E1，E1～E2間GINA止水帶選用SHA40型，其余管節(jié)間選用SHA50型能滿足止水帶壓縮量要求。不同管節(jié)GINA止水帶壓縮量如表3所示。

表3 GINA止水帶選型及壓縮量

由表3可知，東汊GINA止水帶壓縮量最大為105.5mm，最小為97mm，總計壓縮量710.5mm；西汊GINA止水帶壓縮量最大為103mm，最小為95.5mm，總計壓縮量498.0mm。

3.3 管節(jié)水力壓接過程計算

沉管管節(jié)水力壓接過程為，從拉合千斤頂將GINA止水帶拉至密封狀態(tài)開始，到鋼管殼內(nèi)水排完為止。分析整個水力壓接過程中GINA止水帶壓縮量的變化情況，能很好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。以水頭最大的東汊E5管節(jié)為例，分析水力壓接過程中GINA止水帶的變化情況。水力壓接過程根據(jù)鋼管殼內(nèi)排水水頭分析，不同管節(jié)按不排水與排水2，4，6，8，9.2m計算，如表4所示。

表4 E5管節(jié)水力壓接過程中GINA止水帶壓縮量

東、西汊不同管節(jié)水力壓接過程中GINA止水帶壓縮量如圖7所示(ES+E1，WS+W4為塢內(nèi)拉合)。

圖7 東、西汊管節(jié)水力壓接過程中GINA止水帶壓縮量

由圖7可知：①隨著鋼端殼內(nèi)水位降低，GINA止水帶壓縮量逐漸增大，直至水力壓接完成；②SHA40 型GINA止水帶剛度較小，水力壓接過程中，壓縮量變化最明顯；③采用SHA50型GINA止水帶的管節(jié)中，W1管節(jié)壓縮變化最明顯，GINA止水帶壓縮量增加11.7mm；E5管節(jié)壓縮變化最小，GINA止水帶壓縮量僅增加7.5mm。水深越大，水力壓接過程中GINA止水帶壓縮量增加值越小。

4 精調(diào)系統(tǒng)分析

通過水中錨樁提供給管節(jié)尾部一個預(yù)張力，從而達到糾偏效果。水中錨樁的設(shè)計荷載為600kN，若管節(jié)尾部偏差過大，無法通過精調(diào)系統(tǒng)進行管節(jié)尾部調(diào)整時，管節(jié)沉放失敗，需使管節(jié)重新上浮，重新對接安裝。因此，分析不同管節(jié)進行精調(diào)的偏差范圍，可很好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。管節(jié)精調(diào)系統(tǒng)應(yīng)在管節(jié)水力壓接開始時進行調(diào)整，管節(jié)精調(diào)系統(tǒng)調(diào)整范圍計算如表5所示。

表5 精調(diào)系統(tǒng)糾偏

不同管節(jié)對接，管節(jié)尾部偏移值小于表5中數(shù)值即可通過精調(diào)系統(tǒng)進行糾偏。安裝控制難度最大的為E6管節(jié)(GINA止水帶材質(zhì)SHA50)，管節(jié)尾部偏移超過設(shè)計偏差值±20.5mm時便不能通過精調(diào)系統(tǒng)進行管節(jié)調(diào)位；控制難度最小的為E1+ES管節(jié)(GINA止水帶材質(zhì)SHA40)，管節(jié)尾部偏移不超過設(shè)計偏差值±78.3mm時可通過精調(diào)系統(tǒng)進行管節(jié)調(diào)位。

5 結(jié)語

本文通過分析襄陽內(nèi)河沉管隧道管節(jié)水力壓接及精調(diào)系統(tǒng)施工過程的受力情況，對GINA止水帶壓縮及精調(diào)調(diào)位進行量化分析，得到結(jié)論如下。

1)ES+E1，E1～E2管節(jié)間選用SHA40型GINA止水帶，其余管節(jié)選用SHA50型GINA止水帶。不同管節(jié)GINA止水帶壓縮量均在(100±10)mm，最大壓縮量105.5mm，最小壓縮量95.5mm。東汊管節(jié)GINA止水帶總計壓縮量710.5mm，西汊管節(jié)GINA止水帶總計壓縮量498.0mm。

2)隨著管節(jié)間鋼端殼內(nèi)水位降低，GINA止水帶壓縮量會逐漸增大。SHA40型GINA止水帶剛度較小，水力壓接過程中GINA止水帶壓縮量增量最大。其余管節(jié)水深越大，水力壓接過程中GINA止水帶壓縮量增加值越小，在7.5～11.7mm。

3)沉管管節(jié)精調(diào)系統(tǒng)采用外調(diào)法，沉管管節(jié)精調(diào)難度最大的為E6管節(jié)，最小的為E1+ES管節(jié)，不同管節(jié)調(diào)整的范圍不同，管節(jié)精調(diào)設(shè)計偏差值調(diào)整范圍在20.5～78.3mm。