預(yù)應(yīng)力管道節(jié)段接頭施工關(guān)鍵技術(shù)及質(zhì)量控制

劉端省

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300）

1 概述

根據(jù)大連市的城市總體規(guī)劃，大連灣海底隧道將為大連新增一條縱貫?zāi)媳薄⑦B接“一核”（東部核心區(qū)）和“一極”（金普新區(qū)）的快速通道，對緩解市區(qū)進出交通“瓶頸”、解決中心城區(qū)南北方向交通不暢問題、推動鉆石港灣兩岸一體化、打造大連沿海經(jīng)濟圈具有重要意義。其中大連灣海底隧道沉管預(yù)制除了具有超大工程所普遍存在的工期緊、規(guī)模大、難度高、風(fēng)險大等特點外，還是北方首條海洋環(huán)境沉管隧道，國內(nèi)首個干塢跳段法全斷面沉管尺寸澆筑施工。

2 工程概況

2.1 工程結(jié)構(gòu)及規(guī)模

大連灣海底隧道工程北起梭魚灣規(guī)劃20 號路向南通過隧道北岸接地點，隧道以沉管的形式下穿大連灣并在大連港三、四號碼頭之間登陸。隧道全線長約5098.227m，其中沉管海底隧道長3035m，由18 個管節(jié)組成，包括1 節(jié)135m、12 節(jié)180m 直線管節(jié)，5 節(jié)148m 曲線管節(jié)組成。隧道主線采用城市化快速路標準，設(shè)計速度60km/h，雙向六車道規(guī)模，沉管管節(jié)采用兩孔一管廊結(jié)構(gòu)，管節(jié)標準斷面尺寸180m×33.4m×9.7m，單個管節(jié)重約6 萬噸，由8 個節(jié)段組拼而成。沉管管節(jié)采用干塢法進行預(yù)制施工，在梭魚灣北岸陸域設(shè)置東、西兩座干塢，采用兩個干塢分批次預(yù)制，每個干塢每批次3 節(jié)。管節(jié)預(yù)制采用跳段式預(yù)制工藝，各節(jié)段混凝土獨立澆筑，節(jié)段間設(shè)置節(jié)段接頭，接頭為柔性接頭。預(yù)應(yīng)力接頭作為節(jié)段接頭之一，施工質(zhì)量直接關(guān)乎沉管的水密性，是沉管預(yù)制質(zhì)量控制關(guān)鍵。

2.2 預(yù)應(yīng)力孔結(jié)構(gòu)介紹

在管節(jié)浮運和沉放前，需通過預(yù)應(yīng)力筋張拉，使管節(jié)各節(jié)段縱向連為一個整體，并保證在施工過程中各節(jié)段接頭處的壓應(yīng)力不小于最小壓應(yīng)力控制要求。管節(jié)于頂板布置24 個預(yù)應(yīng)力孔道，底板布置22 個預(yù)應(yīng)力孔道，其中42 束預(yù)應(yīng)力鋼束進行預(yù)應(yīng)力張拉施工，另外4 個為預(yù)留管道。預(yù)應(yīng)力鋼束采用15-25 鋼束型號，標準管節(jié)單根預(yù)應(yīng)力管道由2 根10m 長塑料波紋管構(gòu)成，S1、S8 節(jié)段采用1 根10m和1 根11m長的塑料波紋管構(gòu)成。大連灣沉管隧道按柔性結(jié)構(gòu)體系設(shè)計（E1～E18），預(yù)應(yīng)力為臨時預(yù)應(yīng)力，在節(jié)段接頭附近設(shè)置預(yù)應(yīng)力剪斷孔，在沉管安裝到位、沉降穩(wěn)定后的適當時機將預(yù)應(yīng)力束剪斷。節(jié)段接頭孔道連接通過波紋管連接件實現(xiàn)，波紋管節(jié)段接頭連接件由D160 孔徑的PE管、D140 孔徑的PE 管、防水密封圈、熱縮套和O 形密封圈構(gòu)成，預(yù)應(yīng)力孔道波紋管節(jié)段接頭連接件組成方式如圖1所示。沉管預(yù)制完成并在管節(jié)強度達標后需對沉管進行管節(jié)的預(yù)應(yīng)力張拉和壓漿施工。預(yù)應(yīng)力張拉采用后張法進行兩端張拉、并左右對稱進行，壓漿采用真空輔助壓漿工藝。

圖1 預(yù)應(yīng)力鋼束構(gòu)造布置圖

2.3 預(yù)應(yīng)力孔道施工方法

2.3.1 施工流程。預(yù)應(yīng)力管道施工流程如下：先澆端波紋管安裝→先澆端D140 管安裝→先澆端O型密封圈安裝→先澆端D160 管安裝→先澆端防水密封圈安裝→匹配端D140 管安裝→匹配端O 型密封圈安裝→匹配端D160 管安裝→匹配端防水密封圈安裝→匹配端波紋管安裝。

2.3.2 波紋管固定。波紋管在頂板及底板鋼筋綁扎過程中安裝。波紋管為專門定制，長度約10m/根，每個節(jié)段的每根預(yù)應(yīng)力管道使用2 根波紋管對接而成（如圖3 所示），波紋管對接接頭使用廠家提供的專用連接器進行連接。波紋管安裝前，測量將波紋管精確位置放樣在端頭鋼筋上，波紋管直接安裝在預(yù)應(yīng)力鋼筋托架上，每隔400mm用一根C12的“U”型鋼筋將波紋固定在托架上，如圖2 所示。

圖2 波紋管的固定示意圖

圖3 波紋管對接示意圖

2.3.3 絞線下料及穿束。（1）鋼絞線下料。鋼絞線采用直徑為15.2mm 的高強、低松弛鋼絞線，其技術(shù)指標應(yīng)符合國家標準GB/T5224 技術(shù)要求，標準強度為1860MPa，計算彈性模量為1.95×10^5MPa。現(xiàn)場鋼絞線穿束使用穿束機進行，完成穿束后使用輪片式砂輪機切掉多余鋼絞線，嚴禁采用電焊斷料，下料的長度誤差應(yīng)控制在-10mm～+100mm以內(nèi)。（2）鋼絞線穿束。現(xiàn)場施工作業(yè)使用張拉架進行輔助施工，如圖4，張拉架吊裝到位后，應(yīng)及時用鋼絲繩與管節(jié)端鋼殼螺栓連接，保證張拉架在張拉施工作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。同時，在張拉架頂部作業(yè)時要注意高空作業(yè)，施工人員佩戴安全帶。

圖4 預(yù)應(yīng)力施工張拉架布置圖

預(yù)應(yīng)力鋼絞線穿束使用自動穿束機進行穿束，在穿束端利用張拉架搭設(shè)穿束平臺，穿束固定高度與預(yù)應(yīng)力孔道基本保持平行，穿束機鋼絞線進口端采用柔軟管套進行保護，避免鋼絞線被污染和磨損，穿束機每次穿束一根鋼絞線,如圖5 所示。

圖5 穿束機穿束

穿束前在鋼絞線頭部安裝塑料“子彈頭”，如圖6，人工將鋼絞線頭穿入穿束機中，啟動穿束機穿束待鋼絞線，在穿束過程中可根據(jù)需要在鋼絞線上涂抹肥皂或石蠟等潤滑劑，以減少鋼絞線與預(yù)應(yīng)力管道的摩擦系數(shù)。

圖6 穿束子彈頭

單根穿束完成后，使用砂輪機切斷鋼絞線，不得采用火焰或焊接切割。由于穿束機穿束速度快，要特注意穿束過程中預(yù)應(yīng)力管道正對面要設(shè)立擋板，并將施工場地圍避，避免鋼絞線穿出時打傷路過行人。

2.3.4 先澆端節(jié)段接頭施工。預(yù)應(yīng)力管道在節(jié)段接頭位置使用PE 管連接。PE 管使用嵌套結(jié)構(gòu)，外側(cè)使用D160管，內(nèi)側(cè)使用D140 管，波紋管與D140 管、D140 管與D160管利用熱縮套進行連接。D140 管在先澆端安裝時預(yù)留20cm 長度，用于匹配端管道安裝時插入對接；D160 管與D140 管之間安裝2 條O型密封圈，用于管道壓漿過程中止?jié){防漏；D160 管外側(cè)再安裝1 條防水密封條，作為D160 管外側(cè)防水、止?jié){措施。

2.3.5 匹配端節(jié)段接頭施工

優(yōu)先安裝插入對接的匹配端內(nèi)測D140 管道，而后D160 管與D140 管之間安裝O 型密封圈，O 型密封圈在每個管道的每個匹配端節(jié)段接頭處安裝5 個，用于管道壓漿過程中止?jié){防漏。同樣在D160 管外側(cè)再次安裝1 條防水密封條，作為D160 管外側(cè)防水、止?jié){措施；波紋管、D140 管道D160 管道仍采用熱縮套連接。

2.4 施工質(zhì)量控制難點

預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)管與外管間要求保證水密性，能滿足0.6MPa 水壓作用下水密性要求以便在沉管預(yù)制完成、強度達標后對沉管進行的管節(jié)預(yù)應(yīng)力張拉、壓漿施工。節(jié)段接頭一旦密封不嚴，將導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管無法抽真空，影響預(yù)應(yīng)力孔道壓降質(zhì)量。同時本工程在節(jié)段接頭處所有連接措施均為柔性接頭，壓漿過程中預(yù)應(yīng)力孔道在接頭處一旦有一處漏漿，漿液將隨之蔓延至整條OMEGA止水帶預(yù)埋件上，污染OMEGA 止水帶預(yù)埋件進而影響到止水帶安裝面平整度。漿液附著在OMEGA預(yù)埋將防腐涂層后，需對其進行清理，在清理的過程將無法避免的會破壞預(yù)埋件原始的防腐圖層，造成質(zhì)量隱患。

2.5 質(zhì)量控制難點分析

在西塢第一批次沉管預(yù)制中，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力套管存在防水性能失效的情況，導(dǎo)致壓漿過程中從節(jié)段接頭處漏漿，壓漿受影響較大。經(jīng)研究及討論發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力管道漏漿主要有兩點可能：

2.5.1 波紋管節(jié)段接頭處設(shè)計為PE 管直接對接，在先澆端澆筑過程中預(yù)埋D160 管，匹配端施工中D160 管對接處無止水措施，而D160 管對接縫直接處于節(jié)段接頭處，現(xiàn)場水密封閉存在一定難度。

2.5.2 管道內(nèi)側(cè)的D140 管與外側(cè)的D160 管間止水完全依靠管道中間的兩道O型止水密封圈止水，而O 型密封圈在遇水前不會發(fā)生膨脹體積較小，管道密封性難以保證，經(jīng)過7 道節(jié)段接頭后預(yù)應(yīng)力管道真空泵施工完全失效。對其性能分析發(fā)現(xiàn)在壓漿過程中O 型密封圈從遇水至膨脹需要的時間過長，待其膨脹到位時，此條孔道壓漿往往已經(jīng)結(jié)束，壓漿質(zhì)量難以保證。

2.6 施工控制措施

2.6.1 波紋管節(jié)段接頭工藝優(yōu)化

為解決先澆端與匹配端D160 管間對接無防水措施的問題，擬對D140 與D160 套管間、D140 與波紋管間的工藝優(yōu)化，增加2 道施工措施。如圖7 所示。

圖7 預(yù)應(yīng)力節(jié)段接頭措施圖

①在節(jié)段接頭接口處，于混凝土先澆端端面沿D140 外徑涂抹一圈遇水膨脹止水膠，填滿匹配端D140 塑料套筒與先澆端D160 套筒之間的間隙；而后待D160 管安裝完成后再于混凝土端面處沿D160 塑料套筒外徑再次涂刷一層遇水膨脹止水膠，加強兩條D160 管道連接的緊密性。

②在先澆端澆筑前，每條D160 管外側(cè)再增加一條60cm的熱縮套，熱縮套埋入先澆端30cm，匹配端預(yù)留出30cm。在先澆端混凝土澆筑前先對先澆端處進行熱縮處理，待匹配端施工管道其他措施施工完畢后再對預(yù)留出30cm熱縮套進行熱縮處理施工。

2.6.2 波紋管O型密封圈

針對O型密封圈遇水膨脹但膨脹需要一定時間及膨脹后不收縮的特性，亦增加相應(yīng)措施。在O型密封圈完全封閉前于D140 管道和D160 管道間放入一定量的淡水，使其在壓漿前膨脹到位。同時在先澆端和匹配端的D140 管道和D160 管道間分別增加一條防水密封條和一道O型密封圈。使其由原來的2 到O 型密封圈止水增加為3 條O 型密封圈止水外再曾加一道防水密封條止水，通過增加止水措施的目的達到止水效果。預(yù)應(yīng)力接頭改進措施如圖8 所示。

2.7 質(zhì)量控制成果

通過對D140 與D160 套管間、D140 與波紋管間的工藝優(yōu)化及增加O 型密封圈和防水密封條的措施，加強了波紋管接頭密封性能、較好減少了壓漿過程中的節(jié)段接頭漏漿，提高壓漿質(zhì)量。同時壓漿過程中水泥漿由孔道的節(jié)段接頭滲漏情況得到了很好的控制，為后續(xù)節(jié)段間關(guān)鍵工藝OMEGA止水帶安裝提供了良好的作業(yè)環(huán)境。

3 結(jié)論

沉管隧道預(yù)制工程在國內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，其涉及分項多、范圍廣，各個分項在沉管預(yù)制及安裝中都有很重要的作用，在施工過程中針對每一個分項、每一個問題都需要提高到一定的高度來對待。對每個分項的優(yōu)化和施工及管理經(jīng)驗都可以在為整體沉管隧道的預(yù)制施工提供有力保障的同時又為后續(xù)沉管隧道施工積累經(jīng)驗。