沉管隧道施工工藝研究

魏瑤瑤

（商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000）

0 引言

隨著隧道施工工藝的發(fā)展，隧道已可以穿越復(fù)雜地質(zhì)、湖泊甚至海洋。沉管法是修建海底隧道的核心技術(shù)和主要手段。沉管法施工不僅節(jié)約了成本，提高了工作效率，也解決了施工安全等技術(shù)難題。在之后的技術(shù)發(fā)展中，每一步關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)又新生了許多工藝，使沉管法逐漸走向成熟。

1 沉管法概述

沉管法起源于歐洲，荷蘭鹿特丹水下隧道開創(chuàng)了沉管法的先河，隨后，在美國底特律，人們把更多技術(shù)投入沉管隧道中，沉管法逐漸發(fā)展，并在技術(shù)上逐步突破，現(xiàn)如今，沉管法已經(jīng)是修建水底隧道的主要施工方法，沉管法技術(shù)已經(jīng)成熟，能穿越更深的河底和海底。沉管法簡單說就是先在預(yù)制廠內(nèi)（船臺或干塢）預(yù)制管段，管段兩端做隔水擋墻，然后將管段用拖輪或者起吊裝置運(yùn)送到指定位置，進(jìn)行基礎(chǔ)處理，然后沉放，拼接管段，防水處理，基礎(chǔ)再處理，回填加固，隨后拆除隔水擋墻使各個(gè)管段連接成一體，最終拼接成完整的隧道。水底隧道采用沉管法施工具有較多的優(yōu)點(diǎn)，1950年以后，水底隧道施工在水下連接等關(guān)鍵性技術(shù)上有很多重大突破，現(xiàn)已被普遍采用。沉管法的施工流程見圖1。

圖1 沉管隧道施工流程

2 沉管隧道施工工藝

目前，沉管隧道施工工藝主要分為以下幾個(gè)部分：管段制作、管段浮運(yùn)和沉放、基槽開挖、基礎(chǔ)處理、水下連接。港珠澳大橋沉管隧道就很好地運(yùn)用了世界上的先進(jìn)工藝，還進(jìn)行了創(chuàng)新和突破。

2.1 管段制作施工

傳統(tǒng)的管段制作方式可分為船臺上制作和干塢中制作兩大類型，其施工流程見圖2。管段的橫斷面形狀主要有：圓形、八角形、花籃形、矩形，見圖3。傳統(tǒng)干塢方法預(yù)制管節(jié)的預(yù)制質(zhì)量與工作效率不高，這是因?yàn)楣芄?jié)的每一道工序，綁扎鋼筋、架立模板、澆筑混凝土、拆模養(yǎng)護(hù)，都被限制在一個(gè)很有限的空間內(nèi)進(jìn)行。現(xiàn)多用管節(jié)流水化生產(chǎn)，解決管節(jié)長、體積大、數(shù)量多及運(yùn)輸距離長、工期緊的技術(shù)難關(guān)。

圖2 管段制作方式

圖3 沉管隧道斷面形式

2.2 管段浮運(yùn)和沉放

常見的管段浮運(yùn)方法根據(jù)工程的建設(shè)條件以及設(shè)備的情況不同，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)必選分為絞拖、浮船塢浮運(yùn)和拖輪拖運(yùn)等。在沉管法發(fā)展的歷史進(jìn)程中，使用過很多種、很多形式的設(shè)備進(jìn)行管段的浮運(yùn)和沉放，常見的管段沉放方法有浮箱吊沉法和方駁杠吊法。

浮箱吊沉法是利用2 或4 個(gè)方形浮箱將管段用吊索系吊在下方，浮箱用鋼桁架彼此鏈接，形成一個(gè)前后兩組共同運(yùn)送的穩(wěn)定體系。當(dāng)浮箱將管段浮運(yùn)到位，使用浮箱上的起吊卷揚(yáng)機(jī)和浮箱定位卷揚(yáng)機(jī)，并用錨索前后牽拉管段，將管段精確沉放。這一沉放法的主要特點(diǎn)是設(shè)備簡單，適用于寬度＞20m 的大、中型管段，是比較新的一種管段沉放法。

方駁杠吊法是在4 艘或2 艘方駁船之間架設(shè)鋼梁，使其作為杠吊，將管段系吊在下方，進(jìn)行浮運(yùn)和沉放。這一方法在沉放時(shí)較平穩(wěn)，且在浮運(yùn)時(shí)可以用左右的方駁夾住管段以提高穩(wěn)定性，常在小型管段浮運(yùn)沉放時(shí)使用。

2.3 基槽開挖、基礎(chǔ)處理

基槽開挖環(huán)節(jié)一般分為粗挖、精挖、清淤，管段沉放后再次清淤。

沉管隧道開挖階段采用抓斗挖泥船進(jìn)行精挖，使用數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，精挖完成后利用多波束技術(shù)檢測水深，船舶的平面及姿態(tài)控制采用雙RTK 接收器和船用姿態(tài)傳感器實(shí)現(xiàn)，在挖泥船抓斗垂直方向上的桁架架設(shè)RTK 接收器進(jìn)行高程控制。

根據(jù)基礎(chǔ)處理與沉管沉放的先后順序不同，目前世界各地沉管隧道基礎(chǔ)處理方法可分為先鋪法和后填法。

在穿越多種地質(zhì)沉積層、地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地區(qū)時(shí)，為了確保施工質(zhì)量和基礎(chǔ)穩(wěn)定，并適應(yīng)沉管基礎(chǔ)的剛度變化，在部分地段采用降水聯(lián)合超載預(yù)壓；在減光段和暗埋段使用降水聯(lián)合超載預(yù)壓和PHC樁；海島連接段采用降水聯(lián)合超載預(yù)壓和高壓旋噴樁裝置；在沉管斜坡段設(shè)置擠密砂樁；天然地基段進(jìn)行局部換填。沉管段的基礎(chǔ)墊層施工主要是先使用整平船進(jìn)行碎石鋪筑和整平，再采用機(jī)械夯平塊石，組成一個(gè)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體。

擠密砂樁可以增加地基強(qiáng)度、改善地基整體，它是由擠密砂樁與黏土聯(lián)合作用，并間隔一定距離構(gòu)成的復(fù)合地基。這種復(fù)合地基不僅能提高地基承載力，還可以增加地基整體的抗剪能力，防止地基產(chǎn)生滑動。其中密實(shí)砂樁還能起到排水作用，縮短土體的固結(jié)時(shí)間，減少工后剩余沉降。在擠密砂樁地基施工時(shí)，要根據(jù)地質(zhì)條件的不同使用不同的施工技術(shù)，這是因?yàn)樯皹对谒缮⑸巴恋刭|(zhì)環(huán)境中施工時(shí)，會振動或擠壓周圍砂層，使其密度增加，從而起到加固作用。而在軟弱黏土地基中，擠密砂樁主要起到置換軟弱黏土和排水的作用，從而改善地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性?？偟膩碚f，這種復(fù)合式地基能很好地改善基礎(chǔ)質(zhì)量，減少差異沉降，使基礎(chǔ)更堅(jiān)實(shí)更穩(wěn)定。

2.4 水下連接

1940年以前，對于管段是鋼殼的隧道，最常選用的連接方式為水下澆筑混凝土的方法拼接在一起。對于矩形鋼筋混凝土管段，現(xiàn)常用溫哥華法進(jìn)行水下連接，其原理是，先布置一圈尖肋型膠墊在管段前端周圍，待管段沉放下水后，巨大的水壓力會作用在后端封墻上，由于力的作用前端膠墊產(chǎn)生壓縮變形，一個(gè)水密性良好的止水接頭就在連接處形成了。施工步驟可簡略概括為：管段下沉到位前，先根據(jù)精度要求對準(zhǔn)位置，然后用千斤頂或定位卷揚(yáng)機(jī)，將需要對接的管段拉合，此時(shí)膠墊的尖肋略微變形。完成初步止水后，排出被膠墊封閉在兩節(jié)管段封墻之間的水，并放入空氣，隨之巨大的水壓力會將膠墊再次壓縮，此時(shí)已經(jīng)完全止水。最后完成拼接，拆除封墻，使已沉放的管段連通。

2.5 接頭防水

沉管法隧道的接頭防水技術(shù)至關(guān)重要，常見的接頭防水方式有GINA 止水帶和OMEGA 止水帶。港珠澳大橋沉管隧道分為管節(jié)接頭與節(jié)段接頭防水。管節(jié)接頭防水主要由GINA 止水帶和OMEGA 止水帶組成，節(jié)段接頭防水由噴涂型聚脲防水涂料、中埋式可注漿止水帶、OMEGA 止水帶、遇水膨脹橡膠條聯(lián)合構(gòu)成的柔性結(jié)構(gòu)承擔(dān)。

2.5.1 GINA 止水帶

GINA 止水帶受到很大的靜水壓力而產(chǎn)生彈性變形，達(dá)到接頭止水，然后在內(nèi)部做永久性接頭。壓力與壓縮變形特性根據(jù)管節(jié)接頭所承受的水壓及可能產(chǎn)生的最大變形量所確定。

由于管節(jié)之間承水壓區(qū)別，在此條件下，GINA 止水帶要控制壓縮量，所以需在管節(jié)接頭采用同一尺寸斷面、不同硬度的橡膠。由于管節(jié)接頭處的端鋼殼采用的是單道端板的形式，端板與混凝土之間有一道接縫并且端板另一面的端部暴露在海水之中，這樣會使端板受到海水的雙面腐蝕，所以需要在接頭端部涂布環(huán)氧重型防腐材料，一方面可以遮蔽端板與混凝土的接縫，另一方面可以遮蔽迎海水面的端板端部。與此同時(shí)，端板與混凝土的接縫中設(shè)置了遇水膨脹止水膠、止水鋼片及預(yù)埋式注漿管，進(jìn)一步加強(qiáng)端鋼殼與混凝土的接縫防水。

GINA 止水帶的安裝為整環(huán)一次安裝到位，按照頂板角部—頂板—底板角部—側(cè)墻—底板的順序進(jìn)行安裝。管節(jié)浮運(yùn)前，頂板以及水面以下1m 范圍內(nèi)的GINA 橡膠止水帶應(yīng)設(shè)置臨時(shí)性保護(hù)罩，防止水上非固定物對GINA 止水帶的破壞。

2.5.2 OMEGA 止水帶

OMEGA 型橡膠止水帶是管節(jié)接頭止水的第二道防線，受水壓后其形狀與拉力線形狀相吻合。管節(jié)接頭采用的是丁苯橡膠OMEGA 止水帶，它的斷面尺寸、形式、適應(yīng)變形能力的要求由管節(jié)接頭所承受的水壓、三向位移的估算值、抗老化等要求決定。OMEGA 止水帶斷面構(gòu)造如圖4 所示，OMEGA 止水帶的固定方式采用杠桿式構(gòu)造，見圖4。

圖4 OMEGA 止水帶示意圖

OMEGA 止水帶運(yùn)到現(xiàn)場后，最終的接頭在安裝接近尾聲的時(shí)候才進(jìn)行連接，所以需要對最后的接頭進(jìn)行預(yù)加工處理。在管節(jié)沉放和安裝OMEGA 橡膠止水帶后，按設(shè)計(jì)要求注水加壓檢漏（在管節(jié)底板接頭承受的水壓基礎(chǔ)上再人為加上5m 水頭）。

OMEGA 止水帶節(jié)段接頭與管節(jié)接頭設(shè)置的OMEGA 止水帶較為類似，采用的OMEGA 止水帶材質(zhì)為丁苯橡膠，底板與OMEGA 止水帶配套預(yù)埋的角鋼上設(shè)置犧牲陽極塊?，F(xiàn)場安裝后，同樣需要進(jìn)行注水加壓檢漏。預(yù)埋角鋼與混凝土接縫之間設(shè)置預(yù)埋式注漿管與遇水膨脹止水膠形成雙道防水線，因遇水膨脹止水膠施工質(zhì)量良莠不齊，現(xiàn)場采用止水鋼片代替了遇水膨脹止水膠。

2.6 最終接頭

早期沉管隧道的最終接頭是做成一個(gè)剛度較大的結(jié)構(gòu)段，然后澆筑水下混凝土來進(jìn)行止水處理，因?yàn)樽罱K接頭是圓形鋼殼結(jié)構(gòu)，所以存在很多弊病。目前止水板法在沉管隧道最終接頭施工中應(yīng)用廣泛，為了防止管節(jié)水壓消失后GINA 橡膠止水帶回彈，在最終接頭結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置若干鋼支撐，然后使用鋼封板密封最終接頭外側(cè)，抽干密封空間內(nèi)的水后，連通管節(jié)，形成一個(gè)與隧道剛度相等的結(jié)構(gòu)段，此方法在矩形結(jié)構(gòu)的沉管隧道中經(jīng)常采用。日本利用側(cè)向靜水壓力壓縮橡膠進(jìn)行最終接頭的止水，最終接頭被制成最終塊結(jié)構(gòu)，然后從岸上推入管節(jié)之中。隨后日本又開發(fā)出V 型楔塊法，止水橡膠會受到豎向水壓力與負(fù)浮力壓縮而起到止水作用。

3 結(jié)語

沉管法具有工期短、造價(jià)低、不受水深限制，且能極大地保證施工質(zhì)量和施工安全，因此被廣泛地應(yīng)用于水下隧道建設(shè)。通過對傳統(tǒng)沉管法施工工藝的不斷創(chuàng)新，代表著我國最高修建水準(zhǔn)與技術(shù)的港珠澳大橋圓滿建成，這標(biāo)志著我國的沉管法施工技術(shù)已經(jīng)和西方發(fā)達(dá)國家接軌，對我國的隧道建設(shè)發(fā)展具有劃時(shí)代的意義，同時(shí)也為今后的水下隧道施工提供技術(shù)借鑒。