跨江隧道沉管段關(guān)鍵施工技術(shù)研究

韓欣潔，黎 麗，任科霖

（武漢工程科技學(xué)院，武漢 430200）

江河湖泊在一定程度上阻礙了交通的發(fā)展，沉管隧道的出現(xiàn)為現(xiàn)代化城市交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展提供了新的解決思路?？缍却?、高深度、地質(zhì)條件復(fù)雜等隨著工程問題也逐漸增多[1]。跨江隧道中沉管的施工對于整個(gè)工程乃至人員和財(cái)產(chǎn)安全顯得尤為重要。

近年來，國內(nèi)許多專家針對不同水文地質(zhì)情況下的沉管隧道進(jìn)行了相關(guān)研究[2-6]，高倩鈺等[7]采用室內(nèi)腐蝕模擬加速試驗(yàn)及電化學(xué)分析測試等模擬了海水環(huán)境，對隧道中道鋼殼混凝土沉管在海水侵蝕下的服役年限及侵蝕發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究。張宇航[8]通過室內(nèi)試驗(yàn)對某沉管混凝土試驗(yàn)的溫度應(yīng)力計(jì)算和混凝土?xí)r間差約束力進(jìn)行了分析，探究了澆筑工藝對沉管裂縫的影響。王殿文等[9]以沉管工程安裝的多波束水深測量系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分析了不同系統(tǒng)水深測量精度的差異性，為其他深度測試系統(tǒng)精度提供了參考。呂護(hù)生等[10]通過大連灣海底隧道工程實(shí)例對大曲率沉管的預(yù)制及安裝工藝進(jìn)行了理論計(jì)算、工藝優(yōu)化及實(shí)踐驗(yàn)證，形成大曲率沉管安裝關(guān)鍵技術(shù)。

本文以廣州市某跨江沉管隧道為研究對象，對其沉管隧道開挖中面臨的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題進(jìn)行了分析，討論了存在的問題與解決措施，對于同類型沉管隧道建設(shè)具有借鑒意義。

1 工程概況

本工程位于廣州天河區(qū)和海珠區(qū)，下穿珠江，項(xiàng)目隧道設(shè)計(jì)全長約2 080 m，其中沉管段全長492 m，占總長的1/4，隧道沉管段截面設(shè)計(jì)寬度為30.50 m，高度為8.80 m，截面面積268.4 m2。工程平面位置如圖1 所示。

1.1 地質(zhì)情況

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，本次項(xiàng)目場區(qū)位于向斜東掀起段核部，褶皺分布中巖層傾角一般為10～30°，控制場區(qū)具有2 處斷裂帶，主要斷裂為天河-北亭斷裂組和廣三斷裂，這2 條斷裂距離擬建隧道較遠(yuǎn)，對擬建工程的穩(wěn)定性影響一般不大。從地震活動時(shí)空分布來看，廣州地區(qū)具有“外帶強(qiáng)內(nèi)帶弱”的東南沿海地震帶中部的特點(diǎn)，歷史上記錄的最大震級在4.75~5.00 級之間，且以中小規(guī)模的有感地震為主，未見6 級以上的強(qiáng)震記錄。

1.2 水文情況

工程區(qū)域河流主要以沉積為主，隧道橫穿珠江區(qū)域水面寬約為550 m，區(qū)內(nèi)潮洪混雜，水流變化十分復(fù)雜，擬建隧道斷面流速實(shí)測漲潮流動速度達(dá)到了0.59 m/s，落潮在測試中平均流動速度達(dá)到了0.77 m/s。在洪水落急條件下，工程范圍內(nèi)圍堰存在時(shí)期的流速為0.87 m/s，枯水漲急條件下推測本工程施工范圍內(nèi)流速為0.955 m/s。

1.3 不良地質(zhì)情況

施工區(qū)域場區(qū)內(nèi)存在部分不良地質(zhì)情況，包括軟土震陷及飽和砂土液化。此外，場地還存在一部分特殊性巖土，主要為風(fēng)化巖、人工填土、軟土和部分殘積土。

2 沉管段施工工藝

2.1 沉管預(yù)制

配合比必須經(jīng)試驗(yàn)確定，抗?jié)B等級比設(shè)計(jì)要求提高0.2 MPa，混凝土預(yù)制施工采用泵送砼，澆注時(shí)采用分層澆注并采用機(jī)械振搗密實(shí)。采用干塢法進(jìn)行預(yù)制，縱向分4 節(jié)段。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長度123 m，重約3 萬t，每段分7 小節(jié)，單段長度為16.2 m；節(jié)段間設(shè)置后澆帶，后澆帶長度為1.6 m。管節(jié)分2 批進(jìn)行預(yù)制。沉管段結(jié)構(gòu)采用單箱三室型結(jié)構(gòu)，單個(gè)施工段沉管鋼筋用量為400 t，混凝土方量為1 554 m3。如圖2 所示。

圖2 沉管段橫斷面圖

2.2 基槽開挖

本工程沉管基槽考慮采用水下鑿巖+炸礁開挖法進(jìn)行石方開挖。選用18.4 t 鉛筆型鑿巖棒進(jìn)行施工，根據(jù)工程實(shí)際情況，可以通過試驗(yàn)區(qū)試鑿，為確定鑿巖棒重量、鑿巖布點(diǎn)間距及鑿巖棒提升高度提供依據(jù)。本工程炸礁施工區(qū)域工程巖質(zhì)主要為強(qiáng)風(fēng)化-微風(fēng)化巖層、全風(fēng)化砂礫巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖和強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖，為滿足施工質(zhì)量要求，炸礁施工應(yīng)分區(qū)進(jìn)行。

在基槽開挖過程中，要加大監(jiān)測力度，減小超挖。通常，水下挖掘的深度監(jiān)測使用的是聲納測距儀，但是因?yàn)檫@種儀器不能進(jìn)行動態(tài)量測，所以需要在挖泥船的底部安裝1 臺水下地形掃描儀，每向前10 m 進(jìn)行1次測量，并將其作為聲納的參考校準(zhǔn)點(diǎn)，而聲納在140~180°的扇形范圍內(nèi)進(jìn)行短暫的測量，就可以得到挖掘基槽的具體情況。

2.3 沉管管內(nèi)施工

在沉管隧道中，地基灌砂和封孔是一個(gè)非常關(guān)鍵的工序，其直接關(guān)系到整個(gè)工程的施工質(zhì)量。本工程從管節(jié)末端的第三排管節(jié)開始，首先向中間的管節(jié)灌入砂粒，然后向兩側(cè)的管節(jié)同步注入砂粒。當(dāng)?shù)谌?、第四排砂管從尾端開始全部灌完后，再開始對管頭進(jìn)行灌砂。

管節(jié)灌砂基礎(chǔ)完成后，即可進(jìn)行管內(nèi)的施工作業(yè)，其主要工作內(nèi)容及施工順序?yàn)椋汗嗌巴瓿珊筮M(jìn)行接頭位置清理，安裝止水帶并試漏后拆除兩側(cè)端封門，如圖3所示，然后鑿除鼻托梁，在安裝接頭預(yù)應(yīng)力束后安裝接頭混凝土蓋板，在澆筑首批壓重混凝土并施工底板水平剪切鍵時(shí)，壓重混凝土澆筑與壓載水箱拆除要交錯進(jìn)行，中隔墻混凝土下剪切制作后外墻鋼剪切鍵安裝。

圖3 GINA 止水帶固定示意圖

2.4 減載回填

在主體保護(hù)層強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)上部的整個(gè)岸上基坑的土方回填，土方回填分段分層進(jìn)行，在管道節(jié)點(diǎn)處，利用比土容重更輕的泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行澆筑處理，以達(dá)到減載回填的作用。在此過程中，應(yīng)該對管節(jié)加以保護(hù)，使其具備較好的防沖刷，防錨等能力。與此同時(shí)，為了防止在基礎(chǔ)邊緣兩側(cè)形成抗地震液化薄弱區(qū)，兩側(cè)回填層應(yīng)該具備良好的排水性能，碎石砂可按照一定的配比混合，形成反濾層。

3 沉管安裝重點(diǎn)及解決措施

3.1 沉管鋼端殼預(yù)埋精度要求高

管節(jié)對接過程中，巨大的水壓力使GINA 止水帶壓縮，承壓力由鋼端殼承受。為確保達(dá)到預(yù)計(jì)要求，對鋼端殼的平整度、傾斜度等制作精度要求較高，有效控制鋼端殼制作及安裝精度是本工程的技術(shù)重點(diǎn)。

解決措施：將鋼端殼分段制作，配料時(shí)綜合考慮鋼端殼形狀、誤差、間隙和焊接收縮量等因素，設(shè)置平臺與工件間的臨時(shí)支撐、固定構(gòu)件的加壓板等措施減小構(gòu)件焊接變形，消除局部應(yīng)力變形，工廠內(nèi)預(yù)拼裝，安裝焊接時(shí)用間斷跳焊來防止變形。

3.2 沉管基槽鑿巖與爆破

該區(qū)域?qū)儆谲壍澜煌? 號線外施工影響B(tài) 類和C 類，臨近度分別為“較臨近（2.0~3.0 D）”和“不臨近（大于3.0 D）”，外部作業(yè)影響等級分別為“二級”和“三級”。地鐵是人群聚集的公共區(qū)域，該項(xiàng)目因其開挖量大，施工周期短，如何在確保施工進(jìn)度的前提下，確保地鐵施工的安全性，是該項(xiàng)目能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

解決措施：采用試爆對相應(yīng)的爆破參數(shù)進(jìn)行修正，采用微差爆破、不耦合裝藥、氣泡帷幕等減小爆破沖擊波，用爆破控制、爆破檢測等措施減小地鐵擾動。在施工過程中，要對地鐵內(nèi)外土體的地表沉降、土體深層位移、收斂變形和隧道壁應(yīng)力等進(jìn)行24 h 不間斷的監(jiān)測，圖4 為地鐵隧道橫斷面監(jiān)測圖，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，應(yīng)立即停止施工，并及時(shí)采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，以確保地鐵的安全。

圖4 地鐵隧道橫斷面監(jiān)測圖

3.3 沉管浮運(yùn)安裝精度要求高

沉管的浮運(yùn)和安裝有很多的工序，需要多個(gè)人和多個(gè)設(shè)備的參與和配合，如圖5 所示，在沉管的出運(yùn)過程中，受到潮水、流速、風(fēng)速及封航時(shí)間等因素的限制，這些因素對沉管浮運(yùn)和安裝的效果有很大的影響。而當(dāng)沉管出運(yùn)時(shí)，必須對管道的各種影響因素進(jìn)行全面的考慮與分析，并對人員、機(jī)械等資源進(jìn)行合理的配置，以免發(fā)生錯誤。由于管節(jié)的體積較大，因此需要有較高的對接精度，需要有較高的檢測技術(shù)和潛水員的水下探摸技術(shù)。在管節(jié)錨固、管節(jié)初接、管節(jié)穩(wěn)壓載的每一個(gè)施工過程中，都要對其精度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

圖5 管節(jié)施工流程圖

解決措施：對施工區(qū)域的水流、潮位變化等展開觀測和記錄，并對其變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，對水流速度的變化情況進(jìn)行分析，在水流最小時(shí)，進(jìn)行沉管浮運(yùn)、沉管沉放對接，并以不同深度的江水容重參數(shù)為依據(jù)，綜合考慮管節(jié)沉放后周圍流動介質(zhì)的密度，來確定管節(jié)的穩(wěn)定壓載量。

3.4 沉管基礎(chǔ)處理

沉管施工中對基礎(chǔ)的處理效果，直接影響到隧道的運(yùn)行質(zhì)量和安全性，因此，如何合理地確定灌砂次序和正確地判定砂盤的形成，是沉管隧洞施工的重要環(huán)節(jié)。

解決措施：監(jiān)測最終砂盤是否形成，主要采用灌砂量、灌砂壓力、潛水員下水進(jìn)行探摸和管內(nèi)測量等手段來確定砂盤是否溢出。

4 沉管施工難點(diǎn)分析

4.1 沉管安裝降低對地鐵擾動

按軌道交通規(guī)范可判斷本隧道處于地鐵控制保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)?；痈駱?gòu)基礎(chǔ)鉆孔灌注樁樁底距地鐵隧道頂部接近程度為“接近”，外部作業(yè)影響等級為“特級”；車陂路隧道基底作業(yè)影響等級為“一級”。因此，降低擾動及保證地鐵安全是確保本工程實(shí)施的關(guān)鍵性控制因素。

解決措施：委托有經(jīng)驗(yàn)的第三方對地鐵進(jìn)行24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)施勘察、水下爆破等鉆孔作業(yè)前，必須控制水下鉆孔的準(zhǔn)確定位，開鉆前控制誤差，杜絕水下鉆孔鉆穿江中隧道結(jié)構(gòu)。

4.2 沉管預(yù)制大體積砼質(zhì)量控制

由于沉管中的膠凝材料用量大、水化熱高、收縮大，且具有較大的自緊性，因此，結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生裂紋，造成其本身的抗?jié)B性下降，影響其服役壽命，沉管裂縫和滲流的處理是該項(xiàng)目成功實(shí)施的關(guān)鍵。

該項(xiàng)目地處市區(qū)，無法自建攪拌站。在混凝土處于供方市場的條件下，項(xiàng)目訂單遠(yuǎn)超攪拌站負(fù)荷，站內(nèi)材料全部單日用完，無法保供，經(jīng)常面臨無料可用的局面；而且材料質(zhì)量每日變化，場地管理雜亂無章，料場材料混堆。商品混凝土質(zhì)量難以控制，極大地增加了項(xiàng)目在沉管預(yù)制質(zhì)量上的管控難度。

解決措施：對混凝土配合比設(shè)計(jì)、嚴(yán)格優(yōu)選原材料、混凝土澆注及養(yǎng)護(hù)過程加強(qiáng)控制，設(shè)置后澆帶分期澆筑的方式，如圖6 所示，管段沿縱向分段，豎向分層施工，防止大體積出現(xiàn)裂縫。

圖6 沉管管段示意圖

5 BIM 三維可視化信息管理

項(xiàng)目開工引進(jìn)了基于BIM SD 技術(shù)的城市基礎(chǔ)設(shè)施集成管理平臺，更有效將質(zhì)量安全巡查、進(jìn)度計(jì)劃管理、項(xiàng)目支付信息、GIS 地理信息模型與BIM 技術(shù)相結(jié)合的信息化工作流程進(jìn)行管理，如圖7 所示。

圖7 項(xiàng)目信息管理一張圖

項(xiàng)目施工階段定制研發(fā)BIM 信息管理平臺，通過PC、瀏覽器、手機(jī)端進(jìn)行協(xié)同管理，使施工階段的管理變得高效快捷，BIM 技術(shù)應(yīng)用解決現(xiàn)場管理難的問題，形成管理閉環(huán)，有效管控了項(xiàng)目進(jìn)度、成本及風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息化管理。

6 結(jié)束語

本工程施工中遵循“全方位、立體式、水陸并進(jìn)”的原則，對沉管段施工中沉管預(yù)制及浮運(yùn)安裝、基槽的開挖、管內(nèi)施工和減載回填技術(shù)存在的問題進(jìn)行有效解決和優(yōu)化。從工程的安全度及經(jīng)濟(jì)性看，完成了預(yù)期目標(biāo)，不僅充分利用了社會資本參與到城市基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)中，滿足了社會需求；同時(shí)減少了地方政府財(cái)政支出，減少財(cái)政赤字，加快了工程建設(shè)速度，達(dá)到了社會效益最大化的目的。