大型沉管隧道干塢二次圍堰設(shè)計及施工關(guān)鍵技術(shù)

庾焱秋,付 甦,王文龍,戴 也,楊蘇海

(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.武漢中力巖土工程有限公司,湖北 武漢 430071)

0 引言

隨著隧道設(shè)計和建設(shè)水平的不斷提升,沉管隧道因其優(yōu)越的水文地質(zhì)適用性、更短工期及更加可控的風險,得到越來越多的應(yīng)用。國內(nèi)不僅有港珠澳大橋海上沉管隧道[1-4]等舉世矚目的世紀工程,還有已成功建成的10余座內(nèi)河沉管隧道[2,5-6]。

作為內(nèi)河沉管隧道對接端施工的重要臨時工程,沉管的干塢施工方案在整個沉管隧道施工環(huán)節(jié)中的作用不容忽視[6-8]。

部分干塢施工中需在塢口管節(jié)沉放到位后進行二次止水[9-10],再進行對接端基坑開挖,施工對接端隧道并與已沉放到位的管節(jié)進行對接,完成沉管隧道的最后一步。二次止水結(jié)構(gòu)的強度和止水性能是這一工序能否順利進行的重要一環(huán),圍堰的結(jié)構(gòu)形式、與沉管間縫隙的密閉處理成為需面臨的難題,我國在此方面經(jīng)驗較少,缺乏系統(tǒng)性研究。

1 工程概況

襄陽市東西軸線道路工程魚梁洲段起于規(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,往東連接?xùn)|津區(qū)橫七路,終于縱四路西側(cè),與上跨縱四路的東西軸線高架橋梁連接,主線全長5.4km,其中沉管隧道1 011m,明挖暗埋隧道4 389m, 是目前國內(nèi)整體規(guī)模最大的內(nèi)河沉管隧道。

沉管隧道分為東、西汊沉管兩部分,采用“兩孔一管廊”方案,結(jié)構(gòu)寬31.2m,高9.2m,雙向6車道,設(shè)計使用年限為100年。

1.1 水文地質(zhì)條件

襄陽東西軸線沉管隧道位于漢江東、西汊,水系主要為漢江及其支流。根據(jù)資料,最高水位65.770m,最低水位62.600m,年平均水位62.730m,最大流速4.74m/s。自崔家營水庫建成后,工程所在區(qū)域江面水流平緩,常年流速<0.3m/s,汛期最大流速0.8m/s。經(jīng)工期及工藝分析后,干塢處二次止水圍堰的設(shè)計高水位確定為62.730m,不考慮流速。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料,干塢塢門處主要分布地層為第四紀地層,自上而下分別為粉細砂、中砂、卵石混圓礫、圓礫及泥巖,中間夾雜薄層粉砂和粉質(zhì)黏土層。整體透水性強,但地質(zhì)條件對二次止水圍堰的設(shè)計影響有限。

1.2 對接端塢口結(jié)構(gòu)

東、西汊干塢塢口對接端均位于現(xiàn)狀大堤上,現(xiàn)狀大堤堤頂標高66.300m,卵石壓重+鐵絲網(wǎng)支護,坡率為1∶3,堤頂有一約6m寬道路,路面為泥結(jié)土石結(jié)構(gòu)。塢口對接端寬37.2m,東汊干塢支護結(jié)構(gòu)頂標高66.300m,西汊干塢支護結(jié)構(gòu)頂標高為66.000m。

二次止水圍堰采用雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu),夾壁內(nèi)灌注輕質(zhì)混凝土,雙壁鋼圍堰與現(xiàn)有塢口混凝土連續(xù)墻、已沉放到位的沉管及干塢底板間采用預(yù)埋凹槽等方式定位及連接。

1.3 工程難點

1)對接端水位高,平面單邊式鋼結(jié)構(gòu)圍堰自身剛度難以保證,需采取措施提高圍堰壁體本身的受力性。

2)圍堰支撐體系需借助干塢兩側(cè)地下連續(xù)墻進行支撐,支撐布置需避開薄弱部位,且支撐最大長度達25m,需設(shè)置立柱以控制其豎向變形。

3)干塢塢口寬度接近40m,圍堰尺寸較大,自重大,起吊、下放難度大。

4)塢口管節(jié)沉放完畢后,斷面形狀不規(guī)則,管節(jié)兩側(cè)與地下連續(xù)墻間均有狹長空間,圍堰立面布置需充分考慮該空間的處理。

5)圍堰下放時定位難,圍堰與地下連續(xù)墻和沉管頂部及側(cè)壁的連接問題很關(guān)鍵,關(guān)系到圍堰功能發(fā)揮。

6)圍堰自身及與既有結(jié)構(gòu)接縫處的止水問題。

2 干塢施工工藝

2.1 施工工藝流程

岸堤防護及對接端基坑施工順序如圖1所示。

圖1 干塢對接端基坑施工流程

2.2 二次止水方案

二次止水采用鎖扣型分片吊裝雙壁鋼圍堰形式,圍堰底部嵌入沉管和干塢底混凝土板上預(yù)留的槽口,圍堰兩側(cè)與地下連續(xù)墻通過格形地下連續(xù)墻上預(yù)埋止水帶連接,鋼圍堰與沉管兩側(cè)通過嵌入沉管的環(huán)梁連接。

圍堰沉放到位后,圍堰夾壁內(nèi)澆筑輕質(zhì)混凝土,待混凝土達到設(shè)計強度后,進行密閉性檢查,然后開始干塢內(nèi)逐層抽水和安裝支撐的作業(yè)。

二次止水圍堰施工工藝流程為:WS沉管沉放完成→鋼圍堰分塊沉放安裝到位→圍堰夾壁內(nèi)澆筑輕質(zhì)混凝土→安裝頂層支撐系統(tǒng)→圍堰內(nèi)逐層抽水并安裝支撐→水密性試驗→干塢內(nèi)明挖段隧道施工。

3 二次止水圍堰設(shè)計

3.1 二次止水圍堰結(jié)構(gòu)形式

止水圍堰呈“一”字形布置,長37.2m,寬1.0m,東汊干塢止水圍堰兩側(cè)高20.35m,中部高10.45m;西汊干塢止水圍堰兩側(cè)高23.88m,中部高13.98m。下面以更不利的西汊干塢止水圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計為例。

止水圍堰與干塢整體關(guān)系如圖2所示。

圖2 西汊干塢塢口平面布置

止水圍堰采用雙壁結(jié)構(gòu),由3塊壁體拼接而成,塊體間采用“C-T”鎖扣連接。圍堰下放安裝到位后,于水下澆筑混凝土,與兩側(cè)地下連續(xù)墻及沉管外殼共同止水。干塢側(cè)安裝3層腰梁及內(nèi)支撐。二次止水圍堰結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 西汊干塢二次止水圍堰結(jié)構(gòu)(單位:cm)

3.2 二次止水圍堰結(jié)構(gòu)計算

3.2.1工況分析

二次止水圍堰施工工藝流程為:①沉管沉放完成;②止水圍堰分塊沉放并連接到位;③沉放到位后,圍堰夾壁內(nèi)分3次水下澆筑混凝土;④干塢內(nèi)抽水至第1層內(nèi)支撐下1.000m標高,焊接第1層腰梁,架設(shè)第1層鋼管撐;⑤干塢內(nèi)抽水至第2層內(nèi)支撐下1.000m標高,焊接第2層腰梁,架設(shè)第2層鋼管撐;⑥干塢內(nèi)抽水至第3層內(nèi)支撐下1.000m標高,焊接第3層腰梁,架設(shè)第3層鋼管撐;⑦干塢內(nèi)抽水到底。

圍堰施工階段涉及的計算荷載包括結(jié)構(gòu)自重(G1)、新澆混凝土自重(G2)、新澆混凝土側(cè)壓力(P1)、靜水壓力(Pw)。根據(jù)工藝流程,擬定計算工況及對應(yīng)計算荷載如表1所示。

表1 計算工況

3.2.2模型計算

采用有限元軟件建立模型,壁板、環(huán)板采用板單元模擬,豎向次梁、水平橫撐、鎖扣、腰梁、鋼管撐采用梁單元模擬,腰梁與壁板間共節(jié)點,支撐與腰梁間剛接。整體模型如圖4所示,計算結(jié)果如圖5所示。

圖4 二次止水圍堰計算模型

圖5 二次止水圍堰計算結(jié)果

鋼圍堰壁板的最大應(yīng)力為187MPa,壁體內(nèi)梁系的最大應(yīng)力為167MPa,腰梁最大應(yīng)力為20.6MPa,支撐最大應(yīng)力為15.7MPa,鋼圍堰整體最大水平變形6.9mm,圍堰強度及剛度均滿足規(guī)范要求。

3.2.3結(jié)構(gòu)補充計算

開始抽水并安裝支撐系統(tǒng)后,圍堰側(cè)壁與格形地下連續(xù)墻間的連接措施存在無效可能,考慮此極限情況,對圍堰工況4～7進行極限邊界條件下結(jié)構(gòu)驗算,即護腳墩以上按懸臂考慮(無連接措施)。經(jīng)計算,極限情況下圍堰結(jié)構(gòu)能滿足設(shè)計要求。

除此以外,對面板參與作用的豎向次梁有效截面強度、面板有效應(yīng)力及起吊吊耳等均進行了補充驗算,結(jié)果滿足設(shè)計要求。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 圍堰拼裝及沉放

圍堰大部分結(jié)構(gòu)為焊接形式連接,焊縫強度與板材強度匹配。為確保圍堰具有良好的水密性,在鋼圍堰分塊制造、拼裝過程中,需嚴格遵守規(guī)范要求,防止焊接變形。

分塊壁體間采用鎖扣形式連接,鎖扣陰頭為雙拼槽鋼,陽頭為工字鋼,鎖扣通過鋼板底座焊接于拼接縫兩側(cè)圍堰壁體的環(huán)板和壁板上,具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 圍堰拼接鎖扣結(jié)構(gòu)

4.2 澆筑夾壁混凝土

圍堰夾壁采用輕質(zhì)混凝土澆筑,澆筑時需控制水位,具體措施為:①避免在圍堰外水位過低時進行夾壁內(nèi)超出外水位的夾壁混凝土澆筑,此時澆筑側(cè)壓力較大,圍堰結(jié)構(gòu)無法承受,有失穩(wěn)風險,且壁體焊縫處易出現(xiàn)局部破壞,導(dǎo)致漏水;②圍堰夾壁內(nèi)水位全程保持與外水位一致或略低于外水位,減小澆筑風險。

輕質(zhì)混凝土又稱泡沫混凝土,通過發(fā)泡劑將泡沫與水泥漿均勻混合后泵送進圍堰夾壁內(nèi),其優(yōu)點在于:①重度小,澆筑過程中對圍堰壁體產(chǎn)生的側(cè)壓力小,對結(jié)構(gòu)有利,且后期拆除時起吊難度小;②防水性能強,現(xiàn)澆輕質(zhì)混凝土吸水率低,其內(nèi)部相對獨立的封閉氣泡及良好的整體性,使其具有了比普通混凝土更好的防水性能;③環(huán)保性能好,所需原料為水泥和發(fā)泡劑,且可大量利用工業(yè)廢渣,價格低廉,降低成本。

輕質(zhì)混凝土的引入有效降低了澆筑時對圍堰壁體鋼結(jié)構(gòu)強度的要求,減少了圍堰用鋼量,同時也提供了鋼混復(fù)合墻體作為圍堰支護結(jié)構(gòu)足夠的抗彎強度。

4.3 腰梁及內(nèi)支撐安裝

圍堰腰梁及內(nèi)支撐均為純鋼結(jié)構(gòu),腰梁通過焊接于圍堰鋼壁板外側(cè)的支撐牛腿與圍堰壁體相連接。除首層支撐系統(tǒng)外,其余支撐均需在干塢內(nèi)部抽水后安裝,安裝時嚴格監(jiān)測圍堰外水位,并嚴格控制內(nèi)部抽水水位不低于設(shè)計要求,及時安裝腰梁和支撐,并檢查腰梁與圍堰間接觸情況,確保合理傳力。支撐系統(tǒng)標高盡可能避免位于夾壁混凝土分層澆筑線附近,確保安全。

4.4 腰梁止水措施

1)圍堰本身結(jié)構(gòu)的止水重點在于板材及桿件拼接縫處,其焊縫需保證連續(xù)并有效,加工完成后做初步水密性試驗,確保圍堰壁體不因加工不到位等問題存在裂縫、裂口等。

2)圍堰分塊壁體間鎖扣內(nèi)在澆筑夾壁混凝土前,采用封堵材料臨時填筑,封堵材料可就地取材,利用場地附近的黏性土作為臨時封堵措施。

3)圍堰與沉管側(cè)壁及沉管頂有較長的接觸段,作為止水圍堰的重要邊界,長達47m的接觸段不僅需有效約束圍堰壁體,還要確保止水可靠。經(jīng)多方案比選后,現(xiàn)場采用槽形環(huán)梁+預(yù)埋工字鋼方式解決,具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。槽形環(huán)梁提前與沉管同時施工,工字鋼預(yù)埋在環(huán)梁上,環(huán)梁槽口寬度根據(jù)沉管的定位精度靈活調(diào)整。環(huán)梁也作為圍堰沉放時的定位機構(gòu),待圍堰沉放到位后,采用堵漏王封堵槽形環(huán)梁與止水圍堰壁體間空隙,然后進行夾壁混凝土澆筑,預(yù)埋工字鋼的存在使夾壁混凝土與環(huán)形槽梁能更好地形成有效連接。

圖7 圍堰與沉管連接節(jié)點

4)圍堰側(cè)壁與地下連續(xù)墻連接處為2條豎直拼接縫,拼接縫的處理是既有結(jié)構(gòu)與二次止水圍堰間能否有效連接并止水的重要一環(huán)。經(jīng)研究,拼接縫處的止水通過現(xiàn)澆混凝土柱實現(xiàn),具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 圍堰側(cè)壁與地下連續(xù)墻連接節(jié)點

在已建成的格形地下連續(xù)墻上植筋,二次止水圍堰下放到位后在夾壁內(nèi)及與地下連續(xù)墻相連處現(xiàn)澆混凝土,通過L形鋼筋提高止水圍堰與格形地下連續(xù)墻的連接強度,通過混凝土柱實現(xiàn)接縫處止水。

4.5 基坑現(xiàn)場監(jiān)測

干塢內(nèi)抽水到底后,形成干環(huán)境作業(yè)空間,方可開始進行暗挖段隧道開挖。

隧道開挖過程中,需在干塢內(nèi)布置多個監(jiān)測點,重點監(jiān)測二次止水圍堰內(nèi)的漏水、變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及重要節(jié)點或重點部位的外觀,一旦出現(xiàn)異常情況立即停工并上報,待問題處理后方可繼續(xù)施工。監(jiān)測項目及監(jiān)測方法如表2所示。

表2 基坑監(jiān)測項目

經(jīng)施工全過程監(jiān)測,隧道開挖過程中,圍堰及周邊環(huán)境監(jiān)測情況一切正常,二次止水圍堰成功發(fā)揮了作用,為對接端的順利施工奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

襄陽東西軸線沉管隧道位于強沖刷、強透水地層,防洪及防滲要求高。作為華中地區(qū)的第1條沉管隧道,本項目經(jīng)比選后采用大型雙軸線干塢方案,對于干塢塢口施工,其二次止水圍堰的設(shè)計是塢口沉管對接端施工質(zhì)量的重要保證措施,可靠的止水圍堰設(shè)計能提供干燥的施工環(huán)境,有效提高對接端施工效率和質(zhì)量。

通過對二次止水圍堰方案的項目論證和防滲措施研究,詳細介紹了分片吊裝式雙壁圍堰的設(shè)計思路、設(shè)計方案和施工關(guān)鍵技術(shù),詳細分析了雙壁圍堰分塊拼接及定位、輕質(zhì)夾壁混凝土澆筑及與既有結(jié)構(gòu)的連接等問題,解決了干塢二次止水難題。

目前項目已成功實施,所設(shè)計的二次止水圍堰發(fā)揮了應(yīng)有的功能,精細且前置的施工關(guān)鍵技術(shù)研究降低了施工過程中意外情況發(fā)生概率,為項目的平穩(wěn)順利推進提供了堅實基礎(chǔ)。