海底隧道鋼殼沉管澆筑與透氣設(shè)計

潘均發(fā) 田利華 朱小艷 李爽 劉仕蓮

摘? ? 要：深圳至中山跨江通道，起于深圳側(cè)東人工島，以特長隧道下穿大鏟水道、機(jī)場支航道、礬石水道，通過在中灘設(shè)置西人工島實現(xiàn)隧橋轉(zhuǎn)換。該通道全長約24.03km，其中主線橋梁總長16.985km，隧道長6.87km，雙向八車道，設(shè)計時速100km/h，設(shè)計使用年限100年。隧道部分主要采用鋼殼沉管設(shè)計，鋼殼制作完后進(jìn)行澆筑混凝土，再轉(zhuǎn)運(yùn)到安裝地點(diǎn)安裝。鋼殼透氣孔、澆筑孔等設(shè)計是否合理，對其澆筑質(zhì)量、防腐、防漏產(chǎn)生重大影響，是鋼殼沉管使用壽命的重要基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：透氣；澆筑；質(zhì)量

中圖分類號：U452.2+9 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Pouring and Venting Design of Steel Shell Immersed

Tube for Submarine Tunnel

PAN Junfa，? TIAN Lihua，? ZHU Xiaoyan，? LI Shuang，? LIU Shilian

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，? ?Guangzhou 511462 ）

Abstract： The cross-river channel from Shenzhen to Zhongshan starts from the East artificial island at the Shenzhen side， with a long tunnel through Dachan Channel， Airport Branch Channel and Fanshi Channel. The tunnel and bridge conversion is realized by setting the West artificial island at Zhongtan. The total length of the project is about 24.03 km， of which the length of the main bridge is 16.985 km and the length of the tunnel is 6.87 km， with two-way eight lanes， design speed of 100 km/h， and design service life of 100 years.

Among them， the tunnel mainly adopts the steel shell immersed tube design scheme. The completed steel shell will be installed on site by transfer after being poured with concrete.Whether the design of the steel shell vent holes and pouring holes etc is reasonable or not would have great impact on the pouring quality， corrosion， leakage prevention of steel shell， and would be an important basis for ensuring the steel shell service life.

Key words： venting;? pouring;? quality

1? ? ?項目概況

深中通道隧道鋼殼沉管共有32個管節(jié)，其中非標(biāo)管節(jié)10個、標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)22個：標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長度都是165 m、寬度46 m、高度10.6 m；非標(biāo)管節(jié)長度約123 m、寬度在46～55.5 m、高度10.6 m；標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)中間設(shè)計1595個艙室，兩端各布設(shè)1個艙室，人孔井布設(shè)1個艙室，共計1598個艙室。

在結(jié)構(gòu)、舾裝設(shè)計過程中，需考慮構(gòu)件是否影響混凝土的澆筑質(zhì)量，避免可能產(chǎn)生死角、狹小空間、變形等，同時需避免各構(gòu)件之間出現(xiàn)干涉問題。通過BIM模型，綜合優(yōu)化預(yù)埋洞室、澆筑孔、透氣孔、吊點(diǎn)、吊點(diǎn)加強(qiáng)、管頂舾裝、壓載水艙、剪力鍵底座結(jié)構(gòu)、工藝孔、鋼梁牛腿、支墩、測量塔支座、導(dǎo)向桿支座、水箱、端封門、壓載系統(tǒng)、機(jī)電預(yù)埋等設(shè)計，確保鋼殼沉管澆筑質(zhì)量與管節(jié)制作精度。

2? ? 澆筑孔和透氣孔設(shè)計

深中通道鋼殼沉管設(shè)計，由主體結(jié)構(gòu)、防腐、防漏、機(jī)電預(yù)埋、消防、臨時安裝輔助等工程組成。澆筑孔、透氣孔、防火預(yù)埋件、機(jī)電預(yù)埋件等數(shù)量巨大，在生產(chǎn)設(shè)計時發(fā)現(xiàn)大量構(gòu)件相互干涉、產(chǎn)生死角等，影響續(xù)澆筑質(zhì)量和后續(xù)使用，因此需在聯(lián)合設(shè)計圖紙基礎(chǔ)上重新進(jìn)行構(gòu)件布設(shè)，基本原則如下：混凝土注入鋼殼沉管艙室內(nèi)不產(chǎn)生離析；結(jié)構(gòu)布設(shè)有利于艙氣體排出，混凝土內(nèi)不產(chǎn)生任何氣泡、氣囊等，結(jié)構(gòu)與混凝土全方位貼合不離空。

圖1為標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)3D圖。

2.1? ?鋼殼沉管加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

因混凝土流動性較差，隔艙內(nèi)構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)等可能導(dǎo)致混凝土內(nèi)產(chǎn)生氣囊，所以型材的選用及加強(qiáng)方案需確?；炷猎谂撌覂?nèi)有良好的排氣效果。

1）縱、橫壁上的骨材布置

無論是垂直壁板還是斜壁板都不能設(shè)計T型材，否則混凝土澆筑時向下側(cè)的直角處氣體不易排出，容易產(chǎn)生混凝土氣囊，影響澆筑質(zhì)量。如果采用角鋼，則角鋼折角需朝上，如圖2所示。

2） 縱肋、橫肋布置

隔艙頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計不能產(chǎn)生小格子，如圖3所示：1號艙頂部設(shè)有橫肋，將頂分割成多個小格子，嚴(yán)重影響頂部的混凝土流動及排氣，格子內(nèi)極有可能產(chǎn)生氣囊，影響澆筑質(zhì)量，因此正確的設(shè)計應(yīng)如圖中2號艙那樣。

3）縱肋布置

因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要，隔艙頂設(shè)置了縱肋，被分開的大格子應(yīng)具有良好的混凝土流動性，需布設(shè)密集的U型和扇形透氣孔，如圖4所示。

2.2? ?艙室頂部透氣與澆筑設(shè)計

1）透氣孔&澆筑孔布置

以長、寬、深為3 mx3 mx1.5 m的隔艙為例，在艙室頂部的幾何中心設(shè)計1個澆筑孔，在兩側(cè)各設(shè)計10個透氣孔，如圖5所示：在四個角距縱橫隔板150 mm處各設(shè)一個，兩塊縱隔板的中心邊緣150 mm處各設(shè)一個，在相鄰澆筑孔的第二根型材兩端近艙室?guī)缀沃行奶幐髟O(shè)一個；在中墻深艙、邊墻深艙、舾裝干涉、端鋼殼等特殊部位，結(jié)構(gòu)開孔也需根據(jù)上述原則進(jìn)行布設(shè)。

2）透氣孔、澆筑孔、監(jiān)視孔高度

為了避免混凝土內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，注滿艙后部分混凝土與氣體一同排出，因此所有開孔需設(shè)計一節(jié)h=50～80 mm的無縫管，用于套裝800 mm的輔助套管，澆筑時混凝土溢出套管高約500 mm，套管與開孔上口相接應(yīng)盡量減少連接間隙。為了控制精度及加工成本，孔口設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)無逢鋼管，如圖6所示。

標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)平面尺寸為165 mx48 m，頂部為未設(shè)梁拱的水平面，管節(jié)合攏后，下雨時管節(jié)頂部積水嚴(yán)重，且兩側(cè)外板設(shè)有30 mm高的自由邊，積水后無法自行排泄，雨水從高度為50 mm的透氣孔、澆筑孔、監(jiān)視孔等流入艙內(nèi)，影響后續(xù)澆筑質(zhì)量；部分艙室深達(dá)10.6 m，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給清潔造成較大困擾，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。經(jīng)研究決定將頂部的透氣孔、澆筑孔、監(jiān)視孔的高度調(diào)整為80 mm。

3） 孔徑

為方便于生產(chǎn)管理，透氣管盡量設(shè)計為同一規(guī)格尺寸；同時，采用管壁較厚（≥6 mm）的無縫管有利于封孔板裝焊，通常情況下澆筑孔、監(jiān)視孔、注漿孔設(shè)計為￠89x8 mm，如果空間較小可選擇￠48x6 mm或￠48x7 mm；另外，試驗表明如果開孔內(nèi)徑小于30 mm，混凝土無法從管內(nèi)流出，影響混凝土澆筑質(zhì)量，因此特殊部位的透氣孔管徑應(yīng)不小于￠48x7 mm。

混凝土注管管徑一般在￠110～180 mm內(nèi)，為方便于混凝土管插入10.6 m的深艙底部，澆筑孔通常設(shè)計為￠273x8 mm；同時，深艙設(shè)有多個平臺，各平臺對應(yīng)有澆筑孔，其下方需開設(shè)不小于￠300 mm工藝孔，如果需入艙施工則需設(shè)計400x600 mm的腰圓孔。

4）澆筑孔兼人孔

縱骨間距為700 mm，工藝孔的加強(qiáng)貼板寬度為100 mm。考慮到焊接工藝，澆筑孔兼人孔的開孔尺寸最大可設(shè)為￠500，但進(jìn)出孔開孔比較困難，不利于生產(chǎn)效率及安全應(yīng)急處置，因此選擇480x600腰圓孔方便于進(jìn)出，同時有利于安全應(yīng)急處置；對接縫焊時，需進(jìn)行100%UT焊后檢測。

5）安裝孔

管節(jié)頂板頂、底板頂設(shè)有澆筑孔、排氣孔等約17000個，所有排氣孔、澆筑孔、通視孔等配套使用的管子都是插入到孔里面與內(nèi)面板下表面平齊，為避免現(xiàn)場修割，排氣孔、澆筑孔、通視孔的管子安裝孔尺寸定為管子外徑+3 mm。

2.3特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼殼沉管布設(shè)了大量機(jī)電預(yù)埋件、防水防漏設(shè)施、臨時輔助安裝工件等，導(dǎo)致部分澆筑孔、排氣孔無法按上述原則布設(shè)，需采取特殊設(shè)計方案。

1）安全門布設(shè)

安全門通道是中管廊與行車道之間的通道，設(shè)計尺寸為1 400 mmx2 400 mm，墻體厚度為 800 mm。如果安全門布置在橫隔板正中間，那么兩側(cè)的作業(yè)空間非常狹小，不僅影響鋼殼裝焊質(zhì)量，且嚴(yán)重影響后續(xù)混凝土的澆筑質(zhì)量。經(jīng)協(xié)調(diào)，決定對將安全門移動783 mm，且安全門一個側(cè)板與橫隔板合拼，另外一側(cè)最小作業(yè)空間擴(kuò)大致1 000 mm以上，方便人員進(jìn)出作業(yè)，同時改善了澆筑空間，如圖7所示。

2）焊釘布設(shè)

沉管的頂板頂和底板頂下表面設(shè)有大量焊釘，一個標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)約有11.8萬顆焊釘，布設(shè)時可能出現(xiàn)焊釘與頂板板縫、澆筑孔等干涉，受干涉的焊釘位置可平移50 mm，避免焊釘座落在焊縫或開孔上面，同時可防止主體結(jié)構(gòu)與混凝土脫空。

3） 鋼梁牛腿布設(shè)

大部分鋼梁牛腿預(yù)埋件、鋼梁牛腿底面板與排氣孔或澆筑孔干涉，原則上應(yīng)調(diào)整排氣孔或澆筑孔，如圖8所示為車道孔底板平面，透氣孔1～4與鋼梁牛腿干涉：設(shè)于縱骨間的透氣孔1號&4號與鋼梁牛腿邊緣干涉，開孔平移至牛腿外側(cè)距離焊縫約30 mm處；設(shè)于縱隔板與橫隔板角隅處的透氣孔2號、3號與鋼梁牛腿加強(qiáng)筋干涉，開孔平移至兩鋼梁牛腿加強(qiáng)筋之間；為方便裝配與焊接，鋼梁牛腿底板開設(shè)Φ95孔，且透氣管高于鋼梁牛腿底板50 mm。

由于端封門有水密要求，端封門安裝區(qū)域的開孔管子在澆筑完工后需全部拆除，封孔板與底板頂面齊平。

4）人孔井布設(shè)

按照布設(shè)要求，人孔井與澆筑孔布設(shè)位置相同，由于人孔井上設(shè)有測量塔，如果人孔井調(diào)整測量塔也需調(diào)整，對其他輔助安裝設(shè)施布設(shè)產(chǎn)生較大影響，因此取消中間澆筑孔，在四角增設(shè)澆筑孔，有效解決注入混凝土的壓力不平衡問題，確保澆筑質(zhì)量，如圖9所示。

5）拉合臺基座與澆筑孔

拉合臺基座高550 mm，面積約2 m2，透氣孔無法全部移出支座外側(cè)。設(shè)在內(nèi)部的開孔在澆筑過程中水泥漿會溢出到封閉小空間難以清理，同時拉合臺基座表面要求平整，因此將透氣管增高到540 mm，低于拉合臺基座平面約10 mm；另外，在拉合臺基座面板上增設(shè)140 mm工藝孔，方便支座定位及澆筑套料安裝，如圖10所示。

6）深艙室澆筑孔

因澆筑混凝土的導(dǎo)管需伸入艙室底部500 mm內(nèi)，否則混凝土容易出現(xiàn)離析。為滿足導(dǎo)管插入要求，深艙室各層平臺開孔需在同一垂直軸，且澆筑孔的圓柱體下方不能設(shè)有其他構(gòu)件，如設(shè)有錨筋可折彎錨筋。

7）犧牲陽極

排氣孔、澆筑孔、通視孔上方不能布設(shè)犧牲陽極，否則會影響后續(xù)套管工裝安裝、澆筑作業(yè)等。由于開孔與犧牲陽極的數(shù)量均比較大，按聯(lián)合設(shè)計圖紙進(jìn)行布設(shè)出現(xiàn)大量干涉。經(jīng)核算，犧牲陽極在原設(shè)計基礎(chǔ)上移動不大于1 000 mm不會影響使用性能，根據(jù)此原則并結(jié)合實際情況進(jìn)行布設(shè)。

8）鋼梁牛腿錨桿

管節(jié)頂板頂?shù)牟糠譂仓自O(shè)有鋼梁牛腿的加強(qiáng)錨桿和錨板，影響澆筑混凝土的導(dǎo)管需伸入艙室底部500 mm以內(nèi)。

因鋼梁牛腿移位會產(chǎn)生其他問題，錨桿和錨板也無法移位，故采用火工熱彎錨桿根部，對阻擋空間較小的，可局部修割錨板使開孔空間滿足澆筑導(dǎo)管的插入要求。

9）側(cè)墻端鋼殼

管節(jié)兩端的大樁號與小樁號均設(shè)有止水接頭端鋼殼，因防漏止水需要，端鋼殼的精度要求極高。為確保其精度控制，在深度為10.6 m的端鋼殼內(nèi)布設(shè)了8個水平隔板，根據(jù)澆筑工藝要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須能夠?qū)⒆{管插入艙室底部，因此水平隔板需開設(shè)150 mmx300 mm的腰圓孔，且所有開孔中心線與管頂￠89x8注漿孔需在同一中心軸上，才能確保注漿管能夠插入艙室底部，如圖11所示。

10）平臺板過渡坡口排氣

澆筑艙室的頂板出現(xiàn)對接縫厚薄板過渡且過渡坡口向下時，艙室頂部空間就會出現(xiàn)高低差，如果頂部高點(diǎn)附近沒有排氣孔，混凝土澆筑時高點(diǎn)處氣孔不易被排出并產(chǎn)生氣囊，很難使艙室澆筑密實，影響鋼殼的防腐、防漏等，并對其使用壽命產(chǎn)生影響。為此，在薄板一側(cè)距離對接板縫70 mm處設(shè)計￠48透氣孔，每一隔艙中間設(shè)一個、兩端各設(shè)一個，共計3個。

3? ? ?應(yīng)用情況

優(yōu)化后續(xù)管節(jié)的結(jié)構(gòu)、舾裝、輔助安裝工程，以及良好澆筑與排氣方案，為高質(zhì)量沉管鋼殼建造提供了保障。

該項目共有14個正式管節(jié)，其中E6/E8/E10/E12為Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)、E2/E4/E25/E26為Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)、E27～E32為非標(biāo)管節(jié)，上述各類管節(jié)均（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

經(jīng)受了考驗，鋼殼沉管高質(zhì)量交付業(yè)主，實現(xiàn)了高質(zhì)量混凝土澆筑，也實現(xiàn)了鋼殼的高質(zhì)量精度控制。

4? ? 結(jié)束語

鋼殼沉管結(jié)構(gòu)采用合理的澆筑與排氣設(shè)計方案，有利于澆筑艙室氣體排出，大大減少混凝土內(nèi)部氣孔、氣囊等，是提高澆筑質(zhì)量的重要手段。

深圳至中山跨江通道為超大橋、島、隧、地下互通集群工程，是連接廣東自貿(mào)區(qū)三大片區(qū)、溝通珠三角重要交通紐帶，是粵港澳大灣區(qū)的世界矚目跨江工程，實現(xiàn)鋼殼沉管隧道高質(zhì)量建造是核心目標(biāo)，需要高質(zhì)量的澆筑與排氣設(shè)計方案以及高質(zhì)量的鋼殼建造，才能確保混凝土的高質(zhì)量澆筑，是實現(xiàn)百年門戶工程的重要基礎(chǔ)。澆筑與排氣設(shè)計技術(shù)是鋼殼沉管隧道制造技術(shù)的重要組成部分，為我國后續(xù)建造大型鋼殼沉管隧道工程提供了重要技術(shù)參考。