南昌紅谷沉管隧道短管節(jié)干塢內(nèi)拉合對接施工技術

崔玉國， 陳 旺

(中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河 065201)

?

南昌紅谷沉管隧道短管節(jié)干塢內(nèi)拉合對接施工技術

崔玉國， 陳 旺

(中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河 065201)

沉管隧道最終接頭短管節(jié)在牽移和拉合過程中易發(fā)生偏移與傾斜，且GINA止水帶壓縮到設計值難度較大。以南昌紅谷沉管隧道為例，從準備、牽移、拉合及后處理4個階段介紹短管節(jié)對接拉合施工工藝。通過對底鋼板打磨、涂抹黃油等，減小底部摩擦阻力。采用計算機控制液壓同步提升系統(tǒng)、液壓數(shù)據(jù)量測、鋼端殼間距測量等措施，對短管節(jié)軸線及平面控制。實踐表明：GINA止水帶壓縮量誤差僅為+4 mm，短管節(jié)軸線及平面偏差均在可控范圍內(nèi)，短管節(jié)干塢內(nèi)拉合對接操作可行、質(zhì)量可靠。

沉管隧道；最終接頭；短管節(jié)；拉合對接；偏差控制；GINA止水帶；壓縮量

0 引言

沉管隧道是一種修建于江河湖海水下的交通載體[1]，最終接頭位置可在水中或岸上進行處理，結(jié)構形式為剛性或柔性接頭[2]，不同的最終接頭形式對隧道的工期和造價有較大影響[3]。岸上或水下最終接頭施工時，最后一節(jié)管節(jié)與岸上段(或相鄰管節(jié))形成了一種剛性連接[4]，管節(jié)基礎多采用砂流法或?qū)愉伔?，長期使用后容易產(chǎn)生不均勻沉降[5]。為解決這一問題，可設置1個短管節(jié)，即增加1個柔性接頭，避免剛性連接管節(jié)不均勻沉降造成管節(jié)結(jié)構開裂的問題[6]。短管節(jié)長度較短、空間有限，無法設置壓載系統(tǒng)來調(diào)節(jié)管節(jié)的起浮和沉放，因此，需將短管節(jié)與相鄰管節(jié)在干塢內(nèi)拉合、對接成整體后一起浮運沉放。

王光輝等[7]通過牽移和頂推試驗，得出牽移和頂推過程中底部摩擦力及GINA止水帶壓縮值存在差異性的結(jié)論，但缺少實際數(shù)據(jù)支撐。我國沉管隧道起步較晚，在短管節(jié)干塢內(nèi)拉合受力驗算、拉合對接施工工藝、管節(jié)軸線糾偏、保證GINA止水帶壓縮量等方面的研究較少。本文以南昌紅谷沉管隧道短管節(jié)干塢內(nèi)拉合對接為背景，從準備、牽移、拉合及后處理4個階段詳細介紹短管節(jié)對接拉合施工工藝及控制要點，并通過理論計算和實測數(shù)據(jù)，驗證計算機控制液壓同步系統(tǒng)的可操作性，通過減小底鋼板摩擦阻力、GINA止水帶壓縮值控制、管節(jié)軸線糾偏調(diào)整等措施，保證GINA止水帶壓縮量，避免管節(jié)傾覆事故風險，可為類似沉管隧道工程提供參考。

1 工程概況

南昌紅谷隧道沉管段長1 329 m，是目前國內(nèi)內(nèi)河最長的城市道路沉管隧道，共12節(jié)管節(jié)。其中：E1—E9管節(jié)每節(jié)長114.85 m，E10管節(jié)長89.85 m，E11管節(jié)長107.35 m，E12管節(jié)長89.85 m，E10-2短管節(jié)長3.85 m，E10-2與E11管節(jié)之間預留 1.5 m的間距，水下最終接頭部位見圖1。

圖1 水下最終接頭示意圖Fig.1 Sketch of submarine final joint

E10-2管節(jié)與E11管節(jié)上、下2對拉合橫梁設置8只350 t千斤頂，上、下部各4只，對應于每只千斤頂設1束高強度低松弛鋼絞線，規(guī)格為31-φj15.24，錨具采用橋梁工程中的GVM系列預應力錨具。E10-2管節(jié)為滑動段，E11管節(jié)為固定段，在干塢內(nèi)初步拉合對接，待完成后續(xù)接頭處理、鋼端封門安裝等工序后，一起浮運、沉放。

2 施工工藝

管節(jié)干塢內(nèi)拉合對接示意圖見圖2。分4個階段：準備階段、牽移階段、拉合階段及后處理階段[8]。牽移和拉合階段主要由計算機控制液壓同步提升系統(tǒng)(見圖3)完成，液壓同步提升系統(tǒng)由鋼絞線及提升油缸集群(承力部件)、傳感檢測及計算機控制(控制部件)、液壓泵站(驅(qū)動部件)組成。拉合對接施工工藝流程見圖4。

3 施工技術及控制要點

3.1 準備階段

1)安裝拉合橫梁、拉合設備及測試元件，主要有液壓泵站、液壓千斤頂(見圖5)、錨具系統(tǒng)(見圖6)、鋼絞線、傳感器、計算機控制系統(tǒng)等。

2)在E10-2和E11管節(jié)端面上對稱布設監(jiān)測點(見圖7)，頂板、底板各4處，每側(cè)側(cè)墻及倒角各3處，測點要明顯、易測、代表性強。

(a) 立面圖

(b) 平面圖

圖3 計算機控制液壓同步提升系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Hydraulic lifting system controlled by computer

圖4 管節(jié)拉合對接施工工藝流程Fig.4 Flowchart of pulling and connecting of short segment

圖5 液壓千斤頂Fig.5 Hydraulic jack

圖6 錨具Fig.6 Anchorage

3)清除待拉合管節(jié)間雜物，采用砂輪機將凸出、尖銳物打磨徹底，下涂黃油并鋪設塑料薄膜隔離層。

4)鋼導向梁與2管節(jié)側(cè)墻接觸面間加塞四氟板，以減小滑動過程中摩擦阻力的影響。

3.2 牽移階段

牽移工藝見圖8，主要使用底部的4只千斤頂，頂部4只千斤頂主要起牽制E10-2管節(jié)的作用，防止E10-2管節(jié)失穩(wěn)。

1)鋼絞線初始張力調(diào)整。8只千斤頂同時預加張拉力20 kN，使每一束的鋼絞線能共同均勻受力。

2)克服靜摩擦力。保持頂部4只千斤頂預加力不變，底部4只千斤頂從初始20 kN以10 kN為一級逐級同時施加張拉力，直至E10-2管節(jié)略有滑移。

3)循環(huán)牽移。E10-2管節(jié)略有滑移后，上下千斤頂油缸全部退油，夾片即自動跟進錨固。重新對頂部4只千斤頂施加20 kN張力，底部4只千斤頂從20 kN初始值以10 kN為一級逐級施加張拉力直至E10-2管節(jié)開始滑移，滑移后隨時調(diào)整頂部4只千斤頂?shù)膹埩?。當一次拉合距離接近千斤頂有效行程時，活塞回程，油缸繼續(xù)提升工作，直至GINA止水帶與面板接觸。

4)牽移過程監(jiān)測。控制牽移速度在300 mm/min以內(nèi)，觀測千斤頂?shù)睦塾嬓谐滩罴?管節(jié)的相對位置，若超過10 mm，應及時調(diào)整施加力的順序，使管節(jié)平穩(wěn)牽移。

圖7 測點布置示意圖(單位：mm)Fig.7 Layout of monitoring points (mm)

圖8 牽移工藝示意圖(單位：mm)Fig.8 Sketch of segment pulling (mm)

3.3 拉合階段

E10-2短管節(jié)與E11管節(jié)在干塢內(nèi)拉合對接，根據(jù)設計施工圖設計要求，GINA止水帶需被均勻、穩(wěn)定地壓縮80 mm，且需保證沉放后管節(jié)接頭的水密性。因此，對拉合橫梁與拉合設備受力進行驗算。

3.3.1 拉合過程受力驗算

3.3.1.1 拉合力設計值計算

GINA止水帶壓力變形曲線見圖9，壓縮量為80 mm時，需要的壓力為230 kN/m，單根GINA止水帶長度為71.388 m，止水帶壓縮80 mm所需壓縮反力F1=230×71.338=16 407.7 kN。短管節(jié)結(jié)構質(zhì)量約855.86 t，底部摩擦力f=μN=μmg= 0.15×855.86×10=1 283.79 kN。

圖9 GINA止水帶壓力變形曲線[9]Fig.9 Force vs.compression of GINA sealing strip[9]

要將GINA止水帶壓縮80 mm，總拉合力設計值F=(F1+f)γQγ0。 其中：γQ為荷載分項系數(shù)，取1.4；γ0為結(jié)構重要性系數(shù)，取0.9。 代入相關數(shù)據(jù)，計算得總拉合力設計值F=22 291.3 kN。

3.3.1.2 千斤頂選型

千斤頂選型情況見表1。每只千斤頂提供的力F2=F/8=22 291.3/8=2 786.4 kN<3 000 kN(有效荷載)。因此，所選用的千斤頂滿足施工要求。

表1 選用千斤頂型號及規(guī)格Table 1 Properties of hydraulic jack

3.3.1.3 鋼絞線選型

選用的鋼絞線性能見表2。每根鋼絞線承受拉力F3=F/248=22 291.3/248=89.9 kN

表2 選用鋼絞線性能表Table 2 Properties of steel strand

3.3.1.4 拉合橫梁受力驗算

拉合橫梁計算簡圖及其橫截面分別如圖10和圖11所示。

圖10 拉合橫梁計算簡圖(單位：mm)Fig.10 Calculation diagram of pulling and connecting beam (mm)

圖11 拉合橫梁橫斷面圖(單位：mm)Fig.11 Cross-section of pulling and connecting beam (mm)

1)抗彎強度σ驗算。 橫梁最大彎矩Mx=F2×l=2 786.4×0.65=1 811.2 kN·m，慣性矩Ix=3 768.18×106mm4，凈截面模量Wx=Ix×2/b=3 768.18×106×2/540=13.96×106mm3。 抗彎強度σ=Mx/γWx，其中γ為截面塑性發(fā)展系數(shù)(取1.05)。代入相關數(shù)據(jù)得σ=123.6 MPa，小于鋼材的抗壓強度設計值205 MPa。

2)抗剪強度τ驗算。 橫梁最大剪力V=2 786.4 kN。 面積矩S=28×500×(566/2-14)+30×190×(450/2+15) ×2+(28×450/2×450/4)×2=7.92×106mm3。 抗剪強度τ=VS/Ixtw， 其中tw為腹板厚度(取56 mm)。 代入相關數(shù)據(jù)得抗剪強度τ=104.6 MPa，小于鋼材的抗剪強度設計值120 MPa。

綜上，拉合橫梁作為在主平面內(nèi)受彎的實腹構件，同時受較大的正應力和剪應力時，其抗彎強度、抗剪強度及折算應力均低于設計值。因此，拉合橫梁滿足施工要求。

3.3.2 拉合步驟

1)向管節(jié)E11方向牽移管節(jié)E10-2，當E10-2管節(jié)局部與GINA止水帶接觸還未壓縮時，調(diào)整8只千斤頂?shù)膹埨κ?管節(jié)結(jié)合面基本平行。

2)對8只千斤頂同時施加張拉力，以10 kN為一級逐級施加，以平穩(wěn)、分級、及時調(diào)整為原則，均勻壓縮GINA止水帶。

3)當整圈GINA止水帶被均勻、穩(wěn)定地壓縮80 mm后，立即鎖定8只千斤頂，確保接頭不松動回彈。

4)通過對拉合管節(jié)端鋼殼面板間距量測以及油壓傳感器和長距離傳感器顯示數(shù)據(jù)讀取，借助計算機控制柜對管節(jié)牽移拉合過程實時監(jiān)控并采集、記錄數(shù)據(jù)。短管節(jié)牽移、拉合過程數(shù)據(jù)記錄見表3，GINA止水帶壓縮量測值見表4。由表3和表4可知：①行程1—8下層4組拉合點油壓明顯大于上層4組，為管節(jié)牽移階段；行程9—16上下層油壓相當，為管節(jié)拉合階段。②短管節(jié)對塢底結(jié)構(鋼板)的吸附力巨大，與塢底鋼板局部連接十分緊密，使得牽移過程中摩擦力較大，遠大于理論值1 283.79 kN。因此，牽移前需對底鋼板進行清理、打磨、涂抹黃油，以減小摩擦。③在牽移過程中，下部4只千斤頂每只加到300 kN時，管節(jié)開始移動，此時拉動管節(jié)的力為2 000 kN，直到E10-2管節(jié)行進1.2 m后，此時管節(jié)姿態(tài)存在差異性，需對管節(jié)進行糾偏。④GINA止水帶設計尺寸厚度為275 mm，最終管節(jié)累計位移為1 309 mm，GINA止水帶最終預壓縮量ΔL=275-(1 500-1 309)=84 mm，與設計壓縮量誤差僅為+4 mm?？紤]到干塢內(nèi)拉合對接后存在微小的回彈松弛量，因此壓縮誤差+4 mm是完全滿足施工要求的。⑤頂部GINA止水帶壓縮值明顯大于底部GINA止水帶壓縮值，此時需對上層千斤頂部分卸載，加大下層千斤頂作用力，保證底部GINA止水帶壓縮值。

表3 E10-2短管節(jié)牽移、拉合過程數(shù)據(jù)記錄表Table 3 Data collected during pulling and connecting of segment E10-2

注：1—16為千斤頂行程；LHD1—LHD4為上層拉合點，LHD5—LHD8為下層拉合點。

3.3.3 后處理階段

1)連接并緊固E10-2和E11管節(jié)接頭PC拉索，PC拉索主要用于抵抗水壓或GINA止水帶壓縮反力的變化。

2)經(jīng)測量確認E10-2、E11管節(jié)接頭無松動張開后，平緩同步釋放8只千斤頂內(nèi)的拉合力，并逐步將千斤頂頂力轉(zhuǎn)由接頭PC拉索承擔，2管節(jié)松弛位移不大于20 mm。

3)安裝管節(jié)接頭處的OMEGA止水帶并進行檢漏。

4)施工安裝E10-2和E11管節(jié)接頭間水平限位梁。

5)測量E10-2和E11管節(jié)接頭GINA止水帶的最終實際壓縮量。

3.4 施工要點及保證措施

3.4.1 減小底鋼板摩擦阻力

1)底鋼板雜物清洗干凈，焊渣、凸點要磨平，牽移前在底鋼板表面涂抹黃油，注意保護GINA止水帶不要受到油污污染。

表4 GINA止水帶壓縮值記錄表Table 4 Record of compression of GINA sealing strip cm

2)起始驅(qū)動時加強觀察，若是因墊層鋼板及管節(jié)防水底鋼板之間吸附力作用，使靜摩擦力轉(zhuǎn)換為動摩擦力導致需要的動力過大時，需使用上層的千斤頂輔助管節(jié)牽移。

3.4.2 短管節(jié)軸線及平面控制

通過管節(jié)外部布設的監(jiān)測點及計算機控制柜界面顯示參數(shù)，密切監(jiān)測待拉合管節(jié)的軸向水平與豎直偏差，確保短管節(jié)平面位置和標高符合以下要求：1)待拉合管節(jié)軸線的平面位置允許偏差<±1 cm；2)待拉合管節(jié)軸線的平面轉(zhuǎn)角允許偏差<±0.04°；3)待拉合管節(jié)的端鋼殼中心標高允許偏差<±1 cm；4)待拉合管節(jié)的豎向轉(zhuǎn)角允許偏差<±0.03°。

3.4.3 拉合中GINA止水帶壓縮量控制

1)E10-2管節(jié)牽移到位后，將進行壓縮GINA止水帶與E11管節(jié)拉合連接工作。緩慢推動E10-2管節(jié)，從E11管節(jié)鋼端殼面板與短管節(jié)GINA止水帶尖嘴部位局部接觸開始，壓縮GINA止水帶后，每拉合1～1.5 cm，須暫停拉合檢查GINA止水帶整圈受壓狀態(tài)，測量人員在有代表性的位置監(jiān)測2管節(jié)面板之間的距離，即測量GINA止水帶頂板、底板中間部位及四角壓縮量；重復上述步驟，不斷壓縮GINA止水帶，直至其整體壓縮量達到80 mm為止。

2)若壓縮過程中測量人員測出GINA止水帶壓縮量最大偏差超過10 mm，須暫停壓縮過程，計算機主控柜操作人員注意觀察界面上的油壓參數(shù)，控制對稱位置的千斤頂組壓力基本保持一致，通過調(diào)整千斤頂組的作用力來使GINA止水帶整圈均勻受壓，調(diào)整完成后才可繼續(xù)重復拉合施工。

3.4.4 壓力平衡及軸線糾偏控制

1)計算機主控柜操作人員要時刻注意界面上顯示的油壓參數(shù)，拉合過程中盡可能保證8只千斤頂油壓一致，使2條橫梁對稱受力。

2)時刻注意短管節(jié)的移動距離，控制短管節(jié)在移動時其左右側(cè)對應千斤頂?shù)男谐桃恢?。牽移起始時每個行程走10 cm后暫停并立即測量2管節(jié)的相對位置；3個起始行程(即牽移30 cm)完成后，每移動25 cm(千斤頂單次滿行程)暫停施工并測量，直至E10-2管節(jié)GINA止水帶尖嘴部位移動至離E11管節(jié)端鋼殼面板 1～2 cm處。

若監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)E10-2軸線偏差超過2 cm，須通過千斤頂來糾偏，調(diào)整方法如下：

1)可通過改變鋼絞線受力角度(移動E11管節(jié)拉合橫梁位置)，往軸線偏移的反方向拖動E10-2管節(jié)。

2)若監(jiān)測發(fā)現(xiàn)軸線偏向，應把反向2只千斤頂卸載，先拖動正向千斤頂行走3～5 cm，保持正向千斤頂壓力，反向千斤頂行走相同行程，該過程能微調(diào)軸線偏差1 mm左右，重復上述過程直至符合要求。

4 結(jié)論與建議

1)從準備階段、牽移階段、拉合階段及后處理階段介紹南昌紅谷隧道短管節(jié)干塢內(nèi)拉合對接工藝及控制要點，利用計算機控制液壓同步提升系統(tǒng)，通過液壓數(shù)據(jù)、端鋼殼間距量測，實現(xiàn)管節(jié)拉合對接過程中軸線偏差控制，保證GINA止水帶的壓縮量，驗證施工設備及施工工藝的可行性。

2)短管節(jié)牽移、拉合過程中或多或少存在傾斜、偏移現(xiàn)象，建議勤量測，而尺量是較為直觀、便捷的方法。通過改變鋼絞線受力角度、千斤頂加(卸)載措施，可以達到管節(jié)糾偏效果。

3)GINA止水帶理論壓縮值與實際壓縮值存在差異性，施工中很難達到一致。建議富余5 mm左右，以避免拉合后處理階段張開的風險。

4)在后處理階段，建議PC拉索連接緊固，并及早施作垂直剪切鍵間臨時鋼墊塊及水平限位梁。

[1] 韓秀娟,陳旺,王秋林.南昌紅谷隧道臨江富水砂層干塢基坑防滲墻施工技術[J].隧道建設,2015,35(10):1082-1088.HAN Xiujuan,CHEN Wang,WANG Qiulin.Construction technology for anti-seepage wall of foundation pit of dry dock in water-rich sand strata adjacent to river:Case study of dry dock of Honggu Tunnel in Nanchang[J].Tunnel Construction,2015,35(10):1082-1088.

[2] 陳韶章， 陳越.沉管隧道施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2014.CHEN Shaozhang,CHEN Yue.Construction manual for immersed tunnel[M].Beijing：China Architecture & Building Press， 2014.

[3] 劉建飛.生物島—大學城沉管隧道最終接頭設計[J].隧道建設,2007， 27(3):43-46.LIU Jianfei.Design of final joint of Shengwudao-Daxuecheng Immersed Tunnel[J].Tunnel Construction,2007,27(3):43-46.

[4] 趙占廠,黃驟屹.關于修建沉管隧道的若干技術問題[J].現(xiàn)代隧道技術,2007(4):5-8,15.ZHAO Zhanchang,HUANG Zhouyi.Discussion on several techniques of immersed tunnel construction[J].Modern Tunnelling Technology,2007(4):5-8,15.

[5] 杜朝偉,王秀英.水下隧道沉管法設計與施工關鍵技術[J].中國工程科學,2009(7):76-80.DU Chaowei,WANG Xiuying.Key technology of design and construction on immersed tube tunnel[J].Engineering Science,2009(7):76-80.

[6] 劉千偉,楊國祥,周松.寧波市常洪沉管隧道工程[J].世界隧道,2000(6):6-13,23.LIU Qianwei,YANG Guoxiang,ZHOU Song.Changhong Immersed Tunnel in Ningbo City,Zhejiang Province[J].World Tunnel,2000(6):6-13,23.

[7] 王光輝,宋妍.沉管隧道短管節(jié)拉合試驗[J].隧道建設， 2010， 30(4):385-387.WANG Guanghui,SONG Yan.Experiment on pulling-connecting of short elements of immersed tunnels[J].Tunnel Construction,2010,30(4):385-387.

[8] 李志軍， 王海龍， 洪開榮， 等.大流速高位差過江沉管隧道關鍵技術：南昌紅谷隧道[M].北京：科學出版社， 2016.LI Zhijun,WANG Hailong，HONG Kairong，et al.Key technologies for Nanchang Honggu Immersed Tunnel with large velocity and water head[J].Beijing:Science Press,2016.

[9] 章勇,呂振綱,楊銳銳,等.紅谷沉管隧道GINA止水帶數(shù)值模擬分析[J].隧道建設,2016,36(9):1045-1051.ZHANG Yong,LYU Zhengang,YANG Ruirui,et al.Numerical analysis of GINA water seal strips used in Honggu Immersed Tunnel[J].Tunnel Construction,2016,36(9):1045-1051.

Construction Technology for Short Segment Pulling and Connecting in Dry Dock:A Case Study of Honggu Immersed Tunnel in Nanchang

CUI Yuguo,CHEN Wang

(ErchuCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Sanhe065201,Hebei,China)

Deviation and inclination are apt to occur to pulling and connecting of short segment of immersed tunnel in dry dock and it is difficult to compress the GINA sealing strip to design value.Construction technology for pulling and connecting of short segment of Honggu Immersed Tunnel is introduced in terms of preparing,pulling,connecting and post-processing.Countermeasures,grinding the base steel and butter spreading,are adopted to decrease the frictional resistance of segment bottom.The axis and plane accuracy of pulling and connecting of short segment are controlled by hydraulic lifting system controlled by computer,hydraulic DAQ and gap distance measurement of end steel shell.The practices show that the error of compression amount of GINA sealing strip is +4 mm；the axis and plane accuracy of pulling and connecting of short segment can meet relevant requirements.

immersed tunnel; final joint; short segment; segment pulling and connecting; deviation control; GINA sealing strip; compression amount

2017-01-16;

2017-03-29

崔玉國(1971—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，1996年畢業(yè)于遼寧工程技術大學，礦井建設專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事隧道與地下工程施工及技術管理工作。E-mail：454345099@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.013

U 455.46

B

1672-741X(2017)06-0735-07