沉管隧道大型鋼圍堰施工技術(shù)

尚 颋

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459)

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沉管隧道大型鋼圍堰施工技術(shù)

尚 颋

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459)

摘要：天津市濱海新區(qū)中央大道海河隧道穿越海河，采用沉管法施工工藝，3節(jié)沉管在干塢內(nèi)進(jìn)行預(yù)制，沉管浮運(yùn)沉放對(duì)接完成后，需要在塢口安裝鋼圍堰對(duì)干塢進(jìn)行二次封閉，將干塢內(nèi)海水排空，為最終接頭施工做準(zhǔn)備。鋼圍堰由3塊組成，每塊厚度為1 m，寬度為13 m，高度為15 m，重約110 t，坐落在E3-2管段頂。由于鋼圍堰的寬度和高度比較大，鋼圍堰是分塊加工制造的，因此接頭防水是設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)。鋼圍堰吊裝完成后，防水性及安全穩(wěn)定性得到很好保證。該工程所積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為臨水工程超深基坑圍堰設(shè)計(jì)與施工，提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沉管法；干塢；鋼圍堰；防水；吊裝

1 工程概況

天津市濱海新區(qū)中央大道海河隧道工程為我國地震高烈度區(qū)第1條沉管隧道，也是我國北方第1條沉管隧道。工程全長4.2 km，隧道長3.38 km，其中穿越海河255 m，采用沉管法施工工藝[1]。鋼圍堰是中央大道海河隧道工程江中沉管段岸邊干塢臨時(shí)閘門，總長度為39 m，高15 m，厚1 m。圍堰主要由H960×300×16×20豎梁，H960×300×16×20橫梁、H400×200×8×13橫梁及筋板、面板組成。擋水面板厚度為10 mm，計(jì)算水頭高度15 m，為便于焊接制作分為3塊進(jìn)行加工，每塊尺寸為13 m×15 m×1 m，重約110 t。各塊間及圍堰底部設(shè)防水橡膠條。單塊圍堰總?cè)莘e為195 m3，閘門(未注水)水平運(yùn)輸時(shí)吃水深度為0.56 m，垂直放置吃水深度為8.46 m。塢口及鋼圍堰平面布置見圖1和圖2。

圖1 塢口鋼圍堰平面圖(單位：mm)

為確保圍堰邊緣支撐及上浮，每塊閘門梁格四周及支撐位置采用20 mm鋼板進(jìn)行梁格封閉，中間部分梁格采用10 mm鋼板封閉。隔艙上下分為兩部分，每部分各有30個(gè)隔艙，每個(gè)隔艙設(shè)置兩個(gè)進(jìn)水孔、兩個(gè)排氣孔，孔徑為?60 mm，進(jìn)水孔、排氣孔均位于迎水面距隔艙底部、頂部各1 m位置。

2 鋼圍堰焊接要求

(1)鋼梁結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)根據(jù)母材及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選用焊接方法、焊接材料和制定焊接工藝。焊接工藝評(píng)定按現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》進(jìn)行。

(2)采用埋弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊及低氫型焊條手工焊方法焊接的接頭，組裝前必須徹底清除待焊區(qū)域的鐵銹、氧化鐵皮、水分等有害物，使之表面露出金屬光澤。焊接時(shí)嚴(yán)禁在母材的非焊接部位引弧，焊后應(yīng)清理焊縫表面的熔渣及兩側(cè)的飛濺[2]。

(3)關(guān)于焊接方法的規(guī)定：①主要結(jié)構(gòu)采用埋弧自動(dòng)焊或二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，如H型梁對(duì)接焊縫和擋水面板及后封板對(duì)接焊縫。②輔助結(jié)構(gòu)或施工困難部分可采用手工焊，但必須保證焊接質(zhì)量。

(4)焊縫等級(jí)劃分：Ⅱ級(jí)焊縫，包括擋水面板對(duì)接焊縫、H型鋼梁對(duì)接焊縫；其余均為Ⅲ級(jí)焊縫。

(5)焊接質(zhì)量檢驗(yàn)：①焊接完畢所有焊縫必須進(jìn)行外觀檢查，不得有裂縫、未熔合、夾渣、未填滿弧坑的缺陷，焊縫外觀檢查質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合規(guī)范的規(guī)定。②對(duì)接焊縫級(jí)別及其超聲波探傷范圍應(yīng)按規(guī)范規(guī)定執(zhí)行。③密封隔艙焊縫需保證水密性要求，應(yīng)對(duì)其所有焊縫采用100%磁粉探傷。④未注明角焊縫高度不得小于焊件中較薄板厚的0.6倍。

圖2 鋼圍堰平面布置圖(單位：mm)

3 鋼圍堰安裝位置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼圍堰安裝在沉放完成的E3-2管段頂面。鋼圍堰安裝面為隨主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)預(yù)埋的鋼板，鋼板寬度為1 m，圍堰迎水面為鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽共設(shè)置6個(gè)，每分塊2個(gè)，圍堰安裝平面位置見圖3。

圖3 圍堰安裝平面位置圖

導(dǎo)向槽高度為1 m，長度0.91 m，導(dǎo)向槽在鋼圍堰安裝過程中，起著導(dǎo)向作用，鋼圍堰在水面初步定位后，靠其自重及注水壓載后緩緩沉入水中，在接近導(dǎo)向槽的位置后，鋼圍堰順著導(dǎo)向槽的邊緣滑入槽內(nèi)，落在E3-2頂部圍堰底座上。

4 鋼圍堰防水設(shè)計(jì)

鋼圍堰防水結(jié)構(gòu)主要通過在圍堰分塊接頭處、圍堰底部、圍堰與牛腿之間設(shè)置三元乙丙橡膠，在圍堰東西兩側(cè)設(shè)置止水鋼板、地連墻埋設(shè)預(yù)埋止水鋼板、管段側(cè)墻耳墻埋設(shè)止水鋼板來實(shí)現(xiàn)[3]。鋼圍堰防水結(jié)構(gòu)見圖4所示，單塊圍堰在接頭處止水條布置見圖5所示。

圖4 鋼圍堰防水總構(gòu)造圖

圖5 圍堰接頭處止水條布置(單位：mm)

止水條1位于圍堰底部，通長布置，總長度為39 m；止水條2位于圍堰與牛腿之間通長布置，總長度為39 m。

5 鋼圍堰安裝

鋼圍堰安裝總體流程見圖6。

5.1 鋼圍堰安裝設(shè)備

鋼圍堰安裝設(shè)備為浮吊船，起吊極限能力為280 t。

圖6 鋼圍堰安裝總體流程圖

5.2 鋼圍堰吊點(diǎn)布置

鋼圍堰吊點(diǎn)采用235B鋼板，厚度為30 mm。

吊點(diǎn)布置在圍堰迎水面及背水面，迎水面水面布置9個(gè)點(diǎn)，背水面水面布置5個(gè)點(diǎn)，鋼圍堰由存放場(chǎng)地吊至塢內(nèi)時(shí)，由浮吊吊住迎水面1號(hào)～4號(hào)共四個(gè)點(diǎn)。吊點(diǎn)布置見圖7。

圖7 吊點(diǎn)布置圖(單位：m)

鋼圍堰在塢口垂直吊裝時(shí)，采用四點(diǎn)吊法，浮吊吊住圍堰頂部迎水面及背水面A、B、C、D四個(gè)吊點(diǎn)(吊點(diǎn)位置見圖7(b))。

5.3 鋼絲繩受力分析

單塊圍堰重量按照110 t計(jì)算，采用四點(diǎn)起吊法，每根鋼絲繩受力約為275 kN。現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工時(shí)擬采用6×37+FC-56鋼絲繩(FC-纖維芯)。

鋼絲繩破斷力計(jì)算：F0=K′D2R0/1 000。式中：F0為鋼絲繩最小破斷拉力(kN)；D為鋼絲繩公稱直徑(mm)；R0為鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度(取1 570 MPa)；K′為某一類別鋼絲繩的最小破斷拉力系數(shù)，查GB/T20118—2006規(guī)范得出，K′=0.295。則計(jì)算得出F0=1 452 kN。

查規(guī)范得出，用于機(jī)動(dòng)起重的鋼絲繩安全系數(shù)為5～6。F0/275 kN=5.28，滿足要求。

5.4 鋼圍堰安裝

5.4.1 鋼圍堰安裝前準(zhǔn)備

(1)鋼圍堰安裝前檢查圍堰外形尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)檢查圍堰吊點(diǎn)、圍堰構(gòu)件焊縫質(zhì)量能否滿足規(guī)范要求。

(3)檢查止水條、注漿管、止水鋼板數(shù)量是否按照設(shè)計(jì)要求安裝完成。

(4)檢查注水孔是否齊全、螺栓是否已經(jīng)擰緊。

5.4.2 鋼圍堰定位線

在圍堰分塊迎水面做好便于測(cè)量定位的標(biāo)尺線，線間距為0.5 m，以利于觀測(cè)圍堰本身的平衡性及入水深度。圍堰安裝底面標(biāo)高為-9.767 m，水位標(biāo)高按照+1.0 m計(jì)算，當(dāng)水位到達(dá)標(biāo)尺線10.767 m位置時(shí)，即表示安裝到位。

5.4.3 鋼圍堰安裝步驟

(1)施工鋼圍檁:干塢塢口安裝一條通長鋼圍檁，作為鋼圍堰安裝時(shí)的限位梁兼作東西側(cè)岸壁施工通道。鋼圍檁采用軍用貝雷梁組成，圍檁總長度為51 m，圍檁橫跨在東、西側(cè)格構(gòu)地連墻，兩端通過在東西側(cè)格構(gòu)內(nèi)埋板，采用槽鋼加固。圍檁南端面安裝里程為圍堰中心里程向北1 m的位置。鋼圍檁安裝完成后，兩端距端部6 m位置測(cè)量放線，做好標(biāo)記，以便鋼圍堰安裝時(shí)，東、西方向定位控制。

(2)圍堰運(yùn)至塢口：浮吊駛?cè)敫蓧]內(nèi)，將鋼圍堰分塊吊入干塢內(nèi)，用纜繩緩慢、勻速地將圍堰分塊拖運(yùn)至塢口沉放位置，通過在塢口岸壁上設(shè)置的地錨臨時(shí)系錨。

(3)安裝圍堰：圍堰安裝順序?yàn)樽詵|向西依次安裝，浮吊協(xié)助鋼圍堰移至沉放位置后，解除圍堰尾部系纜繩。

浮吊系住鋼圍堰頂部?jī)蓚?cè)吊耳，將鋼圍堰緩緩豎起，在豎起的過程中，圍堰分艙通過進(jìn)水孔逐步進(jìn)水下沉，圍堰在下沉過程中，通過絞移浮吊船，將圍堰移至靠近鋼圍檁，順著鋼圍檁緩緩下沉。圍堰注水下沉?xí)r采用纜繩輔助定位，以保持整個(gè)分塊鋼圍堰的姿態(tài)水平，確保圍堰分艙內(nèi)進(jìn)水均勻。

圍堰下沉過程中，注意觀察標(biāo)尺線讀數(shù)，保持圍堰下沉過程中平衡。當(dāng)圍堰下沉至刻度線為8.5 m時(shí)，時(shí)刻調(diào)整其姿態(tài)及位置在設(shè)計(jì)軸線上。圍堰下沉至刻度線為9.95 m時(shí)，此時(shí)圍堰即將進(jìn)入導(dǎo)向槽內(nèi)，下沉速度要緩慢，避免圍堰大幅度擺動(dòng)，而損壞圍堰牛腿上安裝好的止水條。

按照上述工序，通過浮吊同樣落入圍堰2，圍堰2安裝完成后，通過岸上纜繩系住圍堰吊點(diǎn)對(duì)分塊間橡膠預(yù)緊。預(yù)緊后，通過在圍堰1與圍堰2吊點(diǎn)內(nèi)穿入鋼絲繩，用鎖扣鎖緊。圍堰2安裝完成后，圍堰1、圍堰2通過接縫處焊接鋼系梁固定。

圍堰2安裝定位完成后，浮吊安裝圍堰3落座后，用鋼纜系住圍堰上吊點(diǎn)，另一頭拴在西側(cè)格構(gòu)地錨上，拉緊鋼絲繩，使圍堰3與圍堰2安裝的止水條充分壓緊。圍堰3與圍堰2吊點(diǎn)通過鋼纜連接固定。

(4)鋼圍堰固定：鋼圍堰安裝完成后，在圍堰南面吊點(diǎn)上系好鋼絲繩，在東側(cè)格構(gòu)內(nèi)地錨上通過倒鏈將鋼絲繩系緊。圍堰北側(cè)，在鋼管樁上焊接鋼系梁頂在圍堰上，鋼圍堰上、下加槽鋼頂住圍堰。圍堰南側(cè)通過在地連墻牛腿上加系梁支撐在鋼圍堰上。

圍堰安裝完成后，安裝鋼腰梁，鋼腰梁與圍堰焊接。

5.5 圍堰兩側(cè)模板安裝

圍堰兩側(cè)模板頂標(biāo)高為+2.5 m，底標(biāo)高-20.1 m，總高度為22.6 m，水下混凝土澆注長度為4.9 m，寬度為3 m，高度為22.6 m。模板采用整體鋼模板，模板在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行加工制作,水下安裝就位，澆注混凝土。模板安裝位置見圖8所示。

模板安裝完成后，模板周圈堵縫。模板內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，抗?jié)B等級(jí)S10。

模板內(nèi)澆注混凝土，上部模板內(nèi)混凝土澆注分兩次完成，第一次高度到管頂以上 1.5 m，把圍堰底部包住，同時(shí)混凝土的附加浮力又不至于把圍堰伸入模板箱內(nèi)的端部抬起，等下部混凝土初凝后再澆筑剩余部分混凝土。

圖8 模板安裝位置圖

5.6 圍堰分倉內(nèi)澆注混凝土

圍堰兩側(cè)混凝土澆注完成后，在圍堰分倉內(nèi)澆注素混凝土防水封閉，強(qiáng)度等級(jí)為C20。

5.7 安裝鋼支撐

圍堰上鋼支撐共3道，第1道標(biāo)高為+2.0 m，第2道標(biāo)高為-1.8 m，第3道支撐標(biāo)高為-5.4 m；每道支撐12根。

6 結(jié)束語

鋼圍堰支撐安裝完成、干塢內(nèi)水抽干后，進(jìn)行最終接頭主體施工，現(xiàn)場(chǎng)施工效果與檢測(cè)數(shù)據(jù)表明：采用該鋼圍堰施工技術(shù)，保證了鋼圍堰防水性以及安全穩(wěn)定性，做到了不滲不漏。

該工程沉管隧道大型鋼圍堰施工所積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為我國今后內(nèi)河沉管隧道工程以及臨水工程超深基坑圍堰設(shè)計(jì)與施工，提供了參考依據(jù)與經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1]李秀華.中央大道海河沉管隧道最終接頭關(guān)鍵技術(shù)[J].國防交通工程與技術(shù)，2013(3)：53-57

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[3]潘永仁，彭俊.上海外環(huán)沉管隧道最終接頭施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2004(1)：37-39

Construction Techniques for Large-Type Steel Cofferdam for Sunken-Tube Tunnels

Shang Ting

(The 5th Engineering Co. Ltd. of the 18th Bureau Group of China Railway,Tanggu 300456,China)

Abstract:Since the Haihe River Tunnel of the Central Road of the New Seaside District of Tianjin has to cross the Haihe River,the tube-sinking construction method is adopted for the project,with the three lengths of sunken tube for the project precast in the dry docks.After the sunken tubes are floated to the designated positions and connected,a steel cofferdam has to be installed at the entrance of the dry dock to block the dry dock for the second time.The sea water in the dry dock has tobedrainedforthefinalconnectiveconstruction.LocatedatthetopofE3-2TubeSection,thesteelcofferdamismadeupof3pieces,eachbeingonemetreinthickness,15metresinheightandabout110tinweight.Owingtobeingverylargeinbothwidthandheight,thesteelcofferdamissegment-dividedandsegment-madeseparately,inwhichcasethejointwaterproofingofthemiscriticalinbothdesignandconstruction.Afterthesteelcofferdamishoistedintoplace,thewater-proofingeffect,thesecurityandthereliabilityofitareallfoundtobewellensured.Theexperienceobtainedfromthesuccessfulconstructionpracticeinthisprojectmayprovideausefulreferenceforthedesignandconstructionofotherprojectswithsuper-deepfoundationpitorprojectsnearriversorseas.

Key words:sunken tube method;dry dock;steel cofferdam;water proof;hoist

收稿日期：2015-11-26

作者簡(jiǎn)介：尚颋(1974—)，男，工程師，主要從事土木工程施工技術(shù)管理工作83676119@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.014

中圖分類號(hào)：U459.5；U455.46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-3953(2016)03-0051-05