內河中游南昌紅谷沉管隧道施工關鍵技術

何　毅

(中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河　065201)

?

內河中游南昌紅谷沉管隧道施工關鍵技術

何毅

(中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河065201)

南昌紅谷隧道過江段采用沉管法施工，隧址位于贛江中游，流速和水位落差大。為解決兩岸大型圍堰填筑、異地雙干塢管節預制、復雜河道水文條件下管節浮運、對接以及管節基礎處理效果檢測等方面存在的施工難題，采用“充砂長管袋+塑性混凝土墻+鋼筋混凝土墻”的組合結構與堰內基坑鋼管堵頭樁“干割除”方法，實現圍堰快速施工和防滲抗洪的要求；通過混凝土配合比設計、澆筑、養護、溫控技術以及管節預制關鍵設備選型和大型鋼模整體轉場的施工方法確保管節制作的質量和速度；采用江河中大流速下管節浮運的專用裝置、合理的管節拖輪浮運船舶編隊方法和多功能GPS-RTK綜合監測系統，確保超長距離管節浮運安全；采用可視化監測、水下探摸和管節接頭水密控制技術，實現高水差下管節準確對接；采用沖擊映像法和潛水員探摸相結合的方法，對沉管基礎灌砂效果進行實時監測與綜合評價。實踐表明，紅谷隧道施工形成的一系列新工藝與新技術，能有效解決施工中的難題、降低安全質量風險、縮短工期、節約成本，并對今后的沉管隧道工程具有借鑒意義和推動作用。

沉管隧道； 圍堰施工； 管節預制； 管節浮運； 管節沉放與對接； 沉管基礎處理

0　引言

沉管隧道具有埋深淺、地質適應能力強、兩岸接線短、對環境影響小等優點，在國內外城市水下隧道工程中應用越來越廣泛。從1910年在美國底特律河采用沉管法修建第一座用于交通運輸的水下隧道算起，沉管隧道已有100多年的歷史。目前全世界已建成的沉管隧道超過100座，沉管法已成為修建跨江越海通道的重要工法。早在20世紀60年代初，我國就曾在上海開展過沉管隧道修建技術的理論研究。1976年，我國首次在杭州灣上海金山石化工程中采用沉管法建成了一座排污水下隧道。20世紀90年代初，我國大陸建成第一座用于通行的沉管隧道——廣州珠江隧道，至今已建成廣州洲頭咀隧道、廣州生物島隧道、天津海河隧道、舟山沈家門港海底隧道、上海外環隧道、寧波常洪隧道等[1]，在建的有首條建于外海的港珠澳海底隧道[2]、佛山公鐵合用沉管隧道[3]等。

目前，我國在沉管隧道管節制作[4-5]、測量定位[6]、浮運沉放[7]和管段地基處理[8]等方面取得到了一系列成果，但主要在水位比較穩定的河道和海灣，對于水位季節性變化的江河，還沒形成系統化的施工技術體系和指南。本文結合贛江中游南昌紅谷隧道工程，針對流速和水位落差大、航道窄且沿線構筑物多等復雜水域水文環境的工程特點，對圍堰填筑、異地干塢管節預制、浮運、沉放對接以及基礎處理效果檢測等方面施工要點進行總結，形成相關關鍵技術體系，對提高我國沉管隧道修建技術具有重要意義。

1　工程概況

南昌紅谷隧道位于南昌大橋和八一大橋之間，連接南昌市紅谷灘新區和東岸老城區，是一條東西走向的城市主干路。距上游南昌大橋約1.4 km，距下游八一大橋和地鐵1號線過江區間隧道約2.3、0.3 km。隧道主線全長約2 650 m，兩側岸上段采用明挖順筑法施工，中間穿越贛江段采用沉管法施工，管節總長1 329 m，是目前國內內河最長的城市道路沉管隧道，紅谷隧道工程地理位置如圖1所示。

紅谷隧道采用2個獨立分體式干塢平行交錯預制管節，為內河大型異地干塢。每個干塢一次預制3節管節，整個沉管段分4批次預制。同批次管節在干塢內完成一次試漏、分節起浮，經生米大橋、朝陽大橋、南昌大橋3座大橋浮運8.65 km至隧址沉放；管節對接采用水力壓接法，從東西兩岸向江中段依次沉放，并采用水下最終接頭，最終接頭設在江中偏東。

隧址處地層自上而下依次為①素填土、③細砂、③1淤泥質粉質黏土、⑤粗砂、⑥礫砂、⑨1強風化泥質粉砂巖、⑨2中風化泥質粉砂巖、⑨3微風化泥質粉砂巖；根據近5年水位統計結果可知，日最高水位為19.29 m，最低水位為8.74 m，設計水位按百年一遇考慮取23.64 m。

圖1　紅谷隧道工程地理位置

2　工程施工特點及難點

1)岸上段和干塢的圍堰規模大，防滲與穩定要求高。岸上段的堰體底寬約120 m，頂寬約10 m，填高約20 m，充及吹填砂量達106萬m3，其填筑規模目前在國內沉管法隧道工程中最大，并需為兩岸基坑安全施工及城市防洪提供保障，且東岸端頭圍堰伸入贛江主航道，施工區域水文環境復雜。存在充砂長管袋制作、充填和沉放定位、高水差下臨時防滲體系施工及與既有贛江大堤接縫質量控制以確保圍堰防滲穩定等難題。

2)多管節沉管隧道對管節制作精度要求高，大體積混凝土防滲抗裂要求嚴。紅谷隧道共分12節，管節長90～115 m，對接時容易產生累計誤差，對每節管節的制作精度要求高；管節橫斷面尺寸為30.0 m×8.3 m，厚度為1.0～1.20 m?；炷两Y構較長較厚，施工時的溫差應力、失水收縮應力和環境溫濕度變化等極易引起開裂，且為滿足浮運要求，需對管節容重和尺寸進行控制。因此，管節的防滲抗裂與制作精度控制是本工程管段施工的難點。

3)管節浮運距離長、水流流速快、航道窄且沿線構筑物多并需多次轉向，施工風險大。單節標準管節的質量約2.8萬t，相當于一艘小型航母。由于在江河中游采用異地干塢方案修建沉管隧道，需進行8.65 km長距離航道浮運，多次穿越橋梁，且需穿越僅68 m凈跨的南昌大橋；兩岸接線的圍堰侵占沉管浮運航道，加之江中的江心洲使江面寬度減小，導致沉管在隧址調頭區的水流十分湍急。因此，窄航道、急水流及長距離浮運條件下大型管節浮運姿態控制難度大，施工風險管理要求高。

4)復雜水文條件下管節沉放、對接施工風險大，軸線精度控制難度高。紅谷隧道位于贛江中游，江水豐水期與枯水期水位落差達10 m以上，管節在高流速江水中沉放定位、壓載下沉和接頭水力壓接等施工技術難度大、風險高；而且管節需間隔半年分2批沉放，存在前后施工誘發不均勻沉降的難題；另外，由于管節分別從兩端逐節安裝，在中間進行對接，如何確保管節接頭的水密性、長距離軸線精度以及在高水差大流速下最終接頭精準對接是施工中的重難點問題。

5)高流速環境中管節基底水下灌砂處理技術要求高，效果檢測與評價方法不完善。基礎灌砂的充盈度和密實度直接影響隧道的工后沉降。而目前對沉管基礎灌砂效果的檢測技術研究處在探索階段[9-11]，尚無江河中游水文環境下類似工程的實踐經驗可供參考。如何科學合理確定水下基礎灌砂處理方法與工藝以及快速準確的施工效果無損檢測與評價方法，是目前沉管隧道施工面臨的又一難題。

針對紅谷隧道施工中存在的特點、難點以及面臨的重大工程風險，開展了多項課題研究，先后組織編制150 多個專項方案和預案。本文主要對大型充砂長管袋圍堰施工、大體積混凝土管節預制、長距離窄航道管節浮運、大流速下管節沉放與對接以及沉管基礎處理與效果檢測中的關鍵施工技術和創新工藝、工法進行介紹。

3　大型充砂長管袋圍堰施工

紅谷隧道通過填筑充砂長管袋圍堰阻隔贛江水，進行堰內明挖施工，同時由于明挖結構需要拆除贛東大堤，圍堰又需作為南昌市老城區的防洪構筑物。東西兩岸圍堰軸線分別長651、456.6 m；圍堰整體呈梯形，設計高程(黃河高程，下同)為23.70 m，分三級邊坡，坡間設置3 m寬的平臺；16.7 m高程以下圍堰采用兩側充砂長管袋和中間砂芯橫斷面結構，在砂芯范圍施工三軸攪拌樁槽壁加固和塑性混凝土防滲墻隔斷贛江水；16.7 m高程以上堰體外側為黏土防滲斜墻，內側為充砂長管袋。東岸圍堰河床高程低至2.8 m，堰體填高達20多m，在設計洪水位下，圍堰內外水位差高達19 m；且圍堰內基坑底部位于堰底下10 m處，基坑底與圍堰頂高差約30 m。這是隧道工程中罕見的特大特高型圍堰。

3.1大型充砂長管袋圍堰施工關鍵技術

1)東岸設置端頭整體式、兩側分離式充砂長管袋臨時圍堰；西岸設置分離式圍堰。圍堰施工采用“平面分區、豎向分層”方案，內外堰體及中部砂芯同步施工，期間穿插圍堰坡面防護工序?？傮w施工工藝為： 長管袋加工—運輸到施工區域—展放長管袋在甲板、施工船定位—砂船?？俊涮罡襞摗糯涮畲w—充填完成—充填下一組長管袋至完成。具體為： 單個管袋大小約為40 m×60 m，接縫采用丁縫法，2道錦綸線，針腳間距≤7 mm拼幅縫制；結合鋪排船上的GPS以及絞、放錨纜進行定位，根據江水流速和水位調整船體定位坐標，長管袋順水流方向鋪設，定位位置比設計往上游偏移2～3 m；鋪排船、運砂船和吹砂船3船并靠，進行充填砂施工，砂水比控制為1∶0.75，泥漿泵出口壓力控制在0.2～0.3 MPa，在鋪排船滾筒的控制下，利用隔艙內充填砂自重將長管袋沉入江底。

2)防滲體系施工技術。通過對塑性混凝土配合比、槽壁加固、成槽工藝、泥漿性能指標、清孔換漿、混凝土澆筑及墻體檢測等分析，提出臨江圍堰防滲墻施工中三軸攪拌樁槽壁加固、配合比試配驗證、“兩鉆兩抓”成槽工藝、超聲波儀成槽檢驗、高密度電法墻體檢測以及膨潤土泥漿性能指標、加強混凝土過程控制等主要施工方法和技術措施[12]。此外，正值汛期施工18.5 m高程以上堰體，若黏土斜墻無法在贛江水位上漲至18.5 m高程之前把二期堰體施工完成，圍堰將無法滿足防洪要求，整個岸下基坑受洪水的影響無法進行施工，影響紅谷隧道施工進度。為保證圍堰滿足防洪要求，同時保證紅谷隧道工期節點，通過研究分析，把上部堰體調整為鋼筋混凝土擋墻，并在擋墻背后回填砂土，并施作坡面防護，調整設計后的圍堰橫剖面如圖2所示。

圖2　圍堰上部結構橫斷面(單位： m)

3)圍堰內基坑鋼管堵頭樁“干割除”工法。鋼管樁位于沉管陸上暗埋段與沉管江中段交接處，是圍堰內暗埋段深基坑開挖圍護結構中的防滲體系部分。根據目前國內其他沉管隧道施工案例，以及南昌市紅谷隧道設計圖紙，鋼管樁上部為臨時支擋部分，該部分為中空，采用φ1 140 mm鋼管連接而成，圍堰拆除時通過水下切割工藝回收。然而由于征拆滯后，導致圍堰拆除位于枯水期，無法實施水下切割。本項目根據贛江水位情況降低圍堰高度、減薄端頭堰體厚度，提出采用干割除鋼管樁方法。其工藝流程為： 鋼管樁及攪拌樁施工—基坑外降水井布設—冠梁及混凝土支撐—基坑土方開挖及鋼支撐—主體結構及土方回填—拆除鋼支撐、冠梁及混凝土支撐—鋼管樁處圍堰放坡開挖—第1次切割鋼管樁—第2層土方開挖—鋼管樁切割到底—圍堰剩余部分拆除。圖3為鋼管樁切割縱斷面示意圖。鋼管樁“干割除”類似于明挖基坑施工，利用挖掘機進行基槽土方開挖，破除攪拌樁，并可通過增加挖掘設備，加快鋼管樁兩側土石方開挖速度，顯著提高施工整體進度。相比水下切割堵頭鋼管樁需專業潛水員攜帶供氧及切割設備，并在狹小的鋼管樁內作業，“干割除”工法安全可靠性高。

圖3　鋼管樁切割縱斷面示意圖(單位： m)

3.2大型充砂長管袋圍堰施工效果

兩岸大型圍堰施工完成后，經受住南昌地區第1次汛期的考驗，順利完成暗埋段明挖基坑的施工。圍堰5個不同監測斷面(SA1—SA5)內測馬道處測點的水平位移如圖4所示，由圖4可以看出： 各測點的變形量均較小，大部分在10 mm左右，均小于設計要求的60 mm。表明長管充砂袋圍堰的施工工藝合理有效，能夠確保圍堰的安全和穩定。

圖4　圍堰馬道處實測水平變形歷時曲線

Fig. 4Time-dependent horizontal displacements of bridleway for cofferdam

從防滲墻墻體質量檢測結果及基坑開挖過程中3個不同水位孔(SWY1、SWY2和SWY3)的監測結果(如圖5所示)來看： 圍堰內水位變化平穩，維持在4 m左右，遠低于圍堰外贛江水位，表明整個圍堰防滲體系止水效果良好，為明挖結構及沉管對接施工創造了良好的條件。

圖5　圍堰內監測水位歷時曲線

4　大體積混凝土管節預制

沉管段共有12節管節，其中，有9節管節每節長度約115 m、2節每節長度約90 m、余1節約107 m。管段結構橫斷面尺寸為30.0 m×8.3 m，采用“兩孔一廊道”形式，頂板厚1.10 m、側墻厚1.0 m、底板厚1.20 m，屬于大體積混凝土結構。由于管節對防水、抗滲及不同侵蝕條件下的工程壽命都有著極為苛刻的要求，因此，對混凝土澆筑裂縫的控制要求高；而且需考慮混凝土泵送施工時的坍落度、水下環境耐久性與浮運施工的容重控制等要求。此外，考慮到贛江水位對管節浮運、沉放的影響，需在2015年和2016年豐水期對管節進行浮運和沉放，管節預制必須在豐水期前完成，再加上干塢塢口破除等其他工序占用時間，導致沉管預制工期緊張。

4.1大體積混凝土管節預制關鍵技術

1)配合比采用雙摻技術。通過對水泥與礦物摻合料間摻配比例、摻合材料種類的水化放熱性能和小圓環抗裂的試驗分析，采用摻20%粉煤灰和20%礦渣粉的膠凝材料體系[13]。

2)管節預制關鍵設備選型及配套技術[14]。干塢基坑呈“上口大、底口小”形狀，塢底預制管節場地兩側空間多種大型配套設備交叉作業使場地受限，倘若吊裝設備選擇不合理，不僅制約工序銜接，而且進度也無法保證。因此，從管節預制的工期、質量以及現場實際情況出發，對相應設備選型和配套進行論證、設計、實施和總結，混凝土拌合生產采用3臺套自建拌合樓，配置2臺套天泵及6臺套運輸罐車，考慮到季節性澆筑混凝土，配置2臺套拌合樓冷水機組。模板體系的配置遵循與工期、作業面、施工工藝相結合的原則，2個作業面分別配置頂、底板，形成流水作業。

3)原材料降溫措施。控制材料入模溫度不超過30 ℃，采用“堆場初冷+冷水拌和”的骨料預冷方案，骨料初冷用水采用冷卻塔生產，混凝土拌和用冷水采用冷水機組生產。

4)采用分段、分層澆筑混凝土，設置后澆帶。管節縱向分段、豎直分層澆筑成型，相鄰縱向分節之間設置1.5 m 長的后澆帶(底板不設后澆帶，如圖6所示)，每節管節均分2次澆筑，先施工底板，然后同時施工邊墻和頂板。沉管底板及頂板由于厚度較大，采用自上而下分層均勻向上澆筑的方法。

5)冷卻循環水系統與溫控技術。埋設冷卻水管的目的是降低墻體混凝土內部溫度峰值，使側墻與底板之間獲得漸變的溫度曲線，以減少墻體與底板的溫差及溫度應力的約束。在澆筑上層頂板混凝土時，在側墻至外側上倒角(墻厚1.0 m)內預埋冷卻水管，管段兩外側墻各1套。冷卻管布置如圖7所示。同時對管段混凝土各點的溫度變化實時監測，及時獲取混凝土管段內各點的溫度，以及管段內外的溫差，以采取相應的控制措施，防止混凝土管段產生裂縫，尤其是貫穿性裂縫，為后序混凝土沉管管段的澆筑施工提供借鑒，指導混凝土澆筑方案與工藝的調整與優化。

(a)

(b)

圖7　側墻冷卻水管布置示意圖(單位： m)

6)大型鋼模整體轉場施工方案。根據沉管預制工期的安排，2個子干塢間的模板轉運工作需要往復4次，最大的6套預制內模臺車的設計總質量達到3 500多t，逐件解體拆除后轉運再次拼裝，將影響模板精度，且轉運拼裝時間較長，任務繁瑣，拆裝工作量巨大，制約管段預制進度，滿足不了沉管預制節點工期的要求?，F場通過對鋼模臺車的質量、尺寸以及行走路線道路情況等分析，合理設計鋼模臺車行走路軌架、起吊吊具、拖運固定車架等，合理配套吊裝、轉運等機械設備，采用“路軌架出管段腔體+大噸位履帶吊整體吊裝+重型低平板半掛拖車拖運”方式，分次分段完成大型鋼模臺車整體轉場施工。大型鋼模臺車全部從管段東側駛出管段腔體，進行分段、吊裝、裝車，沿入塢便道先上坡后下坡，經塢底道路至管段西側駛入管段腔體，完成吊裝及組裝，調試后投入使用。鋼模臺車整體吊裝、轉運方案縮短模板拆裝時間近2個月，為管段預制釋放近2個月的工期，最大程度地緩解了工期壓力。

4.2大體積混凝土管節預制實施效果

通過采取以上綜合措施，在管節現場實際施工過程中，各工序銜接流暢，鋼筋綁扎與混凝土澆筑過程順利，各工序相互干擾少；模板體系滿足結構尺寸精度及施工進度要求；混凝土結構經檢測滿足大體積抗裂防滲高性能混凝土的物理力學性能及耐久性的要求，裂縫數量較少，施工段落無貫穿性裂縫。

5　長距離窄航道管節浮運

本工程浮運航道自干塢起，沿途經過生米大橋、朝陽大橋、南昌大橋，最后到達隧址，全長8 650 m，寬70 m，疏浚底標高為+3.6 m，按1∶4放坡開挖，轉彎半徑不小于500 m。浮運航道平面如圖8所示。

圖8　浮運航道平面圖

管節浮運水位應不低于13.5 m，需在豐水期進行施工。為保證浮運安全，針對浮運過程中不同區域制定了相應的施工方案，具體如下：

1)管節絞拖出塢施工方案。管節出塢時，管頭未出塢口采用絞車絞拉，出塢口采用絞車絞拉、全回轉拖輪把控方法。出塢時由于是縱斷面迎流(即橫向迎流)，需選擇在水流較小(≤0.6 m/s)的時間窗口進行。在干塢四周布設絞拉系統，選用150 kN絞車、160 kN轉向單輪滑車以及6 m×6 m×4 m的170 t鋼筋混凝土水下錨塊。同時考慮到浮運過程可能遇到的風險，在管面上布置4臺15 t電動絞車及1臺300 kW式發電機，用于管節出塢以及浮運過程應急。此外，由于管節預制時頂部兩側為2.3 m×2.3 m的大倒角，拖輪無法直接旁拖或頂推，因此必須在管頭及管尾兩側各安裝鋼結構旁拖工裝架和預埋裝置。管節出塢采用塢內絞車及起重船(工程船)配合的方法，如圖9所示，管節出塢后由拖輪接拖。

W1—W6為絞車； 1#—5#為拖輪。

圖9管節出塢示意圖

Fig. 9Sketch diagram of segment undocking

2)塢口至南昌大橋施工方案。管節出塢后過生米大橋段、生米大橋下游至朝陽大橋上游段、朝陽大橋段、朝陽大橋至南昌大橋段，該區段水域寬闊，橋墩間距相對較大，水流速度基本處于0.5 m/s以下。此區段管節浮運典型拖航編隊如圖10所示，其中，拖輪A、D為3 600 HP，拖輪B、C、E為4 200 HP。在水流速度較緩、水域較開闊時，拖輪A、B、C可適當提供向前的動力，提高管節浮運速度；當水流速度較快或水域較為狹窄時，拖輪B、C、D、E提供反向動力，抵抗水流力，控制管節浮運速度。在整個拖航編隊浮運過程中，均由拖輪A、B、C、D提供側向力，以調節管節前進方向。向右側調整時，由拖輪A、D、E提供側向推力；向左側調整時，則由拖輪A、B、C、D提供側向推力，拖輪D、E始終負責尾部系留，正常拖航時E拖輪可作為備用拖輪。

圖10　管節浮運典型拖輪編隊示意圖(單位： m)

3)管節拖航和浮運穿越南昌大橋施工方案。浮運航道南昌大橋處橋跨橋墩軸線間距為80 m，實測凈寬約68 m，拖輪和管節穿越時與橋墩的凈間距很小。為防止船舶撞擊橋墩，采取橋墩防撞保護措施，保護設計采用筒形自浮式復合材料防撞設施加導向柱方案。在橋墩承臺臺階處至橋墩范圍內設鋼導向柱支撐系統，在承臺周圍設置筒形自浮式復合材料防撞設施，如圖11所示。

圖11　橋墩防撞浮箱立面圖(單位： m)

此外，受江心洲沙丘的影響，水流方向與浮運航道走向呈一定角度，方位為東北偏東方向，管節受側向水流力影響較大。為保證管節順利通過南昌大橋，在過南昌大橋前調整拖輪布置，在管節前端設大馬力拖輪A(3 600 HP，配40 m長“八字”纜繩)進行吊拖，管節東側旁靠拖輪B(4 200 HP)和拖輪C(4 200 HP)進行旁拖，尾端設拖輪D(3 600 HP)和拖輪E(4 200 HP，配80 m拖纜)進行吊拖。管節前端進入橋墩前，如圖12所示，前端拖輪A(3 600 HP)往西北方向緩慢擺動，5艘拖輪配合，將管節緩慢往橋墩西側偏移約6 m，浮運速度控制在10 m/min以內，必要時頂推工作艇協助頂推管節。

圖12　管節浮運過南昌大橋示意圖(單位： m)

Fig. 12Sketch diagram of segment passing through Nanchang Bridge (m)

4)管節出塢和浮運監測方案。為保證橋梁、管節和拖輪的安全，在浮運過程中實時監測管節位置、姿態、方位、速度及5艘拖輪與管節相對于設計航線的偏線距離，保證浮運過程中管節姿態、方位在安全范圍內，確保整個浮運過程中不發生拖輪擱淺、偏離航路、撞擊橋墩等事故。浮運過程中，主要采用以下定位手段： ①5艘拖輪采用GPS羅經進行定位定向； ②沉管采用GPS-RTK進行定位定向，INS慣性導航系統作為輔助，OCTANS光纖羅經提供姿態數據，如圖13所示。

圖13　管節定位設備布置示意圖

Fig. 13Sketch diagram of arrangement of location devices on segment

在管節經過大橋時，由于大橋遮擋，若發生GPS-RTK無信號狀況，切換至GPS慣性導航系統，采集管節定位定向數據，確保在整個浮運過程中管節位置信息可靠。各船舶數據發送至沉管導航定位工作站后，進行集中廣播，使每艘拖輪及各個指揮控制單元均可接收到其他作業船舶的位置、航向等信息。同時根據現場指揮要求，可顯示各拖輪拖纜長度以及拖輪位置，為浮運過程中拖輪指揮提供數據支持。

6　管節沉放與對接

江中沉管段相鄰管節及管節與明挖暗埋結構間均采用GINA橡膠止水帶作為第1道止水防線，Ω止水帶作為第2道止水防線，然后采用PC鋼索柔性連接。管節浮運到隧址，沉放到位，通過千斤頂拉合，在管節接頭間形成密閉空間，將接頭空間的水排出，產生負壓，在尾部水壓作用下，管頭GINA橡膠止水帶受壓變形，使2節管水密連接。為了滿足施工精度的要求，需要有橫調系統、縱調系統、垂直控制系統、壓排水系統及測量定位系統。

6.1管節沉放與對接關鍵技術

1)管節沉放與安裝工作內容主要包括準備工作、基槽內臨時支承墊塊施工、沉放區系泊系統設置、基槽硬掃床、系泊及二次舾裝、沉放對接等工序[10]。其中，系泊系統設置和沉放對接為關鍵施工技術。由于管節安裝定位時主要承受橫向水流力，而縱向水流作用力相對較小，因此，系泊系統中錨塊的拋設主要考慮抵抗橫向水流力。系泊錨塊總體布置如圖14所示，E1管節采用岸上設置地錨+2個水中錨塊的系泊形式，E2—E12管節則采用4個水中錨塊的系泊形式。

圖14　系泊錨塊總體布置示意圖(單位： m)

管節沉放對接工序主要包括管節初步對接、安裝拉合裝置、管節拉合及檢測、水力壓接、管節檢測驗收、管節穩定壓載等內容。管節沉放采用2艘浮駁吊沉放安裝方案，由浮駁甲板面的卷揚機控制管節的沉放速度。管頭中部設置1個鼻托導向裝置；管尾底部兩側各設置1個支撐點，每個支撐點布置1個800 t的千斤頂支撐。3點形成管節沉放對接豎向支撐體系。管節沉放時，要求管頭中部的導向裝置先搭接，再將管尾落座至垂直千斤頂上，如圖15所示。然后潛水員測量2管節接頭端鋼殼距離及軸線偏差，安裝拉合千斤頂，進行管節初步拉合對接，拉合應對稱、逐級、緩慢進行，以保證GINA橡膠止水帶均勻壓縮且不受到損傷。最后進行水力壓接，將封門之間的水排出去，利用待安裝管節尾部的水壓力向已裝管節方向對接。

圖15　管節沉放對接示意圖(單位： mm)

2)時隔半年管節對接施工。按施工計劃，E7管節在E6管節沉放約6個月后再進行對接，前后沉放的不同管節間可能會產生不均勻沉降，影響管節接頭的受力變形特性。但由于E6管節沉降情況無法預知，為減少E6、E7管節接頭不均勻沉降導致接頭破壞的風險，采取如下應對措施： ①在E7管節安裝前根據E6管節的實際沉降測量數據，確定E7管節的預抬高值； ②對E6管節端頭(管尾)灌砂進行特殊處理，加灌1排管尾灌砂孔，砂盤將擴散至E6、E7管節接頭外，這部分砂在沉放E7管節的時候進行清除，避免淤泥淤積在E6管節東側端頭下方，進而減少E6管節端頭的沉降量； ③E7管節端頭(管頭)灌砂時須保證密實度，施工過程中應重點監測、檢查前2排灌砂孔砂盤的形成情況，確保砂盤符合設計要求后，利用水泥砂漿回填沖擊坑，減少E7管節端頭沉降量； ④嚴格控制E6、E7管節接頭鋼剪切鍵支座安裝精度及安裝質量，確保在接頭4組剪切鍵(包括側墻)及支座均完成后再拆除鼻托及導向裝置，從而控制E7管節端頭沉降量。

3)最終接頭施工。最終接頭設在E10-1與E10-2管節之間，采用預留合攏段、水下臨時密封連接、管內干施工的方法完成，最終接頭與E10分段關系如圖16所示。管節沉放之前，將最終接頭基礎進行拋砂整平，并安放底封板，在2段管節沉放之后，將底封板用螺桿拉起，使底封板上的橡膠止水帶緊貼住2管節底部并加以固定；之后把楔形止推塊放在管節之間作為支撐，安裝頂封板并收緊固定；然后在兩邊安裝側封板，并用螺栓固定。完成封板安裝工作后，派潛水員下水重新檢查測量封板的位置，確定實際情況符合設計要求后，在管節內將最終接頭空間里的水抽排出來，在水壓作用下，封板上的橡膠止水帶壓縮，從而使空間水密，然后打開管節封門，在內部對最終接頭的模板進行焊接加固。最后進行最終接頭鋼筋綁扎、模板搭設，并進行混凝土澆筑，實現隧道整體貫通。

圖16　最終接頭與E10分段關系圖

4)管節沉放可視化監測技術。在管節沉放時，由GPS-RTK和全站儀采集測量塔頂部特征點的三維坐標、姿態傳感器采集管節橫傾數據，通過通訊線纜、無線電數據鏈及串口通訊技術實時傳輸至數據處理計算機，計算以下參數： ①管節的姿態數據，包括軸線方位(Heading)、縱向坡度(Pitch)、橫傾(Roll)； ②管節首部對接面各個角部特征點實際位置與設計位置的橫差、高差、縱差； ③管節尾部底面角部特征點實際位置與設計位置的橫差、高差，再由管節沉放可視化監測軟件形成數字模型實時顯示至各個終端，可從各個視點、多角度觀察沉管管節的實時姿態和位置，用于指導管節沉放施工[15]，如圖17所示。同時，由于管節沉放安裝容錯率低，因此在管節靠攏下沉、著地下沉階段，采取如潛水員探摸測量等輔助措施，對本系統的測量數據進行校核修正。

圖17　管節沉放可視化監測軟件示意圖

Fig. 17Sketch diagram of visualized monitoring software for segment sinking

6.2管節沉放與對接實施效果

在管節端頭兩側邊墻埋設4組沉降監測測點，根據對接完成后管節變形監測數據評價對接效果。分2種情況進行分析： 1)對比前一管節東面南北差異與后一管節西面南北差異值，分析是否橫向扭開，定義橫向扭角θ=(東端沉降差-西端沉降差)×57.3/管節寬度； 2)對比前一管節東端位移測點值與后一管節西端位移測點值，分析是否豎向錯開。比較時均按照同一時間起點計算相鄰管節沉降值。圖18和圖19為E1—E6相鄰管節橫向扭開角和豎向位移差的監測結果，由圖18和圖19可以看出： 橫向扭角小于0.02°，豎向位移差值小于0.002 m，均滿足設計要求，橫豎向不會錯開，接頭效果好。

圖18　相鄰管節橫向扭角

圖19　相鄰管節豎向位移差

7　沉管基礎處理與效果檢測

南昌紅谷隧道工程采用灌砂法進行基礎處理，管節基礎灌砂如圖20所示，用砂泵將砂水混合物通過預埋的灌砂孔泵入管段底與基槽間不規則的空隙中，形成砂積盤，使管段底與基礎面相接觸，以達到將管段荷載均勻傳遞到地基中的目的。灌砂基礎的材料為砂與水泥熟料的混合物，其摻和比、粒徑及灌砂施工后的密實度應保證灌砂基礎在7級地震的情況下不發生液化。根據基礎灌砂設計方案，砂盤的擴散半徑設計為7.5 m；灌砂孔采用φ160 mm無縫鋼管；底板灌砂孔孔口橫向標準間距11 m，縱向標準間距9.5 m；基礎厚度為0.6 m，管段基槽為炸礁基槽，邊坡坡比為1∶2。

圖20　管節基礎灌砂示意圖

7.1沉管基礎處理關鍵技術

1)灌砂法施工工藝。管節基礎灌砂工作主要包括基槽測量、估算灌砂量、灌砂船就位、灌砂作業、檢驗灌砂情況和灌漿封孔。施工的操作流程如圖21所示。由于管節沉放安裝后尾端力全部作用在2個臨時墊塊上，為防止墊塊受力損壞或產生沉降，應首先對墊塊附近的灌砂管進行灌砂。灌砂從管段尾端起第3排管段開始，先灌中間灌砂管，再同時對兩邊灌砂管進行灌砂。在從尾端起第3排和第4排灌砂管灌砂完成后，再進行其他灌砂孔灌沙。

2)通過1∶1壓力灌砂模型確定主要施工參數： 砂水比控制在1∶8～1∶12，開始灌砂時，以1∶8～1∶10為宜，灌砂后期，以1∶10～1∶12為宜，灌砂壓力控制在0.1～0.15 MPa，擴散半徑為7.5～8 m，水泥熟料摻量為6%。

圖21　灌砂施工流程

3)灌砂施工效果監測與檢測方法。施工過程中砂積盤的監測，以管段上抬量、灌砂量、管段邊溢出量以及管段臨時千斤頂壓力等作為參考指標，采用沖擊映像和全波場無損檢測相結合的檢測方法。在灌砂前、后，采用沖擊映像法和全波場無損檢測法；在灌砂過程中，僅采用沖擊映像法，且每次檢測間隔約1 h。每個管節南、北側各設置1套監測系統，每個系統在中心灌砂孔布設4條測線，南北兩側各2條，邊孔布設1條測線，布設于水箱外側，接口處邊孔布設1條測線。與測線平行設置激發點，每個激發點對應于1個傳感器，激發點離傳感器0.15～0.20 m。使用質量為350 g的沖擊錘用力擊打沉管底板以產生彈性波，激發產生的震動能量以近源波(縱波、面波等各種波動混雜在一起)的形式向四面傳播，傳感器接收到信號并傳送給小型地震儀。根據灌砂前、過程中波形分析、沖擊響應能量分布、頻譜分布的變化，綜合判斷灌砂擴散半徑、充盈程度。中孔以擴散半徑達到7.5～8 m及充盈度≥65%為終孔指標，邊孔以擴散半徑達到7.5～8 m及溢砂與前一孔溢砂融合為終孔指標，進而指導砂泵壓力及停泵時間。灌砂施工過程中采用灌砂擴散半徑及充盈度對灌砂效果進行實時監測。

7.2沉管基礎處理實施效果

2015年第1批E1—E6管節沉放后，采用上述工藝進行基礎灌砂處理，潛水員對各管段基礎砂盤翻出情況(外翻寬度、高度)進行探摸，結果顯示： 各管段砂基外翻寬度大多在1.0～2.0 m，僅個別較低，如E6-2孔僅0.3 m，但寬者可達2.3 m(E2-10灌砂孔)，最寬處3.0 m(E1-10灌砂孔)；各管段砂基外翻高度均在0.5～2.0 m，滿足設計和施工的要求。

在管節沉放對接后進行管內標高測量，各管節東西兩端的兩側邊墻共埋設4個沉降監測測點，如E1管節東西測點分別為CJE1D-1、CJE1D-2、CJE1X-1和CJE1X-2。對E1—E6管節近9個月的沉降量進行觀測，得出代表性曲線，如圖22所示。由圖22可知： 各監測點的最大累計沉降量均在40 mm以下，說明沉管隧道基礎的承載力滿足設計要求，驗證基礎灌砂施工工藝及灌砂效果現場監測、檢測和處理技術的有效性和合理性，可為后續各管節及類似工程的基礎灌砂施工提供參考和借鑒。

(a) E1管節

(b) E4管節

Fig. 22Time-dependent settlements of immersed tunnel foundation

8　結語

南昌紅谷隧道于2014年3月開工建設，工程施工中針對圍堰規模大防滲抗洪要求高、管節體型大防裂要求嚴、浮運距離長航道窄且管節姿態控制難度大、水深流速快對接精度高、水下基礎處理難差異沉降要求小等重難點，通過多項科研項目攻關，取得如下成果：

1)形成“充砂長管袋+塑性混凝土墻+黏土斜墻+鋼筋混凝土墻”的臨時大型圍堰施工技術方法，保證圍堰的防滲性能；

2)獲得具有優異抗裂性能的混凝土配合比，形成大體積混凝土防滲抗裂技術體系，并開發基于分離式超大干塢的管段制作技術；

3)提出超長距離管節浮運及穿越小凈距橋梁管節姿態控制方法及橋墩保護技術；

4)形成大流速下管節沉放與對接、時隔半年管節對接和水下最終接頭對接等長距離、高精度管段對接技術體系；

5)創建了一種快速、簡便且具有較好適用性的內河沉管隧道基礎灌砂及其效果監測和評價的新方法。

截至2016年7月6日，已完成西岸沉管接頭、12節管節預制、基槽開挖、東岸水下立交段主體結構等重要節點工程，以及8節管節順利浮運、沉放、對接和基礎處理；申報了20余項國家發明專利、10余項國家實用新型專利以及10余項省部級工法。取得了較好的經濟和社會效益，并為我國今后在內河修建類似工程提供先例和典范。

[1]《中國公路學報》編輯部. 中國隧道工程學術研究綜述·2015[J]. 中國公路學報,2015,28(5): 1-65.(Editorial Department of China Journal of Highway and Transport. Review on China’s tunnel engineering research·2015[J]. China Journal of Highway and Transport,2015,28(5): 1-65.(in Chinese))

[2]陳越. 港珠澳大橋島隧工程建造技術綜述[J]. 施工技術，2013,42(9): 1-5.(CHEN Yue. Review on construction technology of tunnel and artificial islands for Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge[J]. Construction Technology,2013,42(9): 1-5.(in Chinese))

[3]周華貴, 邢永輝, 王麗. 淺談佛山市汾江路南延線工程沉管隧道特點及關鍵技術[J]. 現代隧道技術,2012,49(5): 85-90.(ZHOU Huagui, XING Yonghui, WANG Li. Discussion of characteristics and key techniques for immersed tunnel of south extension line of Fenjiang Road in Foshan[J]. Modern Tunnelling Technology,2012,49(5): 85-90.(in Chinese))

[4]申琪玉, 邱峰, 張海燕. 沉管隧道管段預制的重點難點分析及應對措施[J]．施工技術,2010,39(增刊): 239-242.(SHEN Qiyu, QIU Feng, ZHANG Haiyan. The key process and difficulty analysis of pipe sections prefabrication of immersed tunnel and research on the measures[J]. Construction Technology,2010,39(S): 239-242.(in Chinese))

[5]陸仁超, 柳獻, 袁勇,等. 預制沉管隧道早期裂縫控制因素敏感性分析[J]. 地下空間與工程學報,2014,10(1): 177-183.(LU Renchao, LIU Xian, YUAN Yong, et al. Sensitivity analysis of influence factors in early-age cracking control of prefabricated immersed tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2014,10(1): 177-183.(in Chinese))

[6]任朝軍, 蘇林王, 呂黃,等. 聲納法在管節沉放實時定位測量中的應用[J]. 現代隧道技術,2012,49(5): 132-136.(REN Chaojun, SU Linwang, LYU Huang, et al. Application of sonar method to real-time positioning measurement for an immersed tunnel element[J]. Modern Tunnelling Technology,2012,49(5): 132-136.(in Chinese))

[7]郭建文．海河隧道沉管沉放對接的主要施工技術[J]. 鐵道標準設計,2013(4): 73-77.(GUO Jianwen. Key construction technologies of sinking and docking of immersed tube of Haihe River Tunnel [J]. Railway Standard Design,2013(4): 73-77.(in Chinese))

[8]LI Wei, FANG Yingguang, MO Haihong, et al. Model test

of immersed tube tunnel foundation treated by sand-flow method[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2014,40: 102-108.

[9]沈永芳，黃醒春. 沉管隧道注漿效果監測與評價的試驗研究[J].地下空間與工程學報，2013，9(4): 758-764.(SHEN Yongfang, HUANG Xingchun. Test study of monitoring and evaluation of grouting effect in the immersed tube tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2013,9(4): 758-764.(in Chinese))

[10]車愛蘭，黃醒春，郭強，等．利用表面波勘探檢測沉管隧道壓漿法的充填效果[J]．上海交通大學學報，2011，45(5): 648-652，658.(CHE Ailan, HUANG Xingchun, GUO Qiang,et al. Evaluation of mud-jack method filling effect of immersed tube tunnel using surface wave survey method[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University,2011,45(5): 648-652,658.(in Chinese))

[11]張志剛，劉洪洲. 公路沉管隧道的發展及其關鍵技術[J].隧道建設，2013,33(5): 343-347.(ZHANG Zhigang，LIU Hongzhou. Development and key technologies of immersed highway tunnels[J].Tunnel Construction,2013,33(5): 343-347.(in Chinese))

[12]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.(in Chinese))

[13]李社偉，梁云飛，陳豫霆，等. 紅谷隧道沉管后澆帶混凝土制備[J]. 商品混凝土,2015(8): 55-58.(LI Shewei, LIANG Yunfei, CHEN Yuting, et al. Preparation of post-pouring concrete for immersed tube tunnel[J]. Ready-mixed Concrete,2015(8): 55-58.(in Chinese))

[14]王秋林，崔玉國，陳旺. 南昌紅谷沉管隧道預制關鍵設備選型及配套技術[J].隧道建設，2015,35(增刊2): 1345-1350.(WANG Qiulin，CUI Yuguo，CHEN Wang. Type selection and matching of key equipment for tube element prefabrication of Honggu Immersed Tunnel in Nanchang[J].Tunnel Construction,2015,35(S2): 1345-1350.(in Chinese))

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

Key Construction Technologies for Honggu Immersed Tunnel Located in Inland River in Nanchang

HE Yi

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

Honggu Tunnel in Nanchang is an immersed tunnel located in middle reach of Ganjiang River, where the flow velocity drop and water level drop are large. There are great difficulties in large-scale cofferdam construction, segment prefabrication in two docks, segment floating transportation and docking and tunnel foundation treatment effect detection. As a result, a series of technologies are adopted. The technologies adopted include: 1) The complex structure of gravel filled tubular pocket + plastic concrete wall + reinforced concrete wall and dry out method for steel tube plug pile in foundation pit are adopted so as to realize rapid construction and flood prevention and anti-permeability of the cofferdam. 2) The segment prefabrication quality and efficiency can be guaranteed by technologies used for mixing proportion design, casting, curing and temperature control of concrete, key equipments selection for segment prefabrication and replacing method for large-scale steel mold. 3) The safe long-distance segment floating transportation can be guaranteed by using professional equipments, rational tugboats formation and multifunctional GPS-RTK monitoring system. 4) The accurate docking of segments under high water level drop is realized by using visualized monitoring system, submarine survey work and water-tightness control technologies for the connection between joints. 5) The real-time monitoring and comprehensive evaluation of gravel filling effect of tunnel foundation are carried out by using impact imaging method and underwater inspection method. The construction practice shows that the technologies adopted are rational and high-efficient; and can reduce risks and the cost and shorten the construction period.

immersed tunnel; cofferdam construction; segment prefabrication; segment floating transportation; segment sinking and docking; foundation treatment

2016-05-19;

2016-07-28

中鐵隧道集團科技創新計劃重大課題(隧研合2014-04)

何毅(1968—)，男，四川西充人，1995年畢業于上海鐵道學院，鐵道工程專業，本科，高級工程師，主要從事隧道與地下工程施工技術管理工作。 E-mail: 412559629@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.009

U 455.46

B

1672-741X(2016)09-1085-10