沉管隧道干塢工程設計與施工技術

程曉明， 張莉娜， 鄧家勝， 宋吉榮

(1. 佛山市新城開發建設有限公司，廣東佛山 528316； 2. 西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031；3.中交第四航務工程局有限公司，廣東廣州 510000)

沉管隧道干塢工程設計與施工技術

程曉明1， 張莉娜2， 鄧家勝3， 宋吉榮2

(1. 佛山市新城開發建設有限公司，廣東佛山 528316； 2. 西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031；3.中交第四航務工程局有限公司，廣東廣州 510000)

文章結合廣州佛山汾江路南延線程工程項目，介紹了沉管隧道施工重要臨時工程——干塢的設計與施工技術。闡述了護坡與降排水設施等環節的設計，介紹了土方開挖、基礎施工措施及監測管理技術與方法，保證了工程項目的安全、質量及工期，為類似工程提供參考與借鑒。

沉管隧道； 干塢工程； 土方開挖； 護坡； 降排水； 基礎施工； 監測

干塢是沉管隧道建設中的重要臨時工程，干塢根據其預制方式,一般分為移動干塢和固定干塢兩類。移動干塢方案便是修造或租用大型半潛駁作為可移動式干塢,在移動干塢上實現管段預制,繼而操縱拖輪將半潛駁拖運到隧道四周已建好的港池內下潛,達到管段與駁船的分離,再將管段浮運到隧道位置實現沉放安設工作[1]。但當前大多數選用固定干塢，固定干塢則是在陸地上選擇適合場地制作。依據與隧道位置的相關關系又可以分為軸線內干塢和軸線外干塢[2]。在考慮隧道工期、造價以及對航道的各個方面影響時，合理選擇干塢非常重要。

1 工程概況

1.1 工程選址

廣東省佛山市汾江路南延線工程位于中心組團核心區內部,路線設計全長為2. 41 km，其規劃道路寬度為 50 m,雙向六車道。工程北起汾江南路與瀾石路的十字路口,向南到樂從大道為止,是一條南北走向的城市主干道。南延線段全長約 4.3 km，沉管段全長為 445 m，干塢大小可以一次性制作 4 節管段，分別長度為 115 m、115 m、105 m、 110 m ，其寬度為 39.9 m，高度為 9.0 m，兩岸采用地下連續墻深基坑圍護，并設置沉管接口段可與主體相接。本工程采用沉管法施工。

干塢工程選址位于佛山東平河道岸汾江路南延線軸線東側。基坑地面高程為 3.50 m ，基槽開挖至高程為-19.63 m，最多開挖至-21.87 m，圍護結構支護深度為 23.57 ～22.57 m，干塢塢底標高為 -9 m,地下連續墻嵌固深度達 19 m。施工期間城市防汛設計按 50 年一遇洪水設防,塢頂防汛設計高程為 8.5 m。干塢側壁支護結構安全等級按二級考慮。

1.2 工程水文及地質條件

佛山市地處北回歸線的南緣,屬南亞熱帶海洋性季風氣候帶,溫暖多雨。河面寬為 220 ～ 320 m，河流中心水深為 10 m左右，警戒水位為 4.84 m，歷史最高水位為 6.85 m，年平均降水量為 1 700 mm, 4～9 月雨量最多,在六個月內的雨量平均占全年總量的 80 %。擬建工程場地為中軟土～中硬土場地,具體地質分布見表1。建筑場地類別為II類。由于場地東平河以南存在厚度大分布較為連續的砂層,以及局部分布的軟土,綜合評價場地為抗震不利地段，因此需對軟土進行處理。

表1 沉管隧道場區主要地質鉆孔示意

2 施工工藝流程及要點

2.1 邊坡防護設計

該段地質條件比較弱，為了選擇合理的干塢邊坡防護結構，應該對支護結構進行方案比選。我國國內常用的干塢圍護結構一般有：放坡開挖、格柵式攪拌樁重力式擋墻、SMW 樁+錨索、 鉆孔樁+擋土擋水帷、地下連續墻+錨索 5 種形式。

(1) 南側地質條件差，考慮占地面積，采用放坡開挖時占地面積比其他更大， 干塢坡頂影響隧道西側的佛山市氣象建筑大樓及東側的水閘，方案不可選。

(2)采用格柵式攪拌樁重力式擋墻時，對基坑開挖深度要求高，攪拌樁擋墻剛度小、穩定性達不到要求。

(3) 采用 SWM 樁+錨索時，塢底以下有7層強風化泥巖或砂土，巖層強度要求較高，SWM 樁施工很困難，樁底嵌固不足。

(4) 采用地下連續墻+錨索方案，方案本身沒有特殊要求，但工程造價高。

綜合以上方案比較， 確定干塢南側岸上段采用鉆孔樁+擋土擋水帷幕支護方案。在平整場地完成后，基坑開挖前，為提高坡面穩定性，保證施工作業安全性，在干塢頂設置止水帷幕和坡頂截水溝進行邊坡防護。在坡頂 1.5 m 范圍內的地面和邊坡坡面上掛鋼筋網并噴射混凝土進行坡面防護,噴射混凝土采用 C20,厚度為8 cm。坡面上設置泄水孔,泄水孔采用φ100PVC 外包土工布反濾, 排水孔在坡面上間距為 2 000 mm×3 000 mm。

其次施工坑內攪拌樁及支護樁,樁后攪拌樁。攪拌樁施工具體做法及要求如下：

(1)沿干塢東南西面設置雙排攪拌樁止水帷幕,北面原堤腳處設置格柵式攪拌樁;

(2)攪拌樁要求達到設計深度且樁底進入不透水層大于 2 m;

(3)攪拌樁的垂直度偏差不得大于 1 %,樁位偏差不超過 50 mm。保證樁與樁之間的搭接質量,相鄰樁施工間歇不超過 24 h。

2.2 基坑降排水措施

為了保證現場施工作業順利進行，需在基坑東側建一條 6.0 m寬、厚 200 mm、強度等級 C30 的混凝土路面作為土石方外運棄土的主要對外通道。在道路南側,建洗車槽,洗車槽的平面尺寸設計為 3 m×10 m, 深500 mm。場內臨時道路用磚碴填筑而成,磚碴厚度 500 mm以上(滿足行車要求為準)。

透水層土質(砂層)分部于場區各處,由西北角向東南角延伸,呈北“薄”南“厚” 特點。西北向平均砂層厚度 3.0 m,埋深約 5～6 m(3.5 m起計),即砂層底標高約-5.5 m,比基坑設計底標高-9.0 m高出 3.5 m;最南向(偏西)平均砂層厚度 9.7 m,埋深約 5～6 m,比基坑設計底標高-9.0 m低 3.2 m。據此,基坑降排水方案選擇有兩種方式:

一種為水平明溝排水,即每開挖一層,在該層的坡向及橫向設排水明溝，集水井等設施分層降排水。排水溝尺寸為500 mm×650 mm，集水井尺寸為1 000 mm× 1 000 mm×1 500 mm，共 4 座。且排水溝外部周圍設有MU10M7.5磚砌截水溝，尺寸為400 mm×500 mm。

另一種是在最南端(偏西)向北設3個降水井(如不足,可增加), 各井間隔約 30 m進行超前降水,保證基坑干燥。保證開挖過程中地下水位保持在開挖面以下 0.5～1 m[3]。地下水位的變化是影響降排水的重要因素， 在降水過程中應隨時檢測其情況以及其他有關因素的變化情況，如出現異常，可以及時分析采取措施以得到相應改善。

該地區為多雨地帶，在降排水處理過程中應注意各方面條件影響。降排水的處理是否得當關系到干塢工程以及整個工程的安全問題，因此必須提前準備好應對各種突發情況的措施。基底開挖后，應及時設置排水溝與集水井等相關措施，同時確保兩者之間以及與外部連接通暢。

2.3 土方開挖

塢坑開挖按分層分級垂直挖運土方法進行,開挖分層設計邊坡平臺標高結合錨索支護結構,控制在錨索標高以下 500 mm。待錨索張拉完成達到規定強度后,方可進行下一層土方開挖。上層土方用反鏟挖掘機直接挖土裝車, 石方用液壓破碎頭先鑿巖(或爆破),再用反鏟挖掘機裝土上車。如 因工期較緊,可預留足夠反壓土(經計算確定),保證支護樁平衡的狀態下,坡面平整度控制在 20 mm 以內,土體位移值控制在二級報警值以內[4]，則可向下層開挖。

每層土方開挖均采用自卸汽車配合挖掘機直接挖土運走,挖土方向由北向南退行,最后南段收尾。前期出土車輛可從未開挖區域通行 ,2～3層選擇直接放坡至基坑底的方法。臨時道路的坡降比為 1∶6(圖1)。

圖1 土方開挖示意

2.4 干塢基地處理

干塢的基底要同時滿足承載力和管節起浮各項相關要求，在眾多方法中采用換填法進行基底處理比較符合此工程地基情況，并確保地基的承載力以及減小地基的不均沉降量保證密實度。對于管節布置方案，為保證管節起浮順利進行以及提高塢底承能力，換填地基設計成800 mm 厚,自上而下依次為：14 mm 厚膠合板、 394 mm 碎石 (用于減少管段與基礎之間的相互吸引力， 便于管節起浮)、 150 mm 厚鋼筋混凝土 (減小軟弱地基的相對沉降差)、 96 mm厚中粗砂倒濾層、146 mm 巖碴。對于非管節布置區段(即管節側道路)，因該區域只承受較小荷載，故基底處理較管節布置區簡單，自上而下依次為：220 mm 厚鋼筋混凝土路面、200 mm 厚中粗砂倒濾層。

2.5 護坡及塢口航道施工

2.5.1 護坡施工

根據時空效應理論，在塢坑施工作業完成后，馬上對開挖邊坡進行錨索工程及土釘墻施工，以減少邊坡的暴露時間。此兩項工序未達到穩定標準,不得進行下層的挖土工作。如由于進度要求,必須向下開挖,可留足夠反壓土來平行支護體穩定，以保證基坑圍護結構的穩定和安全。

土釘墻施工則是在土體內安插旋轉一定長度和數量的土釘體與土共同作用[5], 補充土體本身強度缺陷來達到穩定性的施工。進行開挖時需在前一級土方開挖完后才能進行下一級土方開挖。上一級土釘施工后 , 需養護一段時間，一般為 48 h, 同時要求在上一級坡面土釘墻施工結束并達到設計強度規定50 %后, 才能進行下一級土方開挖。在下一級土方開挖時應注意避免碰觸之前已施工完的護坡坡面及土釘 。土釘與聯系鋼筋 、 網片等單向焊縫長度不小于30 mm。

2.5.2 塢口航道施工

根據現場的實際情況,塢口開挖分兩期進行：第一期從深水區開口往塢里退,約 80 m 為第一期,石方爆破需 60 d完成;第二期待開挖堤岸段土方挖運完畢后暴露出石方再爆破,需 30 d完成。塢口需爆破開挖巖石厚度為 0～6 m,可按一層爆破開挖成型,根據本工程地形特點,采用臺階爆破的形式,從深水區開口爆破向塢里退。

2.5 基礎施工

根據地質勘探資料揭示:地面以下5 m基本為淤泥層、砂層，以下為殘積土層、風化巖層。為滿足地基承載力和變形要求，塢底承載力不足時,應進行進行地基處理。地基處理方法有碎石換填、攪拌樁等。在地板施工前，需進行換填，換填深度為1 m。自上而下依次為：420 mm厚1～3級配碎石，且用120 kN壓路機分層碾壓；150 mm厚C15混凝土墊層；直徑為110PVC直溝管；最后為150 mm厚普通層(120 kN壓碾機碾壓)。

2.6 管理及監測

加強施工管理,建立專職監測小組,對基坑進行及時監測。

干塢內管段預制完成后，塢內需灌水，進行管段的試漏、浮運工作[6]。 因此，在干塢內灌水前應對南岸已完工主體結構進行防護。 防護的目的為：(1)塢內灌水后防止對已完成主體結構基底的軟化。(2)塢內灌水后防止對已完成主體結構外防水層遭受到浸泡。(3)防止塢內灌水后引起已完成主體結構起浮的出現。

針對上述問題，同時考慮到造價、施工復雜程度和施工可行性的原則，干塢內南岸主體結構防護措施如下：采用黏土分層碾壓密實進行回填，按 1∶2 邊坡坡率回填至公路結構頂以上5.0 m 左右標高， 坡腳設置混凝土護墩，坡面采用網噴混凝土并設置系統錨桿(錨桿尺寸：φ20@1.5 m×1.5 m、L=3.0 m)。

在干塢四周設置監測點 ,監測頻率通常為每天 1 次。如遇漏水、漏砂孔洞大于 20 cm2或每小時漏砂、水量大于 5 m3,必須使用大量的級配砂、碎石堆填漏水、漏砂孔洞，漏水、漏砂孔洞通過反濾體僅能漏水,不能漏砂,以保證支護墻體的穩定,然后在漏水、漏砂孔洞墻后用高壓旋噴注漿補漏。另外監測的項目包括:墻頂的位移與沉降、連續墻內力、土體側向位移、支護結構側土壓力、地下水位、地面沉降四周建筑物沉降與歪斜等。特別對連續墻頂及墻體位移、基坑周邊地面沉降等監測項目加大監測頻率[7]，通過監測、收集、整理各種資料, 指導施工。對監測項目未達到標準的地方及時進行相應改整。發現關鍵點受到破壞時或不符合要求,應即刻采取措施,進行修復。

3 結束語

汾江路南延線工程在制定了干塢工程總說明等詳細施工方案的前提下，按照施工流程進行作業，充分考慮了整個工程選址特點，根據建設條件進行地基降排水處理以及邊坡維護等措施。在安全作業情況下，嚴格確保施工質量和進度。干塢工程的順利完成,離不開正確的指揮和嚴格的管理，整個施工過程順利完成,為后續沉管預制施工作參考。

[1] 石劉.廣州某沉管隧道固定干塢與移動干塢方案的經濟比較[J].隧道建設,2008(6):688-690.

[2] 張興梅. 大型沉管隧道軸線干塢塢口施工技術[J]. 施工技術,2013(9):20-23.

[3] 陳靜群.深基坑止水降水技術分析[J].建筑知識：學術刊,2013(3):474-475.

[4] 龔江飛,周曉茗,張吉,等 .軟土地區深基坑開挖對周邊文物建筑沉降的影響[J].施工技術,2015,44(1):28-31.

[5] 耿欣宗,駱發江,李鵬,等.土釘墻加錨桿護坡樁復合支護技術的應用[J].施工技術, 2015(S1):21-24.

[6] 邢永輝. 佛山市汾江路南延線工程干塢設計[J]. 現代隧道技術,2011(5):109-114.

[7] 袁志斌.大面積不規則深基坑變形控制技術[J].建筑施工,2015(4):447-449.

TU929

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[定稿日期]2017-05-10

程曉明(1975～)，男，工程師；張莉娜，女，碩士研究生，結構工程專業。