汾江路南延線沉管隧道基槽開挖和回填施工技術

劉言峰， 張莉娜， 孫 斌

(1.中車建設工程有限公司，北京 100000； 2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031;3.上海海科工程咨詢有限公司, 上海 200231)

水下隧道是跨越江河的重要工具，目前水下隧道的修建方法主要有礦山法、全斷面掘進機法、圍堰明挖法、沉管法，自20世紀初美國修建第一座沉管隧道，世界各地已修建了一百多座水下沉管隧道[1]。沉管隧道是使用沉管法修建的水下隧道，首先在船臺或者干塢內預制鋼筋混凝土管段，管段預制完成后一個接一個地浮運、沉放至已開挖的水下基槽，然后相鄰管段拉合，管段基礎處理等，最終使這些管段聯合體形成一個水下隧道[2]。基槽開挖指為了埋置沉管管段，達到航道或水利規劃要求的埋土厚度和埋深，在水下開挖條形基坑溝槽。沉管隧道回填指沉管管段沉放完畢后，在基槽內使用回填材料在管段兩側和頂部進行填筑[3]。

汾江路南延線沉管隧道位于內河中上游，隧址處河道水面較窄，航運繁忙，每日水面作業時間有限；工程所在地位于鬧市區域，周圍建筑眾多，施工環境復雜；絕大部分基槽開挖區域是中風化以上巖層，需要采取水下炸礁技術[4]。管段基槽開挖和回填是沉管隧道工程中重要的工作之一，施工過程中要保證安全無誤的進行水下作業，減少對周圍環境的影響。文章以汾江路南延線沉管隧道為背景，對管段基槽開挖方法、基槽掃床驗收、基礎處理和回填等關鍵技術進行研究總結。

1 工程概況

汾江路南延線工程和地鐵廣佛線二期工程合建，采用沉管法隧道穿過東平河。沉管隧道段全長445 m，共有4節管段，每節管段結構橫斷面寬39.9 m，高9.0 m，采用四孔一管廊箱形結構，市政道路為雙向六車道，兩孔一管廊結構；地鐵兩孔，為上下行地鐵區發間。

基槽開挖起止為SK1+238.40～SK1+604.00，基槽開挖采用倒邊法分施工，水下放坡開挖，基槽底部開挖寬度為44 m，開挖最深處為23 m(圖1)。

圖1 基槽開挖斷面

2 基槽開挖

2.1 基槽開挖施工組織

為了節省工期和減少建設費用，本工程巖體基槽開挖采用水下爆破。但水下爆破會影響南北護岸、南北岸接口段端封門、附近建筑物等安全，爆破施工期間需要封閉上下游航道，影響河道航運。因此需要合理的安排水下爆破作業，嚴格控制炸藥量，優選起爆方式，將水下爆破控制在合理范圍內。

為減小水下爆破期間對既有航道和現有堤岸的影響，開挖采用倒邊法，自北向南按照一期、二期、三期分期開挖。水下爆破對巖層進行預處理后，采用抓斗挖泥船清礁。

因隧址處東平河面寬僅250 m，一期、二期基槽開挖施工時需改移原有航道，改移后臨時航道位于規劃航道的南側，為保證臨時航道水深達到Ⅱ級航道通航水深要求，需安排挖泥船進行臨時航道的疏浚，隨后安排挖泥船進行基槽表層開挖。一期、二期基槽開挖區域爆破巖層厚度超過10 m，為降低炸藥單次起爆藥量，三期基槽開挖段距護岸較近且巖層較厚，離護岸25～15 m范圍采取控制爆破。護岸15 m內范圍采用鑿巖棒方法碎巖施工，個別礁石點難以進行機械破碎則輔助小藥量控制爆破。

每日6∶00～17∶00進行炸礁作業，每日18∶00～5∶00進行清礁作業，炸礁施工前安排“宏大鉆一”進行前期的試爆施工并打開工作面。一期基槽開挖面積較小，上游至下游平均長度約96 m，北岸至南岸平均長度約140 m，安排一組炸礁船、挖泥船進行施工作業；二期基槽開挖面積較一期增加，可根據工程進度隨時增調炸礁船進場施工；三期基槽開挖段距護岸較近且巖層較厚，離護岸25～15 m范圍采取控制爆破，護岸15 m內范圍采用鑿巖棒方法碎巖施工，個別礁石點難以進行機械破碎則輔助小藥量控制爆破。

2.2 疏浚(清礁)施工

抓斗船負責覆蓋層的開挖和清礁施工，共投入兩艘8 m3抓斗式挖泥船“嶺南02”號和“浚榮”號，采用分段和分層施工，挖出的泥土卸放在駁艙內。待進行三期基槽清礁作業時，“嶺南02”號和“浚榮”號均改裝鑿巖棒進行鑿巖施工，沿基槽中軸線方向布置施工船，選用17 t鉛筆型鑿巖棒進行施工。鑿巖棒施工船每個船位布置寬度10 m，對于表層硬質砂巖采用鑿擊點位距a=1.0 m、排距b=2.0 m的孔網參數；對于下層強度較高的硬質砂巖采用鑿擊點位距a=1.0 m、排距b=1.0 m的孔網參數，均采用梅花形布置鑿擊點位。每次鑿巖時間與承載船主機功率、巖石標高等因素有關。施工中嚴格按照設計圖紙的控制施工質量，尤其對基槽標高、邊坡和預留平臺進行重點監控。

2.3 水下炸礁施工

炸礁船施工時拋射6具錨，通過控制錨纜長度控制炸礁船移動，采用順水流、梅花狀布孔的施工方法，設計爆破參數如下：“宏大鉆一”孔距a=2.4 m，“交炸三”孔距a=2.3 m；設計排距b=1.8 m；球齒釬頭外孔徑105 mm，孔徑d=115 mm；超鉆深度Δh=1.6 m；用塑料筒裝藥柱，藥柱直徑D=90 mm，長度為500 mm。炸藥為塑料筒裝藥柱，鉆孔完成后，爆破員將加工后的炸藥沿著套管壁放入炮孔中，炮孔裝藥量計算公式為：

Q=q·a·b·H

(1)

式中：Q為炮孔裝藥量，kg；q為炸藥單耗，取1.2 kg/m3；a為孔距，m；b為排距，m；H為孔深，m。

根據本工程的特點，分析施工條件及成本等因素，將采用非電爆的毫秒微差起爆網絡，雷管為防水的毫秒導爆管雷管，每個起爆裝置內裝兩發并聯的導爆管雷管，整個起爆網絡采用簇聯的方式聯接。

2.4 岸上段構筑物保護措施

對堤岸、碼頭、防汛墻、連續墻、封門、預制管段等構筑物將采取以下保護措施：(1)采取微差爆破技術；(2)采用不耦合裝藥。鉆孔直徑115 mm，為了增大不耦合系數，使用直徑為90 mm的藥柱，不耦合系數1.44；(3)打設減震孔，在南岸打設2排減震孔，孔網參數如下：炮孔直徑D=115 mm、孔距a=0.2 m、排距b=0.2 m、超鉆深度Δh=1.6 m；(4)分區域爆破，每天僅有兩次爆破時間，為加快工程進度，將爆破區域分成兩個區域，分兩次間隔起爆，每次起爆藥量低于300 kg，從而降低爆破振動。兩爆破區域最小間隔不得小于20 m，兩次起爆時間間隔在10 s以上；(5)布設氣泡帷幕。在炸礁船上布設氣泡帷幕裝置，水下爆破作業開始前，將炸礁船移動到爆破區域和被保護建筑物之間，氣泡帷幕裝置生成高壓空氣帷幕保護墻，緩沖和吸收沖擊波，減小對被保護建筑物的危害[5]；(6)進行典型試爆破施工。在一期基槽開挖靠近北岸30 m，在距離防汛墻15～50 m的區域，距離封門30～50 m區域、距離堤岸20～30 m區域等中區域施工過程處進行試爆，按設計孔距2.4 m、排拒1.8 m、超深1.6 m，計劃先二排放炮一次，然后三排放炮一次。在試爆前，邀請有關地震檢測單位，在民房、堤岸、碼頭、圍堰、封門等構筑物布置振動監測點，二次爆破后得出有關振動數據，根據所得數據進行回歸分析求出K、α值，調整爆破參數，指導接下來的炸礁施工。

3 基礎處理

沉管隧道的基礎處理是為了解決基槽開挖作業產生的開挖底面不平整，保證管段沉放后能夠達到準確的設計標高和坡度，清除管底與基槽間的淤泥，以免使管段產生過大的浮力[6]。管段基礎處理主要是進行管段基礎灌砂及灌漿封孔，但在管段灌砂以前須進行管段的鎖定回填。回填材料為礫石材料，采用漏斗設置導管的方式進行回填，回填高度為灌砂基礎設計高度以上4.5 m。

3.1 基礎灌砂

灌砂工作船選擇“重任202”號，采用4臺日本生產的專用隧道灌砂泵，輸入口徑20.32 cm(8英寸)、輸出口徑15.24 cm(6英寸)，流量為3.0～8.0 m3/min。灌砂基礎厚度為0.6 m。砂子參數如下：(1)中度粗細，不含泥土及雜物的天然砂；(2)粒徑：D50= 0.1 ～10.0；(3)比重：γ= 2.6 ～ 2.7，砂水重量混合比1∶8～1∶10。

管尾鎖定回填完成后，將灌砂工作船絞移至管段上方，通過潛水員水下將膠管與灌砂預留孔連接起來，砂漏斗的砂通過輸送帶送至攪拌器進行攪拌，由砂泵送至基礎，砂料逐步堆積形成密實的砂盤。灌砂時，做好灌砂泵儀器讀數、灌砂壓力以及起止時間的記錄。管段灌沙過程中，支承千斤頂位置、管段中間兩個灌砂孔先灌沙，兩側灌砂孔隨后灌沙。監控垂直千斤頂壓力變化，在管段自重基本由灌沙基礎承受后可按照管段坡度方向從高往低進行灌沙。

3.2 基礎回填

管段基礎處理作業完成后，要對管段兩側及頂部進行回填處理，回填層應有良好的排水性能，回填和覆蓋物的組成應根據管道位置、水流沖刷情況而定。管段兩側3.0 m高度范圍內使用砂石回填，管段頂部從下往上為防錨層、碎石回填層、片石回填層(圖2)。

圖2 管段回填示意

考慮到工程所在東平水道是重要的通航水道，為保證航道范圍內的回填覆蓋層的抗沖刷穩定性，在碎石回填層上方覆蓋0.25 m“混凝土鉸鏈軟體排”(圖3)。

混凝土連鎖塊鋼筋保護層厚度為30 mm，排體材料采用一次加工制成的針織復合土工布排體，單個C20混凝土連鎖塊尺寸400 mm×400 mm×250 mm，軟體排上部采用7 cm寬

圖3 “軟體排防護層”細部結構(單位:mm)

的丙綸帶作為加筋帶，間距為0.5 m，沿排體鋪設方向縫制。采用C14 防老化三股丙綸繩預埋連接，現場由單幅拼成整塊。軟體排搭接長度不小于2 m，軟體排鋪設方向應逆流鋪設。

管段回填覆蓋施工過程中應避免損傷管段外防水及管段結構，采用兩艘船分別置于管段兩側同一斷面進行對稱施工，防止管段單側受力產生平移。管段頂部覆蓋層以上的河床恢復回填應分層進行，回填至原河床面。

4 結束語

文章基于汾江路南延線工程沉管隧道工程，對沉管隧道水下基槽開挖、基礎處理和回填進行研究總結。為了安全可靠、準確無誤的完成水下作業，基槽分三期開挖，抓斗船、炸礁船、鑿巖船相互配合。采取微差爆破、不耦合裝藥、打減震孔、氣泡帷幕等多種安全措施，減輕水下炸礁施工對南北堤岸、附近建筑、碼頭等影響。采用壓砂法進行管段基礎處理，在碎石回填層上方覆蓋“混凝土鉸鏈軟體排”然后回填覆土，很好的保證回填覆蓋層的抗沖刷穩定性。

[1] 陳韶章，陳越，張彌.沉管隧道設計與施工[M].北京：科學出版社,2002.

[2] 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(5):343-347.

[3] 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.

[4] 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(5):85-90.

[5] 張兵文,張文揚,吳暖,等. 預裂爆破與氣泡帷幕技術在水下爆破中的應用[J].工程爆破,2015(5):6-9.

[6] 朱升.沉管隧道管段浮運和沉放過程中流場和阻力特性的研究[D].北京： 北京交通大學,2009.