沉管隧道可逆式主動止水最終接頭小梁端部平整度問題的分析與處置

劉凌鋒，陳聰，VAN STEE Joel，姬海，林巍

（1.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088；2.中交第四航務工程局有限公司，廣東 廣州 510230；3.荷蘭特瑞堡公司，荷蘭鹿特丹）

1 背景

港珠澳大橋主體工程海底沉管隧道兩端連接東、西兩個橋隧轉換人工島，按雙向六車道、設計速度100 km/h的高速公路標準進行設計，全長6 704 m，其中沉管段長5 664 m，分33個管節[1-3]。海底隧道最終接頭位于E29和E30管節之間，開發了可逆主動止水新工法[4-7]。主體結構采用鋼殼混凝土三明治結構，首先在上海的鋼結構加工廠完成鋼殼結構，再運輸至隧址區附近的沉管預制廠的干塢進行高流動性混凝土的澆筑。

最終接頭為倒梯形，頂板長約12 m，底板長約9.6 m，高11.4 m，斜角6°，橫截面與沉管普通管節相同。最終接頭三明治主體結構兩端插入可伸縮的小梁結構，小梁端部裝配止水帶，在與主體結構相連的千斤頂頂推作用下實現可逆式主動止水。最終接頭三明治主體結構及可逆式主動止水系統見圖1、圖2。

圖1 三明治主體結構Fig.1 Main body of sandwich structure

圖2 可逆式主動止水系統Fig.2 Reversible active waterstop system

最終接頭制作完成后，由駁船運輸至安裝位置，采用世界最大12 000 t全回轉浮吊“振華30”進行吊裝[7]。

最終接頭著床后，開始頂推小梁、壓縮小梁端部止水帶進行臨時止水，水密效果直接影響到結合腔抽水這一關鍵工序。最終接頭后續施工期間，結合腔內工作人員多，若止水失效，則帶來生命損失等嚴重的后果。因此，小梁端部的GINA止水帶止水保證率需要被控制在一個較高水平。止水關鍵因素為小梁端部鋼殼的平整度。最終接頭出鋼結構廠，運輸到沉管預制場以后，發現小梁端部的鋼殼平整度超標。而且不平整有可能與以下因素有關：1）隧道線形E29、E30的偏差；2）E29、E30鋼帽的制作偏差；3）最終接頭安裝偏差；4）小梁端部鋼殼的制作偏差；5）小梁端部的GINA壓縮量等不利因素疊加。

本文討論小梁端部鋼殼的平整度問題分析與處置措施。

2 問題與分析

2.1 問題描述

最終接頭頂推小梁GINA安裝面的平整度是保證GINA止水帶壓縮量并實現28 m水深防水的關鍵，設計要求平整度不大于3 mm。

最終接頭運輸到場后，安裝小梁端部GINA止水帶之前，工區測量人員對小梁頂推伸出31 cm時的GINA安裝面進行平整度測量，E29側和E30側小梁端面分別布置90個測點（一圈），發現安裝面不平整度超標，具體測量結果如圖3所示。

圖3 小梁Gina止水帶安裝端面平整度測量結果Fig.3 Measuring result of flatness of the end face of small beam Gina waterstop

圖3 中的橫軸，0代表小梁端部鋼殼底部的中點，端部鋼殼為閉合多邊形，其它數字代表順時針方向行走的距離所指位置。圖3中還顯示了E29-S8節段鋼帽與E30-S1節段鋼帽的端面平整度測量結果，其平整度值均控制在5 mm以內。從圖3中可以看出，最終接頭E29側小梁端面最大偏差值為+20.2 mm/-18.3 mm，E30側小梁端面的最大偏差值為+17.1 mm/-12.6 mm，兩個端面平整度數值均大于設計標準值3 mm。若不處理，可能對小梁端部GINA止水帶的安裝及其止水效果造成影響，甚至導致事故的發生。

2.2 原因分析

不平整度超標的原因可能有以下幾點：

1）氣溫升降。小梁主要為鋼結構，由于鋼材的熱脹冷縮隨著氣溫的變化較為明顯，所以在小梁的制作過程中，由于氣溫的升降可能導致其端面平整度受到影響。

2）焊接變形。如圖4所示，小梁結構較為復雜。小梁端面鋼板為分塊焊接拼裝，GINA止水帶安裝端面鋼板后設有加勁鋼板，與端面鋼板亦為焊接連接。由于焊縫數量較多，因此，在焊接過程中易引起GINA安裝端面鋼板的平整度問題。

圖4 小梁結構示意圖Fig.4 Structure diagram of the small beam

3）小梁端部澆筑混凝土發熱。為增強小梁端部的剛性，在小梁端部澆筑高流動性混凝土。混凝土澆筑過程中由于產生水化熱，容易導致GINA安裝端面變形，從而引起平整度問題。

4）小梁因柔性大而產生的變形。小梁為環形構件，一圈長度約92 m，從其長細比來看，小梁為柔性構件。小梁安裝及預應力張拉過程，容易造成柔性構件的變形。

3 處置措施

因工期緊張，小梁無法運輸回鋼結構廠返工，因而在現場商議處置措施。

3.1 千斤頂強制糾正

首先想到的措施是利用小梁千斤頂的推力自然糾偏，即不處置。在現場也做了試驗。但是這個方案存在幾個風險：1）小梁內部千斤頂的橫斷面布置如圖5所示，結合圖3所示的測量數據可知，由于GINA安裝端面的不平整度分布規律與千斤頂的布置并不匹配；2）直接用千斤頂強制糾正小梁端面平整度難度較大，且容易造成最終接頭吊裝前小梁端部初始應力過大。3）受壓時，小梁的剛度與GINA的關系是串聯的，也是相對的，而且小梁的剛度較大，在千斤頂的推力下大部分的變形發生在GINA止水帶上，而小梁則維持原狀；這樣GINA止水帶的壓縮量仍然是不均勻的，所以漏水的風險并沒有得以降低。

因此需對小梁自身的平整度進行修補。

圖5 小梁內部千斤頂橫斷面布置圖Fig.5 Jack cross section layout inside the small beam

3.2 鐵膩子填平處理

對局部凹區采用小于10 mm的鐵膩子（原子灰）填平處理，相關技術要求如下：

1）鐵膩子應承受GINA止水帶5 MPa壓力；

2）鐵膩子材料應與端部基面100%水密粘貼；

3）粘貼后，應進行打磨或研磨；

4）所有交界面均應平滑。

但是，由于鐵膩子干燥后非常硬，且厚度較大時易開裂，裂縫也可能成為漏水通道。

3.3 貼鋼板再打磨

基于測量結果對小梁端部GINA安裝端面局部凹陷部位進行焊貼鋼板，再對焊縫進行拋光打磨，如圖6所示。在歐洲某沉管隧道管節的端鋼殼采用了該方法。

圖6 貼鋼板方案示意圖Fig.6 Schematic diagram of welding steel plate

此方案較為可靠，可使GINA止水帶的安裝端面達到較好平整度，但鑒于該方案施工時間太長，滿足不了工期要求，未被采納。

3.4 貼生橡膠墊片

最終采用的是墊補法進行小梁平整度的調整。即采用不硫化的橡膠板（生橡膠墊片）墊補在鋼板表面，并利用MS-Polymer膠輔助固定。

墊補材料為每層厚度2 mm、硬度大約60～70紹爾的板，每層寬度250～255 mm。鋼板表面至少墊補一層2 mm，局部區域根據測量數據再墊額外層，最大堆積高度16 mm（共計8層），搭接部位通過預壓順滑，搭接長度不小于100 mm（圖7）。由于生橡膠墊片可能從孔及縫隙中突出，閉合所有縫隙。

經比對測量數據，理論上采用圖3所示的測量數據進行墊補厚度的計算，墊補數據、墊補層數（厚度）見圖8。

圖7 生橡膠墊片及其堆積方案Fig.7 Un-vulcanized sheets of rubber anditsstacking plan

圖8 生橡膠墊補層數布置圖Fig.8 Number of layers of un-vulcanized rubber

在墊補實施過程中，以相對測量數據作為分析基礎，結合現場實施對凹處的情況進行判斷修正，并在橡膠板墊補過程中應做好施工控制，確保質量，并注意以下事項：

1）應采取措施確保GINA止水帶與墊補橡膠板間密貼，特別對橡膠板分層過渡區有無水通道進行核查評估。

2）對分段的GINA壓板（含壓塊）間隙進行密封處理以防止出現橡膠板受壓變形凸出的情況。

3）在壓塊與壓板之間存在間隙時，采用加設不同厚度鍍鋅墊圈（參見圖6）的方式消除。

修補完成之后，額外采用玻璃膠對可能的滲水通道進行預先的填充，例如生橡膠片的搭接部位形成的臺階。需注意該措施只適用于臨時止水方案。

4 實施效果

處理后，對小梁端面的平整度數據進行再次測量，得出結果如下：E29側小梁端面最大偏差值為+11.7 mm/-6.9 mm，E30側小梁端面的最大偏差值為+13.8 mm/-5.7 mm，較未處理前有明顯降低。

通過對小梁端部GINA止水帶安裝面平整度的處理，最終接頭頂推止水過程順利進行，GINA止水帶充分均勻壓縮，實現了較好的臨時止水效果。在管內永久連接施工階段（剛接頭焊接），未見漏水，順利完成了從臨時止水到永久止水的轉換。

5 討論

本文以港珠澳大橋為案例討論了沉管隧道工程的端鋼殼的平整度問題的分析、處置措施比選及實施情況。

同時也提供了一個典型的風險管理案例，承包商將風險導入施工過程。對每一個細節的完善，都決定了工程的成敗，特別是對于可逆主動止水最終接頭這類新技術的開發和實踐。