大連灣海底隧道工程沉管預(yù)制干塢設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

潘立文 ，王曉姝 ，王國(guó)成

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116083；3.天津市水下隧道建設(shè)與運(yùn)維技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300461；4.大連市建設(shè)工程質(zhì)量與安全監(jiān)督服務(wù)中心，遼寧 大連 116033）

0 引言

最早的沉管隧道工程是1910 年美國(guó)穿越底特律河修建的水下雙線鐵路隧道，其后沉管法隧道建設(shè)以美國(guó)為中心逐步發(fā)展，截止2020 年，世界上有20 多個(gè)國(guó)家采用了沉管隧道技術(shù)，已建成130 余座沉管水下隧道，其中美國(guó)、日本多采用鋼殼結(jié)構(gòu)，荷蘭、歐洲等國(guó)家采用混凝土管段結(jié)構(gòu)。我國(guó)修建沉管隧道的起步較晚，1972 年香港建造第一條跨港沉管隧道，目前已建成了上海金山恭水隧道、天津海河水底隧道、寧波甬江隧道及世界最長(zhǎng)公路沉管隧道——港珠澳大橋。隨著城市交通的日漸繁榮及城市規(guī)劃的提升，沉管法隧道在國(guó)內(nèi)呈現(xiàn)出爆發(fā)式的發(fā)展，目前深中海底隧道、海滄海底隧道、廈門(mén)地鐵2 號(hào)線及3 號(hào)線海底隧道、大連灣海底隧道在陸續(xù)建設(shè)中。

沉管管段制作方式主要分為在船臺(tái)和干塢中制作兩種形式，目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)采用干塢內(nèi)預(yù)制沉管[1]。大連灣海底隧道工程選擇“干塢法”預(yù)制沉管，沉管段由18 個(gè)管節(jié)組成，其中直線段管節(jié)13 個(gè)，曲線段管節(jié)5 個(gè)，曲率半徑1 050 m，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180 m，由8 個(gè)長(zhǎng)22.5 m 的節(jié)段組成，重約6 萬(wàn)t。在建設(shè)施工過(guò)程中進(jìn)行了多項(xiàng)工藝優(yōu)化，提出塢口沉箱預(yù)制改原位現(xiàn)澆、系纜墩胸墻現(xiàn)澆改裝配式等設(shè)計(jì)建議。在簡(jiǎn)化工序、縮短工期的同時(shí)也降低施工風(fēng)險(xiǎn)，使整個(gè)船塢的工作量大幅減少，工期得以縮短，工程質(zhì)量得到有效保障，干塢投入使用后效果良好。

1 項(xiàng)目背景

干塢子項(xiàng)工程是大連灣海底隧道建設(shè)工程配套建設(shè)的沉管預(yù)制場(chǎng)地，位于隧道北岸主體結(jié)構(gòu)的西側(cè)，主要滿足海底隧道沉管管節(jié)的預(yù)制、出運(yùn)、舾裝和儲(chǔ)存，主要建設(shè)內(nèi)容：1）管節(jié)預(yù)制干塢 1 座（3+3）；2） 管節(jié)舾裝與儲(chǔ)存區(qū) 1 處（“5+1”沉管存儲(chǔ)、舾裝，可同時(shí)存儲(chǔ)6 節(jié)沉管）；3）干塢配套生產(chǎn)場(chǎng)地1 處。其中干塢主體占地面積約16.1 萬(wàn)m2，可同時(shí)預(yù)制6 根沉管；對(duì)稱(chēng)分為東、西2 個(gè)獨(dú)立塢室，每個(gè)塢室主尺度為長(zhǎng)480 m，寬135 m（北側(cè)）及74.7 m（南側(cè)）；施工期在塢口外側(cè)設(shè)置斜坡堤式臨時(shí)圍堰，為干塢建設(shè)提供干地施工作業(yè)條件；海上新建直立式防波堤302 m，重力式舾裝、系纜墩7 座。沉管預(yù)制場(chǎng)主要建（構(gòu)）筑物平面布置如圖1 所示。

圖1 沉管預(yù)制場(chǎng)主要建（構(gòu)）筑物平面布置圖Fig.1 Layout of main structures in immersed tube prefabrication yard

2 設(shè)計(jì)方案選擇和確定

2.1 干塢平面布局選擇

干塢塢內(nèi)平面布置以滿足沉管預(yù)制、出運(yùn)、存儲(chǔ)及舾裝功能需求為前提，系統(tǒng)分析施工總工期，預(yù)制順序，鋼筋、模板、混凝土、舾裝、儲(chǔ)存、出運(yùn)工藝，模板臨時(shí)存儲(chǔ)場(chǎng)，風(fēng)雨棚等方面影響，并綜合考慮物料運(yùn)輸、工藝設(shè)備流轉(zhuǎn)、周邊場(chǎng)地受限等因素，充分利用有限場(chǎng)地，提出了基于整體水文地質(zhì)環(huán)境、工期與主體工程相適應(yīng)、經(jīng)濟(jì)性良好的干塢法沉管預(yù)制場(chǎng)平面布局。

2.2 復(fù)雜地質(zhì)條件下干塢穩(wěn)定性分析

干塢所在地地質(zhì)自上而下主要為粉煤灰，粉質(zhì)黏土，強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化白云巖，且白云巖上溶洞發(fā)育。

由于巖面起伏十分不規(guī)則，止水結(jié)構(gòu)與巖面接觸點(diǎn)高程較難事前把控，施工期漏水風(fēng)險(xiǎn)大；場(chǎng)地粉煤灰普遍分布，粉煤灰指標(biāo)差，指標(biāo)離散性強(qiáng)，水上、水下指標(biāo)差異大，且受到擾動(dòng)后指標(biāo)迅速劣化。針對(duì)粉煤灰的特性，塢壁結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖過(guò)程中需要時(shí)刻關(guān)注粉煤灰排水及變形情況，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采取分層、分坡度、多次開(kāi)挖形成最終邊坡。

2.3 塢壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

干塢周邊留存多處敏感建筑物，不能拆遷；且工程所在地為喀斯特地貌，巖面起伏大，廣泛覆蓋粉煤灰。為保障干塢平面尺度充足，施工期敏感建筑結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)、巖面高程，細(xì)致劃分地貌及受力特征區(qū)域，采用了斜坡式噴錨[2]、單排支護(hù)兼止水、雙排支護(hù)兼止水、雙排支護(hù)聯(lián)合樁前土加固等多種塢壁結(jié)構(gòu)形式[3]，塢壁結(jié)構(gòu)典型斷面圖如圖2 所示；在中隔岸壁設(shè)計(jì)中，根據(jù)巖面高程采用了縱向階梯式沉箱結(jié)構(gòu)形式。

圖2 塢壁結(jié)構(gòu)典型斷面圖Fig.2 Typical section of dock wall structure

2.4 止水體系設(shè)計(jì)

2.4.1 咬合樁支護(hù)及止水

根據(jù)地質(zhì)條件、使用要求因地制宜采用不同形式的咬合樁，其中以支護(hù)作用為主、止水作用為輔的區(qū)域采用“葷素結(jié)合”形式；以止水作用為主的區(qū)域采用“全素”形式[4]；同時(shí)創(chuàng)新性地采用了塑性混凝土咬合樁結(jié)構(gòu)，從“軟咬合”升級(jí)為“硬咬合”。

2.4.2 塢口裝配式止水體系

秉承裝配式理念，采用了鋼閘門(mén)+大沉箱塢門(mén)組合止水體系[5]，止水鋼閘門(mén)、大沉箱、密集彈性點(diǎn)支座、Ω 形止水帶等聯(lián)合應(yīng)用，有效形成裝配式止水體系。海側(cè)立面依靠干塢底板上海側(cè)的“Ω”形止水帶和鋼閘門(mén)形成第一道屏障，塢側(cè)依靠干塢底板上陸側(cè)的“Ω”形止水帶和預(yù)埋在浮塢門(mén)、塢門(mén)墩對(duì)應(yīng)位置的預(yù)埋槽鋼內(nèi)插入鋼板，鋼板之間填充防水材料形成第二道屏障，以便于塢門(mén)拆裝；塢門(mén)底板為減壓格柵式結(jié)構(gòu)，有效降低滲透壓。浮塢門(mén)、 鋼閘門(mén)安裝效果圖如圖3、圖4 所示。

圖3 浮塢門(mén)沉箱結(jié)構(gòu)剖面效果圖Fig.3 Profile effect drawing of caisson structure of floating dock gate

圖4 鋼閘門(mén)安裝效果圖Fig.4 Steel gate installation effect drawing

2.5 減壓排水及底板設(shè)計(jì)

干塢減壓排水系統(tǒng)由排水暗溝、匯水管、排水暗管和無(wú)砂大孔混凝土墊層組成，通過(guò)排水層、匯水溝將底板下的滲流水匯入排水溝，統(tǒng)一匯入排水泵站前池，減壓排水布置如圖5 所示。

圖5 減壓排水布置Fig.5 Decompression drained arrangement

為便于沉管順利起浮，預(yù)制臺(tái)座在底板內(nèi)設(shè)置預(yù)留凹槽，每個(gè)節(jié)段橫向及縱向預(yù)留主凹槽及副凹槽，主槽內(nèi)部澆筑無(wú)砂大孔混凝土，副槽內(nèi)部回填碎石[6]。臺(tái)座底板預(yù)留凹槽如圖6 所示。

圖6 臺(tái)座底板預(yù)留凹槽Fig.6 Pedestal reserve groove

3 施工總流程

干塢施工總體劃分為4 個(gè)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行施工，4 個(gè)施工作業(yè)區(qū)域分別為：臨時(shí)圍堰作業(yè)區(qū)、管節(jié)預(yù)制干塢作業(yè)區(qū)、管節(jié)舾裝與儲(chǔ)存作業(yè)區(qū)、干塢配套生產(chǎn)場(chǎng)地作業(yè)區(qū)。干塢施工總流程如圖7所示。

圖7 干塢施工總流程圖Fig.7 General flow chart of dry dock construction

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 止水體系施工

本工程止水體系有咬合樁、旋噴樁、鋼板樁、帷幕灌漿等多種形式，各類(lèi)型止水結(jié)構(gòu)組結(jié)合施工，達(dá)到止水效果。施工順序?yàn)橄仁┕ぁ八貥丁保八貥丁表槾问┕ぃ八貥丁彼苄曰炷翉?qiáng)度增長(zhǎng)7 d 后，開(kāi)始順次施工“葷樁”；其中咬合樁施工“素樁”采用搓管機(jī)[7]，“葷樁”采用全回轉(zhuǎn)全套管跟進(jìn)入巖，極大提高了施工工效。止水體系施工工藝統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。

表1 止水體系施工工藝統(tǒng)計(jì)表Table 1 Construction technology statistics of water stop system

4.2 塢口浮塢門(mén)沉箱施工技術(shù)

干塢塢口區(qū)浮塢門(mén)沉箱作為干塢塢室的口門(mén)結(jié)構(gòu)使用，沉箱長(zhǎng)41.15 m×寬22.5 m×高16.5 m，共32 個(gè)大倉(cāng)格，總重量7 800 t。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、施工工期、預(yù)制場(chǎng)地及出運(yùn)安裝條件等多方面制約因素，通過(guò)比選采用干地原位現(xiàn)澆工藝。沉箱頂升效果圖如圖8 所示。

圖8 沉箱頂升效果圖Fig.8 Caisson synchronous jack-up effect drawing

施工工藝為：現(xiàn)澆底部基礎(chǔ)并預(yù)留頂升廊道→沉箱首層原位現(xiàn)澆（重約3 500 t）→原位頂升1 m→人工清理砂墊層及底模→沉箱首層回落（壓縮Ω120 型止水帶達(dá)到設(shè)計(jì)止水變形要求）→現(xiàn)澆沉箱接高層→整體成型。

5 設(shè)計(jì)優(yōu)化

5.1 系纜墩現(xiàn)澆改預(yù)制

干塢工程系纜墩用于預(yù)制沉管起浮出塢并系纜存儲(chǔ)，屬海上獨(dú)立墩。設(shè)計(jì)系纜墩共5 座，其下部基礎(chǔ)為重力式沉箱結(jié)構(gòu)，上部為胸墻結(jié)構(gòu)。胸墻結(jié)構(gòu)施工按傳統(tǒng)工藝需采用方駁吊機(jī)進(jìn)行海上鋼筋綁扎、模板支立，采用混凝土拌和船進(jìn)行海上混凝土澆筑，海上作業(yè)效率低，工期長(zhǎng)，安全風(fēng)險(xiǎn)高，且施工成本較大。秉承“安全、文明、綠色施工”的理念，將上部胸墻由現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)優(yōu)化為裝配式結(jié)構(gòu)[8]，即每個(gè)獨(dú)立墩胸墻采用陸上分塊預(yù)制—海上安裝—接縫后澆形式，利用起重船進(jìn)行胸墻安裝，再進(jìn)行濕接縫澆筑連成整體，大大降低了施工難度，節(jié)約了施工成本，保證了干塢投入使用的工期和質(zhì)量要求。裝配式系纜墩斷面圖如圖9 所示。

圖9 裝配式系纜墩斷面圖Fig.9 Typical section of prefabricated mooring dolphin

5.2 優(yōu)化減壓排水

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)基坑開(kāi)挖后塢底部分的地質(zhì)和滲流情況，建議取消了原橫管、縱管和暗溝，采用20 cm 厚無(wú)砂大孔混凝土排水，并取消原檢查井和相應(yīng)附屬設(shè)計(jì)，在塢底臨近塢壁部位設(shè)置暗溝。

6 干塢實(shí)施效果

6.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠度高

排樁支護(hù)式干塢結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠度高，干塢整體尺度驗(yàn)收完全滿足規(guī)范要求。通過(guò)每次灌排水周期連續(xù)觀測(cè)，截至目前塢壁噴錨結(jié)構(gòu)完整，基本無(wú)裂紋，塢壁結(jié)構(gòu)及止水樁變形觀測(cè)位移均滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

6.2 滲流量小，止水效果良好

2020 年5 月1 日，干塢作為沉管預(yù)制場(chǎng)正式交付使用，雙塢滲流量約為3 600 m3/d（設(shè)計(jì)要求使用期雙塢滲流量不大于4 000 m3/d），止水效果良好。

6.3 成功解決作業(yè)面受限問(wèn)題

成功解決了受周邊條件限制對(duì)預(yù)制場(chǎng)布置的影響問(wèn)題。施工中，敏感區(qū)域全部實(shí)現(xiàn)了深基坑垂直開(kāi)挖的效果，大大減少了預(yù)制場(chǎng)施工的影響范圍，在有限區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)預(yù)制場(chǎng)的功能布置滿足沉管預(yù)制、舾裝及存儲(chǔ)等功能要求。

7 效益評(píng)估

在施工過(guò)程中，進(jìn)行了多項(xiàng)的工藝優(yōu)化、設(shè)計(jì)優(yōu)化，減少、簡(jiǎn)化工序，降低工程量及施工難度，在外部阻工、拆遷滯后、用海政策調(diào)整等外部因素影響下，按期完成了沉管預(yù)制場(chǎng)建設(shè)，有效保障了工程進(jìn)度，為沉管預(yù)制施工奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

8 結(jié)語(yǔ)

沉管隧道建設(shè)為城市建設(shè)范疇，考慮施工方便、降低成本，選址盡量選擇在工程周邊。而干塢建設(shè)涉及到深基坑開(kāi)挖，在城市土地資源日趨緊張的條件下，基坑往往不具備大面積開(kāi)挖的條件。本工程結(jié)構(gòu)形式，能夠節(jié)約土地資源，并減少大面積開(kāi)挖帶來(lái)的施工影響，完全適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)不良地質(zhì)條件，同時(shí)具備典型性和一般性，在大連灣海底隧道建設(shè)工程中的成功應(yīng)用，對(duì)于國(guó)內(nèi)外其他沉管預(yù)制場(chǎng)建設(shè)、干船塢建設(shè)等，具有推廣示范意義，社會(huì)效益顯著。