大型沉管隧道干塢二次圍堰設計及施工關鍵技術

庾焱秋,付 甦,王文龍,戴 也,楊蘇海

(1.中交第二航務工程局有限公司,湖北 武漢 430040; 2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室,湖北 武漢 430040; 3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心,湖北 武漢 430040; 4.武漢中力巖土工程有限公司,湖北 武漢 430071)

0 引言

隨著隧道設計和建設水平的不斷提升,沉管隧道因其優越的水文地質適用性、更短工期及更加可控的風險,得到越來越多的應用。國內不僅有港珠澳大橋海上沉管隧道[1-4]等舉世矚目的世紀工程,還有已成功建成的10余座內河沉管隧道[2,5-6]。

作為內河沉管隧道對接端施工的重要臨時工程,沉管的干塢施工方案在整個沉管隧道施工環節中的作用不容忽視[6-8]。

部分干塢施工中需在塢口管節沉放到位后進行二次止水[9-10],再進行對接端基坑開挖,施工對接端隧道并與已沉放到位的管節進行對接,完成沉管隧道的最后一步。二次止水結構的強度和止水性能是這一工序能否順利進行的重要一環,圍堰的結構形式、與沉管間縫隙的密閉處理成為需面臨的難題,我國在此方面經驗較少,缺乏系統性研究。

1 工程概況

襄陽市東西軸線道路工程魚梁洲段起于規劃旭東路東側,與東西軸線上跨大慶東路高架橋梁相接,往東連接東津區橫七路,終于縱四路西側,與上跨縱四路的東西軸線高架橋梁連接,主線全長5.4km,其中沉管隧道1 011m,明挖暗埋隧道4 389m, 是目前國內整體規模最大的內河沉管隧道。

沉管隧道分為東、西汊沉管兩部分,采用“兩孔一管廊”方案,結構寬31.2m,高9.2m,雙向6車道,設計使用年限為100年。

1.1 水文地質條件

襄陽東西軸線沉管隧道位于漢江東、西汊,水系主要為漢江及其支流。根據資料,最高水位65.770m,最低水位62.600m,年平均水位62.730m,最大流速4.74m/s。自崔家營水庫建成后,工程所在區域江面水流平緩,常年流速<0.3m/s,汛期最大流速0.8m/s。經工期及工藝分析后,干塢處二次止水圍堰的設計高水位確定為62.730m,不考慮流速。

根據地質勘察資料,干塢塢門處主要分布地層為第四紀地層,自上而下分別為粉細砂、中砂、卵石混圓礫、圓礫及泥巖,中間夾雜薄層粉砂和粉質黏土層。整體透水性強,但地質條件對二次止水圍堰的設計影響有限。

1.2 對接端塢口結構

東、西汊干塢塢口對接端均位于現狀大堤上,現狀大堤堤頂標高66.300m,卵石壓重+鐵絲網支護,坡率為1∶3,堤頂有一約6m寬道路,路面為泥結土石結構。塢口對接端寬37.2m,東汊干塢支護結構頂標高66.300m,西汊干塢支護結構頂標高為66.000m。

二次止水圍堰采用雙壁鋼圍堰結構,夾壁內灌注輕質混凝土,雙壁鋼圍堰與現有塢口混凝土連續墻、已沉放到位的沉管及干塢底板間采用預埋凹槽等方式定位及連接。

1.3 工程難點

1)對接端水位高,平面單邊式鋼結構圍堰自身剛度難以保證,需采取措施提高圍堰壁體本身的受力性。

2)圍堰支撐體系需借助干塢兩側地下連續墻進行支撐,支撐布置需避開薄弱部位,且支撐最大長度達25m,需設置立柱以控制其豎向變形。

3)干塢塢口寬度接近40m,圍堰尺寸較大,自重大,起吊、下放難度大。

4)塢口管節沉放完畢后,斷面形狀不規則,管節兩側與地下連續墻間均有狹長空間,圍堰立面布置需充分考慮該空間的處理。

5)圍堰下放時定位難,圍堰與地下連續墻和沉管頂部及側壁的連接問題很關鍵,關系到圍堰功能發揮。

6)圍堰自身及與既有結構接縫處的止水問題。

2 干塢施工工藝

2.1 施工工藝流程

岸堤防護及對接端基坑施工順序如圖1所示。

圖1 干塢對接端基坑施工流程

2.2 二次止水方案

二次止水采用鎖扣型分片吊裝雙壁鋼圍堰形式,圍堰底部嵌入沉管和干塢底混凝土板上預留的槽口,圍堰兩側與地下連續墻通過格形地下連續墻上預埋止水帶連接,鋼圍堰與沉管兩側通過嵌入沉管的環梁連接。

圍堰沉放到位后,圍堰夾壁內澆筑輕質混凝土,待混凝土達到設計強度后,進行密閉性檢查,然后開始干塢內逐層抽水和安裝支撐的作業。

二次止水圍堰施工工藝流程為:WS沉管沉放完成→鋼圍堰分塊沉放安裝到位→圍堰夾壁內澆筑輕質混凝土→安裝頂層支撐系統→圍堰內逐層抽水并安裝支撐→水密性試驗→干塢內明挖段隧道施工。

3 二次止水圍堰設計

3.1 二次止水圍堰結構形式

止水圍堰呈“一”字形布置,長37.2m,寬1.0m,東汊干塢止水圍堰兩側高20.35m,中部高10.45m;西汊干塢止水圍堰兩側高23.88m,中部高13.98m。下面以更不利的西汊干塢止水圍堰結構設計為例。

止水圍堰與干塢整體關系如圖2所示。

圖2 西汊干塢塢口平面布置

止水圍堰采用雙壁結構,由3塊壁體拼接而成,塊體間采用“C-T”鎖扣連接。圍堰下放安裝到位后,于水下澆筑混凝土,與兩側地下連續墻及沉管外殼共同止水。干塢側安裝3層腰梁及內支撐。二次止水圍堰結構如圖3所示。

圖3 西汊干塢二次止水圍堰結構(單位:cm)

3.2 二次止水圍堰結構計算

3.2.1工況分析

二次止水圍堰施工工藝流程為:①沉管沉放完成;②止水圍堰分塊沉放并連接到位;③沉放到位后,圍堰夾壁內分3次水下澆筑混凝土;④干塢內抽水至第1層內支撐下1.000m標高,焊接第1層腰梁,架設第1層鋼管撐;⑤干塢內抽水至第2層內支撐下1.000m標高,焊接第2層腰梁,架設第2層鋼管撐;⑥干塢內抽水至第3層內支撐下1.000m標高,焊接第3層腰梁,架設第3層鋼管撐;⑦干塢內抽水到底。

圍堰施工階段涉及的計算荷載包括結構自重(G1)、新澆混凝土自重(G2)、新澆混凝土側壓力(P1)、靜水壓力(Pw)。根據工藝流程,擬定計算工況及對應計算荷載如表1所示。

表1 計算工況

3.2.2模型計算

采用有限元軟件建立模型,壁板、環板采用板單元模擬,豎向次梁、水平橫撐、鎖扣、腰梁、鋼管撐采用梁單元模擬,腰梁與壁板間共節點,支撐與腰梁間剛接。整體模型如圖4所示,計算結果如圖5所示。

圖4 二次止水圍堰計算模型

圖5 二次止水圍堰計算結果

鋼圍堰壁板的最大應力為187MPa,壁體內梁系的最大應力為167MPa,腰梁最大應力為20.6MPa,支撐最大應力為15.7MPa,鋼圍堰整體最大水平變形6.9mm,圍堰強度及剛度均滿足規范要求。

3.2.3結構補充計算

開始抽水并安裝支撐系統后,圍堰側壁與格形地下連續墻間的連接措施存在無效可能,考慮此極限情況,對圍堰工況4～7進行極限邊界條件下結構驗算,即護腳墩以上按懸臂考慮(無連接措施)。經計算,極限情況下圍堰結構能滿足設計要求。

除此以外,對面板參與作用的豎向次梁有效截面強度、面板有效應力及起吊吊耳等均進行了補充驗算,結果滿足設計要求。

4 施工關鍵技術

4.1 圍堰拼裝及沉放

圍堰大部分結構為焊接形式連接,焊縫強度與板材強度匹配。為確保圍堰具有良好的水密性,在鋼圍堰分塊制造、拼裝過程中,需嚴格遵守規范要求,防止焊接變形。

分塊壁體間采用鎖扣形式連接,鎖扣陰頭為雙拼槽鋼,陽頭為工字鋼,鎖扣通過鋼板底座焊接于拼接縫兩側圍堰壁體的環板和壁板上,具體結構如圖6所示。

圖6 圍堰拼接鎖扣結構

4.2 澆筑夾壁混凝土

圍堰夾壁采用輕質混凝土澆筑,澆筑時需控制水位,具體措施為:①避免在圍堰外水位過低時進行夾壁內超出外水位的夾壁混凝土澆筑,此時澆筑側壓力較大,圍堰結構無法承受,有失穩風險,且壁體焊縫處易出現局部破壞,導致漏水;②圍堰夾壁內水位全程保持與外水位一致或略低于外水位,減小澆筑風險。

輕質混凝土又稱泡沫混凝土,通過發泡劑將泡沫與水泥漿均勻混合后泵送進圍堰夾壁內,其優點在于:①重度小,澆筑過程中對圍堰壁體產生的側壓力小,對結構有利,且后期拆除時起吊難度小;②防水性能強,現澆輕質混凝土吸水率低,其內部相對獨立的封閉氣泡及良好的整體性,使其具有了比普通混凝土更好的防水性能;③環保性能好,所需原料為水泥和發泡劑,且可大量利用工業廢渣,價格低廉,降低成本。

輕質混凝土的引入有效降低了澆筑時對圍堰壁體鋼結構強度的要求,減少了圍堰用鋼量,同時也提供了鋼混復合墻體作為圍堰支護結構足夠的抗彎強度。

4.3 腰梁及內支撐安裝

圍堰腰梁及內支撐均為純鋼結構,腰梁通過焊接于圍堰鋼壁板外側的支撐牛腿與圍堰壁體相連接。除首層支撐系統外,其余支撐均需在干塢內部抽水后安裝,安裝時嚴格監測圍堰外水位,并嚴格控制內部抽水水位不低于設計要求,及時安裝腰梁和支撐,并檢查腰梁與圍堰間接觸情況,確保合理傳力。支撐系統標高盡可能避免位于夾壁混凝土分層澆筑線附近,確保安全。

4.4 腰梁止水措施

1)圍堰本身結構的止水重點在于板材及桿件拼接縫處,其焊縫需保證連續并有效,加工完成后做初步水密性試驗,確保圍堰壁體不因加工不到位等問題存在裂縫、裂口等。

2)圍堰分塊壁體間鎖扣內在澆筑夾壁混凝土前,采用封堵材料臨時填筑,封堵材料可就地取材,利用場地附近的黏性土作為臨時封堵措施。

3)圍堰與沉管側壁及沉管頂有較長的接觸段,作為止水圍堰的重要邊界,長達47m的接觸段不僅需有效約束圍堰壁體,還要確保止水可靠。經多方案比選后,現場采用槽形環梁+預埋工字鋼方式解決,具體結構如圖7所示。槽形環梁提前與沉管同時施工,工字鋼預埋在環梁上,環梁槽口寬度根據沉管的定位精度靈活調整。環梁也作為圍堰沉放時的定位機構,待圍堰沉放到位后,采用堵漏王封堵槽形環梁與止水圍堰壁體間空隙,然后進行夾壁混凝土澆筑,預埋工字鋼的存在使夾壁混凝土與環形槽梁能更好地形成有效連接。

圖7 圍堰與沉管連接節點

4)圍堰側壁與地下連續墻連接處為2條豎直拼接縫,拼接縫的處理是既有結構與二次止水圍堰間能否有效連接并止水的重要一環。經研究,拼接縫處的止水通過現澆混凝土柱實現,具體結構如圖8所示。

圖8 圍堰側壁與地下連續墻連接節點

在已建成的格形地下連續墻上植筋,二次止水圍堰下放到位后在夾壁內及與地下連續墻相連處現澆混凝土,通過L形鋼筋提高止水圍堰與格形地下連續墻的連接強度,通過混凝土柱實現接縫處止水。

4.5 基坑現場監測

干塢內抽水到底后,形成干環境作業空間,方可開始進行暗挖段隧道開挖。

隧道開挖過程中,需在干塢內布置多個監測點,重點監測二次止水圍堰內的漏水、變形、結構應力及重要節點或重點部位的外觀,一旦出現異常情況立即停工并上報,待問題處理后方可繼續施工。監測項目及監測方法如表2所示。

表2 基坑監測項目

經施工全過程監測,隧道開挖過程中,圍堰及周邊環境監測情況一切正常,二次止水圍堰成功發揮了作用,為對接端的順利施工奠定了基礎。

5 結語

襄陽東西軸線沉管隧道位于強沖刷、強透水地層,防洪及防滲要求高。作為華中地區的第1條沉管隧道,本項目經比選后采用大型雙軸線干塢方案,對于干塢塢口施工,其二次止水圍堰的設計是塢口沉管對接端施工質量的重要保證措施,可靠的止水圍堰設計能提供干燥的施工環境,有效提高對接端施工效率和質量。

通過對二次止水圍堰方案的項目論證和防滲措施研究,詳細介紹了分片吊裝式雙壁圍堰的設計思路、設計方案和施工關鍵技術,詳細分析了雙壁圍堰分塊拼接及定位、輕質夾壁混凝土澆筑及與既有結構的連接等問題,解決了干塢二次止水難題。

目前項目已成功實施,所設計的二次止水圍堰發揮了應有的功能,精細且前置的施工關鍵技術研究降低了施工過程中意外情況發生概率,為項目的平穩順利推進提供了堅實基礎。