天津市海河隧道工程沉管施工关键技术

天津市海河隧道工程沉管施工关键技术 天津市海河隧道工程沉管施工关键技术

王朝辉

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300456)

摘 要：对中央大道海河隧道工程沉管施工关键技术进行了分析研究，阐述了沉管接头抗震分析、管段预制及沉放、干坞稳定性分析以及护岸结构稳定性分析等关键技术，为我国北方地区、高震区修建类似工程积累经验。

关键词：软土地质；高震区；沉管隧道

1 工程概况

中央大道海河隧道工程位于天津市滨海新区于家堡中心商务区和东西沽地区，是一座穿越海河的市政公路隧道工程，过河段采用沉管法施工工艺，沉管段设计里程为K28+492.0～K28+747.0，由3节管段组成，长度分别为85 m、85 m、(80+5)m，断面尺寸为36.6 m×9.65 m，管段接头采用柔性接头体系，按照八度抗震设防。沉管工程(平面见图1)主要包括岸壁保护结构、干坞、管段预制、河槽浚挖、管段基底处理、岸边连接段施工等主要工序。

图1 沉管工程平面图

本工程位于滨海相软弱地质层，地质层主要由淤泥层(3～12 m)、淤泥质土、黏土、夹粉土、粉质黏土、粉砂、细砂(20～25 m)等组成，具体见图2，土层含水量大，渗透系数小，稳定性差。

图2 地质情况示意图(单位：m)

2 沉管工程重难点

2.1 沉管柔性接头体系

管段接头采用柔性接头[1]体系(图3),主要由GINA橡胶止水带和OMEGA橡胶止水带形成两道防水线，管段接头处设剪切键和钢拉索限位装置。沉管隧道在地震波载荷的作用下，沉管之间的接头部位可能被破坏，导致沉管漏水。为确保计算的有效性，须探索出沉管隧道计算新方法，以确保高地震条件下沉管隧道的受力性能，合理进行柔性接头各组成部分的结构设计。

图3 管段柔性接头示意图

2.2 沉管隧道基础处理

本工程位于滨海相软土地质条件下，以及华北平原地震带上，抗震设防为八度，工程基础要求抗震性能好、沉降量不能过大或者产生不均匀沉降，在地震发生时基础不能产生液化。管段(见图4)采用后铺法注浆基础[2]，在不可视条件下进行，如何确保其质量与安全，国内亦缺少针对性研究。

图4 管段基础

2.3 管段预制施工

整体式沉管隧道管节外形庞大，管节长度一般为85 m，兼备大体积及薄壁多孔箱型混凝土结构的特性，且部分管节设计为曲线。管节预制时，混凝土裂缝宽度要求小于0.15 mm，且无贯穿裂缝，控制难度大。

2.4 大型沉管管段浮运沉放

目前，国内外沉管隧道浮运一般采用拖船牵引航运的形式，但是内河沉管隧道采用此工艺，大大增加了机械、物资设备等方面的投入，而且沉管在沉放过程中，容易发生倾覆，干舷高度、定倾高度很难控制。

2.5 软基环境下轴线干坞稳定性

图5 管干坞平面示意图

干坞是沉管隧道管段预制的重要场所(见图5)，坞顶面积为5.4万m2，使用时间为两年半，采用放坡开挖的方式，在整个沉管隧道建设过程中需经历开挖、充水、再排水的复杂过程，其中涉及到土体的卸载、扰动、浸润、水压力变化、渗流力作用、孔隙水升降等一系列的复杂作用，其力学特性变化很大，使得其边坡稳定性分析非常复杂。

2.6 护岸结构稳定性

岸壁保护结构采用地下墙构筑的格构式重力挡土墙。地下连续墙最深52.5 m，采用十字钢板接头，大多为异形槽段，穿越砂层达25 m，临近海河施工。坞口采用?1 190 mm锁扣钢管桩，桩长52.5 m。沉管隧道护岸结构，作为轴线干坞基坑以及隧道基槽浚挖的重要围护结构，其结构受力复杂，稳定性要求高。

3 沉管工程关键技术

3.1 沉管隧道抗震分析

(1)采用大型精细有限元模型(见图6)与等效质点—弹簧模型的联合分析方法，对沉管隧道进行抗震分析。两种方法对比分析，有效地提高了抗震分析的可靠性。

(2)针对沉管隧道的复杂几何形状及动力计算中边界条件的尺寸效应，首次建立了沉管隧道与周边土体、水体的大型三维精细有限元模型。该模型可考虑沉管隧道、周边地层、加固土体等关键结构细节及结构与土体的共同作用，对提高分析精度具有重要作用。

(3)首次采用预应力钢拉索解决接头(接头局部模型见图7)之间的抗震错动，提出了能真实地反映接头受力变形特性的沉管接头模型，解决了传统弹簧模型的简化失真难题。

图6 有限元计算整体模型 图7 接头局部模型

3.2 沉管隧道基础处理技术

(1)采用沉管隧道钠基膨润土注浆法基础，成功解决软土地区的不均匀沉降及高震区砂土液化问题，基础差异沉降仅0.3 cm，最终沉降值1.4 cm，控制差异沉降及最终沉降值为国内外最小。

(2)自主研发了水下注浆基础模拟试验平台(见图8)，制定了科学合理的注浆工艺。

(3)采用了沉管注浆基础二次注浆技术，有效地防止了由于运营期间交通量增加或年数久远、沉管发生累积沉降量过大现象，为沉管工程安全使用增添了一道安全屏障。

(4)研发了沉管隧道基础冲击映像法检测技术(检测效果见图9)，在不可视条件下，快速的检测出浆液的扩散、填充情况，有利于动态控制，提高了水下施工质量安全。

图8 注浆基础试验模拟平台 图9 冲击映像法检测效果

3.3 大型曲线管段预制技术

(1)在沉管隧道领域，首次采用聚脲防水涂层设计，有效增加了大型沉管隧道整体防水性能。

(2)采用分段、分层的预制工艺(管段预制阶段见图10)，采用整体大型台车模板[3]，针对华北地区气候特点采用了薄壁大体积混凝土管段防裂施工技术，确保了管段预制质量。

3.4 大型沉管管段浮运沉放技术

(1)沉管段管节处于R=1 500 m的曲线上，单节管段近3万t，曲线管段干舷高度、定倾高度控制难度大。

(2)采用边管廊压载水箱沉放技术[4]，解决了沉管下沉过程中管段失衡问题。通过测量监控技术，保证了管段下沉与对接精度，提高了施工安全质量。监控结果表明，轴线偏差以及高程偏差均远远小于设计限值，最终轴线偏差1.3 cm。

(3)沉管浮运采用岸控方式(见图11)，较传统采用拖船牵引方式更经济、安全，避免了大型拖轮水上作业，减少了潜水员水下作业量。

图10 管段预制阶段 图11 管段浮运出坞口

3.5 干坞稳定性及施工技术

(1)对不同施工阶段干坞边坡的稳定性进行了分析[5]，得出了不同工况下的干坞边坡稳定系数，这些稳定系数的得出，为最终确定合理的坡率起到至关重要的作用。

(2)滨海新区海河沿岸地质水文条件复杂，分别采用极限平衡法和工程类比法，最终确定基槽的边坡坡率为1∶4，合理的边坡坡率既能保证干坞的稳定性、确保施工安全，达到预期使用性能，又能合理的节约用地面积。

(3)通过室内试验，得出了土层在卸载后的强度变化规律。根据此变化规律，采用有限元法计算分析了土在加荷指标和卸荷指标条件下干坞基底承载力特性。计算结果表明(图12、图13)，卸荷后地基极限承载力仅为加荷条件下的70%。计算基底承载力时，需将卸载影响深度范围土层的强度参数进行相应折减，确保基底承载力的合理性和科学性，最终保证了干坞的稳定性和安全性。

图12 边坡水平位移等值线 图13 计算结果云图

(4)采用坡脚毛竹结合素混凝土抗滑梁措施[6]，比采用传统土体加固、钢筋混凝土格梗或拉锚等措施更为经济、便捷，抗滑移效果更好。

3.6 护岸结构稳定性及施工技术

(1)分别采用规范法和三维非线性有限元法，分析了岸壁保护结构的整体稳定性，并采用空间非线性有限元方法对其强度进行了计算(图14)。根据不同的基槽开挖深度，确定了格构式挡墙的厚度、埋深及平面布置。

图14 护岸结构SE-2格构变形计算图

(2)采用地下连续墙形成的格构式挡墙作为岸壁保护，地下连续墙接头采用十字钢板刚性接头，成功解决了海河护岸结构、干坞开挖的稳定性问题。

(3)采用粉煤灰止水砂浆桩作为钢管桩迎水面止水帷幕[7]，解决了后期坞口拆除困难问题，达到很好的止水效果。

4 结束语

中央大道海河隧道工程是国内首座在软土地质、高震区条件下建设的沉管隧道，通过对管段柔性接头体系进行抗震分析、管段预制及浮运沉放、干坞稳定性分析、护岸结构稳定性分析等关键技术进行总结，为合理地进行工程设计和和优化施工工艺提供了科学依据，可为今后类似工程提供参考。

参考文献：

[1]袁有为，王艳宁.大型沉管隧道柔性接头受力分析[J].天津建设科技，2016,26(04)：58-61

[2]代敬辉.软弱地基下大型沉管隧道管段预制关键技术[J].铁道标准设计，2012(08):87-91

[3]冯希民.中央大道海河隧道工程沉管段模板设计与施工技术[J].国防交通工程与技术，2010(04)：56-58

[4]郭建文.海河隧道沉管沉放对接的主要施工技术[J].铁道标准设计，2013(04)：73-77

[5]王艳宁，刘克谨，闫树旺，等.海河隧道干坞边坡的稳定性[J].交通科学与工程，2009,25(04)：51-56

[6]张斌梁.海河沉管隧道干坞关键施工技术[J].铁道建筑技术，2010(04):32-36

[7]肖刚刚.大型沉管隧道暗埋段主体结构防水施工技术[J].施工技术，2012(18)：121-123

Key Techniques for the Construction of Immersed Tubes of the Haihe River Tunnel in Tianjin

WANG Chaohui

(The 5th Engineering Co. Ltd. of the 18th Bureau Group of China Railway，Tianjin 300456，China)

Abstract：Upon the basis of analyzing and studying the key techniques for the construction of the immersed tubes for the Haihe River Tunnel Project under the Central Avenue of Tianjin,such key techniques for the project as the anti-seismic analysis of the joints of the immersed pipes,the pre-casting and sinking of the pipe segments,the stability analysis of the dry dock,as well as the stability analysis of the protective banks, are expounded in the paper.The paper helps accumulate experience for building similar projects in northern regions and high-seismic districts of our country.

Key words：weak soil;high seismic zone;immersed-pipe tunnel

收稿日期：2017-01-03

作者简介：王朝辉(1980—)，男，高级工程师，主要从事土木工程施工技术管理工作。

DOI：10.13219/j.gjgyat.2017.02.020

中图分类号：U455.46

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2017)02-0074-04