常洪沉管隧道關鍵施工技術概述

【提 要】：干塢、管段制作、管段沉放、管段基礎和管段連接是沉管隧道建設的關鍵。由于工程建設條件的不同，沉管隧道建設的方法也各具特點。本文根據沉管隧道工程建設的關鍵技術和寧波常洪隧道工程土軟、水淺、淤重等客觀地質地理環境條件，介紹了沉管隧道工程的施工技術特點，如干塢邊坡穩定和管底基礎變形的控制技術、本體防水混凝土管段制作的裂縫和干舷控制技術、管段江中樁基基礎的施工和其與管底連接的技術工藝、管段基槽清淤和沉放定位施工技術，以及管段接頭連接（包括與岸邊段的連接和最終接頭）的施工技術等。
【關鍵詞】：常洪隧道沉管隧道施工技術

Abstract: Dry dock, element fabrication and sinking, tunnel element foundation and element joint are keys to immersed tunnel construction. Depending on different conditions in different projects, construction methods for immersed tunnel vary with their respective features. This article, based on key technique and different objective conditions in terms of geography and geology, such as soft soils, shallow water, and heavy sludge seen in ChangHong tunnel, presents features of key construction technique in ChangHong Project, such as slope stability and bottom settlement control in dry dock, cracks control and freeboard control technique respectively for element fabrication, pile foundation construction, and piles-tube connection technique, such technique like, sludge cleanup in immersion trench, and element sinking/positioning technique together with element joint (including connection to abutment and final joint).
Keywords: ChangHong Tunnel, immersed tube tunnel, construction technique.

在我國，采用沉管法修建大型水底交通隧道的歷史不長，工程也較少。寧波常洪隧道是我國大陸第三條沉管隧道，也是國內第一條采用樁基礎的沉管隧道。該隧道于1999年6月8日奠基動工，2002年3月正式建成通車。工程建設中涉及的干塢施工、管段制作、基槽浚挖、樁基工程、管段接頭和管段拖運沉放等一系列關鍵技術，直接關系到整個工程的成敗。

1 工程規模及水文地質概貌
寧波常洪隧道工程北起江北的寧鎮公路與329國道交叉口，南至通途路，全長3540.092m，其中隧道段長1053.5m。隧道過江段采用沉管法施工，長395m，由四節管段組成，其中一節長95m，三節各長100m。隧道縱剖面和管段橫斷面見圖1和圖2。

甬江屬感潮河流，潮型呈不規則半日潮。根據近隧址處寧波水文站的統計，該處河段的平均高潮位為1.28m，平均低潮位為-0.48m，歷年最高潮位3.31m，歷年最低潮位-1.72m，最大漲潮流速為1.3m/s，最大落潮流速為1.2m/s。
工程江北段主要穿越灰色填土（Ⅰ3）、褐黃色至灰黃色粘土（Ⅱ）和灰色淤泥質粘土（Ⅲ1）等；江中段隧道將穿越灰色淤泥（Ⅰ1）、灰色淤泥質粘土（Ⅲ1，Ⅳ1），部分遇到灰色粉質粘土（Ⅳ1′）；江南段隧道則將穿越灰色填土（Ⅰ3）、褐黃色至灰黃色粘土（Ⅱ）、灰色淤泥質粘土（Ⅲ1）和灰色粘質粉土（Ⅲ2）。場地淺部地下水屬潛水類型，-42.13m以上無承壓含水層。

2 干塢施工
用于管段制作的干塢選址在甬江南岸的隧址處，塢口軸線與隧道軸線重合。干塢的規模為一次可制作全部（四節）管段，總占地面積約4.3萬m2，塢底面積1.9萬m2（圖3）。
干塢的塢底標高為-7.50m，可滿足在一定潮位條件下管段3小時移位至塢口深槽位置的要求。為了保證管段起浮、移位后在塢內舾裝、系泊過程中遇低水位不擱底，塢口處設坑底標高為-9.67m的舾裝深槽。干塢施工的總土方開挖量33萬m3。干塢施工的關鍵是邊坡的穩定和基底沉降的控制。

2.1 干塢基坑的邊坡穩定
根據計算和基坑試挖的結果，干塢分三級放坡，綜合坡度為1:3.5，中設兩級1.5m寬平臺。邊坡采用干砌塊石水泥砂漿勾縫的護坡方式，并在塊石護坡體中設置縱橫向鋼筋混凝土梗格。
干塢土方施工時的臨時邊坡控制在1:3左右，中設兩級寬度為10m左右的施工平臺，分別供2臺1.0m3挖掘機將土方向上翻挖；地面再配1臺挖機將接力開挖的土方裝運。
邊坡土體的排水采用石屑倒濾層，并以梗格底角處放置的1m長毛竹排水管作為泄水孔。邊坡坡面每級平臺上設橫向截水溝，與順坡向排水溝構成坡面排水系統，可及時將坡面匯集的和泄水孔流出的水引排到塢底排水系統中，確保邊坡的安全。
為提高干塢邊坡的穩定性，減少地下水的滲入，沿干塢周邊，在干塢第一級平臺位置（-1.10m）處設置一排φ700mm深層攪拌樁，穿過Ⅲ2灰色粘質粉土透水層作為隔水帷幕。為了保證臨江側干塢邊坡和大堤的穩定，臨江側岸壁保護結構采用寬8m的格構型攪拌樁重力式結構。
塢墩結構為滿堂攪拌樁，結構周邊及中間縱橫插入“H”型鋼，頂部面層以30cm厚的鋼筋混凝土板聯系。為加強塢墩和大堤保護結構的連接，避免接縫滲漏，施工時兩者之間接縫以鋸齒型搭接。
為避免坡腳處開挖過深，將塢底周邊的排水管設于距坡腳3.0m處。施工時分段從坡腳處按1:2的坡度放坡開挖并埋設φ600管道。
干塢施工過程中加強對干塢地表和各平臺處的沉降和位移的監測，并應用角點效應的概念，采用角點效應比分析干塢邊坡變形和變形速率，以判斷基坑的穩定性。當實測的變形量或變形速率比計算值大10%~20%時，即報警并采取穩定邊坡措施。
2.2 干塢塢底處理
為了避免管段制作因干塢地基變形產生裂縫，干塢施工時對干塢的塢底基礎作了換填處理，換填厚度為1.5m。由于塢底基礎不但要滿足承載變形要求，而且要能消除管段起浮時的吸附力，因此管段下換填基礎的上層為50cm的碎石起浮層。管底和道路下的換填基礎設計如圖4所示。
根據現場試驗所得參數進行的三維有限元分析，采用換填基礎可滿足管段制作時差異沉降不大于20mm的要求。

3 管段制作
3.1 本體防水的混凝土管段結構裂縫控制
混凝土配合比的設計中應用了摻加粉煤灰和外加劑的“雙摻”技術，以減少水泥用量，降低水化熱，提高混凝土工作性和抗滲性，并可補償收縮，從而最終達到減少裂縫產生、提高混凝土抗裂和抗滲性的目的。通過對多組配合比的混凝土強度、抗滲、重度、施工性能，以及絕熱溫升等指標的測定比較，選擇了如表1的管段混凝土配合比。


為了達到混凝土配合比的設計要求和性能，首先對原材料的供應和計量進行嚴格控制；其次根據夏季施工的環境溫度，搭設原材料涼棚，并用冰水拌和混凝土；再是通過外加劑中緩凝組份的調節來控制混凝土配合比在不同季節條件下的施工性能。
根據地基沉降分析結果，管段制作采用由中間向兩端推進的分節澆筑流程。每節管段共分5小節，每小節澆筑長度控制在17~20m左右。每兩小節間設寬1.5m左右的后澆帶以減少管段因溫度應力及縱向差異沉降而產生的裂縫。每小節的管節分三次（底板、中隔墻、頂板及外側墻）澆筑，澆注時嚴格控制各次混凝土澆筑的間隔時間，其中底板和側墻的澆搗間隔時間不超過20d。
由于管段結構采用的混凝土絕熱溫升達到53℃，如不采取降溫措施，結構混凝土的內外溫差可能超過40℃，裂縫比較容易產生，所以必須采取冷卻措施。根據計算，因底板和頂板的溫度應力遠小于同期混凝土的抗拉強度，所以冷卻管的布置范圍僅為外側墻內。每墻冷卻管雙排布置，排間距為400mm。底層冷卻管布置在底板與側墻的施工縫以上200mm處，共布置9層18根冷卻管（圖5）。

在每小節管節制作時設三個溫度監測斷面（分別設于側墻的1/4，1/2和3/4位置處）對混凝土溫度進行監測。溫度監測采用自動數據采集儀。監測結果表明由于采用混凝土冷卻措施，混凝土的溫差控制在15℃以內，混凝土溫度應力可降低50％以上。
管段混凝土采用泵送。外側墻與頂板一次澆搗完成，以減少施工縫的形成。外側墻澆搗過程中，使用了3m間距排列的澆搗串筒，以防止混凝土離析，同時采用分層澆搗以保證混凝土的密實。
管段養護時，底板和頂板采用蓄水養護；中隔墻采用帶模養護；外側墻外側采用懸掛土工布并噴淋養護方法，內側則采用懸掛帆布封閉兩端孔口后保濕養護的辦法。
3.2 管段干舷控制
為了提高混凝土結構的抗滲性能，在模板設計中取消了外側墻模板的對拉螺栓，所以管段制作的模板除需達到保溫、保濕和平整度要求外，整個系統還需有足夠的剛度，保證在施工荷載作用下變形不大于L1/500，以達到管段制作的精度要求。
混凝土生產中除對原材料的采購進行管理外，還必須對計量系統經常校準，保證每拌、每次混凝土的稱量精度。此外，混凝土的澆筑嚴格按規范分層澆搗密實。每次混凝土澆搗完成后需將方量、試塊重度等仔細統計并匯總，實行材料總量控制，以提供管段干舷計算分析。

4 基槽浚挖和清淤
江中基槽浚挖和基槽內回淤處理是管段沉放前的重要工作，其完成質量是沉放成功的保證。
4.1 基槽浚挖
以往水中挖泥由于抓斗定位精度差，造成抓斗水下挖泥超挖和欠挖，使基槽平整度差，標高達不到要求，所以解決挖泥精度問題的關鍵是定位。
雙GPSRTK定位定深系統可對船舶進行三維精確定位，其平面定位精度為2~3cm，高程精度4~6cm。系統能以平面和剖面的圖形數據形式將泥斗位置和深度顯示在監控屏幕上指導操作者挖泥。
基槽浚挖分普挖與精挖兩步進行。普挖深度為基槽底面以上2m至河床頂面的部分，精挖為剩余部分。
4.2 基槽清淤技術
基槽清淤采用由自航耙吸船和抓斗挖泥船聯合組船的方案，利用抓斗挖泥船的6只錨控制自航耙吸船的船位和清淤點的進點。
清淤采用定點、分層施工。施工過程中采用回聲測深儀檢測，吸完一遍檢測一次，一般需往復清淤3~4遍，才能清至要求的水樣比重和水深度。

5 管段基礎施工
管段基礎施工的關鍵是樁基施工的精度控制和管底與樁的囊袋灌漿連接傳力。
5.1 樁基施工精度控制
樁基施工精度的控制包括預制樁制作的精度和江中沉樁的精度控制。
預制樁由60cm×60cm預應力鋼筋混凝土方樁和長3m、φ750mm直徑的鋼接樁組合而成，便于樁頂標高修正。通過對混凝土方樁的制作工藝和鋼樁自動焊接加工的工藝控制，確保鋼管樁與方樁拼接軸線誤差控制在3mm以內。
基槽第一次普挖完成后，即開始江中樁基施工。27~37m長的樁采用63.8m高樁架的打樁船分兩步實施，先將樁頂施打到水面以上2m左右停錘，然后用5m或15m長送樁設備將樁送入水面下設計標高。沉樁平面定位采用2臺經緯儀交會方法，并應用全站儀進行坐標校核；高程采用全站儀校核。沉樁高程誤差在0~-5cm之間，沿管段平面橫向誤差≤10cm，縱向誤差≤15cm，垂直誤差≤0.4%。
5.2 管底囊袋灌漿
樁頂與管底是通過囊袋灌漿連接傳力的。囊袋直徑為φ1500mm，完全充漲后的厚度為40cm，可以調節樁與注漿孔間平面位置±35cm和間隙±20cm的位置偏差。
囊袋灌漿材料為3.3砂率的砂漿，7d強度>8MPa，28d強度>14MPa。在管段沉放就位后立即在管內實施灌漿，以使管段由臨時支承轉換為樁基支承。施工時先灌注支承千斤頂附近的兩排孔，再從管段自由端向壓接端灌注。灌漿時先打開通氣閥，當通氣孔中冒出濃漿，再關閉通氣閥灌注，直至達到每孔設計灌漿量。灌漿時對千斤頂壓力和灌漿口壓力進行嚴密觀測，以防管段抬升。
5.3 管底充填灌漿
管段沉放到位后，為確保所有樁基與地基共同受力，須對管底空隙進行灌漿充填。管底充填灌漿在管段回填覆蓋完成后進行。根據試驗，充填灌漿的最大擴散半徑可達到7m。灌漿同時對管段接頭間相對位移和管段抬升情況進行監測，一旦有微小運動即停止灌漿，以防管段抬升。

6 管段浮運與沉放
管段浮運沉放的技術關鍵是管段水平和垂直控制的方法，以及管段水下沉放對接的姿態監控和管段沉放后的穩定。
6.1 管段水平控制系統
管段浮運、沉放水平控制的錨纜系統布置如圖6，其中干塢周邊布置9臺管段塢內移位和縱向浮運出塢用絞車；江北岸邊布置4臺縱向浮運絞車；江中布置3對6只沉放用橫向定位錨碇。
管段浮運采用岸控方式。根據水力模型試驗結果，江北岸的4臺牽引絞車、管段出塢牽引用的塢口2臺絞車，以及控制管段前后平衡的尾纜絞車按100kN能力配置，其余岸上僅作移位和平衡穩定用的絞車按50kN能力配備。
管段沉放采用首尾錨和邊錨定位系統，其中E1和E2兩管段的尾纜系于管段底板處，以保證管段沉放時南側輔助航道上船只通行的水深條件。三組江中錨碇塊分別布置在江中管段接頭的沿線上，每只錨碇塊距隧道軸線360m，可提供1000kN力。

6.2 管段垂直控制系統
管段沉放采用雙浮箱吊沉法。鋼浮箱按2%的起吊能力設計，浮箱尺寸為20.5m×12m×3m。
管內水箱的儲水量按1.04的管段抗浮安全系數設計，可為管段在沉放的各個階段提供相應的負浮力。由于甬江河道積淤嚴重，水箱設計時水重度取值參考原甬江隧道和國外海中沉管的經驗，取為10.26kN/m3，并考慮管段拖運沉放時±6°的最大縱、橫擺角。
管段每孔中的各個水箱由1根進排水總管連接，并配水泵1臺。左右2孔的兩根水管之間設1根連通管，以便2根總管相互備用。進排水系統可采用強制進水、自然進水和隔腔排水等操作方式。
管段支承采用三點支承方式，前端采用鼻托擱置，后端兩個垂直千斤頂擱置于臨時支承上。臨時支承結合管段樁基采用鋼管樁。
6.3 管段浮運、沉放作業
管段過江浮運和沉放選定在農歷廿三或廿四中潮差最小、流速最緩的一天中進行。其中將過江浮運、消除干舷沉放放在施工當天一個慢流的時間段內，而潛水檢查、對接則安排在下一個慢流時間段內進行，作業計劃如圖7。

管段浮運分為兩個階段：沉放前一天午后平潮時由塢頂絞車將管段移出塢口50m，然后系纜過夜；沉放當天換纜成為過江浮運系纜布置后即起航浮運，浮運速度不超過10m/min。
管段浮運至距已沉管段10m位置處，即停頓調整系纜布置進入沉放狀態。管段沉放首先需灌水克服干舷，然后繼續灌水達到管段下沉所需的約1%的負浮力。
當浮箱吊力達到1%負浮力時，即以約30cm/min.的速度放纜下沉。下沉開始時先按沉放設計坡度調整管段姿態，然后前移至距已沉管段3m處繼續下沉，當距設計標高1m時，再前靠至距已沉管段20cm距離處，將管段擱置在前端結構下鼻托上，同時伸出尾端垂直千斤頂，擱置在支承鋼管樁上。最后通過水平定位系統和臨時千斤頂對管段的平面位置和縱坡進行調整，準備拉合對接。
待沉管段調整到設計的姿態后，即從岸上絞拉滑輪組拉合管段，然后再打開封門上的?100進氣閥和φ150排水閥排除隔腔內水，進行水力壓接。
6.4 管段浮運、沉放三維姿態測量
管段浮運、沉放采用坐標測量方法。沉放時在甬江兩岸隧道軸線兩側設立2個測站3臺全站儀，通過測量管頂測量塔上的棱鏡坐標，并根據管段特征點和棱鏡坐標的相對坐標關系確定管段水下三維姿態。整個測量系統具有人工對準、自動采集、數據通信（有線或無線）傳輸、計算機處理并實時顯示管段三維姿態的功能，可滿足管段沉放平面定位精度±30mm、高程定位精度±35mm的要求；系統的數據采集頻率可達5s一組，滿足了管段沉放的定位操作要求。
6.5 管段沉放后穩定
水力壓接完成后，緩緩放松鋼浮箱上吊纜，使整個管段由前端鼻托和后端兩個垂直千斤頂支承。然后根據實測的江底最大水重度，向管內水箱內灌水，直至抗浮安全系數達到1.03左右為止。隨后立即拆除鋼浮箱、測量塔、人孔井等管頂舾裝件，以便盡快對管段進行鎖定拋石施工。
沉放完成后需在管段外側齊腰部進行鎖定回填，以確保管段的穩定。回填施工采用網兜法，施工拋石分絲、分層、對稱進行，由距自由端1/4處向壓接端拋填，剩余部分待下節管段沉放后完成，以防拋石滾落到下節管段基槽影響沉放。為提高定位精度，將定位定深系統應用于鎖定拋石。

7 管段連接
7.1 管段間接頭
管段間采用柔性接頭形式，如圖8。其中，GINA橡膠止水帶和OMEGA橡膠止水帶構成管段接頭的兩道防水屏障；預應力鋼纜則作為7°地震工況下的接頭限位裝置，這種裝置又可在管段最終接頭施工時提供一部分管段止退力。同時接頭處還設置了水平和垂直剪切鍵。
GINA止水帶在管段制作后期、塢內灌水前完成。安裝前必須保證管段端鋼殼的面不平整度小于3mm，每米面不平整度小于1mm，垂直和水平誤差不允許超過3mm。
OMEGA止水帶的安裝在管段沉放后、管段接頭處兩道封墻拆除前完成。為了安裝方便，OMEGA止水帶在底邊留有一個現場硫化熱接接頭。OMEGA止水帶安裝完成后即連接接頭鋼拉索，并旋緊連接套筒使拉索預緊。之后對鋼拉索進行外裹橡膠伸縮管和熱縮管、內注油脂的防腐防銹處理，并在外側設置1.5cm厚的防火板，以達到耐火溫度為1200℃，耐火持時為1h的防火要求。
最后進行管段底板處水平剪切鍵的制作，中隔墻處垂直剪切鍵的施工須待管段穩定后進行。

7.2 管段與江北隧道的連接
由于江中E1管段沉放后與江北連接井連接并擱置在其底板上，所以連接井端面設計成管段端面形式。同時為減小岸邊段與沉管段結構的差異沉降，在連接井處采用了φ800的鉆孔灌注樁基礎。
連接井開挖深度約15m，最深處達15.68m。連接井施工時兩側采用0.6m厚、28m深的地下墻，端部采用26m長的SMW樁（內插700(300型鋼）作為圍護結構。待新的江北岸邊防汛體系建成后，即拔除圍護結構的端部型鋼，以便江北側的浚挖和沉放作業。
7.3 江南最終接頭干地施工
由于管段由北向南依次沉放，所以E4管段與江南暗埋段的接頭為沉管的最終接頭。
最終接頭采用干地法施工。施工前的塢口封堵是依靠E4管段尾端頂部的擋墻、管段沉放后兩側澆筑的水下混凝土剪切鍵和管底的注漿實現（圖9）。擋墻在管段出塢前制作完成，既可作管段壓重，又可作擋土墻之用。

E4管段與江南暗埋段的連接接頭為變形縫形式。E4制作時在其南端頂板預留了間距為12cm的剪切銷，底板制作了剪切鍵，端面埋置了鋼邊橡膠止水帶。
為使E4管段與江南隧道結構沉降協調，江南第一節暗埋段的基礎采用樁基形式，共布置5排20根ф1000的鉆孔灌注樁。同時在接頭處設置了1條OMEGA止水帶，以作為該接頭的止水措施。

8 結語
常洪隧道是國內第一條樁基沉管隧道。由于在沉管隧道建設中，針對隧址處的水文、地質和工程條件，采用合理施工技術，抓住技術關鍵，精心管理，使工程以“高起點、高水平、高標準、低成本”的一流水平取得成功。
參考文獻
［1］ 劉千偉，楊國祥，周松. 寧波市常洪沉管隧道工程. 世界隧道. 2000年第6期

新聞來源：《城市交通隧道工程最新技術》