大型沉管隧道管節(jié)工廠化預(yù)制關(guān)鍵技術(shù)

肖曉春

(上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)

0 引言

根據(jù)國際隧協(xié)提供的報(bào)告，沉管隧道是指由若干預(yù)制的管段，分別浮運(yùn)至現(xiàn)場，逐個(gè)沉放安裝，正確定位在預(yù)先開挖的水下溝槽內(nèi)，并將其相互連接，其后輔以相關(guān)工程施工，使這些管段組成的連接體與兩端陸域通道相連，形成隧道型的交通運(yùn)輸或輸水的結(jié)構(gòu)載體［1］。沉管法是20世紀(jì)初發(fā)展起來的一種修建水下隧道的新工法。從1910年美國底特律河用此工法修建的第1座水下隧道算起，目前全世界已經(jīng)建成的沉管隧道超過100座，沉管法已經(jīng)成為跨江越海通道建設(shè)的主流方案之一［2－5］。2006年國際隧協(xié)對世界范圍內(nèi)已建沉管隧道的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，近80%的沉管隧道建在歐美等發(fā)達(dá)國家［1］。在亞洲主要以日本為代表，截至目前已建成超過20座沉管隧道，中國香港已建成6座。相較而言，中國大陸起步較晚，但發(fā)展的速度較快。1996年在寧波涌江建成第1座公路沉管隧道，接著又先后建成了廣州珠江沉管隧道、寧波常洪沉管隧道和上海外環(huán)沉管隧道。上海外環(huán)沉管隧道的斷面達(dá)到43.0 m ×9.55 m(寬 × 高)，居亞洲之最，世界第三，這是中國沉管隧道建設(shè)史上的一次跨越式發(fā)展。目前，我國正在建設(shè)的港珠澳跨海通道工程采用沉管隧道和大橋相結(jié)合的方案，沉管隧道全長近6 km，包括33節(jié)管節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長180 m(由8個(gè)長22.5 m的節(jié)段組成)，規(guī)?？胺Q世界之最。在世界范圍內(nèi)已建成的大型沉管隧道工程有厄勒海峽(Oresund)［6－8］、韓國釜山巨濟(jì)(Busan-Geoje)［9］、土爾其 Bosphorus 海峽［10］沉管隧道等，這些工程的成功建設(shè)也為大型跨江越海通道建設(shè)提供了新思路。

在沉管隧道建設(shè)中，管節(jié)制作往往是工作量最大，也最容易制約工期的關(guān)鍵因素。常規(guī)的管段在干塢(或船塢)內(nèi)進(jìn)行預(yù)制，這種方法對管節(jié)數(shù)量在10節(jié)以內(nèi)的沉管隧道是合理的。當(dāng)管節(jié)數(shù)量過多的情況下，會(huì)因?yàn)楦蓧]的工程量過大或者需要解決臨時(shí)系泊區(qū)等變得不經(jīng)濟(jì)。為了克服大型沉管隧道建設(shè)中傳統(tǒng)干塢法存在的不足，在厄勒海峽沉管隧道工程中創(chuàng)新采用了一種工廠化管節(jié)預(yù)制方法，并取得良好的效果。本文針對大型沉管隧道的節(jié)段式管節(jié)設(shè)計(jì)施工理念，以厄勒海峽沉管隧道管節(jié)的工廠化制作為背景，對沉管隧道管節(jié)預(yù)制的一種新技術(shù)——工廠法預(yù)制技術(shù)的基本原理、場地布置、工藝流程以及工廠化預(yù)制所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 大型沉管隧道節(jié)段式管節(jié)設(shè)計(jì)

沉管隧道的管節(jié)設(shè)計(jì)有整體式和節(jié)段式2種。整體式管節(jié)內(nèi)無活動(dòng)接縫，整個(gè)管節(jié)作為一個(gè)剛性整體;節(jié)段式管節(jié)則是在每個(gè)管節(jié)中設(shè)置若干小節(jié)段，節(jié)段之間無貫通鋼筋，主要通過剪力鍵連接，在接頭設(shè)置防水。在水上浮運(yùn)與沉放階段通過臨時(shí)縱向預(yù)應(yīng)力拉索進(jìn)行連接，在沉放與回填覆蓋之后預(yù)應(yīng)力拉索將被剪斷或者在剪力鍵荷載太大的情況下設(shè)置永久的縱向預(yù)應(yīng)力。相對整體式管節(jié)而言，節(jié)段式管節(jié)剛度相對較小，又被稱為柔性管節(jié)。

這種節(jié)段式管節(jié)設(shè)計(jì)與施工首次在新加坡Tuas電纜隧道中應(yīng)用，沉管隧道全長約2.1 km，共分18個(gè)直線管節(jié)(每個(gè)管節(jié)長100 m)和4個(gè)曲線管節(jié)(每個(gè)管節(jié)長50 m)。每個(gè)管節(jié)又由若干長度為4 m的小節(jié)段通過預(yù)應(yīng)力索串聯(lián)而成。后來節(jié)段式管節(jié)又在厄勒海峽沉管隧道和韓國釜山巨濟(jì)沉管隧道中被采用，其中:厄勒海峽隧道全長約3.5km，共分20個(gè)管節(jié)，每個(gè)管節(jié)長176 m(由若干個(gè)節(jié)段組成，標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)段的長度為22.5 m);韓國釜山巨濟(jì)隧道全長約3.24 km，共18個(gè)管節(jié)，每個(gè)管節(jié)長180 m(由8個(gè)節(jié)段組成，每個(gè)節(jié)段長度為22.5 m)。以國內(nèi)某在建的沉管工程為例，管節(jié)的節(jié)段劃分及相鄰節(jié)段間的細(xì)部構(gòu)造見圖1。

無論是整體式管節(jié)還是節(jié)段式管節(jié)，都有其自身的優(yōu)勢，具體采用何種設(shè)計(jì)形式需要綜合考慮耐久性、防水、建設(shè)成本、工期、工程質(zhì)量、建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)及專業(yè)施工經(jīng)驗(yàn)等多種因素;但對長達(dá)數(shù)km的大型沉管隧道工程，節(jié)段式管節(jié)對運(yùn)營和地震工況下地基的變形具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，節(jié)段間橫向接縫預(yù)設(shè)柔性止水帶和剪力鍵，滿足運(yùn)營階段的節(jié)段間變形引起的剪力傳遞和水密性要求。從施工方面來看，節(jié)段式管節(jié)設(shè)計(jì)理念是將長達(dá)數(shù)十m甚至一百多m的特大型混凝土預(yù)制構(gòu)件劃分為多個(gè)小型的預(yù)制構(gòu)件，使管節(jié)制作的工廠化預(yù)制方法成為可能。這樣能大大提高管節(jié)的制作速度與質(zhì)量，降低工程成本。這一設(shè)計(jì)理念與施工方法代表了未來大型沉管隧道建造技術(shù)的發(fā)展方向。

2 管節(jié)的工廠化預(yù)制

2.1 工廠化預(yù)制的基本理念

與傳統(tǒng)的干塢內(nèi)管節(jié)制作法不同的是，工廠化預(yù)制法采用類似于盾構(gòu)隧道管片的流水線式生產(chǎn)模式:在室內(nèi)固定的位置完成鋼筋綁扎與移動(dòng)、模板支立、混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)等重要工序;通過對達(dá)到一定強(qiáng)度的節(jié)段頂推平移實(shí)現(xiàn)下一個(gè)增量匹配節(jié)段的循環(huán)作業(yè)，多次循環(huán)完成1節(jié)管節(jié)的制作;利用多級船閘的工作原理，設(shè)兩級塢池(淺塢、深塢)實(shí)現(xiàn)管節(jié)的檢漏、二次舾裝和出塢。由于大部分工作是在室內(nèi)進(jìn)行的，可以全天候作業(yè)，而主要工序又都是流水線作業(yè)，所以各道工序的質(zhì)量更有保證。

圖1 節(jié)段式管段設(shè)計(jì)實(shí)例Fig.1 Example of flexible tunnel elements configuration and joint detail

工廠化預(yù)制方案的總體布置分預(yù)制車間、淺塢區(qū)和深塢區(qū)3大部分。預(yù)制車間負(fù)責(zé)管節(jié)節(jié)段制作。淺塢區(qū)設(shè)置若干根滑動(dòng)軌道梁實(shí)現(xiàn)將已經(jīng)生產(chǎn)的管節(jié)節(jié)段逐節(jié)段向前推進(jìn)，以便騰出空間進(jìn)行新的節(jié)段澆筑。另外，當(dāng)1個(gè)管節(jié)澆筑完成后，淺塢區(qū)還是管節(jié)舾裝和檢漏的地方。淺塢區(qū)內(nèi)已經(jīng)生產(chǎn)完成的管節(jié)通過自浮移位到深塢區(qū)等待出塢。淺塢應(yīng)布置于預(yù)制車間的前方，深塢可以結(jié)合場地情況靈活安排在淺塢一側(cè)或淺塢前端。厄勒海峽隧道工廠化預(yù)制的總體布置見圖2，工程的現(xiàn)場實(shí)景見圖3。

厄勒海峽沉管隧道管節(jié)預(yù)制廠設(shè)2條生產(chǎn)線，整個(gè)廠區(qū)呈“丁”字形布置。淺塢和深塢布設(shè)在一條軸線上，這樣便于管節(jié)從淺塢向深塢區(qū)移位。預(yù)制車間與該軸線垂直。在預(yù)制車間和淺塢間設(shè)滑動(dòng)移門，深塢和外海間設(shè)浮式塢門。淺塢和深塢底標(biāo)高有一定差異，淺塢區(qū)的底標(biāo)高要滿足在最高潮位不被海水淹沒，深塢區(qū)的底標(biāo)高要保證在最低潮位下管節(jié)能夠出塢。當(dāng)整個(gè)管節(jié)澆筑完成后，滑移門和浮式塢門關(guān)閉，向塢內(nèi)灌水至管節(jié)在淺塢區(qū)能夠浮起，然后將管節(jié)從淺塢移至深塢區(qū)。塢內(nèi)向外排水至與外海相平，塢門打開管節(jié)出塢。

2.2 工廠化預(yù)制總體流程

工廠化管節(jié)預(yù)制是將標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)分為若干個(gè)小節(jié)段，每個(gè)節(jié)段在固定的臺(tái)座上澆筑并養(yǎng)護(hù)到一定強(qiáng)度后，向前頂推1個(gè)節(jié)段長度。利用空出的澆筑臺(tái)座與頂出的節(jié)段相鄰匹配進(jìn)行下一節(jié)段預(yù)制。如此逐段預(yù)制逐段頂推，直至完成1節(jié)管節(jié)全部節(jié)段澆筑。管節(jié)整體頂推至淺塢通過臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索張拉形成整體。在淺塢區(qū)內(nèi)完成一次舾裝，然后關(guān)閉淺塢與預(yù)制工廠之間的滑動(dòng)塢門，向塢內(nèi)灌水并進(jìn)行檢漏，管節(jié)試浮合格后移至深塢，然后將水位降至與外海相平后出塢，此時(shí)淺塢區(qū)已經(jīng)重新變成陸域，可以進(jìn)行下一管節(jié)制作。典型的管節(jié)制作流程見圖4。

2.3 工廠化預(yù)制的主要生產(chǎn)工藝

工廠法管節(jié)預(yù)制的主要生產(chǎn)工藝包括4大關(guān)鍵部分:鋼筋綁扎、模板架立、混凝土澆筑及管節(jié)頂推和連接。其中前3道工序在預(yù)制車間內(nèi)進(jìn)行流水式作業(yè)，最后一步(頂推和連接)在淺塢內(nèi)實(shí)施作業(yè)。預(yù)制車間主要有3個(gè)區(qū)域:鋼筋綁扎區(qū)、鋼筋移動(dòng)區(qū)域和混凝土澆筑區(qū)域，鋼筋加工區(qū)域可設(shè)置于鋼筋綁扎區(qū)兩側(cè)，也可根據(jù)場地需要另行配套布置。

3 工廠化預(yù)制的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 管節(jié)全斷面預(yù)制的模板體系

由于管節(jié)的幾何尺寸與自重和所受浮力息息相關(guān)，管節(jié)制作對模板體系的剛度和精度要求極其苛刻。模板體系的設(shè)計(jì)、加工制作以及模板架立都至關(guān)重要。

根據(jù)工廠化預(yù)制的要求，每條流水線往往設(shè)置若干套活動(dòng)底模，分別位于鋼筋綁扎臺(tái)座和混凝土澆筑臺(tái)座，并周轉(zhuǎn)使用。設(shè)置一套外側(cè)模固定于澆筑臺(tái)座，通過液壓驅(qū)動(dòng)做橫向合模和拆模動(dòng)作。設(shè)置一套穿入式內(nèi)模，固定于澆筑臺(tái)座，可做拆、合模動(dòng)作和縱向移動(dòng)。

圖4 管節(jié)工廠化制作的總體流程Fig.4 General sequence of manufactory prefabrication of tube elements

活動(dòng)底?？偝叽绨垂?jié)段尺寸控制。為方便活動(dòng)底模轉(zhuǎn)運(yùn)，底?？刹捎谜w分塊式底模，活動(dòng)底模由數(shù)十塊模板拼接而成，在鋼筋綁扎臺(tái)座1處拼裝成整體。每條生產(chǎn)線若干套活動(dòng)底模分別位于鋼筋綁扎臺(tái)座1、臺(tái)座2、臺(tái)座3、混凝土澆筑臺(tái)座等，各臺(tái)座處鋼筋綁扎完成后，鋼筋綁扎臺(tái)座處活動(dòng)底模連同鋼筋籠通過液壓千斤頂頂推至下一施工區(qū)域。混凝土澆筑完成養(yǎng)護(hù)后，活動(dòng)底模脫模并后退至模板移動(dòng)區(qū)拆分成數(shù)十塊，清理后轉(zhuǎn)移至鋼筋綁扎臺(tái)座1重新拼裝成整體，完成底模的周轉(zhuǎn)。

針對工廠化管節(jié)生產(chǎn)工藝，為提高工效，外側(cè)模及內(nèi)模系統(tǒng)均采用桁架結(jié)構(gòu)，安裝與拆除可使用液壓千斤頂進(jìn)行操縱。模板的角度和位移都可嚴(yán)格控制，模板的安裝通過液壓千斤頂可快速實(shí)施。模板使用整體拼裝、整體脫模、整體移動(dòng)，全部采用集成系統(tǒng)，插銷連接，安裝精度高，施工速度快，大幅提高模板施工速率。某工程的管節(jié)預(yù)制模板支架體系見圖5。

圖5 管節(jié)制作模板支架體系Fig.5 Formwork and scaffolding system of tunnel segment

3.2 管節(jié)全斷面澆筑與裂縫控制技術(shù)

有些沉管管節(jié)頂?shù)装搴穸冗_(dá)1.5 m以上，長寬達(dá)數(shù)十m，屬于典型的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。為保證管節(jié)澆筑質(zhì)量，裂縫控制是整個(gè)管節(jié)預(yù)制的重點(diǎn)與難點(diǎn)，在澆筑和養(yǎng)護(hù)過程中，需要采用一定的措施。

常規(guī)管節(jié)一般分為上下2部分澆筑，在側(cè)墻和底板間留一條施工縫，埋有止水帶等防水措施。考慮到預(yù)制工廠內(nèi)可提供穩(wěn)定的澆筑條件，在工廠化預(yù)制方案中采用全斷面澆筑工藝施工，以消除施工縫(溫度應(yīng)力及徐變應(yīng)力)，有效提高管節(jié)的整體性與抗?jié)B性能。

混凝土澆筑裂縫控制具體措施包括控制混凝土原料和入倉溫度、在斷面內(nèi)采取分層澆筑、加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)等。

1)控制原料溫度?；炷涟韬筒捎盟涔橇蠟橹鳌⒓颖鶠檩o的溫控方案，控制混凝土出機(jī)溫度。

2)分層澆筑。管節(jié)混凝土澆筑宜采用水平分層連續(xù)施工。全斷面澆筑可按照分層劃分為若干部分進(jìn)行澆筑。澆筑分區(qū)示意圖如圖6所示，總澆筑時(shí)間盡量控制在最短時(shí)間內(nèi)。

圖6 管節(jié)制作混凝土澆筑順序Fig.6 Concrete casting sequence of tunnel segment

3)混凝土養(yǎng)護(hù)優(yōu)化。為解決大體積混凝土澆筑問題，管節(jié)澆筑常規(guī)方案采用中埋式冷卻管，通過管內(nèi)流通水體帶走大體積混凝土內(nèi)部熱量。這一措施能有效解決混凝土水化熱(內(nèi)外溫差)可能導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的問題，但也減小了管節(jié)墻體截面，不利于結(jié)構(gòu)受力。

在工廠預(yù)制車間內(nèi)澆筑混凝土，可保持一個(gè)相對穩(wěn)定的溫度、濕度養(yǎng)護(hù)環(huán)境。利用封閉澆筑平臺(tái)的固定養(yǎng)護(hù)棚，采用噴霧降溫，保持澆筑坑周圍的環(huán)境溫度在23℃左右，養(yǎng)護(hù)過程中隨時(shí)監(jiān)控養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)的溫度、濕度。利用噴霧吸收熱量，代替中埋式冷卻管可有效減少截面影響，穩(wěn)定的溫度和濕度環(huán)境也有利于混凝土強(qiáng)度的快速提高。養(yǎng)護(hù)措施還可根據(jù)實(shí)際數(shù)值模擬計(jì)算和實(shí)尺寸澆筑試驗(yàn)之后，加以改進(jìn)。例如在養(yǎng)護(hù)棚中增加低溫蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，進(jìn)一步減少混凝土內(nèi)外溫差，取得更加優(yōu)良的混凝土質(zhì)量。

3.3 管節(jié)頂推系統(tǒng)與控制

管節(jié)具備一定強(qiáng)度后(養(yǎng)護(hù)時(shí)間一般控制在2～3 d，具體可視澆筑和養(yǎng)護(hù)條件以及材料試驗(yàn)結(jié)果而定)，利用千斤頂將節(jié)段沿已有滑移軌道梁向前頂推，此時(shí)管節(jié)段并未完全達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。在頂推滑行過程中，若管節(jié)遇到軌道梁高低不平，易造成管節(jié)受到集中應(yīng)力的破壞，軌道梁與管節(jié)間的摩擦也將嚴(yán)重阻礙管節(jié)頂推，必須對軌道梁采取一定的處理措施。

3.3.1 滑移軌道沉降控制

每條生產(chǎn)線可根據(jù)管節(jié)受力計(jì)算設(shè)置若干根滑移軌道，軌道從淺塢端頭一直延伸至車間澆筑臺(tái)座?；栖壍啦捎矛F(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)宜采用樁基礎(chǔ)或其他處理措施以減少軌道梁的沉降。軌道梁之間還需要設(shè)置一定量鋼筋混凝土梁對撐以加強(qiáng)整體性能。

3.3.2 頂推滑移軌道不平整度調(diào)整

不平整的滑移軌道梁可能導(dǎo)致管節(jié)受力不均，破壞管節(jié)結(jié)構(gòu)，后果十分嚴(yán)重。為調(diào)整軌道不平整度帶來的影響，可以將軌道頂部鋪設(shè)不銹鋼板，增加平整度，減少摩擦阻力。管節(jié)段澆筑完成拆除底模后，可將管節(jié)支撐安置在滑移軌道梁上的數(shù)十個(gè)平衡千斤頂上。在管節(jié)尾端連續(xù)頂推管節(jié)段時(shí)，管節(jié)段連同支撐千斤頂一起沿滑移梁向前滑動(dòng)。管節(jié)頂推過程中底部調(diào)平如圖7所示。

圖7 管節(jié)頂推過程中底部調(diào)平Fig.7 Segment soffit level adjusting system in jack pushing

3.3.3 頂推導(dǎo)向裝置設(shè)置

為保證頂推過程中管節(jié)始終沿軌道方向移動(dòng)，須設(shè)置頂推導(dǎo)向裝置，該裝置用于引導(dǎo)管節(jié)頂推前移，平衡頂推力垂直于軌道方向的分力。頂推導(dǎo)向裝置在管節(jié)首個(gè)節(jié)段前端，共2組，以確保管節(jié)沿正確方向頂推。

千斤頂及其下方減摩材料與不銹鋼板之間的摩擦因數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)或從已有數(shù)據(jù)得出，再根據(jù)全管節(jié)的自身重量即可計(jì)算出最大頂推力。由所需的推力大小對千斤頂進(jìn)行選型與配備，在管節(jié)尾端頂推，完成管節(jié)的頂推作業(yè)。

4 結(jié)論與討論

沉管隧道做為跨江越海通道具有多方面的優(yōu)勢，已經(jīng)逐步發(fā)展成為跨江越海通道建設(shè)的主流方案之一。在大型沉管隧道建設(shè)中，管節(jié)的工廠化預(yù)制具有明顯優(yōu)勢。本文以厄勒海峽沉管隧道管節(jié)的工廠化制作為背景，對沉管隧道管節(jié)預(yù)制的一種新技術(shù)——工廠化預(yù)制方法進(jìn)行介紹，總結(jié)如下:

1)與整體式管節(jié)相比，節(jié)段式管節(jié)對運(yùn)營和地震工況下地基的變形具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，節(jié)段間橫向接縫預(yù)設(shè)柔性止水帶和剪力鍵，滿足運(yùn)營階段的節(jié)段間變形引起的剪力傳遞和水密性要求。從施工方面來看，使管節(jié)預(yù)制的工廠化方法成為可能，大大提高管節(jié)的制作速度與質(zhì)量，降低工程成本。

2)工廠化預(yù)制方法借用小型預(yù)制構(gòu)件流水線生產(chǎn)模式對小節(jié)段進(jìn)行逐節(jié)預(yù)制，用預(yù)應(yīng)力拉鎖進(jìn)行臨時(shí)緊固形成管節(jié)。通過設(shè)立兩級塢池(深塢、淺塢)并利用多級船閘的工作原理實(shí)現(xiàn)管節(jié)的二次舾裝、檢漏和出塢。

3)工廠化管節(jié)預(yù)制主要包括鋼筋綁扎、模板架立、混凝土澆筑及管節(jié)頂推等主要工藝，其中模板與支架體系的設(shè)計(jì)與加工制作、混凝土澆筑過程中的裂縫控制以及節(jié)段頂推過程中底模的動(dòng)態(tài)調(diào)平是確保預(yù)制質(zhì)量的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

盡管在大型沉管隧道管節(jié)的制作中，工廠化預(yù)制方法具有明顯優(yōu)勢，但作為一種新的工藝與方法，應(yīng)用的工程實(shí)例還非常有限，其成套技術(shù)的穩(wěn)定性與可靠性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，同時(shí)部分工序仍然還有進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)的空間，對一些特殊的要求或工況(如曲線管節(jié)、變截面管節(jié)等)還需進(jìn)行有針對性的研究。

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