富水砂卵石地層大型沉管隧道軸線干塢塢口施工技術(shù)*

仇正中，馮先導(dǎo)，王金緒

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040； 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

1 工程概況

襄陽市東西軸線道路工程魚梁洲段起點(diǎn)位于規(guī)劃旭東路東側(cè)，與東西軸線上跨大慶東路高架橋梁相接，兩過漢江和下穿魚梁洲后，東連東津區(qū)橫七路，終點(diǎn)位于縱四路西側(cè)，與上跨縱四路的東西軸線高架橋梁連接，主線全長(zhǎng)5.4km，其中沉管隧道1 011m，明挖暗埋隧道4 389m，為國(guó)內(nèi)整體建設(shè)規(guī)模最大的內(nèi)河沉管隧道。

項(xiàng)目沉管隧道由東汊沉管660m(6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)4×120.5m+2×86.5m+1個(gè)5m短管節(jié))及西汊沉管351m(4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)4×86.5m+1個(gè)5m短管節(jié))組成。沉管隧道采用“兩孔一管廊”方案，結(jié)構(gòu)寬31.2m，高9.2m。管段采用柔性防水接頭構(gòu)造，按照雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年。

1.1 工程地質(zhì)與水文條件

襄陽東西軸線沉管隧道位于漢江東、西汊，其補(bǔ)充水系主要為漢江及漢江支流小清河、唐白河、浩然河。根據(jù)襄陽水文站提供的資料，最高水位65.770m，最大流速4.74m/s，最低水位62.600m，年平均水位62.730m，平均水面比降0.22%。自崔家營(yíng)水庫建成后，工程區(qū)域江面徑流平緩，常年流速<0.3m/s，汛期流速<0.8m/s。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)勘探資料，場(chǎng)地主要分布第四系全新統(tǒng)(Q4)、上更新統(tǒng)(Q3)及中更新統(tǒng)(Q2)地層。①，②，③大層為全新統(tǒng)地層，其中①層主要為填土、②層主要為軟塑～流塑淤泥、松散～稍密粉細(xì)砂，③層為河漫灘沉積的中密～密實(shí)狀卵石、圓礫；④，⑤為上更新統(tǒng)地層；⑥，⑦大層為中更新統(tǒng)(Q2)地層。干塢塢門處地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 干塢塢門處地質(zhì)剖面

1.2 干塢塢口概況

項(xiàng)目干塢采用雙軸線設(shè)計(jì)，東、西汊塢口對(duì)接端采用φ1 190mm×30mm鎖口鋼管樁+1.2m厚塑性混凝土止水墻結(jié)構(gòu)。塢口處止水墻深入黏土層，與兩側(cè)格型地下連續(xù)墻(上部鋼筋混凝土+下部素混凝土)、干塢四周止水墻組成閉水環(huán)境。干塢塢口間距37.2m，鎖口鋼管樁樁長(zhǎng)37.5m，分為2節(jié)(18.1m+19.4m)運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，采用內(nèi)法蘭連接，鎖口鋼管樁共計(jì)25根，如圖2所示。鎖口鋼管樁通過在地下連續(xù)墻鋼筋籠上預(yù)埋凹形鎖口使其連接成整體，如圖3所示。

圖2 塢門平面布置

圖3 鎖口鋼管樁連接示意

2 干塢結(jié)構(gòu)方案比選

干塢是用于預(yù)制混凝土管段的場(chǎng)所，管段需要在干塢內(nèi)預(yù)制、存放、舾裝，然后起浮、拖運(yùn)、沉放以及對(duì)接。干塢盡管是臨時(shí)工程，但是規(guī)模大，工程費(fèi)用高、對(duì)工期影響大，同時(shí)受到場(chǎng)地、通航等條件的制約。根據(jù)管節(jié)預(yù)制方式分類，有移動(dòng)干塢和固定干塢兩種，移動(dòng)干塢需半潛駁等大型船機(jī)設(shè)備，對(duì)船機(jī)設(shè)備要求高，本項(xiàng)目水深淺、航道等級(jí)低，故采用固定干塢形式[1]。

2.1 干塢形式比選

固定干塢根據(jù)與隧道位置關(guān)系又可以分為軸線干塢和旁線干塢兩種。由于本項(xiàng)目?jī)纱h江，結(jié)合項(xiàng)目場(chǎng)地、工期等條件，初步定了獨(dú)立單干塢、獨(dú)立雙干塢、軸線雙干塢3個(gè)方案。

1)獨(dú)立單干塢與雙干塢方案 ①缺點(diǎn) 管節(jié)浮運(yùn)運(yùn)距和浮運(yùn)航道疏浚量大幅增加，影響施工安全的不確定因素增多，軸線處仍需進(jìn)行大方量開挖，施工成本增加；②優(yōu)點(diǎn) 施工不需要占用隧道暗埋段區(qū)域，可以節(jié)省工期。

2)軸線干塢方案 ①缺點(diǎn) 軸線干塢處需進(jìn)行二次開挖，工期長(zhǎng)，有工期延誤的風(fēng)險(xiǎn)；②優(yōu)點(diǎn) 軸線干塢所在區(qū)域多為農(nóng)田和未開發(fā)土地，拆遷成本低，浮運(yùn)距離短，基本不需要航道疏浚，軸線干塢段開挖量小，節(jié)省成本[2]。

本項(xiàng)目所在地為三級(jí)航道，船機(jī)設(shè)備受限，漢江東、西汊江面狹窄，西汊江面僅280m寬，管節(jié)浮運(yùn)運(yùn)距增加、管節(jié)掉頭等操作風(fēng)險(xiǎn)大且操作時(shí)間較長(zhǎng)。通過合理的施工組織，且采用順澆法沉管預(yù)制方案(不設(shè)后澆帶，順序澆筑)、先鋪法卵石墊層等新工藝，能滿足工期要求，采用軸線干塢設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理[3]。

2.2 塢口形式比選

本項(xiàng)目地層為砂卵石強(qiáng)透水層，對(duì)接端支護(hù)技術(shù)主要在鎖口鋼管樁+外側(cè)止水墻和 CSM雙輪銑深攪水泥土連續(xù)墻+密插型鋼兩種方案之間比較。鎖口鋼管樁+外側(cè)止水墻方案技術(shù)成熟，可靠性高，但是后期存在切除鋼管樁水下作業(yè)，鎖口鋼管樁與兩側(cè)格型地下連續(xù)墻連接構(gòu)造要求高[4]。CSM雙輪銑深攪水泥土連續(xù)墻+密插型鋼方案工序簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)整體性好，防滲性能好，但是CSM大深度攪拌工藝國(guó)內(nèi)應(yīng)用案例少，砂卵石地層攪拌后，型鋼插入和拔出難度大，經(jīng)濟(jì)性較差[5]。

本項(xiàng)目對(duì)低強(qiáng)度止水墻材料進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，研發(fā)了抗壓強(qiáng)度1～5MPa，滲透系數(shù)10-7cm/s的塑性混凝土材料[6]。考慮到CSM大深度攪拌工藝的適應(yīng)性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性問題，塢口形式選擇鎖口鋼管樁+外側(cè)止水墻方案。

3 塢口鎖口鋼管樁施工

塢門采用鎖口鋼管樁+止水墻結(jié)構(gòu)，采用液壓抓斗成槽，然后吊放鎖口鋼管樁；樁間填充碎石并通過注漿固化；鋼管樁內(nèi)自樁底至基坑底部設(shè)置灌注樁，基坑底至樁頂回填砂。

3.1 鎖口鋼管樁施工工藝

鋼管樁施工采用地下連續(xù)墻成槽工藝，液壓成槽機(jī)挖槽完成后，利用履帶式起重機(jī)吊裝鋼管樁放入槽內(nèi)。施工時(shí)由兩側(cè)往中間方向推進(jìn)，與地下連續(xù)墻相接位置采用同步成槽、整體施工的方法。

1)攪拌樁和導(dǎo)墻施工

水泥攪拌樁為φ600mm@400mm，導(dǎo)墻采用兩側(cè)梯形+中間矩形結(jié)構(gòu)，為便于抓槽及鋼管下放，導(dǎo)墻間凈寬≥124cm。

2)鎖口鋼管樁與地下連續(xù)墻連接

地下連續(xù)墻鋼筋籠焊接成型后，外側(cè)焊接16mm厚鋼板+凹形管作為鎖口。預(yù)埋件于加工廠分節(jié)加工完成后，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)拼接，采用φ25鋼筋與鋼筋籠焊接成整體，如圖4所示。

圖4 地下連續(xù)墻接頭模型

3)鎖口鋼管樁吊裝

單根鎖口管最大質(zhì)量為43.41t，采用雙機(jī)抬吊，四點(diǎn)吊裝法。根據(jù)計(jì)算，主吊點(diǎn)設(shè)置于樁頂，副吊點(diǎn)分別設(shè)置于樁頂下18.5m和27.5m處。

4)樁內(nèi)施工

鋼管樁內(nèi)混凝土采用導(dǎo)管法兩次澆筑，每個(gè)槽段內(nèi)下設(shè)2根導(dǎo)管，第1次澆筑至鎖口管底部，待混凝土初凝后，采用正循環(huán)法清除管內(nèi)混凝土表層雜物，導(dǎo)管法二次澆筑至拆除線下50cm。混凝土初凝后，回填粉細(xì)砂。

5)樁間施工

鎖口鋼管樁下放前，兩側(cè)焊接直徑5cm注漿鐵管，塢門破除切割線以下采用花管，其余為實(shí)管。樁間采用碎石回填，在每根注漿管上設(shè)單向閥，通過注漿機(jī)灌入水泥漿，注漿壓力為0.2～0.5MPa，水泥漿采用P·O42.5水泥，如圖5所示。

圖5 樁間施工平面

3.2 鎖口鋼管樁安裝精度控制

1)精度控制

鋼管樁及接頭鋼筋籠吊裝前，在鋼管上標(biāo)記基準(zhǔn)線。測(cè)量人員沿鋼管樁中軸線放樣測(cè)量點(diǎn)，計(jì)算該點(diǎn)至鎖口外側(cè)的水平距離，鎖口鋼管樁下放過程中，縱中絲對(duì)準(zhǔn)鋼管樁的基準(zhǔn)線，然后固定水平度盤，采用全站儀紅外線測(cè)距，監(jiān)測(cè)鎖口鋼管樁橫向和縱向偏差。測(cè)量鋼管樁中心線，由下而上觀測(cè)，監(jiān)測(cè)鋼管樁垂直度，如圖6所示。

圖6 測(cè)量平面

2)糾偏

第1根咬合鋼管樁吊放后的垂直度影響到其他咬合鋼管樁的垂直度，吊放時(shí)要緩慢一些，沉入到設(shè)計(jì)深度一半時(shí)暫停吊放，檢查樁身垂直度是否滿足要求，如滿足要求則繼續(xù)吊放，否則拔出重新吊放。其他咬合鋼管樁在定位架和鎖口的共同作用下，一般不會(huì)產(chǎn)生較大偏差，若出現(xiàn)偏差，采用挖掘機(jī)輔助糾偏，確保鎖口中軸線與全站儀激光重合，且保證水平距離與初始值偏差≤10mm。

3.3 鎖口鋼管樁防繞流施工技術(shù)

由于鎖口鋼管樁入土深度較大且地下水系豐富，混凝土繞流問題突出，若外溢的混凝土堵塞鎖口鋼管樁的凹槽接口，將極大增加鎖口鋼管樁的連接難度，因此必須采取有效措施降低混凝土繞流對(duì)鎖口鋼管樁的影響。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件，對(duì)鎖口鋼管樁之間接頭處凹槽及格型地下連續(xù)墻與鎖口鋼管樁連接處凹槽采取以下措施控制混凝土繞流問題。

1)在凹槽內(nèi)放置1根與鎖口鋼管樁等長(zhǎng)直徑為160mm的PVC管，PVC管底部封閉。

2)PVC管底部與鎖口鋼管樁凹槽的間隙使用泡沫膠填充。

3)接頭處凹槽底部焊接1塊鋼板，防止地下水從底部滲入。

4)凹槽外側(cè)包裹1層鍍鋅鐵皮，形成二次防滲結(jié)構(gòu)。

形成防繞流結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 接頭處凹槽防繞流結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況，鎖口鋼管樁接頭處無阻塞，25根鎖口鋼管樁均能順利完成連接，水下澆筑的混凝土沒有繞流至連接處的凹槽口，防繞流效果顯著。

4 干塢塢口拆除

沉管管節(jié)在干塢內(nèi)完成預(yù)制，并在干塢內(nèi)完成管節(jié)一次舾裝、塢內(nèi)演練及管段試漏，此時(shí)干塢要保證安全穩(wěn)定。待管段試漏完成后，需進(jìn)行干塢塢口拆除。

1)岸堤開挖

岸堤陸上部分采用長(zhǎng)臂挖機(jī)開挖，水下部分采用抓斗船開挖，開挖料通過泥駁運(yùn)輸，臨時(shí)碼頭上岸轉(zhuǎn)運(yùn)至棄土場(chǎng)。

2)塑性止水墻拆除

在冠梁上安裝臨時(shí)平臺(tái)，通過鉆孔機(jī)將塑性止水墻打碎，然后采用抓斗船清理干凈。

3)冠梁與鋼支撐拆除

塢內(nèi)注水至內(nèi)外水位基本平齊，通過繩鋸、起重船配合將冠梁拆除，內(nèi)側(cè)鋼支撐通過潛水員水下切割完成。

4)鎖口鋼管樁拆除

待內(nèi)側(cè)冠梁、鋼支撐與外側(cè)塑性止水墻等拆除完成后，潛水員水下探摸檢查確定是否清除到位。清除到位后，通過吸砂泵將鎖口鋼管樁內(nèi)側(cè)砂石清理至設(shè)計(jì)高程，潛水員水下切割法蘭盤，然后采用振動(dòng)錘進(jìn)行振動(dòng)提拔，逐根完成鋼管樁拆除[7]。

5 結(jié)語

襄陽東西軸線沉管隧道為華中地區(qū)第1條沉管隧道，項(xiàng)目采用大型雙軸線干塢，干塢處為砂卵石強(qiáng)透水地層，防滲要求高。項(xiàng)目干塢塢口處采用鎖口鋼管樁+塑性混凝土止水墻方案，通過對(duì)該方案的設(shè)計(jì)、施工研究，詳細(xì)介紹鎖口鋼管樁施工工藝流程和關(guān)鍵施工工藝，解決了大直徑鋼管樁預(yù)制、吊裝以及與格型地下連續(xù)墻連接等問題，提出了精度控制及糾偏措施，并通過PVC管和鍍鋅鐵皮等方案，解決了鎖口鋼管樁防繞流問題，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施防繞流效果明顯。