南昌紅谷沉管隧道預制關鍵設備選型及配套技術

王秋林， 崔玉國， 陳　旺

(中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河　065201)

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南昌紅谷沉管隧道預制關鍵設備選型及配套技術

王秋林， 崔玉國， 陳旺

(中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河065201)

摘要：南昌紅谷隧道沉管長1 329 m，共12節管節，標準管節長114.85 m，高8.3 m，質量達2.6萬t，沉管需在豐水季節浮運、沉放。為了解決沉管預制工期緊張、獨立干塢設備配套需最大程度共享使用設備的問題，通過對混凝土拌合、運輸、澆筑、溫控技術以及沉管預制所涉及的模板體系、起吊設備等關鍵技術進行介紹，以解決主要工序工效控制及關鍵部位質量控制技術。工程實踐表明，紅谷隧道沉管預制設備選型及配套關鍵技術不僅加快了施工進度，解決了工序銜接問題，滿足施工進度要求，而且沉管質量、結構尺寸也得到了有效保證。

關鍵詞：沉管隧道； 管節預制； 設備選型； 配套

0引言

沉管法是20世紀初發展起來的一種修建水下隧道的新工法[1]。近年來，隨著沉管技術的不斷成熟和推廣，沿江的許多城市開始興建沉管隧道。沉管隧道在干塢內預制，管節經試浮檢漏后逐節起浮出塢。干塢內實行工廠化流水作業，綜合考慮工期、質量、造價、浮運水位等因素，干塢基坑呈“上口大、底口小”形狀，塢底除去管節面積，多種大型配套設備交叉作業使場地受限，倘若吊裝設備選擇不合理，不僅制約工序銜接，而且進度也無法保證；沉管隧道混凝土抗滲等級為P10，對裂縫要求高，混凝土拌合生產、運輸、輸送、溫控等每道工序都影響著管節混凝土質量控制；模板體系的正確選擇對管節結構尺寸的控制、工作面數量的開展、混凝土質量的保證尤為重要。

目前國內在建、已建的幾條沉管隧道中，港珠澳島隧工程沉管隧道采用工廠化預制[2]，施工工藝先進，投入較高；廣州珠江沉管隧道管節采用干塢法預制沉管；佛山地鐵沉管隧道模板采用組合鋼模+行車臺車，因工期不能滿足要求，后增加了4套腳手架模板。以上研究沒有系統闡述沉管預制相關配套設備技術。本文以南昌紅谷隧道沉管預制為工程背景，干塢塢底長139 m、寬138 m，場地受限，每節管座采用2臺龍門吊進行吊裝作業，采用3臺套自建拌合系統及混凝土溫控系統，很好地保證了混凝土質量； 采用大型組合鋼模+模板臺車體系，具有良好的剛度及穩定性，混凝土結構尺寸均在允許誤差范圍內。沉管預制設備配套技術在南昌紅谷隧道工程中成功應用，在工序銜接、質量控制、工期保證、成本控制等方面都起到了較好的效果。

1工程概況

南昌紅谷隧道工程全長2.65 km，江中沉管段長1 329 m，是國內內河規模最大的城市道路沉管隧道，共12節管節，E1～E9每節管節長114.85 m，E10管節長96.5 m，E11管節長107.5 m，E12管節長90 m。采用2個獨立分體式干塢預制管節，每個干塢一次預制3節管節，分4批次預制，所有管節在干塢內完成一次試漏、分節起浮，浮運8.56 km至隧址沉放。干塢平面布置如圖1所示。

管節橫斷面采用“2孔1廊道”結構型式，尺寸為30.0 m×8.3 m(外寬×外高)，頂板厚1.1 m，側墻厚1.0 m，中隔墻厚0.6 m，底板厚1.2 m。管節橫斷面如圖2所示。

圖1　干塢平面布置圖

圖2　管節橫斷面圖(單位： mm)

2管節預制方案

考慮到贛江水位對管節浮運、沉放的影響，需在2015年和2016年豐水期對管節進行浮運和沉放。沉管預制施工方案按以下原則進行。

1)采用南、北2個分體式獨立干塢預制管節，每個干塢各預制2批次(單干塢一次預制3節管節)，共4批次管節。現場預制時間上，2個干塢需錯開3個月，以保障管節預制及浮運沉放的連續性。

2)管節預制外模板采用大型鋼模板，內模板采用行走臺車，廊道及后澆帶均采用小型簡易臺車，模板分2次安裝，每塢3節管節同時施工。

3)管節預制縱向分節、豎直分層澆筑成型，相鄰縱向分節之間設置1.5 m長的后澆帶(底板不設后澆帶)，每段管節均分2次澆筑，每節管節先施工底板，然后同時施工邊墻和頂板。管節預制分段長度見表1。

4)混凝土由干塢場區自建攪拌站供應，采用泵送混凝土，混凝土罐車運輸。

表1　管節預制分段長度

3設備選型配套考慮因素

3.1澆筑方案

管節縱向分段施工，側墻和頂板部位設置1.5 m后澆帶，在底板位置不設置后澆帶。管節橫斷面沿高度方向分為2個施工段，第1施工段(距離底板3.6 m部分)和第2施工段(4.7 m側墻、隔墻及頂板部分)，如圖3所示。

圖3　標準段管節施工工序示意圖(單位： cm)

自上而下分層均勻上升澆筑，每層高度不得超過30 cm，上下層混凝土澆筑間隔時間不得超過初凝時間。對于沉管底板及頂板，由于其平面尺寸較大，厚度達1.2 m和1.1 m，澆筑時分層依次澆筑，同一方向遞進澆筑，單次混凝土澆筑最大方量為870 m3。

3.2工期目標要求

由于贛江為季節性河流，管節預制干塢距隧址8.56 km,管節浮運沉放對水位要求高，因此管節預制必須在豐水期前完成。考慮到干塢塢口破除等其他工序，每批次管節預制工期約為188個工作日。

3.3沉管混凝土防滲抗裂需求

沉管隧道工程對防水、抗滲有著極為苛刻的要求，因此，大體積混凝土裂縫控制要求高，而裂縫控制的重點是對混凝土質量的控制。考慮到4批次管節預制時間均在當年9月至次年5月，針對南昌氣候特定，冬季混凝土覆蓋保溫，夏季需控制混凝土入模溫度。

3.4沉管預制生產線大體量吊裝

單節沉管鋼筋約2 400 t，預埋鋼構件約500 t，且鋼模板需倒運，因此，沉管預制生產線存在大體量的吊裝作業，現場對吊裝設備需求大。

考慮到以上因素及現場施工組織需要，紅谷隧道管節預制需解決的相應關鍵設備配套為： 混凝土生產、混凝土溫控設備、混凝土運輸及澆筑、管節預制模板、起吊設備5方面。

4設備配置及選型

4.1混凝土生產系統配套

采用干塢自建拌合站供應沉管預制混凝土，考慮到單次混凝土澆筑方量最大為870 m3，混凝土澆筑時間不宜過長(一般為15 h)，混凝土澆筑量按60 m3/h考慮。按經驗公式(1)，對攪拌機實際的每小時生產能力進行估算。

(1)

式中： Ph為攪拌機的生產能力，m3/h; V為攪拌機的出料容量(當攪拌機容量采用進料容量時，應乘以出料系數0.75)，HLS120型攪拌機V=2m3； t1為裝料時間，取60s； t2為混凝土攪拌時間，取120s； t3為攪拌機卸料時間，取27s； K為設備利用系數，取0.85。

將各參數代入式(1)，得到HLS120型攪拌機的生產能力Ph=29.57 m3/h，需配置2臺套HLS120攪拌機，可滿足沉管預制混凝土供應。現場實際充分考慮需供應紅谷隧道岸上段混凝土，提高設備利用率及混凝土供應保障率，干塢施工現場配置3臺套HLS120型拌合樓。

4.2混凝土溫控設備

混凝土受氣候影響較大，夏季管節混凝土出機溫度應小于28 ℃，沉管預制主要在當年9月至次年5月期間，經過分析計算，在對原材料控溫后，高溫季節混凝土生產自然溫度仍超過28 ℃，采用常規冷卻水對混凝土進行降溫存在風險，需要對原材料進行控溫和預冷卻，確保在設定的環境下施工和養護，以達到控裂目的。施工現場降低混凝土出機溫度的措施及設備配套選型如下。

1)原材料降溫措施。水泥等細集料降溫后使用、罐體噴淋降溫、骨料堆場遮陰、粗骨料噴淋降溫、風冷、拌合水加冷凝水或片冰等。

2)水泥等細集料降溫后使用。單個HSL120攪拌站配備5個200t罐體，其中，水泥罐3個，粉煤灰及礦渣罐體各1個。

3)骨料堆場遮陰。設置6個料倉(單倉面積分別為900m2)，采用彩鋼棚防雨遮陰，東西向不封閉，保證彩鋼棚通風降溫。

4)拌合水加冷凝水。配置冷水機組供應冷凝水用于混凝土拌合[3]。冷水機組相關設備配套型號計算如表2所示。

參照初始配合比(水泥∶粉煤灰∶礦粉∶砂∶碎石∶水∶減水劑=252∶84∶84∶714∶1 072∶150∶4.2)(質量比)及表2計算結果，供攪拌站拌制混凝土用的5 ℃的冷水為150×30=4.5m3/h(單臺拌合機“冷水”拌和)。水溫從35 ℃降至5 ℃時，折合標準工況的制冷量為30×4 500×(4.2/3 600)=157.95kW·h(單臺拌合機“冷水”拌和)(1kW·h=3 600kJ)。

表2　加冷水拌合混凝土熱平衡量計算表(全部加冷水拌和)

考慮到冷凝水生產后到生產拌合環節溫度會增加，現場實際配置2臺冷水機組(STSW-60D型(見圖4)，單臺制冷量為764 400 kJ /h，折合211 kW·h)，確保2座拌合站混凝土拌合冷凝水需求。

圖4　STSW-60D型冷水機組

4.3混凝土泵車及混凝土罐車

沉管采用分段、分層、對稱澆筑，泵車配套的原則是： 依據泵送距離，需滿足在一側灌注不移位的情況下全覆蓋澆筑整節管節(單節最大澆筑范圍為19.5 m×30 m(長×寬))。配備2臺泵車(本工程采用臂長為49 m和52 m的泵車)，泵送混凝土60 m3/h，并確保在一臺泵車損壞的情況下能滿足連續澆筑。

澆筑速度為60 m3/h,則單臺泵澆筑速度為30 m3/h，綜合考慮運輸距離(距離短可不考慮)、混凝土澆筑速度(單泵20 min澆筑10 m3混凝土)、混凝土制備速度(單臺套攪拌機每20 min生產10 m3混凝土)及混凝土澆筑連續性(澆筑時等待1車料)，每臺泵車配置3臺12 m3罐車運輸，一共配置6臺12 m3罐車。

4.4管節預制模板

模板體系的組成考慮到前期管節施工臺車分批次安裝、后澆帶、外包防水、管內壓載水箱制安、設備管線布設、端封門安裝等[4]，管節至少配置2條作業生產線由管節中部向兩端頭施工。各主要工序時間如表3所示。選擇各工序所需模板配套至關重要[5]。

表3管節預制主要工序時間計劃

Table 3Time needed for main steps of tube element prefabrication

工序 時間/d備注測量放線及防水底鋼板焊接8下層混凝土澆筑鋼筋綁扎及預埋件安裝8止水帶及模板安裝5混凝土澆筑1混凝土養護4 端頭鋼端殼部分增加9d,共27d頂層混凝土澆筑臺車模板安裝4鋼筋綁扎及預埋件安裝9止水帶(條)及端頭模板安裝4混凝土澆筑1混凝土養護10模板拆除2 端頭鋼端殼部分增加7d,共37d水箱制安30鋼封門制安30

管節預制工序時間計算： 8+18(首節底板)+30×2(2節頂板)+37(端頭頂板)+30+30=183 d，與單批次管節預制工期188 d相匹配。根據管節分段、分層施工工序，縱向分節澆筑底板6次，豎向分層澆筑頂板6次，共12次，采用6套摸板，每管節2套模板。

模板體系由5類組成：下層外模、下層內模(含廊道內模)、上層外模、上層內模臺車(含廊道臺車)、對拉桁架(底、頂板共用)。采用組合式鋼模板，液壓內模采用可行走式模板臺車支撐[6]，側墻內外模板、隔墻兩側模板及倒角內模均采用全鋼模板，通過與預埋H型鋼連接，小車鎖定，端頭模采用竹膠板。底板和頂板模板體系如圖5和圖6所示。

圖5　底板模板體系

圖6　頂板模板體系

4.4.1單節管節預制底板模板數量配置方式

考慮由管節中部向兩端施工的2條生產線及模板的綜合利用，底層外模配置2套、內模配置1套，配置方式如下。

1)①下層外模板為整體自行式，考慮中部③上層外模在軌道上阻擋，每節管節上配置2套。

2)②下層內模(含廊道)分塊組裝，可通過龍門

吊在下層2個作業面吊轉與2個作業面下層外模組合使用。

3)⑤對拉桁架與②下層內模(含廊道)配合使用，每節管節配置1套。

4.4.2單節管節預制頂板模板數量配置方式

考慮由管節中部向兩端施工的2條生產線及模板的綜合利用，頂層外模配置1套、內模配置2套，具體配置方式如下。

1)③外模及④臺車模板為整體設計及施工，設置軌道自行走，以提高工效。

2)④臺車模板(含廊道臺車)需要做綁扎鋼筋平臺及考慮混凝土內模拆除時間，每節管節配置2套。

3)③外模可在軌道上前后移動及外模需要時間短(由于采用自行式定位時間短，綁扎鋼筋不需要外模板做平臺，混凝土澆筑后4 d即可拆除)，每節管節配置1套。

4)⑤對拉桁架(底、頂板通用)單片與外模對拉連接與之配套，每節管節配置1套。

4.4.3模板總配置

每節管節模板構成為： ①下層外模2套+②下層內模(含廊道內模)1套+③上層外模1套+④上層內模臺車(含廊道臺車)2套+⑤對拉桁架(底、頂板共用)2套。2個作業面形成流水后模板布置狀態見圖7，流水作業實景如圖8所示。

圖7　管節預制形成流水后預制模板布置示意圖

圖8　管節預制形成流水后實景圖

Fig. 8Photo of arrangement of formworks on tube element prefabrication line

北塢3節管節平行作業按此配置3組，北塢管節相應工序完成，即倒運至南塢預制，現場由于南、北塢工期交叉，對局部模板臺車進行了補充增加。

4.5起吊設備選型配套

考慮到管節預制時大量的鋼筋、預埋件、模板等需要吊裝，且考慮每管節2個作業面的預制及相應的鋼結構預埋件施工，各作業面的相對獨立性和連續性，因此，每個作業面配置1臺跨度為35.5 m、凈空高度為13.5 m的10 t+10 t龍門吊，3節管節共配置6臺龍門吊。同時，租賃2臺20 t汽車吊供其他作業區域起重吊裝時使用，作為龍門吊使用的補充，1臺平板車用于場內材料倒運。

5施工效果

現場實際施工過程中，混凝土供應及時且滿足混凝土溫控質量要求，混凝土在35 ℃預制時，入模溫度控制在28 ℃以下，混凝土澆筑后裂縫數量少；預制過程中各工序銜接流暢，鋼筋綁扎與混凝土澆筑過程順利，各工序相互干擾少；模板體系滿足結構尺寸精度及施工進度要求。

6結論與討論

南昌紅谷隧道干塢預制從管節預制的工期、質量、現場實際情況出發，通過認真調研和籌劃，對相應設備選型和配套進行論證、設計、實施、總結，混凝土拌合生產采用3臺套自建拌合樓，配置2臺套天泵及6臺套運輸罐車，考慮到季節性澆筑混凝土，配置2臺套拌合樓冷水機組。模板體系的配置遵循與工期、作業面、施工工藝相結合的原則，按2個作業面分別配置頂、底板，形成流水作業。干塢塢底場地受限，根據管節作業面配置6臺套龍門吊，并配置汽車吊輔助作業。

南、北塢第1批次各3節管節分別歷經170 d和189 d完成管節預制任務，現場設備選型及配套能很好地契合紅谷隧道沉管施工需求，工期、進度、管節質量均得到了保證。

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Type Selection and Matching of Key Equipment for Tube Element

Prefabrication of Honggu Immersed Tunnel in Nanchang

WANG Qiulin, CUI Yuguo, CHEN Wang

(The2ndEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Sanhe065201,Hebei,China)

Abstract:Honggu immersed tunnel in Nanchang, China is 1 329 m long. The immersed tunnel consists of 12 tube elements. The standard tube element is 114.85 m long, 8.3 m high and 26 000 t weight. The tube elements should be floated, transported and sunk in the water rich season. Furthermore, the prefabrication schedule of the tube elements is tight and the equipment for the 2 independent sub-docks needs to be shared to the maximum extent. In the paper, the concrete mixing, concrete transportation, concrete casting, temperature control and formwork system and hoisting equipment related to the prefabrication of the tube elements are summarized, so as to improve the working efficiency of the main construction steps and to ensure the construction quality of critical positions. In the end, good effect has been achieved. The engineering practice shows that the technologies adopted for the type selection and matching of the equipment for the tube element fabrication of Honggu immersed tunnel is feasible and rational.

Keywords:immersed tunnel; tube element prefabrication; equipment selection; matching

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2015)12-1345-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.017

作者簡介：第一 王秋林(1981—)，男，重慶人，2003年畢業于華中科技大學，土木工程專業，本科，工程師，從事隧道及地下工程技術管理工作。

收稿日期：2015-06-01； 修回日期： 2015-09-13