大流速高位差過江沉管隧道典型工程
——南昌紅谷隧道

大流速高位差過江沉管隧道典型工程
——南昌紅谷隧道

1 工程意義

南昌市是我國唯一一個與長三角城市群、珠三角城市群和海峽西岸城市群相毗鄰的省會城市。位于南昌市發(fā)展中心區(qū)、連接兩岸的越江核心通道——八一大橋和南昌大橋日漸繁冗，緩慢的通行速度直接制約紅谷灘CBD新區(qū)的快速發(fā)展。為緩解這2座相距僅3.7 km大橋的交通壓力，在兩橋之間采用沉管法修建了世界上首座江河中游沉管越江隧道——南昌紅谷隧道。

紅谷隧道的建設(shè)將開辟一條新的過贛江通道，實現(xiàn)過江隧道覆土最淺、線路最短、房屋零拆遷、與兩岸多條路網(wǎng)快速銜接、直進(jìn)直出、無需繞行、快速過江的交通方式； 不遮擋鄰近的地面滕王閣等歷史名勝古跡，可最大程度地保護(hù)自然和人文環(huán)境，有效減小對周邊環(huán)境的干擾，避免對贛江兩岸旅游觀光帶的破壞，有效保護(hù)國家文物的原始風(fēng)貌，同時減少對城市核心地段建筑物的拆遷及改移，有效節(jié)約建設(shè)用地； 有力促進(jìn)南昌市實現(xiàn)“沿江而下，雙城夾江”的城市格局，大大提升南昌新城“國際花園”的城市形象，極大促進(jìn)贛江兩岸經(jīng)濟發(fā)展。

2 工程概況

紅谷隧道工程平面和剖面布置見圖1。主線全長2 650 m，江中段為直線沉管隧道，長1 329 m； 兩岸采用明挖與沉管對接。東岸7條明挖匝道均為單向雙車道，以水下互通立交形式與3條既有城市快車道銜接； 西岸主線為雙向4車道，下穿1個“T”型路口和2個“十”字路口，并設(shè)2座與主線并行的明挖匝道，為直行單向雙車道。在隧址上游設(shè)置1座獨立干塢(分為2個子塢)進(jìn)行管節(jié)預(yù)制。管節(jié)從干塢(上游)至隧址(下游)浮運距離為8.51 km，采用5艘大馬力拖輪順江而下，拖運管節(jié)穿越既有3座大橋至隧址沉放與對接。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

隧址地層自地表向下依次為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粗砂、礫砂、圓礫、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖。場地地表水主要為贛江地表水。地下水有3種類型: 1)上層滯水； 2)第四系松散巖類孔隙水為潛水，局部承壓，主要賦存于第四系全新統(tǒng)(Q4al)沖積層、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫、卵石層中； 3)地下水主要受贛江及撫河地表水體的側(cè)向補給，地下水受人為開采影響小，含水層滲透性較好。

3 工程重難點及解決方案

3.1工程重難點

1)百萬m3巨型圍堰； 2)水下立交深大基坑群； 3)40萬m3水下巖石炸礁； 4)異地干塢和8.51 km航道開挖與管節(jié)浮運； 5)6條生產(chǎn)線平行預(yù)制6節(jié)管節(jié)； 6)12套4 000 t超大模板臺車多次轉(zhuǎn)場； 7)超大體量管節(jié)預(yù)制混凝土防滲抗裂； 8)管節(jié)浮運穿越小凈跨橋梁； 9)急流回旋區(qū)管節(jié)調(diào)頭； 10)江河中游和水位落差10 m條件下水力壓接管節(jié)； 11)12節(jié)管節(jié)沉放對接軸線精度控制； 12)時隔半年沉放管節(jié)的接頭差異沉降等。

3.2解決方案

3.2.1 特大特高型充砂長管袋圍堰防滲穩(wěn)定技術(shù)

通過建立充砂長管袋圍堰穩(wěn)定分析簡化模型，提出圍堰穩(wěn)定計算公式，進(jìn)行圍堰內(nèi)外部穩(wěn)定分析，并建立圍堰三維數(shù)值模型，分析多種工況下圍堰受力及變形情況。從塑性混凝土防滲性能、充砂長管袋受力與變形以及充砂長管袋圍堰穩(wěn)定性3方面對紅谷隧道圍堰工程進(jìn)行理論分析，并結(jié)合工程實際，指導(dǎo)膜袋材料選取、接縫縫紉工藝、管袋沉放定位、塑性混凝土配合比設(shè)計、防滲墻施工等圍堰關(guān)鍵技術(shù)，形成由充砂長管袋+塑性混凝土墻+鋼筋混凝土墻組成的大型臨時圍堰(見圖2)施工技術(shù)。

(a) 示意圖

(b) 實物圖

3.2.2 大體積混凝土防滲抗裂技術(shù)

通過室內(nèi)試驗對膠凝材料優(yōu)化并選取最適合的混凝土配合比，并對混凝土配合比進(jìn)行現(xiàn)場試驗，實時控制并保證優(yōu)選的混凝土配合比。在大體積混凝土溫度應(yīng)力控制方面，先通過對相應(yīng)混凝土試澆塊進(jìn)行試驗分析，得出溫度變化規(guī)律，然后在施工中采取相應(yīng)的措施控制溫度裂縫，詳細(xì)研究施工中信息化控制溫度和預(yù)埋循環(huán)冷卻水管施工技術(shù)。

在施工的每個階段將理論研究結(jié)果和措施應(yīng)用到實際施工步驟中，從混凝土的拌制與輸送、澆筑與搗固以及表面處理與養(yǎng)護(hù)技術(shù)3方面進(jìn)行詳細(xì)分析研究，總結(jié)分析具體施工中采取的防滲抗裂措施。

3.2.3 沉管隧道管節(jié)沉放對接施工技術(shù)

普通管節(jié)采取單體預(yù)制、單體浮運、水中沉放對接，而最后1節(jié)管節(jié)E10-2&E11管節(jié)則采取在干塢內(nèi)分2節(jié)(分為長管節(jié)和短管節(jié))預(yù)制完成并達(dá)到設(shè)計強度后在干塢內(nèi)進(jìn)行陸地拉合對接。在陸地拉合中要控制GINA止水帶壓縮量，若測出GINA止水帶壓縮量最大偏差超過允許值，必須暫停壓縮，注意油壓參數(shù)，使對稱位置的千斤頂組壓力基本保持一致，通過控制千斤頂組的作用力來調(diào)整GINA止水帶使其整圈均勻受壓，調(diào)整完成后才可繼續(xù)重復(fù)拉合施工。

管節(jié)沉放因施工過程繁瑣，難免出現(xiàn)施工偏離設(shè)計的情況，本工程通過管節(jié)沉放過程中的逐節(jié)糾偏處理使得后續(xù)管節(jié)按照設(shè)計精度順利完工。由于管節(jié)沉放跨年度，時間間隔長，砂盤基礎(chǔ)有可能產(chǎn)生不均勻沉降，對這種差異沉降及其對管節(jié)間柔性接頭影響的判定是面臨的技術(shù)難題。通過對地基剛度變化幅值及模式、縱向差異沉降容許理論以及三維沉管隧道管節(jié)數(shù)值模擬分析，得到適當(dāng)?shù)牟町惓两祵犹幚矸椒ā?/p>

3.2.4 沉管隧道基礎(chǔ)灌砂效果檢測及處理技術(shù)

采用沖擊映像法對紅谷隧道基礎(chǔ)灌砂施工進(jìn)行實時監(jiān)測、成像處理及灌砂效果實時評價。現(xiàn)場監(jiān)測及試驗結(jié)果表明，通過波形的可視化處理、沖擊響應(yīng)能量及頻譜處理相結(jié)合的方式，沖擊映像法能夠很好地實時監(jiān)測和反映灌砂過程中砂液的分布狀況。根據(jù)灌砂前和灌砂過程中的波形分析、沖擊響應(yīng)能量分布以及頻譜分布的變化，能綜合判斷灌砂擴散半徑和充盈程度。

根據(jù)紅谷隧道各管節(jié)的現(xiàn)場沉降量觀測結(jié)果，可知沉管隧道基礎(chǔ)的承載力滿足設(shè)計要求，證明紅谷隧道基礎(chǔ)灌砂模型試驗和施工工藝正確合理。

3.2.5 超長距離管節(jié)浮運及穿越小凈距橋梁的管節(jié)姿態(tài)控制和橋墩保護(hù)技術(shù)

紅谷隧道共12節(jié)沉管，施工跨越2個年度，先后浮運穿越小凈跨南昌大橋(見圖3)。沉管管節(jié)浮運過橋時，通過對浮運線路和管節(jié)姿態(tài)的精準(zhǔn)控制，并采取偏上游浮運方式，安全順序穿越南昌大橋。針對南昌大橋主墩的特點及通航條件，在橋墩承臺臺階處至橋墩范圍內(nèi)設(shè)鋼導(dǎo)向柱支撐系統(tǒng)，在承臺周圍設(shè)置筒形自浮式復(fù)合材料防撞設(shè)施，用以保護(hù)橋墩。管節(jié)浮運過程中，在橋墩上設(shè)置自浮式防撞浮筒是非常必要的，尤其對指揮拖輪編隊拖帶管節(jié)順利過橋團隊人員的心理鎮(zhèn)定有著十分重要的作用。

圖3 拖航編隊穿越小凈跨橋梁(凈跨62 m)

3.2.6 江河沉管隧道水下立交深基坑關(guān)鍵技術(shù)

針對贛江東岸老城區(qū)現(xiàn)行多條快車道與過贛江隧道難以銜接通行的瓶頸問題，紅谷隧道采用“5Y+3X”新型水下立交橋模式，修建我國首個水下疏散中心匝道基坑群(見圖4)，實現(xiàn)過江隧道內(nèi)車輛的多點疏散和快速分流，在水下實現(xiàn)過江隧道與贛江兩岸道路網(wǎng)的全面快速對接，并且在隧道中每隔200 m設(shè)置疏散橫通道，隧道內(nèi)一旦發(fā)生事故，可以通過橫通道迅速疏散人員至逃生通道，逃生通道直通岸上，可以實現(xiàn)運營期間的全方位防災(zāi)疏散。

圖4 東岸水下立交匝道基坑群

4 工程主要技術(shù)創(chuàng)新

1)建立內(nèi)河流域管節(jié)浮運過程風(fēng)險節(jié)點分析體系，探索管節(jié)在浮運過程中的水流阻力性能，深入研究內(nèi)河沉管法隧道管節(jié)浮運水文窗口選擇，提出管節(jié)浮運流速限值，發(fā)明綁拖工裝架，實現(xiàn)“拖輪綁拖與吊拖相結(jié)合、岸上地錨與水中錨塊相結(jié)合及設(shè)置工程船輔助”的管節(jié)浮運方式(見圖5)，解決大流速條件下管節(jié)浮運姿態(tài)控制問題。

圖5 狹窄航道沉管浮運方式

2)進(jìn)行動水作用下沉管隧道接頭力學(xué)特性分析，揭示高水位差及地基不均勻影響下沉管接頭結(jié)構(gòu)受力機制與變形規(guī)律，提出不同水位與流速下長距離管節(jié)最終接頭的施工方法； 在對接精度監(jiān)測的基礎(chǔ)上，形成管節(jié)沉放時間間隔長引發(fā)不均勻沉降狀態(tài)下止水帶、干塢內(nèi)管節(jié)對接、江河內(nèi)沉放與對接、軸線糾偏等的長距離、高精度管節(jié)對接技術(shù)體系。

3)發(fā)明“自動測量、實時傳輸計算、可視化輸出為一體”的管節(jié)沉放監(jiān)控系統(tǒng)(見圖6)，實現(xiàn)管節(jié)沉放全過程可視化監(jiān)控。研制出一種新式的絞車式管節(jié)沉放吊駁下放裝置(見圖7)，實現(xiàn)管節(jié)快速平穩(wěn)沉放。

圖6 管節(jié)沉放可視化監(jiān)測系統(tǒng)

圖7 絞車式管節(jié)沉放吊駁下放裝置

4)構(gòu)建下部采用三軸攪拌樁+塑性混凝土墻、上部采用鋼筋混凝土墻的臨時圍堰綜合防滲體系，研發(fā)塑性混凝土防滲墻，開發(fā)了塑性混凝土防滲墻和鋼筋混凝土擋墻相結(jié)合的防滲系統(tǒng)，實現(xiàn)有效防洪。

5)研發(fā)沉管隧道基礎(chǔ)灌砂1∶1模型試驗平臺裝置及試驗方法，揭示灌砂過程中砂積盤的擴展方式及其規(guī)律，構(gòu)建扭矩式液壓泵及馬達(dá)功率回收測試平臺，實現(xiàn)灌砂設(shè)備的測試； 創(chuàng)造性地將沖擊映像法和全波場無損檢測技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于沉管隧道基礎(chǔ)灌砂大比例尺模型試驗檢測中，揭示灌砂過程中的砂流擴展半徑、相鄰灌砂孔間的相互影響規(guī)律、砂積盤的充滿程度以及各影響參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，形成了一種快速、簡便且有較好適用性的內(nèi)河沉管隧道基礎(chǔ)灌砂過程與效果監(jiān)測和評價的新技術(shù)。

5 工程工期及獲得榮譽

5.1工程工期

紅谷隧道自2014年4月開工，已于2017年5月31日竣工，僅用38個月即建成通車。

5.2獲得榮譽

1)獲得實用新型專利38項，發(fā)明專利31項(其中取得證書8項、獲得授權(quán)8項、其余15項已受理處于審查階段)，國家軟件著作權(quán)1項；

2)取得省部級工法13項，QC成果11項(含2項國家級)；

3)獲得2017年度河北省科技進(jìn)步二等獎；

4)已在核心期刊上發(fā)表論文36篇；

5)出版《大流速高位差過江沉管隧道關(guān)鍵技術(shù)——南昌紅谷隧道》著作1本；

6)榮獲中國中鐵節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)化工地、江西省五一勞動獎狀等榮譽，并獲得南昌市優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)工程獎、江西省建筑結(jié)構(gòu)示范工程等工程質(zhì)量獎。

6 工程參建單位

建設(shè)單位： 南昌市政公用投資控股有限責(zé)任公司。

設(shè)計單位： 中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司、南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院。

施工單位： 中鐵隧道局集團有限公司。

監(jiān)理單位： 江西中昌工程咨詢監(jiān)理有限公司。

7 供稿人

中鐵隧道局集團二處有限公司，李志軍。