預應力管道節段接頭施工關鍵技術及質量控制

劉端省

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300）

1 概述

根據大連市的城市總體規劃，大連灣海底隧道將為大連新增一條縱貫南北、連接“一核”（東部核心區）和“一極”（金普新區）的快速通道，對緩解市區進出交通“瓶頸”、解決中心城區南北方向交通不暢問題、推動鉆石港灣兩岸一體化、打造大連沿海經濟圈具有重要意義。其中大連灣海底隧道沉管預制除了具有超大工程所普遍存在的工期緊、規模大、難度高、風險大等特點外，還是北方首條海洋環境沉管隧道，國內首個干塢跳段法全斷面沉管尺寸澆筑施工。

2 工程概況

2.1 工程結構及規模

大連灣海底隧道工程北起梭魚灣規劃20 號路向南通過隧道北岸接地點，隧道以沉管的形式下穿大連灣并在大連港三、四號碼頭之間登陸。隧道全線長約5098.227m，其中沉管海底隧道長3035m，由18 個管節組成，包括1 節135m、12 節180m 直線管節，5 節148m 曲線管節組成。隧道主線采用城市化快速路標準，設計速度60km/h，雙向六車道規模，沉管管節采用兩孔一管廊結構，管節標準斷面尺寸180m×33.4m×9.7m，單個管節重約6 萬噸，由8 個節段組拼而成。沉管管節采用干塢法進行預制施工，在梭魚灣北岸陸域設置東、西兩座干塢，采用兩個干塢分批次預制，每個干塢每批次3 節。管節預制采用跳段式預制工藝，各節段混凝土獨立澆筑，節段間設置節段接頭，接頭為柔性接頭。預應力接頭作為節段接頭之一，施工質量直接關乎沉管的水密性，是沉管預制質量控制關鍵。

2.2 預應力孔結構介紹

在管節浮運和沉放前，需通過預應力筋張拉，使管節各節段縱向連為一個整體，并保證在施工過程中各節段接頭處的壓應力不小于最小壓應力控制要求。管節于頂板布置24 個預應力孔道，底板布置22 個預應力孔道，其中42 束預應力鋼束進行預應力張拉施工，另外4 個為預留管道。預應力鋼束采用15-25 鋼束型號，標準管節單根預應力管道由2 根10m 長塑料波紋管構成，S1、S8 節段采用1 根10m和1 根11m長的塑料波紋管構成。大連灣沉管隧道按柔性結構體系設計（E1～E18），預應力為臨時預應力，在節段接頭附近設置預應力剪斷孔，在沉管安裝到位、沉降穩定后的適當時機將預應力束剪斷。節段接頭孔道連接通過波紋管連接件實現，波紋管節段接頭連接件由D160 孔徑的PE管、D140 孔徑的PE 管、防水密封圈、熱縮套和O 形密封圈構成，預應力孔道波紋管節段接頭連接件組成方式如圖1所示。沉管預制完成并在管節強度達標后需對沉管進行管節的預應力張拉和壓漿施工。預應力張拉采用后張法進行兩端張拉、并左右對稱進行，壓漿采用真空輔助壓漿工藝。

圖1 預應力鋼束構造布置圖

2.3 預應力孔道施工方法

2.3.1 施工流程。預應力管道施工流程如下：先澆端波紋管安裝→先澆端D140 管安裝→先澆端O型密封圈安裝→先澆端D160 管安裝→先澆端防水密封圈安裝→匹配端D140 管安裝→匹配端O 型密封圈安裝→匹配端D160 管安裝→匹配端防水密封圈安裝→匹配端波紋管安裝。

2.3.2 波紋管固定。波紋管在頂板及底板鋼筋綁扎過程中安裝。波紋管為專門定制，長度約10m/根，每個節段的每根預應力管道使用2 根波紋管對接而成（如圖3 所示），波紋管對接接頭使用廠家提供的專用連接器進行連接。波紋管安裝前，測量將波紋管精確位置放樣在端頭鋼筋上，波紋管直接安裝在預應力鋼筋托架上，每隔400mm用一根C12的“U”型鋼筋將波紋固定在托架上，如圖2 所示。

圖2 波紋管的固定示意圖

圖3 波紋管對接示意圖

2.3.3 絞線下料及穿束。（1）鋼絞線下料。鋼絞線采用直徑為15.2mm 的高強、低松弛鋼絞線，其技術指標應符合國家標準GB/T5224 技術要求，標準強度為1860MPa，計算彈性模量為1.95×10^5MPa。現場鋼絞線穿束使用穿束機進行，完成穿束后使用輪片式砂輪機切掉多余鋼絞線，嚴禁采用電焊斷料，下料的長度誤差應控制在-10mm～+100mm以內。（2）鋼絞線穿束。現場施工作業使用張拉架進行輔助施工，如圖4，張拉架吊裝到位后，應及時用鋼絲繩與管節端鋼殼螺栓連接，保證張拉架在張拉施工作業過程中的穩定性。同時，在張拉架頂部作業時要注意高空作業，施工人員佩戴安全帶。

圖4 預應力施工張拉架布置圖

預應力鋼絞線穿束使用自動穿束機進行穿束，在穿束端利用張拉架搭設穿束平臺，穿束固定高度與預應力孔道基本保持平行，穿束機鋼絞線進口端采用柔軟管套進行保護，避免鋼絞線被污染和磨損，穿束機每次穿束一根鋼絞線,如圖5 所示。

圖5 穿束機穿束

穿束前在鋼絞線頭部安裝塑料“子彈頭”，如圖6，人工將鋼絞線頭穿入穿束機中，啟動穿束機穿束待鋼絞線，在穿束過程中可根據需要在鋼絞線上涂抹肥皂或石蠟等潤滑劑，以減少鋼絞線與預應力管道的摩擦系數。

圖6 穿束子彈頭

單根穿束完成后，使用砂輪機切斷鋼絞線，不得采用火焰或焊接切割。由于穿束機穿束速度快，要特注意穿束過程中預應力管道正對面要設立擋板，并將施工場地圍避，避免鋼絞線穿出時打傷路過行人。

2.3.4 先澆端節段接頭施工。預應力管道在節段接頭位置使用PE 管連接。PE 管使用嵌套結構，外側使用D160管，內側使用D140 管，波紋管與D140 管、D140 管與D160管利用熱縮套進行連接。D140 管在先澆端安裝時預留20cm 長度，用于匹配端管道安裝時插入對接；D160 管與D140 管之間安裝2 條O型密封圈，用于管道壓漿過程中止漿防漏；D160 管外側再安裝1 條防水密封條，作為D160 管外側防水、止漿措施。

2.3.5 匹配端節段接頭施工

優先安裝插入對接的匹配端內測D140 管道，而后D160 管與D140 管之間安裝O 型密封圈，O 型密封圈在每個管道的每個匹配端節段接頭處安裝5 個，用于管道壓漿過程中止漿防漏。同樣在D160 管外側再次安裝1 條防水密封條，作為D160 管外側防水、止漿措施；波紋管、D140 管道D160 管道仍采用熱縮套連接。

2.4 施工質量控制難點

預應力孔道內管與外管間要求保證水密性，能滿足0.6MPa 水壓作用下水密性要求以便在沉管預制完成、強度達標后對沉管進行的管節預應力張拉、壓漿施工。節段接頭一旦密封不嚴，將導致預應力管無法抽真空，影響預應力孔道壓降質量。同時本工程在節段接頭處所有連接措施均為柔性接頭，壓漿過程中預應力孔道在接頭處一旦有一處漏漿，漿液將隨之蔓延至整條OMEGA止水帶預埋件上，污染OMEGA 止水帶預埋件進而影響到止水帶安裝面平整度。漿液附著在OMEGA預埋將防腐涂層后，需對其進行清理，在清理的過程將無法避免的會破壞預埋件原始的防腐圖層，造成質量隱患。

2.5 質量控制難點分析

在西塢第一批次沉管預制中，發現預應力套管存在防水性能失效的情況，導致壓漿過程中從節段接頭處漏漿，壓漿受影響較大。經研究及討論發現預應力管道漏漿主要有兩點可能：

2.5.1 波紋管節段接頭處設計為PE 管直接對接，在先澆端澆筑過程中預埋D160 管，匹配端施工中D160 管對接處無止水措施，而D160 管對接縫直接處于節段接頭處，現場水密封閉存在一定難度。

2.5.2 管道內側的D140 管與外側的D160 管間止水完全依靠管道中間的兩道O型止水密封圈止水，而O 型密封圈在遇水前不會發生膨脹體積較小，管道密封性難以保證，經過7 道節段接頭后預應力管道真空泵施工完全失效。對其性能分析發現在壓漿過程中O 型密封圈從遇水至膨脹需要的時間過長，待其膨脹到位時，此條孔道壓漿往往已經結束，壓漿質量難以保證。

2.6 施工控制措施

2.6.1 波紋管節段接頭工藝優化

為解決先澆端與匹配端D160 管間對接無防水措施的問題，擬對D140 與D160 套管間、D140 與波紋管間的工藝優化，增加2 道施工措施。如圖7 所示。

圖7 預應力節段接頭措施圖

①在節段接頭接口處，于混凝土先澆端端面沿D140 外徑涂抹一圈遇水膨脹止水膠，填滿匹配端D140 塑料套筒與先澆端D160 套筒之間的間隙；而后待D160 管安裝完成后再于混凝土端面處沿D160 塑料套筒外徑再次涂刷一層遇水膨脹止水膠，加強兩條D160 管道連接的緊密性。

②在先澆端澆筑前，每條D160 管外側再增加一條60cm的熱縮套，熱縮套埋入先澆端30cm，匹配端預留出30cm。在先澆端混凝土澆筑前先對先澆端處進行熱縮處理，待匹配端施工管道其他措施施工完畢后再對預留出30cm熱縮套進行熱縮處理施工。

2.6.2 波紋管O型密封圈

針對O型密封圈遇水膨脹但膨脹需要一定時間及膨脹后不收縮的特性，亦增加相應措施。在O型密封圈完全封閉前于D140 管道和D160 管道間放入一定量的淡水，使其在壓漿前膨脹到位。同時在先澆端和匹配端的D140 管道和D160 管道間分別增加一條防水密封條和一道O型密封圈。使其由原來的2 到O 型密封圈止水增加為3 條O 型密封圈止水外再曾加一道防水密封條止水，通過增加止水措施的目的達到止水效果。預應力接頭改進措施如圖8 所示。

2.7 質量控制成果

通過對D140 與D160 套管間、D140 與波紋管間的工藝優化及增加O 型密封圈和防水密封條的措施，加強了波紋管接頭密封性能、較好減少了壓漿過程中的節段接頭漏漿，提高壓漿質量。同時壓漿過程中水泥漿由孔道的節段接頭滲漏情況得到了很好的控制，為后續節段間關鍵工藝OMEGA止水帶安裝提供了良好的作業環境。

3 結論

沉管隧道預制工程在國內的應用越來越廣泛，其涉及分項多、范圍廣，各個分項在沉管預制及安裝中都有很重要的作用，在施工過程中針對每一個分項、每一個問題都需要提高到一定的高度來對待。對每個分項的優化和施工及管理經驗都可以在為整體沉管隧道的預制施工提供有力保障的同時又為后續沉管隧道施工積累經驗。