深中通道沉管隧道水下推出式最終接頭構造研究

鄧 斌, 黃清飛, *, 金文良, 劉明虎, 夏豐勇, 姬 海

(1. 中交公路規劃設計院有限公司, 北京 100088; 2. 深中通道管理中心, 廣東 中山 528400)

0 引言

沉管隧道最終接頭是全線最后一個小管節,雖然規模小,但施工難度卻比常規管節大,是全線貫通的重要控制性因素之一。傳統沉管隧道最終接頭施工工法主要有臨時封閉法和止水板法[1-4]。臨時封閉法是指最終管節沉放完畢后,采用圍堰、止水排樁等構建臨時封閉帶,將最終接頭部分圍起來,排干封閉帶里的水,在干環境下完成最終接頭的施工,其施工難度較小,但施工成本相對較大,我國天津中央大道海河隧道、寧波常洪沉管隧道等采用了臨時封閉法施工沉管隧道最終接頭[5-6];止水板法是指常規管節沉放完畢后,通過潛水作業安裝止水模板,圍住最終接頭區域形成密閉空間,然后排干止水模板內部的水,在管節內完成最終接頭施工,其造價相對降低,但是水下作業較復雜,施工難度大,安全風險高,我國上海外環隧道、廣州洲頭咀隧道等采用了止水板法進行最終接頭的施工[7-9]。

傳統最終接頭施工方法工序復雜、施工風險高,大大限制了沉管隧道的發展,但是隨著沉管隧道工程建設技術不斷完善,最終接頭施工工藝也逐漸改良。1994年,日本川崎航道隧道和多摩河隧道最終接頭施工采用了端部塊體工法,即預制與隧道有相同斷面的小型管節,端口設置了GINA止水帶,背面設置有臨時封門,放置在管節端部套筒內,在擋水圍堰拆除前,干環境下完成最終接頭的推出、組裝和預設[10-12]。1989年與1997年,大阪南港隧道和那霸沉管隧道最終接頭施工時分別采用了V形塊體工法與Key管節工法,二者基本原理一樣,將V形塊體插入沉管隧道最終連接部位,利用塊體自重和楔形水力壓接原理,使得預設在已沉管節端面上的GINA止水帶充分壓縮,完成止水,為最終接頭剩余施工作業提供干環境[12]。2016年,港珠澳大橋沉管隧道對V型塊體工法進行了優化設計,采用鋼混組合結構,集成頂推、止水、吊裝、定位調節、注水系統,最終接頭吊裝就位后由頂推小梁頂推推出,與相鄰管節對接,實現管節密封接觸,抽排結合腔水,形成沉管內干作業環境[13-15]。

相對于傳統的最終接頭施工工法,端部塊體工法、V形塊體工法與Key管節工法工程施工風險顯著減小,但測量精度要求極高,臨時工程構件較多,工程經濟性有待提高。深中通道沉管隧道處于復雜的外海建設條件并且建設規模大,為了提高工程安全性、可靠性以及節省工程造價,采用水下整體推出式最終接頭施工工藝,其整體構造與端部塊體法基本一致,但取消了臨時圍堰,完全在水下進行施工。由于水下整體推出式最終接頭是世界上首次采用,設計及施工難度極大,為了確保最終接頭平穩推出、應對海底巨大水壓以及保障運營期結構安全,對最終接頭結構構造進行了諸多創新。

1 項目背景

深中通道項目地處珠江口下游核心區域,位于虎門大橋下游約30 km,距離港珠澳大橋上游約38 km。深中通道位置如圖1所示。其直接連接深圳、中山和廣州南沙,是我國“十三五”重大工程,也是世界上首例集超寬超長海底隧道、超大跨海中橋梁、深水人工島、水下互通“四位一體”的集群工程。深中通道全長約24 km,其中跨海段長約22.4 km,路線起自深圳機場互通立交,經廣深沿江高速二期東接機荷高速,向西跨越珠江口,依次設置東人工島、機場樞紐互通立交(匝道隧道部分)、海底沉管隧道、西人工島、伶仃泄洪區非通航孔橋、伶仃洋大橋、淺灘區非通航孔橋、萬頃沙互通(預留)、中山大橋、橫門泄洪區非通航孔橋、馬鞍島陸域段引橋及橫門互通立交(部分),在中山馬鞍島登陸,與在建中開高速對接。項目采用雙向8車道高速公路技術標準,設計速度100 km/h,其中,橋梁橫斷面寬度為2×20.25 m,隧道限界凈寬為2×18.0 m,汽車荷載等級為公路-I級[16-17]。

圖1 深中通道位置示意圖

2 水下推出式最終接頭總體布置

深中通道沉管隧道全長5 035 km,共設32個管節,其中,最終接頭設置于E23和E24管節之間,兩側合龍口寬度為1.1 m,管頂平均水深13.5 m。深中通道沉管隧道縱斷面布置如圖2所示。

圖2 深中通道沉管隧道縱斷面布置圖(單位: km)

整體預制水下推出式最終接頭主體結構由推出段、擴大段和后焊段3部分組成。為了滿足E23管節及最終接頭整體浮運干弦要求,減輕艦首質量,推出段尾部1.8 m范圍在預制場澆筑自密實混凝土,其余范圍在水下進行注漿;擴大段底板為鋼殼混凝土組合結構,頂板及側墻為純鋼結構。水下推出式最終接頭總體布置如圖3所示。最終接頭現場施工如圖4所示。

圖3 水下推出式最終接頭總體布置圖(單位: mm)

圖4 最終接頭現場施工圖片

3 水下推出式最終接頭創新構造

深中通道沉管隧道是世界上首次采用整體預制水下推出式最終接頭施工工藝的工程,其施工示意和施工步驟如圖5和圖6所示。

圖6 最終接頭施工工序圖

浮運及沉放期間,推出段臨時鎖定于E23管節艏端擴大段內;待E23管節及最終接頭整體沉放并與E22管節對接后解除鎖定,利用注水系統往E23與推出段結合腔內注水,調節內外壓差,然后利用千斤頂系統將推出段從擴大段內推出至與E24管節初步壓合;此后,抽排E24管節與推出段結合腔內的水,實現水力壓接;最后,在管內進行后焊段現場焊接、注漿等相關施工內容。

為了保證最終接頭順利實施,深中通道沉管隧道最終接頭設置了推出與回收控制系統、滑道系統、施工期臨時止水系統、推出對接后的臨時縱向鎖定系統以及其他特殊構造。

3.1 千斤頂控制系統

為提高工程施工可靠性,推出段尾端橫斷面方向設置了8組頂推千斤頂,其頂推及回收荷載為1 760 kN和860 kN,如圖7所示。在水力推出過程中,每個頂推千斤頂管路處于獨立工作狀態,工作荷載根據實際推出情況獨立調節。一旦推出段在推出過程中出現問題,調節推出段內外水壓差,通過頂推千斤頂可將推出段收回。施工完成后,將頂推千斤頂全部回收。

圖7 頂推千斤頂布置示意圖

為控制推出段軸向對接精度,需要實時調整推出段在推出過程中的運動姿態。在最終接頭擴大段側墻設置了4組糾偏千斤頂,單個千斤頂糾偏設計荷載為1 000 kN,如圖8所示。糾偏千斤頂與測控系統耦合使用,預先設定推出段軸向偏差限制為±10 mm,推出過程中推出段軸線與理論軸向偏差若超過±10 mm,千斤頂自動進行糾偏。

3.2 滑軌系統

為保證最終接頭推出段平穩推出,推出段下方需設置滑軌系統。理論上滑道數量越多、范圍越廣,對推出過程越有利,但海底24 m水頭作用下,擴大段底板近似懸臂結構,不同位置變形差異較大,導致滑道系統的整體平整度不一樣,反而會影響推出段的推出。因此,深中通道沉管隧道最終接頭根據擴大段底板受力、變形特點設置了4條滑軌,分別位于推出段側墻、中墻下方。滑軌模型示意如圖9所示。受充氣止水帶安裝位置影響,每條滑軌分為前后2段,考慮到推出段完全推出后,重心位置處于前段滑軌位置,因此將前段滑軌加寬。

圖8 糾偏千斤頂布置示意圖

圖9 滑軌模型示意圖

滑軌由55 mm厚鋼墊塊和30 mm厚高分子自潤滑工程塑料合金(MGB)材料組成。滑軌系統的平整度直接影響推出段在推出過程中的穩定性,設計要求4條滑軌頂面安裝精度≤±2.5 mm。滑軌構造示意如圖10所示。為了滿足安裝精度要求,4條滑軌與外伸耳板進行焊接,然后通過兩側的楔形塊將滑軌臨時固定,外伸耳板設置調平螺栓,通過調節螺栓高度調整滑道的平整度。滑道平整度調節完成后,在滑道鋼墊板與主體結構內面板之間填充環氧樹脂,確保滑道豎向受壓時不會產生大的變形。

圖10 滑軌構造示意圖(單位: mm)

3.3 M止水帶+充氣止水帶臨時止水系統

水力壓接過程中,必須保證推出段和E23管節結合腔與外界隔水,因此施工期臨時止水效果直接決定工程能否順利實施。深中通道沉管隧道最終接頭施工期臨時止水采用“M止水帶+充氣止水帶”雙重止水措施,如圖11所示。其中,M止水帶安裝在擴大段端封板與推出段外面板之間,最大推出行程達到2.7 m。目前,國內外還沒有采用如此大行程的M止水帶工程案例。由于推出行程大,在未推出狀態下,M止水帶堆積體積龐大,因此還設置了M止水帶防下垂保護裝置;不僅如此,推出段推入擴大段過程中,M止水帶會卷入擴大段與推出段間隙內,M止水帶存在被鋼結構邊緣劃傷的情況,因此在鋼結構邊緣設置了半圓鋼。

圖11 施工臨時止水帶安裝示意圖

充氣止水帶安裝在擴大段內部,未充氣之前是扁平狀態,不影響制造階段推出段推入擴大段內。水下施工時,推出段推出之前進行充氣,設計充氣壓力為0.9 MPa。試驗階段,充氣止水帶止水效果較好。

3.4 管節接頭臨時鎖定錨拉系統

由圖5可知,根據水下推出式最終接頭施工工藝,推出段與E24管節水力壓接完成后,需抽排推出段與E23管節結合腔的水,才能進行后焊段施工。抽水過程中,最終接頭兩側已沉放管節失去水壓作用,部分管節由于GINA止水帶反作用出現滑移,導致水力壓接失敗。因此,必須采用臨時鎖定裝置將最終接頭相鄰的部分管節進行鎖定。

深中通道沉管隧道采用拉桿+錨固板系統對鄰近管節接頭進行臨時鎖定,錨拉系統三維構造如圖12所示。為適應相鄰管節沉放后不均勻沉降對拉桿的剪切作用,拉桿兩端設置了自潤滑推力軸承,如圖13所示。經試驗驗證,最大可適應11.3 cm的差異位移。

圖13 自潤滑推力軸承構造示意圖(單位: cm)

最終接頭區域不同管節的水深、上覆回填荷載等因素不同,管節自身抵抗GINA止水帶回彈力的能力不同,因此,需要針對不同管節接頭設置錨拉系統的數量,具體如表1所示。

表1 最終接頭臨時縱向鎖定拉桿數量

3.5 雙向受力端封門

深中通道沉管隧道常規管節兩側均采用可拆卸的單向受力鋼封門,由豎向鋼梁、牛腿以及面板組成。由圖5可知,在浮運階段,E23管節與推出段結合腔為無水狀態,推出段端封門受到迎水側水壓力作用;推出段與E24管節結合腔抽水壓接后,端封門將受到推出段與E23管節結合腔內水壓作用。由于兩階段端封門受水壓荷載方向相反,因此推出段封門必須具有雙向受力的承載特點。

深中通道沉管隧道最終接頭推出段采用了面板+橫、縱隔板+加勁角鋼形式的雙向受力端封門,如圖14所示。端封門整體厚度為800 mm,封門面板采用Q345B、厚度為20 mm的鋼材,內部橫、縱隔板采用Q345B,厚度為12、14 mm的鋼材。由于封門焊接空間狹小,因此在橫、縱隔板上開設了400 mm×600 mm的工藝人孔,便于現場焊接。

3.6 推出段臨時壓載水箱

推出段和E23管節整體浮運至隧址時,為防止沉放過程中擴大段底板在水壓作用下發生較大變形,進而影響滑軌整體平整度,推出段與E23管節結合腔內需注水并與外界連通、調平后再進行沉放。結合腔注水量超過1 000 m3,因此E23及最終接頭整體呈現頭重尾輕的狀態,調平后需要消耗干弦15 cm。經綜合分析,最終接頭及E23管節起浮后整體干弦最小為36 cm。為滿足干弦要求,推出段局部范圍采用純鋼結構設計,因此整體質量較輕。推出段與E24管節結合腔抽水對接后,推出段所受浮力遠大于自身重力,抗浮安全不滿足要求。為解決推出段對接后的抗浮難題,在推出段2行車孔設置臨時壓載水箱,水箱尺寸為18 300 mm×6 950 mm×2 050 mm(長×高×寬),如圖15所示。水箱由面板、橫梁以及縱向拉桿組成,施工完成后將其拆除。

水箱面板上邊緣距離主體結構內面板10 cm,浮運、沉放及推出過程中水箱內部與外界連通,水箱不起任何作用。推出段與E24管節結合腔抽水壓接過程中,臨時壓載水箱內的殘留水作為壓載,保證對接完成后推出段抗浮穩定性滿足設計要求。

3.7 水平鋼剪力鍵

根據水下推出式最終接頭構造特點(見圖5),推出段底板頂比普通管節底板頂高出55 cm,導致推出段與相鄰管節加高段位置路面壓艙層厚度不足以布置水平混凝土剪力鍵。因此,推出段與待對接管節水平剪力鍵采用鋼剪力鍵形式構造(見圖16),與側墻鋼剪力鍵構造基本一致,但由于推出段底板厚度比常規管節側墻寬度小,因此水平剪力鍵的厚度比側墻鋼剪力鍵厚度更小,內部連接構造空間緊湊。設計階段對每個構件的安裝時機進行了詳細說明,保證了安裝的可操作性。

圖16 水平鋼剪力鍵模型圖

4 水下推出式最終接頭施工工序

根據水下推出式最終接頭合理構造形式以及常規管節浮運安裝經驗,深中通道沉管隧道水下推出式最終接頭施工工序如下。

工序1。1)加工E23管節和最終接頭推出段鋼殼結構,檢測焊縫質量和水密性,安裝千斤頂系統和滑軌系統; 2)加工后焊鋼接頭塊體,堆放至E23管節底板加高段指定位置并固定; 3)最終接頭推出段推入E23管節擴大段內,通過臨時鎖定裝置鎖定最終接頭推出段。施工工序示意見圖17。

圖17 工序1施工工藝示意圖(單位: mm)

工序2。1)將E23管節(含最終接頭推出段)運輸至桂山島預制場,正常澆筑E23標準段; 2)整體前移至淺塢,解除推出段鎖定裝置,推出段完全退出E23管節擴大段,進行擴大段底板、推出段尾端縱向1.8 m范圍自密實混凝土澆筑。施工工序示意見圖18。

工序3。1)安裝正式滑軌、充氣止水帶、M止水帶、GINA止水帶、注水系統等; 2)推出段再次推入E23管節擴大段內鎖定推出段,檢驗M型止水帶的密水性。施工工序示意見圖19。

圖19 工序3施工工藝示意圖(單位: mm)

工序4。1)淺塢灌水前,解除推出段與E23管節之間的臨時鎖定裝置,完成1次干環境下的推出試驗; 2)淺塢灌水后,再通過注水系統向推出段與E23管節之間注水,完成一次水力推出試驗。上述2次施工工藝試驗合格后重新鎖定推出段。

工序5。選擇合適窗口期,浮運E23及最終接頭至隧位,浮運期間保證推出段與E23管節結合腔無水。

工序6。1)解除推出段與E23管節之間鎖定裝置,推出段與E23管節結合腔緩慢注水,注水管與外海連通,注水過程中調節E23管節和推出段整體平衡; 2)E23管節水箱注水并緩慢下沉,下沉過程中,推出段與E23管節結合腔注水管保持與外海連通; 3)E23管節沉放對接后,貫通測量E23、E24平面位置,確定軸線誤差。施工工序示意見圖20。

圖20 工序6施工工藝示意圖(單位: mm)

工序7。1)通過注水系統往E23與最終接頭推出段間注水,注水系統和頂推千斤頂系統控制推出段結構緩慢推出; 2)測控系統實時測量合龍口姿態,糾偏千斤頂系統控制推出段向軸線方向移動; 3)推出段與E24管節止水帶初步壓合。施工工序示意見圖21。

圖21 工序7施工工藝示意圖(單位: mm)

工序8。1)抽排推出段與E24管節結合腔內的海水實現水力壓接; 2)對推出段剩余空隔艙壓漿密實處理; 3)安裝E25/E24、E24/推出段、E23/E22管節間鋼拉桿并預緊。施工工序示意見圖22。

圖22 工序8施工工藝示意圖

工序9。1)關閉注水系統,抽排推出段與E23之間的水,淡水清洗后焊段塊體并干燥,精確測量推出段與E23管節之間的距離,確定后焊鋼段配切長度,完成后焊鋼接頭作業準備; 2)管內進行后焊段焊接; 3)對擴大段、后焊段以及推出段間隙進行壓漿作業。施工工序示意見圖23。

圖23 工序9施工工藝示意圖

工序10。1)完成最終接頭底部基礎壓漿及管節回填作業; 2)拆除端封門、水箱等臨時構件; 3)路面以及附屬設施等施工。施工工序示意見圖24。

圖24 工序10施工工藝示意圖

5 結論與建議

深中通道沉管隧道是世界上首次采用水下推出式最終接頭的施工工藝的隧道工程,研發了千斤頂實時控制系統、高精度自潤滑滑道系統、M止水帶+充氣止水帶施工期止水系統、雙向受力端封門、臨時壓載水箱和水平鋼剪力鍵等諸多創新性構造,顯著提高了施工安全性和可靠性、縮短了施工工期,有效解決了外海復雜環境下沉管隧道最終接頭建設難題,推動了世界沉管隧道建造技術的發展。

目前深中通道沉管隧道最終接頭主體結構制造、混凝土澆筑以及相關工藝設備安裝基本完成,根據施工經驗提出以下4點建議供后續工程參考,進而不斷完善沉管隧道最終接頭建設技術。

1)水下推出式最終接頭擴大段底板厚度較小,實際施工過程中鋼殼焊接難度非常大,焊接質量難以保障,且焊接殘余應力較大,導致結構變形較大。因此,設計階段應盡可能優化擴大段構造形式,減小現場施工難度,以及結構變形導致的影響。

2)深中通道沉管隧道水下推出式最終接頭管節接頭位置臨時鎖定錨拉系統數量較多,且布置于管節端鋼殼內面板上,大量的焊接作業對端鋼殼的平整度影響較大,且對GINA止水帶的壓接有一定影響。因此建議后續工程中進一步研究采用類似高強預應力鋼束等其他構造進行管節臨時鎖定。

3)水下推出式最終接頭構造形式與管節浮運安裝方法有較大聯系,類似工程需要結合浮運安裝工藝進行構造優化設計。

4)后焊段現場焊接時,焊縫收縮應力傳遞給管節接頭錨拉系統,導致其縱向受拉荷載進一步增加。因此,設計階段需要重點考慮后焊段焊接應力的影響。