沉管隧道大型钢围堰施工技术

尚 颋

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459)



沉管隧道大型钢围堰施工技术

尚 颋

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459)

摘要：天津市滨海新区中央大道海河隧道穿越海河，采用沉管法施工工艺，3节沉管在干坞内进行预制，沉管浮运沉放对接完成后，需要在坞口安装钢围堰对干坞进行二次封闭，将干坞内海水排空，为最终接头施工做准备。钢围堰由3块组成，每块厚度为1 m，宽度为13 m，高度为15 m，重约110 t，坐落在E3-2管段顶。由于钢围堰的宽度和高度比较大，钢围堰是分块加工制造的，因此接头防水是设计和施工的重点。钢围堰吊装完成后，防水性及安全稳定性得到很好保证。该工程所积累的实践经验，为临水工程超深基坑围堰设计与施工，提供了参考依据。

关键词：沉管法；干坞；钢围堰；防水；吊装

1 工程概况

天津市滨海新区中央大道海河隧道工程为我国地震高烈度区第1条沉管隧道，也是我国北方第1条沉管隧道。工程全长4.2 km，隧道长3.38 km，其中穿越海河255 m，采用沉管法施工工艺[1]。钢围堰是中央大道海河隧道工程江中沉管段岸边干坞临时闸门，总长度为39 m，高15 m，厚1 m。围堰主要由H960×300×16×20竖梁，H960×300×16×20横梁、H400×200×8×13横梁及筋板、面板组成。挡水面板厚度为10 mm，计算水头高度15 m，为便于焊接制作分为3块进行加工，每块尺寸为13 m×15 m×1 m，重约110 t。各块间及围堰底部设防水橡胶条。单块围堰总容积为195 m3，闸门(未注水)水平运输时吃水深度为0.56 m，垂直放置吃水深度为8.46 m。坞口及钢围堰平面布置见图1和图2。

图1 坞口钢围堰平面图(单位：mm)

为确保围堰边缘支撑及上浮，每块闸门梁格四周及支撑位置采用20 mm钢板进行梁格封闭，中间部分梁格采用10 mm钢板封闭。隔舱上下分为两部分，每部分各有30个隔舱，每个隔舱设置两个进水孔、两个排气孔，孔径为∅60 mm，进水孔、排气孔均位于迎水面距隔舱底部、顶部各1 m位置。

2 钢围堰焊接要求

(1)钢梁结构的焊接应根据母材及结构特点选用焊接方法、焊接材料和制定焊接工艺。焊接工艺评定按现行《钢结构工程施工质量验收规范》进行。

(2)采用埋弧焊、二氧化碳气体保护焊及低氢型焊条手工焊方法焊接的接头，组装前必须彻底清除待焊区域的铁锈、氧化铁皮、水分等有害物，使之表面露出金属光泽。焊接时严禁在母材的非焊接部位引弧，焊后应清理焊缝表面的熔渣及两侧的飞溅[2]。

(3)关于焊接方法的规定：①主要结构采用埋弧自动焊或二氧化碳气体保护焊，如H型梁对接焊缝和挡水面板及后封板对接焊缝。②辅助结构或施工困难部分可采用手工焊，但必须保证焊接质量。

(4)焊缝等级划分：Ⅱ级焊缝，包括挡水面板对接焊缝、H型钢梁对接焊缝；其余均为Ⅲ级焊缝。

(5)焊接质量检验：①焊接完毕所有焊缝必须进行外观检查，不得有裂缝、未熔合、夹渣、未填满弧坑的缺陷，焊缝外观检查质量标准应符合规范的规定。②对接焊缝级别及其超声波探伤范围应按规范规定执行。③密封隔舱焊缝需保证水密性要求，应对其所有焊缝采用100%磁粉探伤。④未注明角焊缝高度不得小于焊件中较薄板厚的0.6倍。

图2 钢围堰平面布置图(单位：mm)

3 钢围堰安装位置结构设计

钢围堰安装在沉放完成的E3-2管段顶面。钢围堰安装面为随主体结构施工时预埋的钢板，钢板宽度为1 m，围堰迎水面为钢结构导向槽，导向槽共设置6个，每分块2个，围堰安装平面位置见图3。

图3 围堰安装平面位置图

导向槽高度为1 m，长度0.91 m，导向槽在钢围堰安装过程中，起着导向作用，钢围堰在水面初步定位后，靠其自重及注水压载后缓缓沉入水中，在接近导向槽的位置后，钢围堰顺着导向槽的边缘滑入槽内，落在E3-2顶部围堰底座上。

4 钢围堰防水设计

钢围堰防水结构主要通过在围堰分块接头处、围堰底部、围堰与牛腿之间设置三元乙丙橡胶，在围堰东西两侧设置止水钢板、地连墙埋设预埋止水钢板、管段侧墙耳墙埋设止水钢板来实现[3]。钢围堰防水结构见图4所示，单块围堰在接头处止水条布置见图5所示。

图4 钢围堰防水总构造图

图5 围堰接头处止水条布置(单位：mm)

止水条1位于围堰底部，通长布置，总长度为39 m；止水条2位于围堰与牛腿之间通长布置，总长度为39 m。

5 钢围堰安装

钢围堰安装总体流程见图6。

5.1 钢围堰安装设备

钢围堰安装设备为浮吊船，起吊极限能力为280 t。

图6 钢围堰安装总体流程图

5.2 钢围堰吊点布置

钢围堰吊点采用235B钢板，厚度为30 mm。

吊点布置在围堰迎水面及背水面，迎水面水面布置9个点，背水面水面布置5个点，钢围堰由存放场地吊至坞内时，由浮吊吊住迎水面1号～4号共四个点。吊点布置见图7。

图7 吊点布置图(单位：m)

钢围堰在坞口垂直吊装时，采用四点吊法，浮吊吊住围堰顶部迎水面及背水面A、B、C、D四个吊点(吊点位置见图7(b))。

5.3 钢丝绳受力分析

单块围堰重量按照110 t计算，采用四点起吊法，每根钢丝绳受力约为275 kN。现场吊装施工时拟采用6×37+FC-56钢丝绳(FC-纤维芯)。

钢丝绳破断力计算：F0=K′D2R0/1 000。式中：F0为钢丝绳最小破断拉力(kN)；D为钢丝绳公称直径(mm)；R0为钢丝绳公称抗拉强度(取1 570 MPa)；K′为某一类别钢丝绳的最小破断拉力系数，查GB/T20118—2006规范得出，K′=0.295。则计算得出F0=1 452 kN。

查规范得出，用于机动起重的钢丝绳安全系数为5～6。F0/275 kN=5.28，满足要求。

5.4 钢围堰安装

5.4.1 钢围堰安装前准备

(1)钢围堰安装前检查围堰外形尺寸是否满足设计要求。

(2)检查围堰吊点、围堰构件焊缝质量能否满足规范要求。

(3)检查止水条、注浆管、止水钢板数量是否按照设计要求安装完成。

(4)检查注水孔是否齐全、螺栓是否已经拧紧。

5.4.2 钢围堰定位线

在围堰分块迎水面做好便于测量定位的标尺线，线间距为0.5 m，以利于观测围堰本身的平衡性及入水深度。围堰安装底面标高为-9.767 m，水位标高按照+1.0 m计算，当水位到达标尺线10.767 m位置时，即表示安装到位。

5.4.3 钢围堰安装步骤

(1)施工钢围檩:干坞坞口安装一条通长钢围檩，作为钢围堰安装时的限位梁兼作东西侧岸壁施工通道。钢围檩采用军用贝雷梁组成，围檩总长度为51 m，围檩横跨在东、西侧格构地连墙，两端通过在东西侧格构内埋板，采用槽钢加固。围檩南端面安装里程为围堰中心里程向北1 m的位置。钢围檩安装完成后，两端距端部6 m位置测量放线，做好标记，以便钢围堰安装时，东、西方向定位控制。

(2)围堰运至坞口：浮吊驶入干坞内，将钢围堰分块吊入干坞内，用缆绳缓慢、匀速地将围堰分块拖运至坞口沉放位置，通过在坞口岸壁上设置的地锚临时系锚。

(3)安装围堰：围堰安装顺序为自东向西依次安装，浮吊协助钢围堰移至沉放位置后，解除围堰尾部系缆绳。

浮吊系住钢围堰顶部两侧吊耳，将钢围堰缓缓竖起，在竖起的过程中，围堰分舱通过进水孔逐步进水下沉，围堰在下沉过程中，通过绞移浮吊船，将围堰移至靠近钢围檩，顺着钢围檩缓缓下沉。围堰注水下沉时采用缆绳辅助定位，以保持整个分块钢围堰的姿态水平，确保围堰分舱内进水均匀。

围堰下沉过程中，注意观察标尺线读数，保持围堰下沉过程中平衡。当围堰下沉至刻度线为8.5 m时，时刻调整其姿态及位置在设计轴线上。围堰下沉至刻度线为9.95 m时，此时围堰即将进入导向槽内，下沉速度要缓慢，避免围堰大幅度摆动，而损坏围堰牛腿上安装好的止水条。

按照上述工序，通过浮吊同样落入围堰2，围堰2安装完成后，通过岸上缆绳系住围堰吊点对分块间橡胶预紧。预紧后，通过在围堰1与围堰2吊点内穿入钢丝绳，用锁扣锁紧。围堰2安装完成后，围堰1、围堰2通过接缝处焊接钢系梁固定。

围堰2安装定位完成后，浮吊安装围堰3落座后，用钢缆系住围堰上吊点，另一头拴在西侧格构地锚上，拉紧钢丝绳，使围堰3与围堰2安装的止水条充分压紧。围堰3与围堰2吊点通过钢缆连接固定。

(4)钢围堰固定：钢围堰安装完成后，在围堰南面吊点上系好钢丝绳，在东侧格构内地锚上通过倒链将钢丝绳系紧。围堰北侧，在钢管桩上焊接钢系梁顶在围堰上，钢围堰上、下加槽钢顶住围堰。围堰南侧通过在地连墙牛腿上加系梁支撑在钢围堰上。

围堰安装完成后，安装钢腰梁，钢腰梁与围堰焊接。

5.5 围堰两侧模板安装

围堰两侧模板顶标高为+2.5 m，底标高-20.1 m，总高度为22.6 m，水下混凝土浇注长度为4.9 m，宽度为3 m，高度为22.6 m。模板采用整体钢模板，模板在现场进行加工制作,水下安装就位，浇注混凝土。模板安装位置见图8所示。

模板安装完成后，模板周圈堵缝。模板内混凝土强度等级为C30，抗渗等级S10。

模板内浇注混凝土，上部模板内混凝土浇注分两次完成，第一次高度到管顶以上 1.5 m，把围堰底部包住，同时混凝土的附加浮力又不至于把围堰伸入模板箱内的端部抬起，等下部混凝土初凝后再浇筑剩余部分混凝土。

图8 模板安装位置图

5.6 围堰分仓内浇注混凝土

围堰两侧混凝土浇注完成后，在围堰分仓内浇注素混凝土防水封闭，强度等级为C20。

5.7 安装钢支撑

围堰上钢支撑共3道，第1道标高为+2.0 m，第2道标高为-1.8 m，第3道支撑标高为-5.4 m；每道支撑12根。

6 结束语

钢围堰支撑安装完成、干坞内水抽干后，进行最终接头主体施工，现场施工效果与检测数据表明：采用该钢围堰施工技术，保证了钢围堰防水性以及安全稳定性，做到了不渗不漏。

该工程沉管隧道大型钢围堰施工所积累的实践经验，为我国今后内河沉管隧道工程以及临水工程超深基坑围堰设计与施工，提供了参考依据与经验指导。

参考文献

[1]李秀华.中央大道海河沉管隧道最终接头关键技术[J].国防交通工程与技术，2013(3)：53-57

[2]金卫东.对C型门式起重机的加固改造[J].铁道货运，2005(7)：34-36

[3]潘永仁，彭俊.上海外环沉管隧道最终接头施工技术[J].施工技术，2004(1)：37-39

Construction Techniques for Large-Type Steel Cofferdam for Sunken-Tube Tunnels

Shang Ting

(The 5th Engineering Co. Ltd. of the 18th Bureau Group of China Railway,Tanggu 300456,China)

Abstract:Since the Haihe River Tunnel of the Central Road of the New Seaside District of Tianjin has to cross the Haihe River,the tube-sinking construction method is adopted for the project,with the three lengths of sunken tube for the project precast in the dry docks.After the sunken tubes are floated to the designated positions and connected,a steel cofferdam has to be installed at the entrance of the dry dock to block the dry dock for the second time.The sea water in the dry dock has tobedrainedforthefinalconnectiveconstruction.LocatedatthetopofE3-2TubeSection,thesteelcofferdamismadeupof3pieces,eachbeingonemetreinthickness,15metresinheightandabout110tinweight.Owingtobeingverylargeinbothwidthandheight,thesteelcofferdamissegment-dividedandsegment-madeseparately,inwhichcasethejointwaterproofingofthemiscriticalinbothdesignandconstruction.Afterthesteelcofferdamishoistedintoplace,thewater-proofingeffect,thesecurityandthereliabilityofitareallfoundtobewellensured.Theexperienceobtainedfromthesuccessfulconstructionpracticeinthisprojectmayprovideausefulreferenceforthedesignandconstructionofotherprojectswithsuper-deepfoundationpitorprojectsnearriversorseas.

Key words:sunken tube method;dry dock;steel cofferdam;water proof;hoist

收稿日期：2015-11-26

作者简介：尚颋(1974—)，男，工程师，主要从事土木工程施工技术管理工作83676119@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.014

中图分类号：U459.5；U455.46

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)03-0051-05