沉管密闭腔抬升方法的构想与实践

林 鸣,梁 桁,林 巍,尹海卿,李哈汀

（1.中国交通建设集团有限公司，北京 100088；2.中交港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部设计分部，珠海519015；3.中交港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部，珠海 519015）

海岸河口及港口工程

沉管密闭腔抬升方法的构想与实践

林 鸣1,梁 桁2,林 巍2,尹海卿3,李哈汀3

（1.中国交通建设集团有限公司，北京 100088；2.中交港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部设计分部，珠海519015；3.中交港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部，珠海 519015）

在港珠澳岛隧工程沉管隧道E32-E31管节接头发生异常沉降以后，笔者提出了沉管密闭腔压浆预压基床、抬升管节的构想。实施结果与构想基本符合，起到了协调差异沉降、预压密实基床、调控沉降形态的目的。文章总结了该构想的形成、实施的过程与结果。该构想的成功实施创造了一种调控沉管沉降的新方法。

沉管隧道；港珠澳岛隧项目；沉管密闭腔抬升法；基础处理

1 构想的提出

1.1 E32管节异常沉降问题

港珠澳岛隧项目沉管隧道段长约5.6 km，由33节沉管组成（图1），标准管节安装后的质量约为76 000 t。该工程绝大多数管节基础采用了复合（天然）地基+组合基床的创新方案，如图2所示。管节安装时的瞬时沉降大约为5～15 mm，管顶回填及管内压舱混凝土浇筑等施工期间的沉降大约为40 mm，随后便呈现收敛趋势。

图1 港珠澳岛隧项目纵断面Fig.1 HZMB island-tunnel project longitudinal section

图2 港珠澳岛隧项目沉管隧道基础方案Fig.2 HZMB immersed tunnel foundation

E32管节是33个安装管节中唯一个沉降规律不同的管节。安装之后尚未加载时，E32与E31管节接头端的沉降监测情况异常（图3），发生了近50 mm的沉降，且不收敛；在碎石整平船插、拔桩腿时[1]，E32管节的竖向姿态出现跳跃变动的反应，一端下降时另一端抬升（图3），竖向运动呈现“跷跷板”反应。

E32管节置于预先开挖的基槽中，地基经过超载预压处理，其历史应力远高于当时荷载应力水平，经工程判断异常沉降主要发生在地基上层的基床中。如果不能进行妥善的处理，可以预见的是，在E32管节回填加载过程中，E32管节的沉降以及与E31管节的差异沉降将不可接受。

1.2 密闭腔压浆抬升沉管的构想

利用E32-E31接头部位的沉管隧道基槽、锁定回填碎石、管节接头底部自然形成的空腔（图4），通过压浆形成密闭腔，来协调接头沉降、预压密实基床、调节沉管竖向姿态。

（1）压送浆体置换基床空隙中的水体，浆体凝结后形成固态垫层，填补可能的脱空空间，减少沉降及差异沉降。

（2）利用压浆过程中的浆体压力，对基床进行预压密实，预先完成后期加载沉降。

（3）利用近似液压千斤顶原理，通过密闭腔与带压浆液抬升管节，调节控制沉降量和姿态。

2 方案评估

2.1 浆液性能

浆液是一种超低强度水下不分散混凝土，需要具备一些特殊性能。

密闭腔的压力形成是必要条件，如图4所示。这就要求浆液在水下能够长距离流动，并保持不分散的状态。

为达到形成整体垫层的目的，要求浆液凝固后具备一定强度且体积稳定。

需要考虑整体垫层与周围的碎石基床协调受力，因而要求浆体为超低标号混凝土浆液。

此外，要达到预压抬升管节的目的，形成压力密闭空间是前提条件，因而对混凝土的骨料粒径和用量需进行控制，以保证浆体不向碎石孔隙中渗透析出，同时需具备一定的自填充性能。

最后，还要考虑浆能体适应长距离向下输送条件，同时适应混凝土泵和压浆泵泵送要求，具有良好的工作性能。

综上需求，确定基础碎石垫层压浆性能要求，见表1。

2.2 抬升压力

抬升管节是一个重要预设目标。为此对抬升E32管节所需的压浆压力进行了估算。

首先根据图5对 E32管节下沉上运动的抬规律性的观察分析，判断并设定E32管节在注浆抬升时旋转支点，如图5所示。同时考虑管节上抬时需克服两侧回填碎石的摩擦力、压载水重力、管节上浮力。决定抬升压力最重要的参数是对初始管节底面与浆液接触有效面积，需要水下测量配合完成。综上分析计算得了E32管节抬升压力为管底水深的水压力加0.13 MPa，即约0.4 MPa。

2.3 压浆风险

对压浆引起的施工期及运营期风险进行了评估。施工期包括管节不受控起浮、管节接头张开、节段接头预应力损失等；运营期风险包括GINA耐久性和管节接头伸缩受限等。虽然2.1节计算的压浆压力不超过0.4 MPa，风险评估时，按照浆体压力达到1.0 MPa的假定进行验算；管节张开风险主要考虑GINA压板外缘钢端壳余宽[2]；结合E32管节GINA位移-压缩量曲线和浆体固结强度等，评估结果均在可接受范围。具体分析结果作为施工过程及施工监控的参考数据。

图3 沉管管节E32首尾端沉降-时间曲线Fig.3 Settlement-time curve at tunnel element

图4 沉管隧道管底压浆概念Fig.4 Concept of grouting underneath immersed tunnel element

表1 压浆材料性能要求Tab.1 Performance requirement of grouting material

图5 抬升E32管节所需的压浆压力估算Fig.5 Estimation of grouting pressure for lifting up TEE32

3 实施过程

压浆准备的主要工作内容为：横向压浆管、纵向工字钢、竖向压浆管安装，压浆平台（利用已有的碎石整平船）准备，E32-E31两侧回填碎石。

监测准备工作包括沉管底部预设压力盒，管内布设静力水准仪。

（1）横向压浆管需在E31管节安装前吊放至水下E32-E31接头底部，如图6所示。

（2）完成后，为加强协调沉降效果，需在压浆管的上方安装纵向工字钢。图7为工字钢托架，工字钢由潜水员在水下辅助安装。

（3）为监控压浆过程中的浆体压力，顺接头横向等间距的布置了5个压力盒；顺碎石基床纵向垄沟放置了4个压力盒来监测浆液纵向流动覆盖范围和压力。参见图8。

（4）为实时监测管节压浆过程中的姿态变化，在管节内沉管隧道设置了静力水准仪。实际压浆时通过贯通测量也可测量姿态，但是数据获取有一定的滞后性。

（5）安装竖管一端连接水平压浆管，另一端连接拖泵。考虑海上作业，利用碎石整平船作为工作平台固定拖泵。如图9及图10所示。

（6）施工E32-E31接头部位的锁定回填[3]，作为浆液的横向密闭格挡，并在底部3 m左右高度采用袋装回填料，如图11所示。在E31的碎石基床垄沟中设置了两道气囊作为纵向围挡措施，见图12。

（7）采用搅拌船生产浆体，通过布料杆输送至注浆平台上的拖泵（图10），经由竖向管与水平管压入E32-E31的接头底部（图9）。

（8）压浆过程要确保施工安全及管节姿态可控，同时需要不间断压浆，避免混凝土堵塞在压浆管道中（图9）。对压浆施工技术人员的经验及能力要求很高。

图6 相邻管节E31安装前，E32接头底部压浆管的安装（照片为平行于管节横向）Fig.6 Grouting pipe installation at the bottom of E32 element joint before E31 installation scheme

图7 压浆管上的轴向加强工字钢Fig.7 I-steel placed on top of the grouting pipe

图8 压力监测点平面布置图Fig.8 Plane layout of pressure monitoring point

4 实施效果

压浆过程历时17个小时。压浆量总计340.5 m3。

4.1 压浆阶段特征

如图13及图14所示。管底压力及管节姿态监测方面，可清晰地区分为3个阶段。

（1）充填阶段：压浆量从0至140 m3，管节姿态监测无变化，管底压力增长缓慢；

（2）压力密闭腔形成阶段：压浆量超过140 m3以后，管底监测压力增速上升，直至约220 m3。但是管节姿态并无明显变化；压力数据说明密闭空间已形成，基床被预压变形，并且被此阶段增加的浆液所充填。

（3）管节顶升阶段：通过贯通测量及静力水准仪观察到了E32管节尾端姿态的抬升，同时部分压力盒的监测压力开始下降。原因是抬升管节需要的总力是一定的，随着管节抬升浆体与管节底面的接触面逐渐增加，总力不变压力值就会减小。压浆至340.5 m3时，管节最大抬升量3.7 cm。停止压浆以后，浆液凝固，基地压力消散，管节姿态稳定后抬升1.6 cm。

4.2 预设目标达成情况分析

分别讨论协调沉降、预压密室及调控姿态三个目标的达成情况。

（1）压浆前E32相对E31偏低且不收敛，压浆过程E32相对E31发生4 cm抬升，压浆后沉管回填荷载加载完成E32与E31的差异沉降不再变化（图15），说明在水下压入的浆液凝固后，连同包裹在内的纵向工字钢起到了协同E31、E32沉降的作用。

图9 管节E32接头部位压浆设备断面示意Fig.9 Cross section of grouting facilities at E32

图10 压浆施工照片Fig.10 Photo of grouting construction

图11 E32管节接头部位剖面图（注浆管、工字钢及整平船平台等注浆设备未示出）Fig.11 Cross section of E32 element joint

图12 E31碎石垫层纵向档浆措施Fig.12 Longitudinal grout material stopper at E31 gravel bed

（2）压浆压力达到0.14 MPa（图13），超出运营期荷载压力0.06 Mpa。此外，浆体固结后，对E32管节进行回填加载作业，图14为后续管节沉降情况，加载过程发生沉降6 cm，随后趋于收敛。虽然该沉降值略大于其他管节，但可以判断压浆起到了预压密实基床的作用，且效果显著。

（3）E32与E31接头端的管节竖向抬升了37 mm，浆体固结后稳定在16 mm，此法也能实现调节管节竖向姿态的目标。

图13 压浆阶段管底压力监测情况（监测位置对应图6）Fig.13 Pressure monitoring under tunnel element at grouting period (monitored position refers to Fig. 6)

图14 管节压浆阶段的竖向位移Fig.14 Vertical displacement of the tunnel element at grouting period

图15 E31与E32管节接头竖向差异变形-时间曲线（“+”表示E32相对E31发生沉降）Fig.15 Vertical relative displacement of E31-E32 element joint

图16 浆液凝固后E32端部沉降曲线Fig.16 E32 settlement after solidification of grout material

5 总结与讨论

以往沉管基础及基床铺设工艺主要包括桩基础、刮铺法、喷砂法、沙流法、碎石垫层。港珠澳岛隧项目的沉管隧道采用的是复合地基+组合基床的创新技术方案（图2）。该方案总体上将5.7 km长的沉管隧道的沉降控制得很好。发生异常沉降的E32管节恰好采用的是一般后铺法的方案，经判断该异常沉降主要发生在碎石基床层。

为了避免异常沉降所造成的管节沉降失控，结合E32-E31接头底部锁定回填后天然形成的空腔，提出了密闭腔压浆抬升管节的构想，实践结果证明该方法能协调接头沉降、预压密实基床、调节沉管竖向姿态，是沉管隧道基础处理的新方法。

设计施工总承包模式为异常沉降问题发生后的科学判断与果断决策提供了良好的工作环境[4]，也为后续工作的优化提供了条件。

需注意的是，该工法充分利用了工程自身的条件：管节接头下方有一段不铺设碎石基床的空间，恰好可作为上抬力的作用面；管节两侧的回填施工可自然形成密闭空间，密闭空间是混凝土在水压力作用下产生额外压力的必要条件；管节考虑其自身浮力后不需很大的额外压力就能被抬升；且已有提前配置的超低强度水下不分散混凝土。

此外，为降低海上作业风险，详细筹划了信息化施工：对压浆总量进行了估算与控制，严密监测水密度避免管节上浮，监测管节姿态及管节接头相对运动，确保压浆过程风险可控。

最后需要指出：

（1）根据具体情况合理选择混凝土的缓凝时间。凝固时间越长，压浆可填充的区域就越广泛，压浆速率就可控制得缓慢；凝固时间短，优点是管节抬升或压浆完成以后，姿态稳定的时间较短，抬升量的回复值预计较小。

（2）可在碎石垄沟上设置纵向浆体通道，可使得浆液在管底的填充及压力更均匀。

（3）港珠澳岛隧项目的最终接头位于E29、E30之间，不同于日本的最终接头工法形式[5-6]，安装后为强化最终接头与两边管节的协同沉降，拟再次应用密闭压浆法进行一次施工。

（4）该新工法结合了多种沉管基础工法优势，在特定的项目条件下有可能成为相对更优的沉管隧道基础工法。

致谢：王晓东对图表进行了梳理与完善，并为本文的出版送审做了版面的修改。在此表示感谢。

[1] 林鸣，李一勇，王学军，等. 平台式抛石整平船：中国： 203846501U[P].

[2] 林鸣, 林巍. 沉管隧道结构选型的原理和方法[J]. 中国港湾建设, 2016(1):1-5. LIN M, LIN W. Mechanism and Methodology of Structural-Type Selection of Immersed Tunnel [J].China Harbor Engineering, 2016(1):1-5.

[3] 林巍, 张志刚. 海中沉管隧道回填防护设计的讨论[J]. 中国港湾建设, 2013(10):29-33. LIN W, ZHANG Z G. Discussion on Design of Backfill Protection of Offshore Immersed Tunnel [J]. China Harbor Engineering, 2013(10):29-33.

[4] 林鸣, 刘晓东, 林巍,等. 沉管隧道规划综述[J]. 中国港湾建设, 2017(1): 5. LIN M, LIU X D, LIN W,et al. On the planning of immersed tunnel project [J]. China Harbor Engineering, 2016(12): 5.

[5] 林鸣, 史福生, 表莲. 日本沉管隧道最终接头施工新工法[J]. 中国港湾建设, 2012 (4):1-4. LIN M, SHI F S, BIAO L.Japan Immersed tunnel closure joint new construction technique [J]. China Harbor Engineering, 2012(4):1-4.

[6] 林鸣,林巍,刘晓东,等. 日本交通沉管隧道的发展与经验[J]. 水道港口, 2017(1):1-7. LIN M, LIN W, LIU X D,et al. Japan Traffic Immersed Tunnel Development and Experience [J]. Journal of Waterway and Harbor, 2017(1):1-7

Conception and practice of the seal chamber lifting method of immersed tunnel

LIN Ming1, LIANG Heng2, LIN Wei2, YIN Hai-qing3, LI Ha-ting3
(1.China Communications Construction Co. Ltd., Beijing 100088, China; 2.CCCC HZMB island and tunnel project offi ce design division, Zhuhai 519015, China; 3.CCCC HZMB island and tunnel project offi ce general offi ce, Zhuhai 519015, China)

After the unexpected settlement at E32-E31 element joint, a novel construction method was proposed, namely the seal chamber lifting method to grout material underneath to pre-compress gravel bed and lift tunnel element. The construction result is generally in good agreement with the expectation. The uneven settlement is accommodated. The foundation layer is pre-compressed, and the tunnel element position is adjusted. The development of conception and the implementation were generalized in this paper. The successful implementation of the conception creates a new method for managing the immersed tunnel settlement.

immersed tunnel; HZMB island and tunnel project; seal chamber lifting method of immersed tunnel; foundation treatment

TV 142；O 242.1

A

1005-8443(2017)03-0217-06

2017-03-27；

2017-04-19

林鸣（1957-），男，江苏南京人，总工程师，教授级高级工程师，主要从事水工及路桥施工管理。Biography:LIN Ming(1957-),male,senior professor.