沉管隧道干坞工程设计与施工技术

程晓明， 张莉娜， 邓家胜， 宋吉荣

(1. 佛山市新城开发建设有限公司，广东佛山 528316； 2. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；3.中交第四航务工程局有限公司，广东广州 510000)

沉管隧道干坞工程设计与施工技术

程晓明1， 张莉娜2， 邓家胜3， 宋吉荣2

(1. 佛山市新城开发建设有限公司，广东佛山 528316； 2. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；3.中交第四航务工程局有限公司，广东广州 510000)

文章结合广州佛山汾江路南延线程工程项目，介绍了沉管隧道施工重要临时工程——干坞的设计与施工技术。阐述了护坡与降排水设施等环节的设计，介绍了土方开挖、基础施工措施及监测管理技术与方法，保证了工程项目的安全、质量及工期，为类似工程提供参考与借鉴。

沉管隧道； 干坞工程； 土方开挖； 护坡； 降排水； 基础施工； 监测

干坞是沉管隧道建设中的重要临时工程，干坞根据其预制方式,一般分为移动干坞和固定干坞两类。移动干坞方案便是修造或租用大型半潜驳作为可移动式干坞,在移动干坞上实现管段预制,继而操纵拖轮将半潜驳拖运到隧道四周已建好的港池内下潜,达到管段与驳船的分离,再将管段浮运到隧道位置实现沉放安设工作[1]。但当前大多数选用固定干坞，固定干坞则是在陆地上选择适合场地制作。依据与隧道位置的相关关系又可以分为轴线内干坞和轴线外干坞[2]。在考虑隧道工期、造价以及对航道的各个方面影响时，合理选择干坞非常重要。

1 工程概况

1.1 工程选址

广东省佛山市汾江路南延线工程位于中心组团核心区内部,路线设计全长为2. 41 km，其规划道路宽度为 50 m,双向六车道。工程北起汾江南路与澜石路的十字路口,向南到乐从大道为止,是一条南北走向的城市主干道。南延线段全长约 4.3 km，沉管段全长为 445 m，干坞大小可以一次性制作 4 节管段，分别长度为 115 m、115 m、105 m、 110 m ，其宽度为 39.9 m，高度为 9.0 m，两岸采用地下连续墙深基坑围护，并设置沉管接口段可与主体相接。本工程采用沉管法施工。

干坞工程选址位于佛山东平河道岸汾江路南延线轴线东侧。基坑地面高程为 3.50 m ，基槽开挖至高程为-19.63 m，最多开挖至-21.87 m，围护结构支护深度为 23.57 ～22.57 m，干坞坞底标高为 -9 m,地下连续墙嵌固深度达 19 m。施工期间城市防汛设计按 50 年一遇洪水设防,坞顶防汛设计高程为 8.5 m。干坞侧壁支护结构安全等级按二级考虑。

1.2 工程水文及地质条件

佛山市地处北回归线的南缘,属南亚热带海洋性季风气候带,温暖多雨。河面宽为 220 ～ 320 m，河流中心水深为 10 m左右，警戒水位为 4.84 m，历史最高水位为 6.85 m，年平均降水量为 1 700 mm, 4～9 月雨量最多,在六个月内的雨量平均占全年总量的 80 %。拟建工程场地为中软土～中硬土场地,具体地质分布见表1。建筑场地类别为II类。由于场地东平河以南存在厚度大分布较为连续的砂层,以及局部分布的软土,综合评价场地为抗震不利地段，因此需对软土进行处理。

表1 沉管隧道场区主要地质钻孔示意

2 施工工艺流程及要点

2.1 边坡防护设计

该段地质条件比较弱，为了选择合理的干坞边坡防护结构，应该对支护结构进行方案比选。我国国内常用的干坞围护结构一般有：放坡开挖、格栅式搅拌桩重力式挡墙、SMW 桩+锚索、 钻孔桩+挡土挡水帷、地下连续墙+锚索 5 种形式。

(1) 南侧地质条件差，考虑占地面积，采用放坡开挖时占地面积比其他更大， 干坞坡顶影响隧道西侧的佛山市气象建筑大楼及东侧的水闸，方案不可选。

(2)采用格栅式搅拌桩重力式挡墙时，对基坑开挖深度要求高，搅拌桩挡墙刚度小、稳定性达不到要求。

(3) 采用 SWM 桩+锚索时，坞底以下有7层强风化泥岩或砂土，岩层强度要求较高，SWM 桩施工很困难，桩底嵌固不足。

(4) 采用地下连续墙+锚索方案，方案本身没有特殊要求，但工程造价高。

综合以上方案比较， 确定干坞南侧岸上段采用钻孔桩+挡土挡水帷幕支护方案。在平整场地完成后，基坑开挖前，为提高坡面稳定性，保证施工作业安全性，在干坞顶设置止水帷幕和坡顶截水沟进行边坡防护。在坡顶 1.5 m 范围内的地面和边坡坡面上挂钢筋网并喷射混凝土进行坡面防护,喷射混凝土采用 C20,厚度为8 cm。坡面上设置泄水孔,泄水孔采用φ100PVC 外包土工布反滤, 排水孔在坡面上间距为 2 000 mm×3 000 mm。

其次施工坑内搅拌桩及支护桩,桩后搅拌桩。搅拌桩施工具体做法及要求如下：

(1)沿干坞东南西面设置双排搅拌桩止水帷幕,北面原堤脚处设置格栅式搅拌桩;

(2)搅拌桩要求达到设计深度且桩底进入不透水层大于 2 m;

(3)搅拌桩的垂直度偏差不得大于 1 %,桩位偏差不超过 50 mm。保证桩与桩之间的搭接质量,相邻桩施工间歇不超过 24 h。

2.2 基坑降排水措施

为了保证现场施工作业顺利进行，需在基坑东侧建一条 6.0 m宽、厚 200 mm、强度等级 C30 的混凝土路面作为土石方外运弃土的主要对外通道。在道路南侧,建洗车槽,洗车槽的平面尺寸设计为 3 m×10 m, 深500 mm。场内临时道路用砖碴填筑而成,砖碴厚度 500 mm以上(满足行车要求为准)。

透水层土质(砂层)分部于场区各处,由西北角向东南角延伸,呈北“薄”南“厚” 特点。西北向平均砂层厚度 3.0 m,埋深约 5～6 m(3.5 m起计),即砂层底标高约-5.5 m,比基坑设计底标高-9.0 m高出 3.5 m;最南向(偏西)平均砂层厚度 9.7 m,埋深约 5～6 m,比基坑设计底标高-9.0 m低 3.2 m。据此,基坑降排水方案选择有两种方式:

一种为水平明沟排水,即每开挖一层,在该层的坡向及横向设排水明沟，集水井等设施分层降排水。排水沟尺寸为500 mm×650 mm，集水井尺寸为1 000 mm× 1 000 mm×1 500 mm，共 4 座。且排水沟外部周围设有MU10M7.5砖砌截水沟，尺寸为400 mm×500 mm。

另一种是在最南端(偏西)向北设3个降水井(如不足,可增加), 各井间隔约 30 m进行超前降水,保证基坑干燥。保证开挖过程中地下水位保持在开挖面以下 0.5～1 m[3]。地下水位的变化是影响降排水的重要因素， 在降水过程中应随时检测其情况以及其他有关因素的变化情况，如出现异常，可以及时分析采取措施以得到相应改善。

该地区为多雨地带，在降排水处理过程中应注意各方面条件影响。降排水的处理是否得当关系到干坞工程以及整个工程的安全问题，因此必须提前准备好应对各种突发情况的措施。基底开挖后，应及时设置排水沟与集水井等相关措施，同时确保两者之间以及与外部连接通畅。

2.3 土方开挖

坞坑开挖按分层分级垂直挖运土方法进行,开挖分层设计边坡平台标高结合锚索支护结构,控制在锚索标高以下 500 mm。待锚索张拉完成达到规定强度后,方可进行下一层土方开挖。上层土方用反铲挖掘机直接挖土装车, 石方用液压破碎头先凿岩(或爆破),再用反铲挖掘机装土上车。如 因工期较紧,可预留足够反压土(经计算确定),保证支护桩平衡的状态下,坡面平整度控制在 20 mm 以内,土体位移值控制在二级报警值以内[4]，则可向下层开挖。

每层土方开挖均采用自卸汽车配合挖掘机直接挖土运走,挖土方向由北向南退行,最后南段收尾。前期出土车辆可从未开挖区域通行 ,2～3层选择直接放坡至基坑底的方法。临时道路的坡降比为 1∶6(图1)。

图1 土方开挖示意

2.4 干坞基地处理

干坞的基底要同时满足承载力和管节起浮各项相关要求，在众多方法中采用换填法进行基底处理比较符合此工程地基情况，并确保地基的承载力以及减小地基的不均沉降量保证密实度。对于管节布置方案，为保证管节起浮顺利进行以及提高坞底承能力，换填地基设计成800 mm 厚,自上而下依次为：14 mm 厚胶合板、 394 mm 碎石 (用于减少管段与基础之间的相互吸引力， 便于管节起浮)、 150 mm 厚钢筋混凝土 (减小软弱地基的相对沉降差)、 96 mm厚中粗砂倒滤层、146 mm 岩碴。对于非管节布置区段(即管节侧道路)，因该区域只承受较小荷载，故基底处理较管节布置区简单，自上而下依次为：220 mm 厚钢筋混凝土路面、200 mm 厚中粗砂倒滤层。

2.5 护坡及坞口航道施工

2.5.1 护坡施工

根据时空效应理论，在坞坑施工作业完成后，马上对开挖边坡进行锚索工程及土钉墙施工，以减少边坡的暴露时间。此两项工序未达到稳定标准,不得进行下层的挖土工作。如由于进度要求,必须向下开挖,可留足够反压土来平行支护体稳定，以保证基坑围护结构的稳定和安全。

土钉墙施工则是在土体内安插旋转一定长度和数量的土钉体与土共同作用[5], 补充土体本身强度缺陷来达到稳定性的施工。进行开挖时需在前一级土方开挖完后才能进行下一级土方开挖。上一级土钉施工后 , 需养护一段时间，一般为 48 h, 同时要求在上一级坡面土钉墙施工结束并达到设计强度规定50 %后, 才能进行下一级土方开挖。在下一级土方开挖时应注意避免碰触之前已施工完的护坡坡面及土钉 。土钉与联系钢筋 、 网片等单向焊缝长度不小于30 mm。

2.5.2 坞口航道施工

根据现场的实际情况,坞口开挖分两期进行：第一期从深水区开口往坞里退,约 80 m 为第一期,石方爆破需 60 d完成;第二期待开挖堤岸段土方挖运完毕后暴露出石方再爆破,需 30 d完成。坞口需爆破开挖岩石厚度为 0～6 m,可按一层爆破开挖成型,根据本工程地形特点,采用台阶爆破的形式,从深水区开口爆破向坞里退。

2.5 基础施工

根据地质勘探资料揭示:地面以下5 m基本为淤泥层、砂层，以下为残积土层、风化岩层。为满足地基承载力和变形要求，坞底承载力不足时,应进行进行地基处理。地基处理方法有碎石换填、搅拌桩等。在地板施工前，需进行换填，换填深度为1 m。自上而下依次为：420 mm厚1～3级配碎石，且用120 kN压路机分层碾压；150 mm厚C15混凝土垫层；直径为110PVC直沟管；最后为150 mm厚普通层(120 kN压碾机碾压)。

2.6 管理及监测

加强施工管理,建立专职监测小组,对基坑进行及时监测。

干坞内管段预制完成后，坞内需灌水，进行管段的试漏、浮运工作[6]。 因此，在干坞内灌水前应对南岸已完工主体结构进行防护。 防护的目的为：(1)坞内灌水后防止对已完成主体结构基底的软化。(2)坞内灌水后防止对已完成主体结构外防水层遭受到浸泡。(3)防止坞内灌水后引起已完成主体结构起浮的出现。

针对上述问题，同时考虑到造价、施工复杂程度和施工可行性的原则，干坞内南岸主体结构防护措施如下：采用黏土分层碾压密实进行回填，按 1∶2 边坡坡率回填至公路结构顶以上5.0 m 左右标高， 坡脚设置混凝土护墩，坡面采用网喷混凝土并设置系统锚杆(锚杆尺寸：φ20@1.5 m×1.5 m、L=3.0 m)。

在干坞四周设置监测点 ,监测频率通常为每天 1 次。如遇漏水、漏砂孔洞大于 20 cm2或每小时漏砂、水量大于 5 m3,必须使用大量的级配砂、碎石堆填漏水、漏砂孔洞，漏水、漏砂孔洞通过反滤体仅能漏水,不能漏砂,以保证支护墙体的稳定,然后在漏水、漏砂孔洞墙后用高压旋喷注浆补漏。另外监测的项目包括:墙顶的位移与沉降、连续墙内力、土体侧向位移、支护结构侧土压力、地下水位、地面沉降四周建筑物沉降与歪斜等。特别对连续墙顶及墙体位移、基坑周边地面沉降等监测项目加大监测频率[7]，通过监测、收集、整理各种资料, 指导施工。对监测项目未达到标准的地方及时进行相应改整。发现关键点受到破坏时或不符合要求,应即刻采取措施,进行修复。

3 结束语

汾江路南延线工程在制定了干坞工程总说明等详细施工方案的前提下，按照施工流程进行作业，充分考虑了整个工程选址特点，根据建设条件进行地基降排水处理以及边坡维护等措施。在安全作业情况下，严格确保施工质量和进度。干坞工程的顺利完成,离不开正确的指挥和严格的管理，整个施工过程顺利完成,为后续沉管预制施工作参考。

[1] 石刘.广州某沉管隧道固定干坞与移动干坞方案的经济比较[J].隧道建设,2008(6):688-690.

[2] 张兴梅. 大型沉管隧道轴线干坞坞口施工技术[J]. 施工技术,2013(9):20-23.

[3] 陈静群.深基坑止水降水技术分析[J].建筑知识：学术刊,2013(3):474-475.

[4] 龚江飞,周晓茗,张吉,等 .软土地区深基坑开挖对周边文物建筑沉降的影响[J].施工技术,2015,44(1):28-31.

[5] 耿欣宗,骆发江,李鹏,等.土钉墙加锚杆护坡桩复合支护技术的应用[J].施工技术, 2015(S1):21-24.

[6] 邢永辉. 佛山市汾江路南延线工程干坞设计[J]. 现代隧道技术,2011(5):109-114.

[7] 袁志斌.大面积不规则深基坑变形控制技术[J].建筑施工,2015(4):447-449.

TU929

B

[定稿日期]2017-05-10

程晓明(1975～)，男，工程师；张莉娜，女，硕士研究生，结构工程专业。