汾江路南延线沉管隧道基槽开挖和回填施工技术

刘言峰， 张莉娜， 孙 斌

(1.中车建设工程有限公司，北京 100000； 2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031;3.上海海科工程咨询有限公司, 上海 200231)

水下隧道是跨越江河的重要工具，目前水下隧道的修建方法主要有矿山法、全断面掘进机法、围堰明挖法、沉管法，自20世纪初美国修建第一座沉管隧道，世界各地已修建了一百多座水下沉管隧道[1]。沉管隧道是使用沉管法修建的水下隧道，首先在船台或者干坞内预制钢筋混凝土管段，管段预制完成后一个接一个地浮运、沉放至已开挖的水下基槽，然后相邻管段拉合，管段基础处理等，最终使这些管段联合体形成一个水下隧道[2]。基槽开挖指为了埋置沉管管段，达到航道或水利规划要求的埋土厚度和埋深，在水下开挖条形基坑沟槽。沉管隧道回填指沉管管段沉放完毕后，在基槽内使用回填材料在管段两侧和顶部进行填筑[3]。

汾江路南延线沉管隧道位于内河中上游，隧址处河道水面较窄，航运繁忙，每日水面作业时间有限；工程所在地位于闹市区域，周围建筑众多，施工环境复杂；绝大部分基槽开挖区域是中风化以上岩层，需要采取水下炸礁技术[4]。管段基槽开挖和回填是沉管隧道工程中重要的工作之一，施工过程中要保证安全无误的进行水下作业，减少对周围环境的影响。文章以汾江路南延线沉管隧道为背景，对管段基槽开挖方法、基槽扫床验收、基础处理和回填等关键技术进行研究总结。

1 工程概况

汾江路南延线工程和地铁广佛线二期工程合建，采用沉管法隧道穿过东平河。沉管隧道段全长445 m，共有4节管段，每节管段结构横断面宽39.9 m，高9.0 m，采用四孔一管廊箱形结构，市政道路为双向六车道，两孔一管廊结构；地铁两孔，为上下行地铁区发间。

基槽开挖起止为SK1+238.40～SK1+604.00，基槽开挖采用倒边法分施工，水下放坡开挖，基槽底部开挖宽度为44 m，开挖最深处为23 m(图1)。

图1 基槽开挖断面

2 基槽开挖

2.1 基槽开挖施工组织

为了节省工期和减少建设费用，本工程岩体基槽开挖采用水下爆破。但水下爆破会影响南北护岸、南北岸接口段端封门、附近建筑物等安全，爆破施工期间需要封闭上下游航道，影响河道航运。因此需要合理的安排水下爆破作业，严格控制炸药量，优选起爆方式，将水下爆破控制在合理范围内。

为减小水下爆破期间对既有航道和现有堤岸的影响，开挖采用倒边法，自北向南按照一期、二期、三期分期开挖。水下爆破对岩层进行预处理后，采用抓斗挖泥船清礁。

因隧址处东平河面宽仅250 m，一期、二期基槽开挖施工时需改移原有航道，改移后临时航道位于规划航道的南侧，为保证临时航道水深达到Ⅱ级航道通航水深要求，需安排挖泥船进行临时航道的疏浚，随后安排挖泥船进行基槽表层开挖。一期、二期基槽开挖区域爆破岩层厚度超过10 m，为降低炸药单次起爆药量，三期基槽开挖段距护岸较近且岩层较厚，离护岸25～15 m范围采取控制爆破。护岸15 m内范围采用凿岩棒方法碎岩施工，个别礁石点难以进行机械破碎则辅助小药量控制爆破。

每日6∶00～17∶00进行炸礁作业，每日18∶00～5∶00进行清礁作业，炸礁施工前安排“宏大钻一”进行前期的试爆施工并打开工作面。一期基槽开挖面积较小，上游至下游平均长度约96 m，北岸至南岸平均长度约140 m，安排一组炸礁船、挖泥船进行施工作业；二期基槽开挖面积较一期增加，可根据工程进度随时增调炸礁船进场施工；三期基槽开挖段距护岸较近且岩层较厚，离护岸25～15 m范围采取控制爆破，护岸15 m内范围采用凿岩棒方法碎岩施工，个别礁石点难以进行机械破碎则辅助小药量控制爆破。

2.2 疏浚(清礁)施工

抓斗船负责覆盖层的开挖和清礁施工，共投入两艘8 m3抓斗式挖泥船“岭南02”号和“浚荣”号，采用分段和分层施工，挖出的泥土卸放在驳舱内。待进行三期基槽清礁作业时，“岭南02”号和“浚荣”号均改装凿岩棒进行凿岩施工，沿基槽中轴线方向布置施工船，选用17 t铅笔型凿岩棒进行施工。凿岩棒施工船每个船位布置宽度10 m，对于表层硬质砂岩采用凿击点位距a=1.0 m、排距b=2.0 m的孔网参数；对于下层强度较高的硬质砂岩采用凿击点位距a=1.0 m、排距b=1.0 m的孔网参数，均采用梅花形布置凿击点位。每次凿岩时间与承载船主机功率、岩石标高等因素有关。施工中严格按照设计图纸的控制施工质量，尤其对基槽标高、边坡和预留平台进行重点监控。

2.3 水下炸礁施工

炸礁船施工时抛射6具锚，通过控制锚缆长度控制炸礁船移动，采用顺水流、梅花状布孔的施工方法，设计爆破参数如下：“宏大钻一”孔距a=2.4 m，“交炸三”孔距a=2.3 m；设计排距b=1.8 m；球齿钎头外孔径105 mm，孔径d=115 mm；超钻深度Δh=1.6 m；用塑料筒装药柱，药柱直径D=90 mm，长度为500 mm。炸药为塑料筒装药柱，钻孔完成后，爆破员将加工后的炸药沿着套管壁放入炮孔中，炮孔装药量计算公式为：

Q=q·a·b·H

(1)

式中：Q为炮孔装药量，kg；q为炸药单耗，取1.2 kg/m3；a为孔距，m；b为排距，m；H为孔深，m。

根据本工程的特点，分析施工条件及成本等因素，将采用非电爆的毫秒微差起爆网络，雷管为防水的毫秒导爆管雷管，每个起爆装置内装两发并联的导爆管雷管，整个起爆网络采用簇联的方式联接。

2.4 岸上段构筑物保护措施

对堤岸、码头、防汛墙、连续墙、封门、预制管段等构筑物将采取以下保护措施：(1)采取微差爆破技术；(2)采用不耦合装药。钻孔直径115 mm，为了增大不耦合系数，使用直径为90 mm的药柱，不耦合系数1.44；(3)打设减震孔，在南岸打设2排减震孔，孔网参数如下：炮孔直径D=115 mm、孔距a=0.2 m、排距b=0.2 m、超钻深度Δh=1.6 m；(4)分区域爆破，每天仅有两次爆破时间，为加快工程进度，将爆破区域分成两个区域，分两次间隔起爆，每次起爆药量低于300 kg，从而降低爆破振动。两爆破区域最小间隔不得小于20 m，两次起爆时间间隔在10 s以上；(5)布设气泡帷幕。在炸礁船上布设气泡帷幕装置，水下爆破作业开始前，将炸礁船移动到爆破区域和被保护建筑物之间，气泡帷幕装置生成高压空气帷幕保护墙，缓冲和吸收冲击波，减小对被保护建筑物的危害[5]；(6)进行典型试爆破施工。在一期基槽开挖靠近北岸30 m，在距离防汛墙15～50 m的区域，距离封门30～50 m区域、距离堤岸20～30 m区域等中区域施工过程处进行试爆，按设计孔距2.4 m、排拒1.8 m、超深1.6 m，计划先二排放炮一次，然后三排放炮一次。在试爆前，邀请有关地震检测单位，在民房、堤岸、码头、围堰、封门等构筑物布置振动监测点，二次爆破后得出有关振动数据，根据所得数据进行回归分析求出K、α值，调整爆破参数，指导接下来的炸礁施工。

3 基础处理

沉管隧道的基础处理是为了解决基槽开挖作业产生的开挖底面不平整，保证管段沉放后能够达到准确的设计标高和坡度，清除管底与基槽间的淤泥，以免使管段产生过大的浮力[6]。管段基础处理主要是进行管段基础灌砂及灌浆封孔，但在管段灌砂以前须进行管段的锁定回填。回填材料为砾石材料，采用漏斗设置导管的方式进行回填，回填高度为灌砂基础设计高度以上4.5 m。

3.1 基础灌砂

灌砂工作船选择“重任202”号，采用4台日本生产的专用隧道灌砂泵，输入口径20.32 cm(8英寸)、输出口径15.24 cm(6英寸)，流量为3.0～8.0 m3/min。灌砂基础厚度为0.6 m。砂子参数如下：(1)中度粗细，不含泥土及杂物的天然砂；(2)粒径：D50= 0.1 ～10.0；(3)比重：γ= 2.6 ～ 2.7，砂水重量混合比1∶8～1∶10。

管尾锁定回填完成后，将灌砂工作船绞移至管段上方，通过潜水员水下将胶管与灌砂预留孔连接起来，砂漏斗的砂通过输送带送至搅拌器进行搅拌，由砂泵送至基础，砂料逐步堆积形成密实的砂盘。灌砂时，做好灌砂泵仪器读数、灌砂压力以及起止时间的记录。管段灌沙过程中，支承千斤顶位置、管段中间两个灌砂孔先灌沙，两侧灌砂孔随后灌沙。监控垂直千斤顶压力变化，在管段自重基本由灌沙基础承受后可按照管段坡度方向从高往低进行灌沙。

3.2 基础回填

管段基础处理作业完成后，要对管段两侧及顶部进行回填处理，回填层应有良好的排水性能，回填和覆盖物的组成应根据管道位置、水流冲刷情况而定。管段两侧3.0 m高度范围内使用砂石回填，管段顶部从下往上为防锚层、碎石回填层、片石回填层(图2)。

图2 管段回填示意

考虑到工程所在东平水道是重要的通航水道，为保证航道范围内的回填覆盖层的抗冲刷稳定性，在碎石回填层上方覆盖0.25 m“混凝土铰链软体排”(图3)。

混凝土连锁块钢筋保护层厚度为30 mm，排体材料采用一次加工制成的针织复合土工布排体，单个C20混凝土连锁块尺寸400 mm×400 mm×250 mm，软体排上部采用7 cm宽

图3 “软体排防护层”细部结构(单位:mm)

的丙纶带作为加筋带，间距为0.5 m，沿排体铺设方向缝制。采用C14 防老化三股丙纶绳预埋连接，现场由单幅拼成整块。软体排搭接长度不小于2 m，软体排铺设方向应逆流铺设。

管段回填覆盖施工过程中应避免损伤管段外防水及管段结构，采用两艘船分别置于管段两侧同一断面进行对称施工，防止管段单侧受力产生平移。管段顶部覆盖层以上的河床恢复回填应分层进行，回填至原河床面。

4 结束语

文章基于汾江路南延线工程沉管隧道工程，对沉管隧道水下基槽开挖、基础处理和回填进行研究总结。为了安全可靠、准确无误的完成水下作业，基槽分三期开挖，抓斗船、炸礁船、凿岩船相互配合。采取微差爆破、不耦合装药、打减震孔、气泡帷幕等多种安全措施，减轻水下炸礁施工对南北堤岸、附近建筑、码头等影响。采用压砂法进行管段基础处理，在碎石回填层上方覆盖“混凝土铰链软体排”然后回填覆土，很好的保证回填覆盖层的抗冲刷稳定性。

[1] 陈韶章，陈越，张弥.沉管隧道设计与施工[M].北京：科学出版社,2002.

[2] 张志刚，刘洪洲.公路沉管隧道的发展及其关键技术[J]. 隧道建设,2013(5):343-347.

[3] 陈韶章，陈越.沉管隧道施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2014.

[4] 周华贵,邢永辉,王丽.浅谈佛山市汾江路南延线工程沉管隧道特点及关键技术[J].现代隧道技术,2012(5):85-90.

[5] 张兵文,张文扬,吴暖,等. 预裂爆破与气泡帷幕技术在水下爆破中的应用[J].工程爆破,2015(5):6-9.

[6] 朱升.沉管隧道管段浮运和沉放过程中流场和阻力特性的研究[D].北京： 北京交通大学,2009.