跨江隧道沉管段关键施工技术研究

韩欣洁，黎 丽，任科霖

（武汉工程科技学院，武汉 430200）

江河湖泊在一定程度上阻碍了交通的发展，沉管隧道的出现为现代化城市交通运输的发展提供了新的解决思路。跨度大、高深度、地质条件复杂等随着工程问题也逐渐增多[1]。跨江隧道中沉管的施工对于整个工程乃至人员和财产安全显得尤为重要。

近年来，国内许多专家针对不同水文地质情况下的沉管隧道进行了相关研究[2-6]，高倩钰等[7]采用室内腐蚀模拟加速试验及电化学分析测试等模拟了海水环境，对隧道中道钢壳混凝土沉管在海水侵蚀下的服役年限及侵蚀发展规律进行了研究。张宇航[8]通过室内试验对某沉管混凝土试验的温度应力计算和混凝土时间差约束力进行了分析，探究了浇筑工艺对沉管裂缝的影响。王殿文等[9]以沉管工程安装的多波束水深测量系统为基础，分析了不同系统水深测量精度的差异性，为其他深度测试系统精度提供了参考。吕护生等[10]通过大连湾海底隧道工程实例对大曲率沉管的预制及安装工艺进行了理论计算、工艺优化及实践验证，形成大曲率沉管安装关键技术。

本文以广州市某跨江沉管隧道为研究对象，对其沉管隧道开挖中面临的重点、难点问题进行了分析，讨论了存在的问题与解决措施，对于同类型沉管隧道建设具有借鉴意义。

1 工程概况

本工程位于广州天河区和海珠区，下穿珠江，项目隧道设计全长约2 080 m，其中沉管段全长492 m，占总长的1/4，隧道沉管段截面设计宽度为30.50 m，高度为8.80 m，截面面积268.4 m2。工程平面位置如图1 所示。

1.1 地质情况

据区域地质资料，本次项目场区位于向斜东掀起段核部，褶皱分布中岩层倾角一般为10～30°，控制场区具有2 处断裂带，主要断裂为天河-北亭断裂组和广三断裂，这2 条断裂距离拟建隧道较远，对拟建工程的稳定性影响一般不大。从地震活动时空分布来看，广州地区具有“外带强内带弱”的东南沿海地震带中部的特点，历史上记录的最大震级在4.75~5.00 级之间，且以中小规模的有感地震为主，未见6 级以上的强震记录。

1.2 水文情况

工程区域河流主要以沉积为主，隧道横穿珠江区域水面宽约为550 m，区内潮洪混杂，水流变化十分复杂，拟建隧道断面流速实测涨潮流动速度达到了0.59 m/s，落潮在测试中平均流动速度达到了0.77 m/s。在洪水落急条件下，工程范围内围堰存在时期的流速为0.87 m/s，枯水涨急条件下推测本工程施工范围内流速为0.955 m/s。

1.3 不良地质情况

施工区域场区内存在部分不良地质情况，包括软土震陷及饱和砂土液化。此外，场地还存在一部分特殊性岩土，主要为风化岩、人工填土、软土和部分残积土。

2 沉管段施工工艺

2.1 沉管预制

配合比必须经试验确定，抗渗等级比设计要求提高0.2 MPa，混凝土预制施工采用泵送砼，浇注时采用分层浇注并采用机械振捣密实。采用干坞法进行预制，纵向分4 节段。标准管节长度123 m，重约3 万t，每段分7 小节，单段长度为16.2 m；节段间设置后浇带，后浇带长度为1.6 m。管节分2 批进行预制。沉管段结构采用单箱三室型结构，单个施工段沉管钢筋用量为400 t，混凝土方量为1 554 m3。如图2 所示。

图2 沉管段横断面图

2.2 基槽开挖

本工程沉管基槽考虑采用水下凿岩+炸礁开挖法进行石方开挖。选用18.4 t 铅笔型凿岩棒进行施工，根据工程实际情况，可以通过试验区试凿，为确定凿岩棒重量、凿岩布点间距及凿岩棒提升高度提供依据。本工程炸礁施工区域工程岩质主要为强风化-微风化岩层、全风化砂砾岩、强风化粉砂岩和强风化砂砾岩，为满足施工质量要求，炸礁施工应分区进行。

在基槽开挖过程中，要加大监测力度，减小超挖。通常，水下挖掘的深度监测使用的是声纳测距仪，但是因为这种仪器不能进行动态量测，所以需要在挖泥船的底部安装1 台水下地形扫描仪，每向前10 m 进行1次测量，并将其作为声纳的参考校准点，而声纳在140~180°的扇形范围内进行短暂的测量，就可以得到挖掘基槽的具体情况。

2.3 沉管管内施工

在沉管隧道中，地基灌砂和封孔是一个非常关键的工序，其直接关系到整个工程的施工质量。本工程从管节末端的第三排管节开始，首先向中间的管节灌入砂粒，然后向两侧的管节同步注入砂粒。当第三、第四排砂管从尾端开始全部灌完后，再开始对管头进行灌砂。

管节灌砂基础完成后，即可进行管内的施工作业，其主要工作内容及施工顺序为：灌砂完成后进行接头位置清理，安装止水带并试漏后拆除两侧端封门，如图3所示，然后凿除鼻托梁，在安装接头预应力束后安装接头混凝土盖板，在浇筑首批压重混凝土并施工底板水平剪切键时，压重混凝土浇筑与压载水箱拆除要交错进行，中隔墙混凝土下剪切制作后外墙钢剪切键安装。

图3 GINA 止水带固定示意图

2.4 减载回填

在主体保护层强度达到设计强度的80%后，开始进行结构上部的整个岸上基坑的土方回填，土方回填分段分层进行，在管道节点处，利用比土容重更轻的泡沫轻质土进行浇筑处理，以达到减载回填的作用。在此过程中，应该对管节加以保护，使其具备较好的防冲刷，防锚等能力。与此同时，为了防止在基础边缘两侧形成抗地震液化薄弱区，两侧回填层应该具备良好的排水性能，碎石砂可按照一定的配比混合，形成反滤层。

3 沉管安装重点及解决措施

3.1 沉管钢端壳预埋精度要求高

管节对接过程中，巨大的水压力使GINA 止水带压缩，承压力由钢端壳承受。为确保达到预计要求，对钢端壳的平整度、倾斜度等制作精度要求较高，有效控制钢端壳制作及安装精度是本工程的技术重点。

解决措施：将钢端壳分段制作，配料时综合考虑钢端壳形状、误差、间隙和焊接收缩量等因素，设置平台与工件间的临时支撑、固定构件的加压板等措施减小构件焊接变形，消除局部应力变形，工厂内预拼装，安装焊接时用间断跳焊来防止变形。

3.2 沉管基槽凿岩与爆破

该区域属于轨道交通4 号线外施工影响B 类和C 类，临近度分别为“较临近（2.0~3.0 D）”和“不临近（大于3.0 D）”，外部作业影响等级分别为“二级”和“三级”。地铁是人群聚集的公共区域，该项目因其开挖量大，施工周期短，如何在确保施工进度的前提下，确保地铁施工的安全性，是该项目能否顺利进行的关键。

解决措施：采用试爆对相应的爆破参数进行修正，采用微差爆破、不耦合装药、气泡帷幕等减小爆破冲击波，用爆破控制、爆破检测等措施减小地铁扰动。在施工过程中，要对地铁内外土体的地表沉降、土体深层位移、收敛变形和隧道壁应力等进行24 h 不间断的监测，图4 为地铁隧道横断面监测图，当发生紧急情况时，应立即停止施工，并及时采取相应的应急措施，以确保地铁的安全。

图4 地铁隧道横断面监测图

3.3 沉管浮运安装精度要求高

沉管的浮运和安装有很多的工序，需要多个人和多个设备的参与和配合，如图5 所示，在沉管的出运过程中，受到潮水、流速、风速及封航时间等因素的限制，这些因素对沉管浮运和安装的效果有很大的影响。而当沉管出运时，必须对管道的各种影响因素进行全面的考虑与分析，并对人员、机械等资源进行合理的配置，以免发生错误。由于管节的体积较大，因此需要有较高的对接精度，需要有较高的检测技术和潜水员的水下探摸技术。在管节锚固、管节初接、管节稳压载的每一个施工过程中，都要对其精度进行严格的控制。

图5 管节施工流程图

解决措施：对施工区域的水流、潮位变化等展开观测和记录，并对其变化规律进行总结，对水流速度的变化情况进行分析，在水流最小时，进行沉管浮运、沉管沉放对接，并以不同深度的江水容重参数为依据，综合考虑管节沉放后周围流动介质的密度，来确定管节的稳定压载量。

3.4 沉管基础处理

沉管施工中对基础的处理效果，直接影响到隧道的运行质量和安全性，因此，如何合理地确定灌砂次序和正确地判定砂盘的形成，是沉管隧洞施工的重要环节。

解决措施：监测最终砂盘是否形成，主要采用灌砂量、灌砂压力、潜水员下水进行探摸和管内测量等手段来确定砂盘是否溢出。

4 沉管施工难点分析

4.1 沉管安装降低对地铁扰动

按轨道交通规范可判断本隧道处于地铁控制保护区范围内。基坑格构基础钻孔灌注桩桩底距地铁隧道顶部接近程度为“接近”，外部作业影响等级为“特级”；车陂路隧道基底作业影响等级为“一级”。因此，降低扰动及保证地铁安全是确保本工程实施的关键性控制因素。

解决措施：委托有经验的第三方对地铁进行24 h实时监测，实施勘察、水下爆破等钻孔作业前，必须控制水下钻孔的准确定位，开钻前控制误差，杜绝水下钻孔钻穿江中隧道结构。

4.2 沉管预制大体积砼质量控制

由于沉管中的胶凝材料用量大、水化热高、收缩大，且具有较大的自紧性，因此，结构容易产生裂纹，造成其本身的抗渗性下降，影响其服役寿命，沉管裂缝和渗流的处理是该项目成功实施的关键。

该项目地处市区，无法自建搅拌站。在混凝土处于供方市场的条件下，项目订单远超搅拌站负荷，站内材料全部单日用完，无法保供，经常面临无料可用的局面；而且材料质量每日变化，场地管理杂乱无章，料场材料混堆。商品混凝土质量难以控制，极大地增加了项目在沉管预制质量上的管控难度。

解决措施：对混凝土配合比设计、严格优选原材料、混凝土浇注及养护过程加强控制，设置后浇带分期浇筑的方式，如图6 所示，管段沿纵向分段，竖向分层施工，防止大体积出现裂缝。

图6 沉管管段示意图

5 BIM 三维可视化信息管理

项目开工引进了基于BIM SD 技术的城市基础设施集成管理平台，更有效将质量安全巡查、进度计划管理、项目支付信息、GIS 地理信息模型与BIM 技术相结合的信息化工作流程进行管理，如图7 所示。

图7 项目信息管理一张图

项目施工阶段定制研发BIM 信息管理平台，通过PC、浏览器、手机端进行协同管理，使施工阶段的管理变得高效快捷，BIM 技术应用解决现场管理难的问题，形成管理闭环，有效管控了项目进度、成本及风险，实现项目信息化管理。

6 结束语

本工程施工中遵循“全方位、立体式、水陆并进”的原则，对沉管段施工中沉管预制及浮运安装、基槽的开挖、管内施工和减载回填技术存在的问题进行有效解决和优化。从工程的安全度及经济性看，完成了预期目标，不仅充分利用了社会资本参与到城市基础设施工程建设中，满足了社会需求；同时减少了地方政府财政支出，减少财政赤字，加快了工程建设速度，达到了社会效益最大化的目的。