常洪沉管隧道关键施工技术概述
【提 要】：干坞、管段制作、管段沉放、管段基础和管段连接是沉管隧道建设的关键。由于工程建设条件的不同，沉管隧道建设的方法也各具特点。本文根据沉管隧道工程建设的关键技术和宁波常洪隧道工程土软、水浅、淤重等客观地质地理环境条件，介绍了沉管隧道工程的施工技术特点，如干坞边坡稳定和管底基础变形的控制技术、本体防水混凝土管段制作的裂缝和干舷控制技术、管段江中桩基基础的施工和其与管底连接的技术工艺、管段基槽清淤和沉放定位施工技术，以及管段接头连接（包括与岸边段的连接和最终接头）的施工技术等。
【关键词】：常洪隧道沉管隧道施工技术
Abstract: Dry dock, element fabrication and sinking, tunnel element foundation and element joint are keys to immersed tunnel construction. Depending on different conditions in different projects, construction methods for immersed tunnel vary with their respective features. This article, based on key technique and different objective conditions in terms of geography and geology, such as soft soils, shallow water, and heavy sludge seen in ChangHong tunnel, presents features of key construction technique in ChangHong Project, such as slope stability and bottom settlement control in dry dock, cracks control and freeboard control technique respectively for element fabrication, pile foundation construction, and piles-tube connection technique, such technique like, sludge cleanup in immersion trench, and element sinking/positioning technique together with element joint (including connection to abutment and final joint).
Keywords: ChangHong Tunnel, immersed tube tunnel, construction technique.
在我国，采用沉管法修建大型水底交通隧道的历史不长，工程也较少。宁波常洪隧道是我国大陆第三条沉管隧道，也是国内第一条采用桩基础的沉管隧道。该隧道于1999年6月8日奠基动工，2002年3月正式建成通车。工程建设中涉及的干坞施工、管段制作、基槽浚挖、桩基工程、管段接头和管段拖运沉放等一系列关键技术，直接关系到整个工程的成败。
1 工程规模及水文地质概貌
宁波常洪隧道工程北起江北的宁镇公路与329国道交叉口，南至通途路，全长3540.092m，其中隧道段长1053.5m。隧道过江段采用沉管法施工，长395m，由四节管段组成，其中一节长95m，三节各长100m。隧道纵剖面和管段横断面见图1和图2。
甬江属感潮河流，潮型呈不规则半日潮。根据近隧址处宁波水文站的统计，该处河段的平均高潮位为1.28m，平均低潮位为-0.48m，历年最高潮位3.31m，历年最低潮位-1.72m，最大涨潮流速为1.3m/s，最大落潮流速为1.2m/s。
工程江北段主要穿越灰色填土（Ⅰ3）、褐黄色至灰黄色粘土（Ⅱ）和灰色淤泥质粘土（Ⅲ1）等；江中段隧道将穿越灰色淤泥（Ⅰ1）、灰色淤泥质粘土（Ⅲ1，Ⅳ1），部分遇到灰色粉质粘土（Ⅳ1′）；江南段隧道则将穿越灰色填土（Ⅰ3）、褐黄色至灰黄色粘土（Ⅱ）、灰色淤泥质粘土（Ⅲ1）和灰色粘质粉土（Ⅲ2）。场地浅部地下水属潜水类型，-42.13m以上无承压含水层。
2 干坞施工
用于管段制作的干坞选址在甬江南岸的隧址处，坞口轴线与隧道轴线重合。干坞的规模为一次可制作全部（四节）管段，总占地面积约4.3万m2，坞底面积1.9万m2（图3）。
干坞的坞底标高为-7.50m，可满足在一定潮位条件下管段3小时移位至坞口深槽位置的要求。为了保证管段起浮、移位后在坞内舾装、系泊过程中遇低水位不搁底，坞口处设坑底标高为-9.67m的舾装深槽。干坞施工的总土方开挖量33万m3。干坞施工的关键是边坡的稳定和基底沉降的控制。
2.1 干坞基坑的边坡稳定
根据计算和基坑试挖的结果，干坞分三级放坡，综合坡度为1:3.5，中设两级1.5m宽平台。边坡采用干砌块石水泥砂浆勾缝的护坡方式，并在块石护坡体中设置纵横向钢筋混凝土梗格。
干坞土方施工时的临时边坡控制在1:3左右，中设两级宽度为10m左右的施工平台，分别供2台1.0m3挖掘机将土方向上翻挖；地面再配1台挖机将接力开挖的土方装运。
边坡土体的排水采用石屑倒滤层，并以梗格底角处放置的1m长毛竹排水管作为泄水孔。边坡坡面每级平台上设横向截水沟，与顺坡向排水沟构成坡面排水系统，可及时将坡面汇集的和泄水孔流出的水引排到坞底排水系统中，确保边坡的安全。
为提高干坞边坡的稳定性，减少地下水的渗入，沿干坞周边，在干坞第一级平台位置（-1.10m）处设置一排φ700mm深层搅拌桩，穿过Ⅲ2灰色粘质粉土透水层作为隔水帷幕。为了保证临江侧干坞边坡和大堤的稳定，临江侧岸壁保护结构采用宽8m的格构型搅拌桩重力式结构。
坞墩结构为满堂搅拌桩，结构周边及中间纵横插入“H”型钢，顶部面层以30cm厚的钢筋混凝土板联系。为加强坞墩和大堤保护结构的连接，避免接缝渗漏，施工时两者之间接缝以锯齿型搭接。
为避免坡脚处开挖过深，将坞底周边的排水管设于距坡脚3.0m处。施工时分段从坡脚处按1:2的坡度放坡开挖并埋设φ600管道。
干坞施工过程中加强对干坞地表和各平台处的沉降和位移的监测，并应用角点效应的概念，采用角点效应比分析干坞边坡变形和变形速率，以判断基坑的稳定性。当实测的变形量或变形速率比计算值大10%~20%时，即报警并采取稳定边坡措施。
2.2 干坞坞底处理
为了避免管段制作因干坞地基变形产生裂缝，干坞施工时对干坞的坞底基础作了换填处理，换填厚度为1.5m。由于坞底基础不但要满足承载变形要求，而且要能消除管段起浮时的吸附力，因此管段下换填基础的上层为50cm的碎石起浮层。管底和道路下的换填基础设计如图4所示。
根据现场试验所得参数进行的三维有限元分析，采用换填基础可满足管段制作时差异沉降不大于20mm的要求。
3 管段制作
3.1 本体防水的混凝土管段结构裂缝控制
混凝土配合比的设计中应用了掺加粉煤灰和外加剂的“双掺”技术，以减少水泥用量，降低水化热，提高混凝土工作性和抗渗性，并可补偿收缩，从而最终达到减少裂缝产生、提高混凝土抗裂和抗渗性的目的。通过对多组配合比的混凝土强度、抗渗、重度、施工性能，以及绝热温升等指标的测定比较，选择了如表1的管段混凝土配合比。
为了达到混凝土配合比的设计要求和性能，首先对原材料的供应和计量进行严格控制；其次根据夏季施工的环境温度，搭设原材料凉棚，并用冰水拌和混凝土；再是通过外加剂中缓凝组份的调节来控制混凝土配合比在不同季节条件下的施工性能。
根据地基沉降分析结果，管段制作采用由中间向两端推进的分节浇筑流程。每节管段共分5小节，每小节浇筑长度控制在17~20m左右。每两小节间设宽1.5m左右的后浇带以减少管段因温度应力及纵向差异沉降而产生的裂缝。每小节的管节分三次（底板、中隔墙、顶板及外侧墙）浇筑，浇注时严格控制各次混凝土浇筑的间隔时间，其中底板和侧墙的浇捣间隔时间不超过20d。
由于管段结构采用的混凝土绝热温升达到53℃，如不采取降温措施，结构混凝土的内外温差可能超过40℃，裂缝比较容易产生，所以必须采取冷却措施。根据计算，因底板和顶板的温度应力远小于同期混凝土的抗拉强度，所以冷却管的布置范围仅为外侧墙内。每墙冷却管双排布置，排间距为400mm。底层冷却管布置在底板与侧墙的施工缝以上200mm处，共布置9层18根冷却管（图5）。
在每小节管节制作时设三个温度监测断面（分别设于侧墙的1/4，1/2和3/4位置处）对混凝土温度进行监测。温度监测采用自动数据采集仪。监测结果表明由于采用混凝土冷却措施，混凝土的温差控制在15℃以内，混凝土温度应力可降低50％以上。
管段混凝土采用泵送。外侧墙与顶板一次浇捣完成，以减少施工缝的形成。外侧墙浇捣过程中，使用了3m间距排列的浇捣串筒，以防止混凝土离析，同时采用分层浇捣以保证混凝土的密实。
管段养护时，底板和顶板采用蓄水养护；中隔墙采用带模养护；外侧墙外侧采用悬挂土工布并喷淋养护方法，内侧则采用悬挂帆布封闭两端孔口后保湿养护的办法。
3.2 管段干舷控制
为了提高混凝土结构的抗渗性能，在模板设计中取消了外侧墙模板的对拉螺栓，所以管段制作的模板除需达到保温、保湿和平整度要求外，整个系统还需有足够的刚度，保证在施工荷载作用下变形不大于L1/500，以达到管段制作的精度要求。
混凝土生产中除对原材料的采购进行管理外，还必须对计量系统经常校准，保证每拌、每次混凝土的称量精度。此外，混凝土的浇筑严格按规范分层浇捣密实。每次混凝土浇捣完成后需将方量、试块重度等仔细统计并汇总，实行材料总量控制，以提供管段干舷计算分析。
4 基槽浚挖和清淤
江中基槽浚挖和基槽内回淤处理是管段沉放前的重要工作，其完成质量是沉放成功的保证。
4.1 基槽浚挖
以往水中挖泥由于抓斗定位精度差，造成抓斗水下挖泥超挖和欠挖，使基槽平整度差，标高达不到要求，所以解决挖泥精度问题的关键是定位。
双GPSRTK定位定深系统可对船舶进行三维精确定位，其平面定位精度为2~3cm，高程精度4~6cm。系统能以平面和剖面的图形数据形式将泥斗位置和深度显示在监控屏幕上指导操作者挖泥。
基槽浚挖分普挖与精挖两步进行。普挖深度为基槽底面以上2m至河床顶面的部分，精挖为剩余部分。
4.2 基槽清淤技术
基槽清淤采用由自航耙吸船和抓斗挖泥船联合组船的方案，利用抓斗挖泥船的6只锚控制自航耙吸船的船位和清淤点的进点。
清淤采用定点、分层施工。施工过程中采用回声测深仪检测，吸完一遍检测一次，一般需往复清淤3~4遍，才能清至要求的水样比重和水深度。
5 管段基础施工
管段基础施工的关键是桩基施工的精度控制和管底与桩的囊袋灌浆连接传力。
5.1 桩基施工精度控制
桩基施工精度的控制包括预制桩制作的精度和江中沉桩的精度控制。
预制桩由60cm×60cm预应力钢筋混凝土方桩和长3m、φ750mm直径的钢接桩组合而成，便于桩顶标高修正。通过对混凝土方桩的制作工艺和钢桩自动焊接加工的工艺控制，确保钢管桩与方桩拼接轴线误差控制在3mm以内。
基槽第一次普挖完成后，即开始江中桩基施工。27~37m长的桩采用63.8m高桩架的打桩船分两步实施，先将桩顶施打到水面以上2m左右停锤，然后用5m或15m长送桩设备将桩送入水面下设计标高。沉桩平面定位采用2台经纬仪交会方法，并应用全站仪进行坐标校核；高程采用全站仪校核。沉桩高程误差在0~-5cm之间，沿管段平面横向误差≤10cm，纵向误差≤15cm，垂直误差≤0.4%。
5.2 管底囊袋灌浆
桩顶与管底是通过囊袋灌浆连接传力的。囊袋直径为φ1500mm，完全充涨后的厚度为40cm，可以调节桩与注浆孔间平面位置±35cm和间隙±20cm的位置偏差。
囊袋灌浆材料为3.3砂率的砂浆，7d强度>8MPa，28d强度>14MPa。在管段沉放就位后立即在管内实施灌浆，以使管段由临时支承转换为桩基支承。施工时先灌注支承千斤顶附近的两排孔，再从管段自由端向压接端灌注。灌浆时先打开通气阀，当通气孔中冒出浓浆，再关闭通气阀灌注，直至达到每孔设计灌浆量。灌浆时对千斤顶压力和灌浆口压力进行严密观测，以防管段抬升。
5.3 管底充填灌浆
管段沉放到位后，为确保所有桩基与地基共同受力，须对管底空隙进行灌浆充填。管底充填灌浆在管段回填覆盖完成后进行。根据试验，充填灌浆的最大扩散半径可达到7m。灌浆同时对管段接头间相对位移和管段抬升情况进行监测，一旦有微小运动即停止灌浆，以防管段抬升。
6 管段浮运与沉放
管段浮运沉放的技术关键是管段水平和垂直控制的方法，以及管段水下沉放对接的姿态监控和管段沉放后的稳定。
6.1 管段水平控制系统
管段浮运、沉放水平控制的锚缆系统布置如图6，其中干坞周边布置9台管段坞内移位和纵向浮运出坞用绞车；江北岸边布置4台纵向浮运绞车；江中布置3对6只沉放用横向定位锚碇。
管段浮运采用岸控方式。根据水力模型试验结果，江北岸的4台牵引绞车、管段出坞牵引用的坞口2台绞车，以及控制管段前后平衡的尾缆绞车按100kN能力配置，其余岸上仅作移位和平衡稳定用的绞车按50kN能力配备。
管段沉放采用首尾锚和边锚定位系统，其中E1和E2两管段的尾缆系于管段底板处，以保证管段沉放时南侧辅助航道上船只通行的水深条件。三组江中锚碇块分别布置在江中管段接头的沿线上，每只锚碇块距隧道轴线360m，可提供1000kN力。
6.2 管段垂直控制系统
管段沉放采用双浮箱吊沉法。钢浮箱按2%的起吊能力设计，浮箱尺寸为20.5m×12m×3m。
管内水箱的储水量按1.04的管段抗浮安全系数设计，可为管段在沉放的各个阶段提供相应的负浮力。由于甬江河道积淤严重，水箱设计时水重度取值参考原甬江隧道和国外海中沉管的经验，取为10.26kN/m3，并考虑管段拖运沉放时±6°的最大纵、横摆角。
管段每孔中的各个水箱由1根进排水总管连接，并配水泵1台。左右2孔的两根水管之间设1根连通管，以便2根总管相互备用。进排水系统可采用强制进水、自然进水和隔腔排水等操作方式。
管段支承采用三点支承方式，前端采用鼻托搁置，后端两个垂直千斤顶搁置于临时支承上。临时支承结合管段桩基采用钢管桩。
6.3 管段浮运、沉放作业
管段过江浮运和沉放选定在农历廿三或廿四中潮差最小、流速最缓的一天中进行。其中将过江浮运、消除干舷沉放放在施工当天一个慢流的时间段内，而潜水检查、对接则安排在下一个慢流时间段内进行，作业计划如图7。
管段浮运分为两个阶段：沉放前一天午后平潮时由坞顶绞车将管段移出坞口50m，然后系缆过夜；沉放当天换缆成为过江浮运系缆布置后即起航浮运，浮运速度不超过10m/min。
管段浮运至距已沉管段10m位置处，即停顿调整系缆布置进入沉放状态。管段沉放首先需灌水克服干舷，然后继续灌水达到管段下沉所需的约1%的负浮力。
当浮箱吊力达到1%负浮力时，即以约30cm/min.的速度放缆下沉。下沉开始时先按沉放设计坡度调整管段姿态，然后前移至距已沉管段3m处继续下沉，当距设计标高1m时，再前靠至距已沉管段20cm距离处，将管段搁置在前端结构下鼻托上，同时伸出尾端垂直千斤顶，搁置在支承钢管桩上。最后通过水平定位系统和临时千斤顶对管段的平面位置和纵坡进行调整，准备拉合对接。
待沉管段调整到设计的姿态后，即从岸上绞拉滑轮组拉合管段，然后再打开封门上的?100进气阀和φ150排水阀排除隔腔内水，进行水力压接。
6.4 管段浮运、沉放三维姿态测量
管段浮运、沉放采用坐标测量方法。沉放时在甬江两岸隧道轴线两侧设立2个测站3台全站仪，通过测量管顶测量塔上的棱镜坐标，并根据管段特征点和棱镜坐标的相对坐标关系确定管段水下三维姿态。整个测量系统具有人工对准、自动采集、数据通信（有线或无线）传输、计算机处理并实时显示管段三维姿态的功能，可满足管段沉放平面定位精度±30mm、高程定位精度±35mm的要求；系统的数据采集频率可达5s一组，满足了管段沉放的定位操作要求。
6.5 管段沉放后稳定
水力压接完成后，缓缓放松钢浮箱上吊缆，使整个管段由前端鼻托和后端两个垂直千斤顶支承。然后根据实测的江底最大水重度，向管内水箱内灌水，直至抗浮安全系数达到1.03左右为止。随后立即拆除钢浮箱、测量塔、人孔井等管顶舾装件，以便尽快对管段进行锁定抛石施工。
沉放完成后需在管段外侧齐腰部进行锁定回填，以确保管段的稳定。回填施工采用网兜法，施工抛石分丝、分层、对称进行，由距自由端1/4处向压接端抛填，剩余部分待下节管段沉放后完成，以防抛石滚落到下节管段基槽影响沉放。为提高定位精度，将定位定深系统应用于锁定抛石。
7 管段连接
7.1 管段间接头
管段间采用柔性接头形式，如图8。其中，GINA橡胶止水带和OMEGA橡胶止水带构成管段接头的两道防水屏障；预应力钢缆则作为7°地震工况下的接头限位装置，这种装置又可在管段最终接头施工时提供一部分管段止退力。同时接头处还设置了水平和垂直剪切键。
GINA止水带在管段制作后期、坞内灌水前完成。安装前必须保证管段端钢壳的面不平整度小于3mm，每米面不平整度小于1mm，垂直和水平误差不允许超过3mm。
OMEGA止水带的安装在管段沉放后、管段接头处两道封墙拆除前完成。为了安装方便，OMEGA止水带在底边留有一个现场硫化热接接头。OMEGA止水带安装完成后即连接接头钢拉索，并旋紧连接套筒使拉索预紧。之后对钢拉索进行外裹橡胶伸缩管和热缩管、内注油脂的防腐防锈处理，并在外侧设置1.5cm厚的防火板，以达到耐火温度为1200℃，耐火持时为1h的防火要求。
最后进行管段底板处水平剪切键的制作，中隔墙处垂直剪切键的施工须待管段稳定后进行。
7.2 管段与江北隧道的连接
由于江中E1管段沉放后与江北连接井连接并搁置在其底板上，所以连接井端面设计成管段端面形式。同时为减小岸边段与沉管段结构的差异沉降，在连接井处采用了φ800的钻孔灌注桩基础。
连接井开挖深度约15m，最深处达15.68m。连接井施工时两侧采用0.6m厚、28m深的地下墙，端部采用26m长的SMW桩（内插700(300型钢）作为围护结构。待新的江北岸边防汛体系建成后，即拔除围护结构的端部型钢，以便江北侧的浚挖和沉放作业。
7.3 江南最终接头干地施工
由于管段由北向南依次沉放，所以E4管段与江南暗埋段的接头为沉管的最终接头。
最终接头采用干地法施工。施工前的坞口封堵是依靠E4管段尾端顶部的挡墙、管段沉放后两侧浇筑的水下混凝土剪切键和管底的注浆实现（图9）。挡墙在管段出坞前制作完成，既可作管段压重，又可作挡土墙之用。
E4管段与江南暗埋段的连接接头为变形缝形式。E4制作时在其南端顶板预留了间距为12cm的剪切销，底板制作了剪切键，端面埋置了钢边橡胶止水带。
为使E4管段与江南隧道结构沉降协调，江南第一节暗埋段的基础采用桩基形式，共布置5排20根ф1000的钻孔灌注桩。同时在接头处设置了1条OMEGA止水带，以作为该接头的止水措施。
8 结语
常洪隧道是国内第一条桩基沉管隧道。由于在沉管隧道建设中，针对隧址处的水文、地质和工程条件，采用合理施工技术，抓住技术关键，精心管理，使工程以“高起点、高水平、高标准、低成本”的一流水平取得成功。
参考文献
［1］ 刘千伟，杨国祥，周松. 宁波市常洪沉管隧道工程. 世界隧道. 2000年第6期
新闻来源：《城市交通隧道工程最新技术》
