管道修复人的圈子

1.引 言

近年来，沉管隧道以其地质适应性强、两岸接线短、交通联系功能强、工期和施工风险可控性好等优点，在我国内河滨江城市过江通道工程中得到越来越广泛的应用。目前我国已陆续建成了10余座内河沉管隧道，在内河沉管隧道的干坞建设、管节制作、浮运沉放、基础处理、回填保护等方面积累了一定经验。

我国已建的内河沉管隧道多处于水位季节性变化小、水流速度低、河床稳定性好的内河下游地区；在水域窄、水流急、冲刷强、防洪要求高、强透水地层深厚的内河中游地区修建沉管隧道，其干坞选址选型、管节浮运沉放、最终接头设置、管顶回填保护等方面均面临新的技术难题，而我国在该领域沉管隧道的建设经验相对较少，缺乏系统性研究。襄阳汉江隧道是我国在江河中游高水流、强冲刷地区修建的第一条沉管隧道。本文结合该隧道的建设条件特点，对其设计关键技术进行介绍。

2.工程概况

2.1 工程规模及技术标准

襄阳汉江隧道位于襄阳核心城区，是连接樊城、鱼梁洲和东津的轴线道路工程。隧道全长5 400 m，西汊和东汊沉管隧道下穿汉江，分别长351 m、660 m，设置长3 580 m的明挖暗埋隧道下穿鱼梁洲，在鱼梁洲上预留接地匝道，实现鱼梁洲与樊城、东津的交通衔接。

隧道设计速度为60 km/h，采用双向六车道城市快速路标准，建筑限界净宽为12.25 m，主体结构设计使用年限为100 a，抗震设防烈度为7度。

2.2 建设条件

隧道场区地层上部为全新统填土和较薄的软塑—流塑淤泥，中部为松散—稍密粉细砂，下部为深厚的中密—密实状卵石、圆砾；稳定黏土不透水地层埋置深度为 55~100 m。隧道基底基本位于砂层或卵石圆砾层，地基承载力高、土层压缩性低，但砂层和卵石层的渗透系数为16~22 m/d。汉江为长江最大支流，径流季节性分配不均，枯水期和洪水期水流速度为 0.57~3.0 m/s，水位差为 2.2 m。隧址区汇入唐白河和小清河，对隧址区水文条件和河床冲刷均形成较大不利影响，典型年水砂作用下预测最大冲刷深度达4.5 m。

3.隧道平纵面设计

3.1 隧道平面设计

隧道平面设计主要依据路网规划和周边敏感建（构）筑物避让需求，过汉江沉管段尽量选取合理位置，采用便于结构实施的直线线形垂直过江。隧道起点段沿樊城规划清河路布线，直线下穿沿江大道、汉江西汊和环洲路后采用 R=2 000 m 的圆曲线北偏，穿越鱼梁洲后，直线下穿汉江东汊，连接东津规划横七路至项目终点。沉管段起终点位置结合干坞布置、施工工艺和防洪需求，均设置于现状岸堤以内，沉管隧道最终接头采用陆域干接头。隧道平面设计见图1。

图1 隧道平面

3.2 基于防洪需求的隧道纵断面设计

隧道纵断面设计主要结合现状路标高、道路竖向规划、河床冲刷控制线、规划航道航底标高、市政管线布置需求等因素确定。隧道在东、西汊的最小埋置深度分别确定为3 m和3.5 m，以使沉管隧道埋设于最大冲刷线以下，满足河道行洪需求；洲上暗埋段平均埋深约为2.5 m，以满足洲上市政管线布设需求；为实现与两岸高架桥顺接、控制隧道规模，同时兼顾行车安全和通风需求，隧道过江段两侧均采用坡度为4.8%的纵坡，其他段落尽量贴合地形布设，同时考虑坡度不小于0.3%的排水纵坡。隧道纵断面见图2。

图2 隧道纵断面（单位：m）

4.沉管隧道结构及接头设计

4.1 基于功能需求的沉管隧道横断面布置

沉管隧道横断面采用“两孔一管廊”形式，两侧行车孔各设置两个宽3.5 m小车道和一个宽3.75 m大车道，隧道建筑限界上部预留1.3 m的风机安装空间；中间管廊宽度为2.4 m，中部为逃生通道，上下部空间分别铺设电缆和管道。沉管隧道横断面尺寸考虑受力验算、浮运干舷及抗浮等要求拟定，结构总宽31.2 m，高9.2 m，结构侧墙及顶、底板厚度均为1.25 m，中隔墙厚度为0.6 m，浮运阶段最小干舷值为15 cm，运营阶段抗浮安全系数为 1.16~1.19。沉管隧道横断面布置见图3。

图3 沉管隧道横断面布置（单位：cm）

4.2 全断面顺浇整体式管节结构

襄阳汉江沉管隧道地基以深厚砂卵石为主，刚度较大且均匀性好，沉管隧道采用防水性能优、构造相对简单、浇筑便利的整体式管节结构。单个管节长度结合纵面线形、结构纵向受力、管节体量、施工装备、浮运沉放次数等因素确定，西汊布置4节标准管节（86.5 m×4）和1节短管节（5 m），东汊布置6节标准管节（120.5 m×4 86.5 m×2）和1节短管节（5 m）。

为增加结构整体性能，控制结构裂缝发展，增强结构防水性能，隧道单个小节段均采用整体式液压模板全断面一次性浇筑预制。长120.5 m和86.5 m的长管节沿纵向分别分为5个和4个小节段，各节段采用施工组织更为便利的不设后浇带顺浇预制方式，见图4。

图4 沉管全断面浇筑预制

采用全断面顺浇方式进行大体积混凝土浇筑，将使相邻节段间混凝土开裂风险加大，通过温度应力仿真模拟对混凝土抗裂安全系数进行了深入研究，确定将相邻节段的浇筑时间间隔控制为7~10 d可有效降低混凝土开裂风险。

综合考虑混凝土工作性能、强度要求及裂缝控制需求确定沉管混凝土最优配合比，见表1。

表1 沉管混凝土最终配合比（单位：kg/m³）

通过物理模型试验对沉管混凝土抗裂剂进行了系统研发，对后浇节段临近接缝区域的混凝土掺入抗裂剂实现了浇筑约束裂缝的有效控制。

4.3 国产化沉管接头止水

襄阳汉江沉管隧道接头采用 GINA 与 OMEGA止水带组成的双道止水柔性接头体系。目前，我国已建沉管隧道接头均采用国外 GINA 止水带产品。通过足尺物理模型试验对国产化GINA止水带在偏转、错动等各种不利工况下的压缩性、水密性、应力松弛等性能开展了系统研究，结合试验数据，采用最小水密和最大压缩指标双控进行了选型设计和产品量产。基于上述试验研究，沉管接头最终选用天然橡胶材料、高度为27.5 cm、硬度为40~45的GINA止水带，见图5。国产GINA止水带的顺利安装及其止水效果验证了其各项性能可满足工程需求，国产GINA止水带制造打破国外垄断，标志着我国沉管隧道建设实现全链条国产化。

图5 GINA止水带物理模型试验及施工

5.沉管干坞选址选型及结构设计

5.1 长距离双轴线干坞的选择

襄阳汉江沉管隧道干坞共需完成西汊 4节、东汊6节沉管的预制，干坞选址选型主要考虑了深厚强透水砂卵石地层、浅水狭窄河道、综合造价控制、工期要求等因素。受船机进场条件限制，不能采用移动式干坞；受工期限制，所有管节需一批预制。设计中对双旁建干坞、西汊轴线 东汊旁建干坞、双轴线干坞三种方案进行了比选，见表2。

表2 干坞方案比选

经综合比选，双轴线干坞可结合明挖隧道基坑联合进行强透水层的地下水隔降水处理，且浮运距离短、疏浚量最小、综合造价最优，同时可满足项目工期需求，因此采用双轴线干坞方案，见图6。东、西汊沉管干坞分别长742 m、433 m。

图6 东汊沉管轴线干坞

5.2 深厚强透水砂卵石地层干坞基坑隔降水

襄阳汉江沉管隧道轴线干坞基坑的主要特点为：基坑深度大，最深处达27 m；使用周期长达25个月；基坑位于渗透系数为16~102 m/d的深厚强透水砂卵石地层；紧邻汉江，且水力联系较强。干坞基坑隔降水方案选择非常关键，设计中结合东、西汊干坞建设条件特点，对坑内强降水、悬挂式帷幕 坑内降水、悬挂式帷幕 混凝土封底、落底式帷幕等方案进行比选，见表3。

表3 干坞基坑隔降水方案比选

东汊干坞地层从地表往下依次为粉细砂、卵石、圆砾层，均为强透水层，在55~65 m深处存在稳定连续的黏土隔水层；经综合比选，采取了工艺简单、造价低的 100 cm 厚地下连续墙落底式隔水帷幕 内部全放坡开挖方案，干坞边坡分两级坡，坡率均为1∶3，坡面采用锚杆框架 混凝土护面；坞顶宽度为126 m，坡面顶部设置系缆柱，满足沉管浮运绞移需求，见图7。

图7 东汊干坞基断面（单位：cm）

西汊干坞地层组成与东汊地层类似，但稳定连续黏土隔水层的埋置深度为 90~100 m；经综合比选，采取地下连续墙预应力锚索悬挂式隔水帷幕 混凝土封底方案，结合抗浮和受力需求，封底混凝土厚度为2.5 m，并在其上部设置H型钢抗弯钢梁，见图8。根据施工需求，管节预制台座两侧各设置6.5 m宽的模板系统空间，坞底宽度为44.2 m，采用材料垂直运输，浇筑天泵设置于上部平台。

图8 西汊干坞横断面（单位：cm）

5.3 大体量沉管干坞坞底结构及起浮层

襄阳汉江沉管隧道断面大，单节段预制浇筑重量达5 230 t，管节预制精度要求高，坞底结构及起浮层需要满足沉管预制的承载力、基底变形及平整度要求，同时需具有良好的透水性以消除管段起浮时的吸附作用。坞底结构及起浮层采用40 cm厚钢筋混凝土板上铺1 cm厚中粗砂，在钢筋混凝土板开设宽10 cm、深5 cm的过水槽，纵、横向开槽间距分别为1 m、5 m，槽内填充小粒径米石。坞底设置横向ϕ110HDPE 双壁打孔波纹管、纵向矩形边沟及端部集水井的排水系统，见图9。

图9 坞底构造（单位：cm）

6.沉管基础及回填设计

6.1 沉管沉降分析及岸堤减载

襄阳汉江沉管隧道段基底主要位于卵石圆砾层，地层压缩性低、承载力高；经沉降计算，天然地基条件下，东、西汊沉管段管底沉降为4~8 cm，如图10所示，沉降均匀性好、绝对值低，基底地层可作为理想的沉管持力层，无需进行特殊基底加固处理，仅铺设垫层即可。对于沉降略大的岸堤斜坡大覆土段采用高耐久性泡沫轻质土预制块进行减载处理，实现沉管隧道与明挖隧道地基刚度均匀过渡。

图10 东汊沉管隧道天然地基管底纵向沉降曲线

6.2 先铺卵石基础垫层

襄阳汉江沉管隧道段原河床即为天然砂石基础，河床回淤小、水域作业条件好，工期要求高。经与后铺压砂法比选，推荐采用工艺简单、可检可控性好、工期较短的先铺基础方案，同时为就地取材、节省投资，基础材料采用基槽开挖筛分后的卵石。考虑挖槽精度、受力和工艺需求等因素，卵石垫层厚度取为0.8 m，单垄顶纵向宽度为1.2 m，V型槽顶纵向宽度为0.60 m，见图11。先铺卵石采用全浮式整平船（图12）分粗平、细平两层进行，整平精度为±40 mm，可满足设计要求。

图11 先铺法卵石垫层平面布置（单位：cm）

图12 浮式整平装备

6.3 基于抗强冲刷需求的回填保护层

根据河床演变分析及水砂数学模型研究，隧址区东、西汊河床在洪水期呈较强冲刷状态；典型年水砂条件作用下东、西汊沉管最大冲深分别达4 m和4.5 m。为确保洪水期隧道和行洪安全，需对沉管采取可靠的回填保护。

在基槽开挖范围内，沉管周边设置锁定回填和一般回填，管顶设置0.5 m厚的卵石和0.5 m厚100~200 kg的大块石护面层回填，确保沉管施工期结构抗浮安全。护面层回填上部采用砂卵石回填至原河床高程以下1 m处，面层在沉管上下游共250 m范围内铺设软体排，并用1 m厚块石压载，确保沉管运营期安全，见图13。

图13 沉管隧道回填及防冲刷保护横断面（单位：cm）

7.沉管最终接头及对接端支护止水结构设计

7.1 不设独立止推构造陆域最终接头

为匹配轴线干坞、降低施工风险，襄阳汉江沉管隧道采用陆域最终接头。传统的陆域最终接头均在端部设置止推墙等措施抵抗 GINA 张开力，造价昂贵，工期较长。襄阳汉江沉管隧道通过已沉放管节的周边摩擦力和管节间连接拉锁实现管节止推。

为准确掌握沉管周边摩擦力，开展了沉管隧道与卵石基床及周边回填砂石的摩擦系数物理模型试验，考虑了管底钢板、垫层顶回淤等多种不利工况，得出实际施工条件下沉管底部摩擦系数，取0.241。结合各管节 GINA 张开力和摩擦力计算，通过在端封门牛腿间设置不同数量预应力粗钢筋将管节连为一体，实现GINA保持足够的水密压缩量，最终接头浇筑并达到强度后进行预应力钢筋解除，见图 14、图15。

图14 卵石垫层摩擦试验及管节间连接构造

图15 初始下沉及坞内抽水后管节受力原理

7.2 大深度格形地下连续墙岸壁保护

因沉管隧道伸入岸堤以内，将在现状岸堤范围内进行深20 m、宽120 m的沉管端部基槽开挖，为避免大规模岸堤开挖造成鱼梁洲防洪风险，需对岸堤进行保护。针对岸堤所处富水砂卵石地层，对于深槽段采用自稳能力强、施工可实施性好的格形地下连续墙方案，浅槽段采用“一”字型地下连续墙方案。

如图16、图17所示，通过对格形地下连续墙主要设计参数的敏感性分析和三维模拟计算，确定格形地下连续墙宽度为7~23 m，深度为11~44 m，格形地下连续墙内基槽开挖面上下3~5 m范围内采用旋喷桩加固，并在上部设置横隔板提高格形地下连续墙整体受力性能，对格形地下连续墙中部槽段接头采用十字钢板抗拉接头。

图16 沉管对接端格形地下连续墙岸壁保护结构（单位：cm）

图17 格形地下连续墙水平位移云图

7.3 沉管对接端一次支护及二次止水结构

沉管最终接头对接端处于轴线干坞坞口位置，基坑内外侧水头差高达27 m，所处地层为深厚卵石地层，对接端支护结构除考虑承受水土荷载外，还需具备防渗性能强、易于破除等特点。经综合比选，对接端一次支护结构采用内侧ϕ1 190×30 mm锁口钢管桩 外侧1.2 m厚低强度塑性混凝土止水墙方案，见图 18。锁口钢管桩采用抓斗分段成槽后植桩工艺，钢管桩吊放到位后，对钢管内的沉管管底以下部分灌注素混凝土，上部回填砂，桩间空隙回填碎石并灌浆固化，确保钢管桩的防渗性能及孔壁稳定性。沉管对接时破除止水墙、水下切割钢管桩，实现坞口快速破除。

图18 沉管对接端二次止水结构立面图（单位：cm）

管节沉放完成后，为给最终接头及干坞明挖隧道提供施工干燥环境，需施作二次止水结构。经综合比选，二次止水结构采用分三片整体吊装双壁钢围堰结构，钢面板壁厚 10 mm，内设钢板和角钢肋板，分片间设置锁扣，钢围堰内灌混凝土。钢围堰底部和侧方插入管节环梁、封底混凝土和格形地下连续墙上的预留槽口，并在接缝处设置钢边橡胶止水带，沉管底部设置双道可压缩止水带并预留注浆孔。

8.结 论

本文基于襄阳汉江沉管隧道的工程设计实践，针对该隧道强冲刷、强透水地层深厚、防洪要求高等特点，对隧道平纵布置、管节结构及接头止水、干坞选型及结构、沉管基础及回填、沉管最终接头及对接端止水结构等进行了研究，形成主要成果如下：

（1）在沉管隧道中采用了长距离双轴线干坞布置方式，通过格形地下连续墙、超深落底式帷幕、地下连续墙预应力锚索垂直支护和混凝土封底组合技术解决强透水地层深基坑支护及隔水难题。

（2）采用全断面顺浇技术进行整体式管节预制，并实现了管节接头止水设施的全国产化。

（3）在沉管隧道中采用高精度浮式整平先铺卵石基础，并提出了强冲刷区管顶防冲保护解决方案。

（4）采用不设独立止推构造的陆域最终接头，针对工程需求，设置了大直径锁口钢管桩配合外侧止水墙的对接端支护结构以及分片整体吊装双壁钢围堰二次止水结构。

摘自《现代隧道技术》