海河隧道沉管沉放对接的主要施工技术

郭建文

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459)

海河隧道沉管沉放对接的主要施工技术

郭建文

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459)

海河隧道工程采用沉管法工艺施工，在中国北方首次应用。通过沉放对接技术的应用，实现沉管管段在水中的精确对接，针对沉管的浮运、沉放、对接等关键问题进行重点分析与阐述，采用岸拖方式将沉管管段依次浮运至沉放区域;采用浮驳吊沉法工艺进行管段沉放;利用全站仪、GPS、倾角仪实时监控并调整管段空间位置及姿态;利用水力压接将GINA止水带压缩，完成沉管对接。施工结果表明，采用岸拖法浮运、浮驳吊沉法、水力压接技术进行沉管对接是成功的，技术上是可靠的。

沉管隧道;岸拖法;浮驳吊沉法;水力压接;施工

1 概述

海河隧道工程位于天津市滨海新区于家堡金融区，工程线路全长4.2 km，为双向六车道，其中隧道全长3.38 km。本工程穿越海河采用沉管法施工工艺，是华北地区第一条沉管工艺隧道。

沉管段设计里程为 K28+492.0～K28+747.0，全长为255 m，由3节预制管段组成，管段长85 m(E1、E2管段)，80 m+5 m(E3-1、E3-2管段);管段横断面按照两孔三管廊设计。其中沉管E3-1、E3-2在干坞内已经采用拉合工艺连接成为整体。

沉管管段在干坞内预制并起浮，浮运至沉放区域进行沉放、对接作业。管段的浮运、沉放、对接技术是沉管隧道的核心技术［1］，单节沉管管段质量在3万 t以上，在水中完成浮运、沉放、对接作业，安装精度高，施工风险大，应用岸拖浮运技术、浮驳吊沉法、水力压接等技术，实现沉管管段的精确对接。

2 主要方法原理

2.1 岸拖浮运

海河隧道所在位置，海河南北岸之间宽度243 m，管段浮运距离较小，在南北岸安装固定卷扬机，作为动力牵引设备，将3节管段依次浮运至沉放区域。

2.2 浮驳吊沉法［2］

将浮驳安装在沉管顶部，向管段内压载水箱内依次对称加水，沉管克服浮力下沉，通过系泊锚块做定位系统，调整管段的平面位置，利用浮驳的吊索控制沉管下沉的速度与姿态，直至管段就位。

2.3 应用水力压接原理实现管段对接［3］

管段就位后，通过沉管顶部千斤顶的初步拉合，使沉管两个封门之间形成密闭空间;排空封门之间水的过程，封门之间的空气压力与沉管尾端外侧水压力不再平衡，在水力压差作用下，管段向已安装管段方向移动，压缩GINA止水带完成管段最终对接。

3 主要施工技术

3.1 沉管岸拖浮运的准备工作

沉管浮运前已经在干坞内进行了水密性检验，3节沉管依次试起浮，将沉管内全部水箱对称、分次排出，在浮力作用下沉管开始起浮，水箱全部排空后，根据干舷值大小，在沉管顶板表面浇筑混凝土压载层，将干舷值调整到20～25 cm。对沉管进行系泊，在沉管顶部的系缆柱上进行系缆，每节沉管纵向进行4点定位，横向通过干坞四周地锚连接到固定的卷扬机，将钢丝绳收紧，避免沉管在干坞内漂移。干坞内沉管管段临时系泊如图1所示。

图1 干坞内沉管管段临时系泊示意(单位:m)

管段的一次舾装件安装就位检查，GINA止水带保护罩安装，吊点、拉合座、系缆柱、单轮滑车、五轮滑车、导缆钳安装，导向装置安装;检查钢端封墙、水密门、压载水箱、进气管和进排水管路系统、管内临时照明系统、临时通风系统。

沉管沉放主要设备就位情况，起重船、拉合千斤顶、测量塔、缆索测力计、超声波测距仪、指挥交通器具、浮驳、钢丝绳、卷扬机等。

测量监测，沉管预制完成后，在沉管内部南北端封门附近布设4个测量点，作为对接完成后测量复核控制点;布设2条水平连通管，在边隔墙上安装标尺;同时在人孔附近隔墙预留洞口安装倾角仪［4］，标定沉管初始状态。沉管顶板表面做好轴线控制点，沉管内隔墙上做4个沉降监测点。在坞口位置安装有刻度浮尺，记录管段浮运沉放对接过程中海河水位变化。

海河航道断航公告已经发布，上下游警戒船布置好，禁止任何船只在沉管浮运对接期间穿越施工水域，海河闸通过开、闭闸门方式，控制施工期间在水位的大沽高程为 0.8 ～1.0 m，控制海河流速＜0.3 m/s［5］。同时与气象部门联系，确定浮运、沉放、对接最佳时间。

3.2 沉管岸拖浮运

干坞内每节沉管采用岸拖浮运方式到沉放区域，沉管管段岸拖浮运如图2所示。浮运采用6点控制管段移动，干坞坞口两侧岸壁结构上，固定2台卷扬机控制管段沿轴线方向前移，管段两侧中部及管尾4点控制沉管移动路线，沉管前端到坞口时，锚艇将海河北岸的缆索拖至沉管前端进行系缆，由北岸固定的2台卷扬机牵引沉管前移，管尾及坞口两侧的系缆控制行走路线，沉管出坞口后，海河北岸系缆控制沉管前移，两侧固定船只对沉管进行系缆，管尾改由坞口两侧系缆，控制沉管前进线路，直至指定位置，在干坞及坞口位置控制沉管浮运速度≤0.5 m/min，出坞口后控制沉管前进速度≤1.0 m/min。沉管前端距离设计位置5 m时，浮运结束。

图2 沉管管段岸拖浮运示意(单位:m)

3.3 浮驳吊沉法进行管段沉放

3.3.1 系泊及沉放准备［6］

由于空间限制，第一节沉管无法在干坞内进行二次舾装，浮运结束时进行二次舾装作业，安装测量控制塔，测量控制塔与人孔连接在一起安装，每节管段设2个测量控制塔，采用桁架结构形式。测量控制塔的平面尺寸定为5.5 m×4.5 m，最大高度为20.85 m。每个测量控制塔上均配备3台100 kN液压绞车，其中2台用于管段横向调位，1台用于管段纵向调位。管段首部的测量控制塔上还配备了1套供拉合千斤顶使用的液压站，1个供指挥管段沉放对接用的控制室。将沉管顶面轴线控制点引测到两个控制塔顶端，通过人孔引测倾角仪到测量塔，同时在测量塔顶部安装GPS系统。

采用3 200 kN浮吊吊运两个专用浮驳安装到沉管顶部，将沉管两侧河床上沉放的4个预制系泊锚块通过滑轮组系缆，与测量塔进行连接。测量塔横向调节绞车连接上5轮滑车钢丝绳的尾端并收紧，4条纵向调节系泊缆带上管段，经双体滑车与测量塔纵向调节绞车连接，通过横向、纵向调节绞车将管段定位于设计安装轴线上。沉管管段沉放前系泊如图3所示。

图3 沉管管段沉放前系泊示意(单位:m)

在管段尾端底部距离端头5 m位置，安装φ700 mm水囊1条，防止基底注浆外溢，将用于浮运的系缆柱拆除，将GINA止水带保护罩拆除，对止水带进行探摸，确保无水生动植物附着。

在管段顶部端头安装拉合装置，包括两个行程为1.2 m的拉合千斤顶及配套设施;并将油管接到管段首部测量控制塔绞车平台上的控制站。在管段内部安装垂直千斤顶及配套设施。

3.3.2 系泊安全设计［7］

管段沉放对接时，准确定位必须依靠可靠的定位系泊系统抵抗水流作用力。由于管段安装定位时主要承受横向水流力，而纵向水流作用力相对较小，因此采用四点系泊系统进行定位。锚块的抛设主要考虑抵抗横向水流作用力。

(1)管段水流力计算

按照《港口工程载荷规范》，管段的水流力为

式中 Cw——水阻力系数，对于管段可取2.0;

ρ——水的密度，t/m3;

V——水流速度，m/s;

A——迎流面积，m2;

F——水流作用力，kN。

根据天津海河水文情况，海河内无潮流，但当开启节制闸放水时最大流速可达1.5节(0.77 m/s)，按此水流速度对管节进行校核，则节制阀开启放水时管节承受的水流作用力为

(2)系泊系统的设计及施工

①锚块设计:采用吸附式重力锚块，锚块为方形，中间为空腔结构，外形尺寸5.5 m×5.5 m×3.5 m，质量为120 t，采用钢筋混凝土结构。

②锚缆选型:主锚缆(横向)用 φ72 mm×85 m，钢芯钢丝绳，破断负荷3 000 kN。副锚缆(纵向)用φ42 mm的钢芯钢丝绳，破断负荷为1 000 kN。

③施工:在管段浮运、对接之前，在管段沉放区的预定位置，利用起重船进行重力锚块的沉放，并将各锚缆留好浮标备用。相邻两管节之间，上一管节尾部与下一管节首部共用一个重力锚块进行系泊。E3管段由于受现有地形的限制，需在岸上设置地锚作为管段的纵向及横向调节固定点。

(3)空腔式重力锚块抗拉力计算

锚块埋设后，其用于抗拉力的力主要有:锚块的被动土压力、泥土对锚块侧压力产生的摩擦力、锚块因自重与河床产生的摩擦力、锚块内空腔土的抗剪力。设计时，不考虑锚块内腔土的抗剪力及泥土对锚块侧压力产生的摩擦力，其结果是偏于安全的。

3.3.3 管段浮驳吊沉法沉放施工［8］

沉管沉放，采用浮驳吊沉法工艺沉放。每节沉管顶板安装4个吊点，与2个浮驳竖向连接，每个浮驳质量150 t，浮驳吃水产生浮力，控制沉管沉放及姿态。

初步下沉，向沉管内压载水箱注水，注水分次对称进行，控制相邻水箱水面高差在10 cm以内，管段抗浮安全系数控制在1.01，测量塔的计算机系统显示2个浮驳系缆拉力达到3 000 kN时，暂停注水。

通过计算机系统控制吊驳系缆下放，沉管开始下沉，第一次沉放高度控制在2 m，同时岸边2台全站仪读取沉管位置数据，管段内部读取水平连通管的数值，通过倾角仪、GPS、水下仿生系统监测沉管姿态变化。初步下沉控制轴线偏差50 mm［9］，控制沉管最大横向坡度≤0.2°。

根据海河水容重监测数据，随着深度变化，水容重略有增加，会造成沉管浮力增大，吊驳吊力会减小，沉管沉放的稳定性会变差，沉管第一次沉放2 m时，进行压载水箱注水，保证吊驳的吊力为3 000 kN。

沉管继续沉放，距离设计高程2.0 m时，暂停沉放，开始调整管段纵坡(E1管段坡度为2.725%，E2管段坡度为0.548%、E3管段坡度为1.78%)，通过调整水箱压载水量来调整纵坡，2个吊驳系缆升降配合，通过测量班控制测量塔高程来确定纵坡度。纵坡调整完成后，调整管段水平状态，通过压载水箱加水实现，利用水平连通管与倾角仪相互校核确认管段水平姿态，使用横向调节绞车调整轴线偏差。

在纵坡调整前，相邻水箱内的水位差不宜超过10 cm，在初步调整纵坡时，应避免只在个别水箱内加注压载水的现象，保证相邻水箱内的最大水位差不超过20 cm;管段纵坡的初步调整应缓慢进行，避免由于对姿态变化的滞后现象估计不足而造成姿态失控。管段纵坡的初调精度可控制在±0.2°［10］;管段姿态调整以全站仪、水平连通管数据为判断依据，以倾角仪、GPS数据作为监测数据进行复核。

沉管姿态调整完成后，沉管继续沉放距离设计高程1.0 m时，管段开始前移，距离暗埋段或上一节沉管端面1.0 m时，管段继续沉放距离设计高程0.5 m时，管段再次向前移动，端面距离GINA压合面0.6 m时停止移动，每个动作完成后都要调整管段位置及姿态，待沉管姿态稳定并满足设计要求后方可进行下一个动作。

管段移位过程中，横向移位调整时，每个测量塔2个横向调节绞车通过滑轮组，拉紧、放松系泊锚块上系缆，进行横向位置调整;沿管段轴向移动时，2个控制塔纵向调节绞车通过滑轮组拉紧、放松系泊锚块上系缆，进行轴向位置调整。

3.3.4 管段就位

管段的沉放就位应从鼻托端开始，先将沉管管段上鼻托落在B1段或已沉放管段下鼻托上，当测量数据表明上下导向装置开始接触后，应严格控制管段在水平面内的摆动，防止由此造成的导向装置卡死;然后将管段后端轻轻地搁置到临时桩桩帽上。根据测量数据调整千斤顶推杆的伸长量，来调节管段的纵坡及高程。管段高程调整到位后，4个吊点同时卸荷，每次卸荷约为10%，当卸荷50%时停止。卸荷过程中注意观察千斤顶的顶力变化，并及时进行调整。

3.4 利用水力压接原理进行管段对接

3.4.1 管段初步拉合

当管段完成了初步对接后，安装拉合装置，由潜水员水下将拉杆及拉合挡块安装在已装管段尾部拉合座上，以便于管段拉合对接。通过控制站将管段拉合至GINA止水带尖角接触到端钢壳压接面，达到初步止水的效果后停止。

拉合完成后测量鼻托顶高程及千斤顶伸长量，确定高程及伸长量满足设计值要求时，拉合作业完成。100%卸除吊点吊力，使沉管尾端底部临时桩处于全部受力状态。

3.4.2 水力压接

在拉合千斤顶拉合管段完成后，潜水员全面检查GINA带的压接情况，并测量2条管段之间的距离，所有的实际情况与设计要求相符合时，进行水力压接作业。

水力压接是2条管段封门之间通过GINA带形成一个相对水密空间，将封门之间的水排出时，封门位置水压力不再平衡，在水力压差作用下，管段向已安装管段方向移动，压缩GINA实现管段连接。打开封门上预先设置的空气阀，封门之间水开始排出，水力压接开始，待空气阀排尽水之时，打开封门上预设的排水阀，并启动水泵，将剩余水量排入管段内水箱，水力压接结束，沉管对接完成。沉管管段水力压接如图4所示。

图4 沉管管段水力压接示意

管段水力压接过程，是水力压差作用，外力无法控制。竖向偏差由沉管竖向千斤顶、上下鼻托精度决定，压接之前控制管段倾角偏差在±0.1°以内，高程偏差±10 mm以内，首端轴线偏差±10 mm以内;管尾轴向偏差由压接面整体质量及GINA质量决定。

3.4.3 后继工作

管段的拉合和水力压接工艺完成后，向压载水箱对称、均匀加注压载水，直至管段的抗浮安全系数达到1.04左右，相邻压载水箱内的水位不宜超过10 cm。

从管段加注压载水开始到基础施工结束，应实时监测垂直千斤顶的顶力变化，确保2个垂直千斤顶受力均匀，当垂直千斤顶顶力满足2 000 kN＜F＜3 800 kN时，是安全的，否则应采取应急措施。

由于沉管尾端支撑桩变更为钢筋混凝土支撑垫块，而垫块基础采用河床做基底，块石、碎石做基础，具有一定压缩量，加大沉降观测频率，在沉管注浆之前通过千斤顶将管段管尾高程调整至设计高程。

3.5 最终接头位置管段沉放对接的控制

沉管隧道多采用江、河中进行最终接头，考虑河道宽度及通航要求，海河隧道最终接头位置设在南岸的坞口内。南侧2个系泊锚块无法安装，采用在坞口两侧预埋系揽装置替换，受力角度发生变化，沉管沉放过程中稳定性变差;最终接头设计宽度为1.5 m，扣减GINA止水带高度、导向装置突出管外尺寸、岸上N1段钢筋预留尺寸等影响，净宽度只有45 cm;E3-2北端与E2之间预留30 cm最小安全距离，沉管沉放过程中，管段纵向移动只有15 cm。上述情况给管段沉放增加了更大的风险，沉放前在N1上方，安装声纳扫侧装置，实时监测管段与N1段空间位置，同时增加数据采集的频率，沉放速度控制在正常沉放速度的1/3，最终顺利完成了管段沉放作业。

4 结语

海河隧道沉管浮运对接自2012年11月12日至2012年12月30日，历时49 d，完成3节沉管浮运、沉放、对接作业。沉管轴线偏差最大 10 mm(设计值50 mm)，高程偏差最大12 mm(设计值50 mm);GINA止水带的压缩量99～100 mm，止水带压缩均匀，符合设计要求。在北方最寒冷的季节完成沉管的浮运、沉放、对接作业，并取得了圆满成功，为国内北方地区修建沉管隧道提供了借鉴。

［1］ 陈韶章.沉管隧道设计与施工［M］.北京:科学出版社，2002.

［2］ 朱家祥，陈彬.外环沉管隧道工程［M］.上海:上海科学技术出版社，2005.

［3］ 吴小羊.上海市外环沉管隧道管段沉放施工技术［J］.建筑施工，2005(2):29-31.

［4］ 李全海.海底沉管对接测量［J］.同济大学学报，2005(12):1592-1595.

［5］ 潘永仁.上海外环沉管隧道大型管段浮运方法［J］.施工技术，2004，33(5):52-54.

［6］ 陈越，管敏鑫，冯海朝.珠江沉管隧道浮运沉放技术［J］.世界隧道，1996(6):27-33.

［7］ 朱升，毛军，郗艳红，张念.沉管隧道浮运水动力学性能的数值分析［J］.北京交通大学学报，2010(1):25-29.

［8］ 潘永仁，丁美.大型沉管隧道管段沉放施工技术［J］.现代隧道技术，2004，41(5):1-5.

［9］ 丁美，潘永仁.沉管隧道测量技术［J］.现代隧道技术，2005，42(1):11-15.

［10］ 任朝军，吕黄，苏林王，应宗权.沉管隧道管节沉放实时定位测量技术现状分析［J］.现代隧道技术，2012，49(1):44-49.

［11］ 代敬辉.软弱地基下大型沉管隧道管段预制关键技术［J］.铁道标准设计，2012(8):87-90.

Key Construction Technologies of Sinking and Docking of Immersed Tube of Haihe River Tunnel

GUO Jian-wen
(The 5th Engineering Co.，Ltd.，China Railway 18 Bureau Group，Tianjin 300459，China)

The immersed tube method was used in the construction of Haihe River Tunnel，and it was the first time to be used in the north of China.By using the docking technologies，the accurate docking in water for immersed tube segment could be achieved.In this paper，some key issues are analyzed and described，such as the floating transportation，sinking and docking of the immersed tube and so on.By using the shore towing technique，the immersed tube segments were transported to the sinking area successively.By using the floating barge crane technique，the tube segments were put down to the water.By using total station device，GPS and inclinometer，the space position and gesture of the tube segments were real-timely monitored and adjusted.By using hydraulic pressure connecting technique，the GINA water-stops were compressed so that the docking of immersed tubes could be completed.The construction results show that by using the shore towing technique，floating barge crane technique and hydraulic pressure connecting technique，the docking of immersed tubes can be completed successfully and reliably.

immersed tube tunnel;shore towing technique;floating barge crane technique;hydraulic pressure connecting;construction

U455.49

B

1004-2954(2013)04-0073-04

2012-08-17;

2012-09-03

中国铁建股份有限公司技术支持项目”软基条件下海河隧道沉管施工综合施工技术”(编号:09-03B)

郭建文(1972—)，男，高级工程师，1997年毕业于河北农业大学城建学院水利工程专业，工学学士，E-mail:guojianwenjia@gmail.com。