沉管隧道最终接头形式和施工工艺的改进

耿伟光;徐伟

【摘 要】沉管隧道最终接头形式和施工工艺是沉管隧道修建的重点和难点之一,在对现有最终接头形式及施工工法进行介绍的基础上,提出一种全新的最终接头形式和相应的施工工法.该工法通过采用工厂预制的套管形式,用千斤顶将套管顶紧来与已沉管节进行对接,可减少对潜水施工的依赖,且接头形式简单,施工速度快,为我国沉管隧道最终接头的施工提供了一种可行的新方法. 【期刊名称】《建筑施工》 【年(卷),期】2017(039)001 【总页数】4页(P128-130,133)

【关键词】沉管隧道;最终接头;施工工法;数值模拟 【作 者】耿伟光;徐伟

【作者单位】同济大学建筑与土木工程系 上海200092;同济大学建筑与土木工程系 上海200092 【正文语种】中 文 【中图分类】TU94

1 研究背景

沉管施工法，又称为预制管段施工法、沉放施工法等，是20世纪初发展起来的一种专门用来修筑水底隧道的施工工法，距今有100多年的历史。一种当今普遍认

可的沉管隧道定义为：沉管隧道是由若干预制的管段，分别浮运到现场，一个接一个地沉放安装，在水下将其相互连接并正确定位到已经开挖的水下沟槽内，其后辅以相关工程施工，使这些管段组合体成为连接水体两侧陆上交通的隧道型交通运载体。

沉管施工法为保证最后一节管段的顺利沉放，在设计时必须留有大于管段长度的距离空间，这样最终管节沉放完毕后必然会产生施工间隙，而将此间隙连接的结构称为最终接头。沉管隧道最终接头属于水下作业部分，其不确定性因素比较多，所以它的设计和施工是目前国内外沉管隧道研究的重点和难点，也是整个沉管隧道中的关键工序之一。最终接头按其施工方法可分为现浇接头和预制接头2大类，现浇最终接头在我国应用较为广泛，而预制最终接头则在国外有一些应用实例[1-2]。 2 现浇最终接头

现浇最终接头是一种在水体中形成无水的空间进行结构施工的方法，其原理是利用挡水结构形成密闭的空间，然后排干水，在无水的条件下浇筑混凝土，完成最终接头的施工。常见的做法有2类：干地施工法和止水板施工法。 2.1 干地施工法

在最终管节沉放完毕后，采用围堰、止水排桩或岸堤接头井等结构形式构建一个临时的封闭空间，将最终接头的空间位置与外界水隔开，做好防水措施后，抽干围堰内的水，在无水条件下浇筑钢筋混凝土，完成最终接头的施工。

干地施工法施工难度较低，但其施工成本相对较大。我国天津中央大道海河隧道、宁波常洪隧道以及嘉兴电厂二期取水工程均采用干地法施工沉管隧道最终接头。 2.2 止水板施工法

在最终接头的两端面设置一定的支撑，把装有橡胶圈的止水板从管段外侧将最终接头包住，然后抽干临时封门间的水，利用水力压接原理使止水板与管壁紧密贴合，形成无水的内部空间，最后在管段内部进行现浇混凝土施工，完成最终接头。

止水板施工法造价相对降低，但是其水下作业较复杂，施工难度较大。我国上海外环隧道和广州洲头咀隧道均采用止水板法进行最终接头的施工。 3 预制最终接头

日本是亚洲沉管隧道修筑最多的国家，最终接头的形式和工法在日本有丰富的发展，且形成了自己独特的接头形式和相应的专利技术。 3.1 端部块体法

端部块体是预制的与隧道有相同断面的小型管节，一端设置GINA止水带，背面设置临时封门。在待接沉管端部或通风竖井前设置套筒，将最终接头放置在套筒内。完成最终管节的对接后，利用预设的千斤顶将端部块体从套筒内推出，使其与最终管节的端面接触，完成GINA止水带的初始压接，然后采用排水措施，利用水力压接使GINA止水带充分压缩，最后在沉管隧道内部，进行止水及纵向锁定的施工。

端部块体法采用预制最终接头，质量易于保证，该方法用已就位管节端面的套筒解决最终接头的一侧闭合问题，用千斤顶顶出端部块体解决另一侧的闭合问题。对潜水作业的依赖性较小，施工难度低，施工速度较快。日本川崎航道隧道和多摩河隧道采用端部块体法成功完成了最终接头的施工。 3.2 V形块体法

根据最终接头的实际距离预制V形块体，其两端为斜面，中间设有GINA止水带和Ω止水带，为永久止水结构。将其下沉插入到隧道最终连接部，利用块体自重完成GINA止水带的初始压接，然后抽水利用水力压接原理使其与原有管段形成一个整体。最后在隧道内部，进行止水和纵向锁定的施工，V形块体与两侧已沉放管节通过浇筑混凝土形成刚性连接。

该方法用楔形面同时解决最终接头的接头两侧与待接沉管的闭合问题。日本大阪南港隧道和衣浦隧道便采用该方法完成了最终接头的施工。

3.3 “Key”管节法

“Key”管节法与V形块体法基本原理类似，但“Key”管节将最终接头与最终管节合二为一。“Key”管节在工厂预制且端面为斜面，在已沉管段的端面上固定可填充胶囊止水带，当“Key”管节沉放到位后进行充气，止水带进行初始压接，达到止水要求后，在保持胶囊恒压的条件下填充无收缩砂浆置换胶囊内的压缩空气，砂浆达到预定强度后进行水力压接，完成“Key”管节的连接。最后在沉管内形成刚性连接，完成最终接头的施工。

该方法采用填充胶囊来解决最终接头楔入后的闭合问题，成功应用于日本那霸沉管隧道、大阪梦洲隧道、北九州新若户隧道的最终接头施工。 4 最终接头形式和施工工艺改进

通过对已有最终接头形式的研究，本文提出了一种新的最终接头形式及相应的施工工法。

4.1 改进后最终接头结构形式

新的最终接头主体结构为一预制钢和钢筋混凝土组合套管结构，在干坞内预制，两端与已沉放管节的断面尺寸相同，设置有GINA止水带和临时封门。外管为断面尺寸稍大于已沉管节断面的套管结构。内管节预制放置在外套管结构中形成活动端，保证结构为对称形式。活动管节内装有液压千斤顶，为活动端的推出提供动力。 新的最终接头结构形式如图1所示。 图1 改进后最终接头示意 4.2 施工过程

在进行沉管隧道设计时，最终连接部的空隙要大于最终接头管节纵向尺寸0.5～1.0 m，以保证最终接头管节的顺利沉放[3-5]。

1）最终接头管节在干坞内预制并完成组装，保证浮运过程中结构为一对称形式。活动管节通过浮运到达设计位置，由于活动管节体积较小，故浮运过程中可以采取

一系列的助浮措施。

2）管节浮运到沉放位置后，按正常沉管管节安装工艺，通过拉结、抽水压紧最终接头管节一侧，完成闭合〔图2（a）〕。

3）一侧闭合后，利用预设于管节内的千斤顶将活动端从外套管内推出，使其接触另一侧已沉管节端面，完成活动端GINA止水带的初始压接〔图2（b）〕。至此，完成了最终管节与已沉放管节的两侧闭合。

4）排出最终接头管节与已沉放管节临时封门之间的水，同时千斤顶继续推进，套管结构整体向反方向移动，使管节两端的GINA止水带充分压缩，根据千斤顶的行程判断GINA止水带是否达到了设计要求，完成最终接头对接施工〔图2（c）〕。

5）与一般管节施工相同，拆除两侧临时封门，进行止水施工，完成永久性接头的施工；撤去千斤顶，同时在该处浇筑混凝土完成沉管隧道的纵向锁定施工〔图2（d）〕。

6）对最终接头管节的基础进行处理，完成最终接头的施工。 4.3 最终接头管节的关键问题

1）需要对最终接头位置进行高精度测量，确保活动管节顺利下沉，使接头管节沉放就位后，纵向、横向和高度方向与已沉管节处于同一位置，保证两者的准确对接。 2）最终接头管节在活动端与固定端各预设1条GINA止水带，在进行浮运及沉放时要确保这2道GINA止水带的完好和安全，管节沉放时尽量使两侧与已沉管节的空隙相同。

3）千斤顶在顶推活动端的过程中，必须保证各千斤顶缓慢同步工作，使活动端缓慢均匀地推出，避免活动端自锁。 图2 改进后最终接头施工流程

4）活动端推出及套管固定端反向移动过程中，必须保证方向正确，以使活动端和

固定端与已沉管节端面准确连接，为此，在顶推的过程中需要设置专门的定位导向装置。

5）完成最终接头管节的对接后，需要在千斤顶的位置浇筑混凝土，完成整个沉管隧道的纵向锁定。在施工时，应先浇筑一部分混凝土，其达到强度后方可撤下千斤顶，浇筑剩下的混凝土完成纵向锁定，避免直接撤下千斤顶而造成GINA止水带的回弹。

4.4 改进后最终接头施工工法的特点

1）最终接头管节内管宜做成钢结构，顶推容易，整个组合结构在干环境下完成预制和组装，其施工质量较高。

2）最终接头管节的活动端与固定端伸出套筒的长度相同，结构形式对称，有利于管节浮运过程中的稳定性。

3）施工过程的控制和操作均在活动管节内完成，对潜水作业的依赖性较小。 4）最终接头管节两端与已沉管节的接头，和一般管节间的接头形式相同，在施工和使用阶段接头的受力形式明确、分析简单。

5）与常规方法相比，最终接头管节工法的施工速度较快。 5 最终接头管节的力学分析

利用ANSYS软件对本文提出的最终接头管节和常规最终接头分别进行数值模拟，对两者的受力进行对比分析。 5.1 模型的基本参数及建立

数值模拟采用ANSYS中的实体单元Solid185进行沉管隧道建模，隧道模型由5节长度均为22.5 m的节段组成，并采用接触单元Targe170、Conta173模拟节段之间的相互接触，如图3所示。为模拟结构受力的最不利情况，建模时，混凝土的重度均取最大重度；混凝土的力学性能指标均按28 d龄期取值。 图3 管节模型

为了更加准确地模拟土体和隧道结构之间的相互作用，本文中，隧道下部的土体也采用实体单元Solid185进行建模，且采用线弹性材料模拟地基土。隧道底面和地基土顶面接触的部分采用接触单元Targe170、Conta173模拟隧道和地基土之间的相互接触。

本文在数值模拟中主要考虑隧道受恒载作用下的情况，为方便计算，分析过程中所处环境水重度取10 kN/m3。回填材料的重度为：一般回填土重度21 kN/m3，反滤层砂石与块石护面层22 kN/m3，回淤15 kN/m3。回填土对沉管隧道侧壁产生的水平土压力按竖向土压力乘以水平土压力系数计算，水平土压力系数k=1-sinφ，其中φ为回填碎石的有效内摩擦角，数值为38°。回填土与隧道侧墙间的摩擦因数为0.5。隧道上部水深10 m，回填土厚10 m，隧道内压重混凝土厚1.5 m。根据上述荷载情况，分别计算得到作用于隧道顶板、底板以及侧墙的荷载数值分别为432 000、41 940、152 040 kPa。

本文在数值模拟时采用在端部施加轴向力的方式模拟隧道结构所受的预应力。两模型均施加相同的端部轴向力。建模时，约束地基土底部所有节点不产生位移；隧道自身受回填土的约束不产生横向位移；约束1#节段自由面沿隧道纵向的位移。 建成后，针对2种不同的最终接头模型，分别施加相同的荷载和纵向预应力，进行整个结构的内力及变形计算。 5.2 计算结果及对比分析

利用软件计算并分别导出一般最终接头管节和改进后最终接头管节沉管隧道的最大应力云图（图4），以及两者的地基竖向变形云图（图5）。

两者在结构上的主要差异是：改进后最终接头工法存在一个断面稍大的外套管，但是通过数值模拟分析计算得出，改进工法修筑的沉管隧道与一般沉管隧道管节最大应力相差不大；同时，地基竖向位移的差异也较小。所以利用最终接头管节的改进工法完成沉管隧道的闭合，对整个沉管隧道结构及地基的变形影响较小，与传统的

工法相差不大。改进工法在结构受力方面具有可行性。 6 结语

在沉管隧道的建设过程中，最终接头施工是整个过程的关键工序之一。在我国已建成的沉管隧道中最终接头均采用干地法或止水板法施工；而在日本最终接头工法有了很大的发展，开发了如前文介绍的新工法。与我国的传统工法相比，新工法着重于块体预制和整体安装，具有水下作业量较小、对潜水的依赖性小、易于操作、施工速度较快等特点。然而由于专利的限制，新工法引进成本较高。 图4 管节最大应力云图 图5 地基土竖向变形云图

本文在对新、旧工法理解的基础上，从工厂预制化、整体化、装配化等方面着手，提出了一种新的最终接头的形式和相应的工法，并利用ANSYS软件进行数值模拟，与传统的沉管接头进行比较分析[6-7]。通过计算分析可知，新的最终接头管节与一般最终接头的沉管隧道相比，其内力及变形相差不大。最终接头管节为我国以后沉管隧道修建中最终接头的形式和工法提供了一种可行的方法，在一定程度上促进了沉管隧道在我国的推广。 参考文献

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