沉管隧道非典型最终接头的一种新工法

沉管隧道非典型最终接头的一种新工法

李惠强李汪讳

广州打捞局广东广州510260

摘要：最终接头是沉管隧道施工的重点和难点之一，有干地施工法、止水板施工法、预制施工法等。本文结合香港沙中线非典型最终接头施工的成功案例，讨论一种由干地施工法和止水板施工法衍生出的新型现浇最终接头工法。工程实践表明，该新工法在满足结构强度、刚度、稳定性和水密性的同时，在施工简易程度、缩短工期等方面比传统干地施工法优胜，取得很好的工期成本经济效益，为将来具有同类型限制条件或在现有旧的隧道沉管延长施工时，具有借鉴应用价值。

关键词：沙中线；最终接头；止水；水下混凝土；穹顶结构

1工程背景

沙中线过海沉管隧道在2021年建成通车后，将会是香港维多利亚港的第四条过海隧道。沙中线过海隧道业主和顾问公司提出的原参考设计由三部分组成：北面红磡岸埋段150m，南面铜锣湾岸埋段265m，中间维多利亚港沉管隧道1335m（图1）[1]。沉管隧道由10节预制管节组成，管节1长102m，标准管节2至10各长136m；管节标准断面尺寸为宽18.24m，高8.425m，由上行通道、下行通道和一个通风通道组成（图2）[1]。

图1沙中线过海隧道原概念设计平面布置图

沉管隧道最终接头分为现浇及预制两大类，现浇最终接头有干地施工法和止水板施工法，预制最终接头有端部块体法、V型块体法和Key管节法[2][3]。本工程原设计的典型最终接头位置设置在管节9和管节10之间，拟采用止水板施工法（图3）[1]。

图3E9/E10最终接头

铜锣湾岸埋段拟采用传统的围堰干地施工法，将会面对异常多的困难和限制（图4）[1]：包括A）数量众多的持份者:1.私人游艇区；2.香港皇家游艇俱乐部锚泊区及设施；3.锚地；4.香港引航协会；5.MEAL/MBTA有关船只；6.海关锚泊浮筒；7.铜锣湾避风塘西南角锚泊船只；8.船庙；9.铜锣湾互助委员会；10.香港渔民近岸作业协会；B）沟通联络11.上述所有持份者及12.香港海事处；C）设计和建造需要考虑13.延伸临时填海范围；14.铜锣湾避风塘内的建造程序；15.临时填海物料的来源和处理；16.防波堤的拆除；17.对维港的波浪反作用；18.对避风塘内水上水下通航影响；19.岸埋段施工；20.污染泥开挖后的抛填处理；D)交界面工程21.中环至湾仔绕道项目；E)临近受影响设施22.红磡过海隧道；23.仪器及监控要求。

图4铜锣湾避风塘内的主要注意事项和限制

本项目采用的是设计及建造总承包招标模式[1]，工程团队因应铜锣湾避风塘的种种限制，且考虑到如果采用临时填海围堰干地施工法还需要分3阶段重复围堰填海并恢复海床原貌的极端复杂的施工程序，创造性地提出将铜锣湾265m岸埋段也设计为沉管隧道，红磡岸埋段部分缩短，整个沉管隧道由原来的10节管改为11节管，其中E1至E10管节长156m每节，E11管节长100m，并在E11管节与现有中环至湾仔绕道项目隧道ME4之间设置一个新的非典型最终接头（图5），采用创新性工艺设计及建造该新型最终接头，本项目的中标很大程度上得益于该设计更改所带来的时间和成本效益。本文将详细介绍和讨论该新型非典型最终接头工法。

图5设计更改后的沉管隧道平面及纵截面图

2新型最终接头的结构形式

2.1ME4/E11最终接头总体结构

由于该ME4/E11最终接头设于最后一节管节E11与已建成隧道ME4之间，也称沉管隧道非典型终端接头。其总体设计思路为：

底部止水：由于已建成隧道ME4没有考虑将来采用最终接头的方式建造隧道，及存在已建成的地下连续墙和钢筋混凝土底托板等因素，底部设计采用现浇水下混凝土结构进行止水。

侧面止水：钢结构防水板预装橡胶止水带，钢结构模板外部采用现浇水下混凝土。

顶部止水：采用钢结构穹顶预制件加装橡胶止水带，上部装有物料孔和人孔竖井高于水面。

最终抽干水形成较干爽的密闭空间工作环境，完成永久钢筋混凝土结构施工。

图7ME4/E11终端接头侧面图

2.2ME4/E11最终接头施工顺序

预制钢结构防水板及穹顶预制件等,同时进行底部准备工作→安装E11管节→安装钢结构防水侧板和外模板→现浇水下混凝土→安装穹顶及上部预制件→抽水止水→进入穹顶及隧道空间切割多余的混凝土→永久钢筋混凝土施工（底板，墙身和顶板）

2.3预制钢结构防水板及穹顶预制件

侧面防水板及穹顶预制件采用普通钢结构,在专门的船厂/预制场内预制组装,保证尺寸精准及较高的焊接质量。侧面防水板及穹顶底部均装有特制的橡胶止水带，保证侧面防水板与隧道混凝土面之间、侧面与穹顶接触面、穹顶与隧道混凝土接触面之间的止水效果。

图8穹顶及侧板三维示意图

图10底部止水结构图

2.5安装侧面防水板和外模板，浇注水下混凝土

E11沉管安放到位稳定后，采用80吨浮吊安装侧面防水板和外模板，并浇注水下混凝土。该新型最终接头结构的防水重点部位在于底部的水下混凝土，因此如何严格控制水下混凝土供应的质量、浇注水下混凝土的程序和步骤、以及浇注数量都非常关键。本工程水下混凝土分两阶段下：第一阶段从约-19mPD至约-17mPD，混凝土方量约120方，采用两台泵车，18台罐车，3艘平板驳，2艘拖轮进行浇注；其中1艘平板驳装载2台泵车和4至6台罐车锚泊在施工区，另2艘平板驳各装载6至8台罐车由两艘拖轮来回运输混凝土至施工区；浇注时间约为10个小时，浇注时逐层逐部位缓慢升高，设专人测量、记录浇注升高的位置、标高和方量。第二阶段从约-17mPD至-10mPD，混凝土方量约60方，采用1台泵车，9台罐车，2艘平板驳，2艘拖轮进行浇注；其中1艘平板驳装载1台泵车和4台罐车锚泊在施工区，另1艘平板驳装载5台罐车由两艘拖轮运输混凝土至施工区；浇注时间约为6个小时，浇注时逐层逐部位缓慢升高，设专人测量、记录浇注升高的位置、标高和方量。

图11浇注水下混凝土

2.6安装穹顶和上部结构，抽水止水

按预定设计浇注完成水下混凝土后，即进行安装穹顶和上部结构，完成整个最终接头的防水布置。然后抽干由底部混凝土、侧面防水板和穹顶结构围成的密闭空间内的海水，利用水压接原理使穹顶结构和侧面防水板及隧道顶部紧密贴合，形成无水的内部密闭空间。排水过程中，如果发现穹顶结构有漏水现象，则从穹顶外部进行补焊或使用环氧浆料进行封堵；如果发现底部混凝土漏水，则安装潜水泵不间断排水。

2.7内部干水环境密闭空间施工

本工程实践表明，纯底部水下混凝土很难达到100%止水效果，但安装两个2寸潜水泵不间断排水后，可达到相对干水的环境进行其它施工。为保证水下混凝土的质量，水下混凝土浇筑高度比永久混凝土结构设计标高高1米，该多余的水下混凝土在达致干水环境后需要切除。切除混凝土先采用水切割机器进行自动打碎移出，但因为密闭空间狭窄环境的限制，水切割机的工效太低，最后采用传统的钻孔和链切割方案。ME4/E11最终接头内部支撑梁安装及水下混凝土切割完成后，即可进行永久混凝土结构的施工，施工顺序跟标准管节一样，先进行底板施工、然后墙身、最后是顶板施工，所有施工人员、设备和施工材料从穹顶上部的人孔和物料孔竖井出入。

2.8新型最终接头结构的特点

1）该新型结构采用了止水板施工法的优点，止水效果较好，施工工期短。

2）侧面防水板和穹顶结构采用专门预制场预制，其施工质量较高，且不占用现场施工时间。

3）与常规干地施工法相比，该新型结构施工简单，节省材料，且工期短。

4）穹顶和上部竖井结构简单，在施工阶段受力形式明确、分析简单，但只适合在风浪比较小的环境下采用，且需安装防撞围挡。

5）采用水下混凝土做成底部止水结构，与已建成的隧道结构连成整体的方法，可推广应用至旧的隧道结构维修及延长扩建工程。

3新型最终接头的结构分析

该新型最终接头的结构计算，参照国家、香港本地和英国相关规范进行计算。最终接头施工期不同结构名称的计算内容、计算模型与考虑的荷载见表1。

表1最终接头结构计算分析内容

结构计算分析的结果表明：在风浪流极小的避风塘环境里，（1）穹顶采用14毫米钢板加12毫米钢板做肋骨，肋距500毫米至750毫米；（2）竖井采用16毫米厚2.4米直径圆筒结构，两竖井直径采用250x250H钢连接；（3）竖井与穹顶连接部位采用12毫米钢板制作相形加强连接；在没有额外支撑的情况下，穹顶和竖井可满足结构强度和稳定性的要求。

4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。最终接头有干地法，止水板法，端部块体法，V型块体法和Key管节法等现浇或预制的施工方法。香港沙中线工程人员因应工程进度需要及施工实际环境的限制，结合干地法和止水板法开发出一种新型终端接头施工方法，增加了原设计的沉管隧道管节数量和沉管长度，节省了整个项目的施工成本和缩短了施工工期，并在安全的前提下确保了所有沉管隧道和最终接头的施工质量。该新型最终接头对类似的沉管隧道工程、现有隧道沉管的扩建工程等具有参考应用和推广价值。

参考文献

[1]Au,Aikawa,MorrisandTsang.PlanningandprocuringtheShatin-Centralcross-harbourrailtunnel,HongKong[J].CivilEngineering,Volume170IssueCE2

[2]耿伟光，徐伟.沉管隧道最终接头形式和施工工艺的改进[J].建筑施工，第39卷，第1期.

[3]林鸣,史福生,表莲.日本沉管隧道最终接头施工新工法[J].中国港湾建设，2012(04):0001-04.

[4]杜朝伟,王秀英.水下隧道沉管法设计与施工关键技术[J].中国工程科学,(2009)07–0076-05.

[5]宁茂权,肖明清.海底沉管隧道关键技术与分析[J].铁道工程学报,(2008)08–0050-04.

[6]LY,HM.DesignReportforTemporaryWorksofTerminalJoint[M].HongKong,PCJV.1121-COR-PCJ-DEM-000023,2017.

作者简介

李惠强（1980-），男，交通运输部广州打捞局工程师。