劉言峰， 張莉娜， 孫 斌

(1.中車建設(shè)工程有限公司，北京 100000； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031;3.上海?？乒こ套稍冇邢薰? 上海 200231)

水下隧道是跨越江河的重要工具，目前水下隧道的修建方法主要有礦山法、全斷面掘進機法、圍堰明挖法、沉管法，自20世紀初美國修建第一座沉管隧道，世界各地已修建了一百多座水下沉管隧道[1]。沉管隧道是使用沉管法修建的水下隧道，首先在船臺或者干塢內(nèi)預(yù)制鋼筋混凝土管段，管段預(yù)制完成后一個接一個地浮運、沉放至已開挖的水下基槽，然后相鄰管段拉合，管段基礎(chǔ)處理等，最終使這些管段聯(lián)合體形成一個水下隧道[2]?；坶_挖指為了埋置沉管管段，達到航道或水利規(guī)劃要求的埋土厚度和埋深，在水下開挖條形基坑溝槽。沉管隧道回填指沉管管段沉放完畢后，在基槽內(nèi)使用回填材料在管段兩側(cè)和頂部進行填筑[3]。

汾江路南延線沉管隧道位于內(nèi)河中上游，隧址處河道水面較窄，航運繁忙，每日水面作業(yè)時間有限；工程所在地位于鬧市區(qū)域，周圍建筑眾多，施工環(huán)境復(fù)雜；絕大部分基槽開挖區(qū)域是中風(fēng)化以上巖層，需要采取水下炸礁技術(shù)[4]。管段基槽開挖和回填是沉管隧道工程中重要的工作之一，施工過程中要保證安全無誤的進行水下作業(yè)，減少對周圍環(huán)境的影響。文章以汾江路南延線沉管隧道為背景，對管段基槽開挖方法、基槽掃床驗收、基礎(chǔ)處理和回填等關(guān)鍵技術(shù)進行研究總結(jié)。

1 工程概況

汾江路南延線工程和地鐵廣佛線二期工程合建，采用沉管法隧道穿過東平河。沉管隧道段全長445 m，共有4節(jié)管段，每節(jié)管段結(jié)構(gòu)橫斷面寬39.9 m，高9.0 m，采用四孔一管廊箱形結(jié)構(gòu)，市政道路為雙向六車道，兩孔一管廊結(jié)構(gòu)；地鐵兩孔，為上下行地鐵區(qū)發(fā)間。

基槽開挖起止為SK1+238.40～SK1+604.00，基槽開挖采用倒邊法分施工，水下放坡開挖，基槽底部開挖寬度為44 m，開挖最深處為23 m(圖1)。

圖1 基槽開挖斷面

2 基槽開挖

2.1 基槽開挖施工組織

為了節(jié)省工期和減少建設(shè)費用，本工程巖體基槽開挖采用水下爆破。但水下爆破會影響南北護岸、南北岸接口段端封門、附近建筑物等安全，爆破施工期間需要封閉上下游航道，影響河道航運。因此需要合理的安排水下爆破作業(yè)，嚴格控制炸藥量，優(yōu)選起爆方式，將水下爆破控制在合理范圍內(nèi)。

為減小水下爆破期間對既有航道和現(xiàn)有堤岸的影響，開挖采用倒邊法，自北向南按照一期、二期、三期分期開挖。水下爆破對巖層進行預(yù)處理后，采用抓斗挖泥船清礁。

因隧址處東平河面寬僅250 m，一期、二期基槽開挖施工時需改移原有航道，改移后臨時航道位于規(guī)劃航道的南側(cè)，為保證臨時航道水深達到Ⅱ級航道通航水深要求，需安排挖泥船進行臨時航道的疏浚，隨后安排挖泥船進行基槽表層開挖。一期、二期基槽開挖區(qū)域爆破巖層厚度超過10 m，為降低炸藥單次起爆藥量，三期基槽開挖段距護岸較近且?guī)r層較厚，離護岸25～15 m范圍采取控制爆破。護岸15 m內(nèi)范圍采用鑿巖棒方法碎巖施工，個別礁石點難以進行機械破碎則輔助小藥量控制爆破。

每日6∶00～17∶00進行炸礁作業(yè)，每日18∶00～5∶00進行清礁作業(yè)，炸礁施工前安排“宏大鉆一”進行前期的試爆施工并打開工作面。一期基槽開挖面積較小，上游至下游平均長度約96 m，北岸至南岸平均長度約140 m，安排一組炸礁船、挖泥船進行施工作業(yè)；二期基槽開挖面積較一期增加，可根據(jù)工程進度隨時增調(diào)炸礁船進場施工；三期基槽開挖段距護岸較近且?guī)r層較厚，離護岸25～15 m范圍采取控制爆破，護岸15 m內(nèi)范圍采用鑿巖棒方法碎巖施工，個別礁石點難以進行機械破碎則輔助小藥量控制爆破。

2.2 疏浚(清礁)施工

抓斗船負責(zé)覆蓋層的開挖和清礁施工，共投入兩艘8 m3抓斗式挖泥船“嶺南02”號和“浚榮”號，采用分段和分層施工，挖出的泥土卸放在駁艙內(nèi)。待進行三期基槽清礁作業(yè)時，“嶺南02”號和“浚榮”號均改裝鑿巖棒進行鑿巖施工，沿基槽中軸線方向布置施工船，選用17 t鉛筆型鑿巖棒進行施工。鑿巖棒施工船每個船位布置寬度10 m，對于表層硬質(zhì)砂巖采用鑿擊點位距a=1.0 m、排距b=2.0 m的孔網(wǎng)參數(shù)；對于下層強度較高的硬質(zhì)砂巖采用鑿擊點位距a=1.0 m、排距b=1.0 m的孔網(wǎng)參數(shù)，均采用梅花形布置鑿擊點位。每次鑿巖時間與承載船主機功率、巖石標高等因素有關(guān)。施工中嚴格按照設(shè)計圖紙的控制施工質(zhì)量，尤其對基槽標高、邊坡和預(yù)留平臺進行重點監(jiān)控。

2.3 水下炸礁施工

炸礁船施工時拋射6具錨，通過控制錨纜長度控制炸礁船移動，采用順水流、梅花狀布孔的施工方法，設(shè)計爆破參數(shù)如下：“宏大鉆一”孔距a=2.4 m，“交炸三”孔距a=2.3 m；設(shè)計排距b=1.8 m；球齒釬頭外孔徑105 mm，孔徑d=115 mm；超鉆深度Δh=1.6 m；用塑料筒裝藥柱，藥柱直徑D=90 mm，長度為500 mm。炸藥為塑料筒裝藥柱，鉆孔完成后，爆破員將加工后的炸藥沿著套管壁放入炮孔中，炮孔裝藥量計算公式為：

Q=q·a·b·H

(1)

式中：Q為炮孔裝藥量，kg；q為炸藥單耗，取1.2 kg/m3；a為孔距，m；b為排距，m；H為孔深，m。

根據(jù)本工程的特點，分析施工條件及成本等因素，將采用非電爆的毫秒微差起爆網(wǎng)絡(luò)，雷管為防水的毫秒導(dǎo)爆管雷管，每個起爆裝置內(nèi)裝兩發(fā)并聯(lián)的導(dǎo)爆管雷管，整個起爆網(wǎng)絡(luò)采用簇聯(lián)的方式聯(lián)接。

2.4 岸上段構(gòu)筑物保護措施

對堤岸、碼頭、防汛墻、連續(xù)墻、封門、預(yù)制管段等構(gòu)筑物將采取以下保護措施：(1)采取微差爆破技術(shù)；(2)采用不耦合裝藥。鉆孔直徑115 mm，為了增大不耦合系數(shù)，使用直徑為90 mm的藥柱，不耦合系數(shù)1.44；(3)打設(shè)減震孔，在南岸打設(shè)2排減震孔，孔網(wǎng)參數(shù)如下：炮孔直徑D=115 mm、孔距a=0.2 m、排距b=0.2 m、超鉆深度Δh=1.6 m；(4)分區(qū)域爆破，每天僅有兩次爆破時間，為加快工程進度，將爆破區(qū)域分成兩個區(qū)域，分兩次間隔起爆，每次起爆藥量低于300 kg，從而降低爆破振動。兩爆破區(qū)域最小間隔不得小于20 m，兩次起爆時間間隔在10 s以上；(5)布設(shè)氣泡帷幕。在炸礁船上布設(shè)氣泡帷幕裝置，水下爆破作業(yè)開始前，將炸礁船移動到爆破區(qū)域和被保護建筑物之間，氣泡帷幕裝置生成高壓空氣帷幕保護墻，緩沖和吸收沖擊波，減小對被保護建筑物的危害[5]；(6)進行典型試爆破施工。在一期基槽開挖靠近北岸30 m，在距離防汛墻15～50 m的區(qū)域，距離封門30～50 m區(qū)域、距離堤岸20～30 m區(qū)域等中區(qū)域施工過程處進行試爆，按設(shè)計孔距2.4 m、排拒1.8 m、超深1.6 m，計劃先二排放炮一次，然后三排放炮一次。在試爆前，邀請有關(guān)地震檢測單位，在民房、堤岸、碼頭、圍堰、封門等構(gòu)筑物布置振動監(jiān)測點，二次爆破后得出有關(guān)振動數(shù)據(jù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)進行回歸分析求出K、α值，調(diào)整爆破參數(shù)，指導(dǎo)接下來的炸礁施工。

3 基礎(chǔ)處理

沉管隧道的基礎(chǔ)處理是為了解決基槽開挖作業(yè)產(chǎn)生的開挖底面不平整，保證管段沉放后能夠達到準確的設(shè)計標高和坡度，清除管底與基槽間的淤泥，以免使管段產(chǎn)生過大的浮力[6]。管段基礎(chǔ)處理主要是進行管段基礎(chǔ)灌砂及灌漿封孔，但在管段灌砂以前須進行管段的鎖定回填?；靥畈牧蠟榈[石材料，采用漏斗設(shè)置導(dǎo)管的方式進行回填，回填高度為灌砂基礎(chǔ)設(shè)計高度以上4.5 m。

3.1 基礎(chǔ)灌砂

灌砂工作船選擇“重任202”號，采用4臺日本生產(chǎn)的專用隧道灌砂泵，輸入口徑20.32 cm(8英寸)、輸出口徑15.24 cm(6英寸)，流量為3.0～8.0 m3/min。灌砂基礎(chǔ)厚度為0.6 m。砂子參數(shù)如下：(1)中度粗細，不含泥土及雜物的天然砂；(2)粒徑：D50= 0.1 ～10.0；(3)比重：γ= 2.6 ～ 2.7，砂水重量混合比1∶8～1∶10。

管尾鎖定回填完成后，將灌砂工作船絞移至管段上方，通過潛水員水下將膠管與灌砂預(yù)留孔連接起來，砂漏斗的砂通過輸送帶送至攪拌器進行攪拌，由砂泵送至基礎(chǔ)，砂料逐步堆積形成密實的砂盤。灌砂時，做好灌砂泵儀器讀數(shù)、灌砂壓力以及起止時間的記錄。管段灌沙過程中，支承千斤頂位置、管段中間兩個灌砂孔先灌沙，兩側(cè)灌砂孔隨后灌沙。監(jiān)控垂直千斤頂壓力變化，在管段自重基本由灌沙基礎(chǔ)承受后可按照管段坡度方向從高往低進行灌沙。

3.2 基礎(chǔ)回填

管段基礎(chǔ)處理作業(yè)完成后，要對管段兩側(cè)及頂部進行回填處理，回填層應(yīng)有良好的排水性能，回填和覆蓋物的組成應(yīng)根據(jù)管道位置、水流沖刷情況而定。管段兩側(cè)3.0 m高度范圍內(nèi)使用砂石回填，管段頂部從下往上為防錨層、碎石回填層、片石回填層(圖2)。

圖2 管段回填示意

考慮到工程所在東平水道是重要的通航水道，為保證航道范圍內(nèi)的回填覆蓋層的抗沖刷穩(wěn)定性，在碎石回填層上方覆蓋0.25 m“混凝土鉸鏈軟體排”(圖3)。

混凝土連鎖塊鋼筋保護層厚度為30 mm，排體材料采用一次加工制成的針織復(fù)合土工布排體，單個C20混凝土連鎖塊尺寸400 mm×400 mm×250 mm，軟體排上部采用7 cm寬

圖3 “軟體排防護層”細部結(jié)構(gòu)(單位:mm)

的丙綸帶作為加筋帶，間距為0.5 m，沿排體鋪設(shè)方向縫制。采用C14 防老化三股丙綸繩預(yù)埋連接，現(xiàn)場由單幅拼成整塊。軟體排搭接長度不小于2 m，軟體排鋪設(shè)方向應(yīng)逆流鋪設(shè)。

管段回填覆蓋施工過程中應(yīng)避免損傷管段外防水及管段結(jié)構(gòu)，采用兩艘船分別置于管段兩側(cè)同一斷面進行對稱施工，防止管段單側(cè)受力產(chǎn)生平移。管段頂部覆蓋層以上的河床恢復(fù)回填應(yīng)分層進行，回填至原河床面。

4 結(jié)束語

文章基于汾江路南延線工程沉管隧道工程，對沉管隧道水下基槽開挖、基礎(chǔ)處理和回填進行研究總結(jié)。為了安全可靠、準確無誤的完成水下作業(yè)，基槽分三期開挖，抓斗船、炸礁船、鑿巖船相互配合。采取微差爆破、不耦合裝藥、打減震孔、氣泡帷幕等多種安全措施，減輕水下炸礁施工對南北堤岸、附近建筑、碼頭等影響。采用壓砂法進行管段基礎(chǔ)處理，在碎石回填層上方覆蓋“混凝土鉸鏈軟體排”然后回填覆土，很好的保證回填覆蓋層的抗沖刷穩(wěn)定性。

[1] 陳韶章，陳越，張彌.沉管隧道設(shè)計與施工[M].北京：科學(xué)出版社,2002.

[2] 張志剛，劉洪洲.公路沉管隧道的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 隧道建設(shè),2013(5):343-347.

[3] 陳韶章，陳越.沉管隧道施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2014.

[4] 周華貴,邢永輝,王麗.淺談佛山市汾江路南延線工程沉管隧道特點及關(guān)鍵技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2012(5):85-90.

[5] 張兵文,張文揚,吳暖,等. 預(yù)裂爆破與氣泡帷幕技術(shù)在水下爆破中的應(yīng)用[J].工程爆破,2015(5):6-9.

[6] 朱升.沉管隧道管段浮運和沉放過程中流場和阻力特性的研究[D].北京： 北京交通大學(xué),2009.