大流速高位差过江沉管隧道典型工程<br/>——南昌红谷隧道

大流速高位差过江沉管隧道典型工程
——南昌红谷隧道

2017-11-07李志军

隧道建设(中英文) 2017年10期

大流速高位差过江沉管隧道典型工程
——南昌红谷隧道

1 工程意义

南昌市是我国唯一一个与长三角城市群、珠三角城市群和海峡西岸城市群相毗邻的省会城市。位于南昌市发展中心区、连接两岸的越江核心通道——八一大桥和南昌大桥日渐繁冗，缓慢的通行速度直接制约红谷滩CBD新区的快速发展。为缓解这2座相距仅3.7 km大桥的交通压力，在两桥之间采用沉管法修建了世界上首座江河中游沉管越江隧道——南昌红谷隧道。

红谷隧道的建设将开辟一条新的过赣江通道，实现过江隧道覆土最浅、线路最短、房屋零拆迁、与两岸多条路网快速衔接、直进直出、无需绕行、快速过江的交通方式；不遮挡邻近的地面滕王阁等历史名胜古迹，可最大程度地保护自然和人文环境，有效减小对周边环境的干扰，避免对赣江两岸旅游观光带的破坏，有效保护国家文物的原始风貌，同时减少对城市核心地段建筑物的拆迁及改移，有效节约建设用地；有力促进南昌市实现“沿江而下，双城夹江”的城市格局，大大提升南昌新城“国际花园”的城市形象，极大促进赣江两岸经济发展。

2 工程概况

红谷隧道工程平面和剖面布置见图1。主线全长2 650 m，江中段为直线沉管隧道，长1 329 m；两岸采用明挖与沉管对接。东岸7条明挖匝道均为单向双车道，以水下互通立交形式与3条既有城市快车道衔接；西岸主线为双向4车道，下穿1个“T”型路口和2个“十”字路口，并设2座与主线并行的明挖匝道，为直行单向双车道。在隧址上游设置1座独立干坞(分为2个子坞)进行管节预制。管节从干坞(上游)至隧址(下游)浮运距离为8.51 km，采用5艘大马力拖轮顺江而下，拖运管节穿越既有3座大桥至隧址沉放与对接。

(a) 平面图

(b) 剖面图

隧址地层自地表向下依次为素填土、淤泥质粉质黏土、细砂、粗砂、砾砂、圆砾、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、微风化泥质粉砂岩、钙质泥岩。场地地表水主要为赣江地表水。地下水有3种类型: 1)上层滞水； 2)第四系松散岩类孔隙水为潜水，局部承压，主要赋存于第四系全新统(Q4al)冲积层、细砂、中砂、粗砂、砾砂、圆砾、卵石层中； 3)地下水主要受赣江及抚河地表水体的侧向补给，地下水受人为开采影响小，含水层渗透性较好。

3 工程重难点及解决方案

3.1工程重难点

1)百万m3巨型围堰； 2)水下立交深大基坑群； 3)40万m3水下岩石炸礁； 4)异地干坞和8.51 km航道开挖与管节浮运； 5)6条生产线平行预制6节管节； 6)12套4 000 t超大模板台车多次转场； 7)超大体量管节预制混凝土防渗抗裂； 8)管节浮运穿越小净跨桥梁； 9)急流回旋区管节调头； 10)江河中游和水位落差10 m条件下水力压接管节； 11)12节管节沉放对接轴线精度控制； 12)时隔半年沉放管节的接头差异沉降等。

3.2解决方案

3.2.1 特大特高型充砂长管袋围堰防渗稳定技术

通过建立充砂长管袋围堰稳定分析简化模型，提出围堰稳定计算公式，进行围堰内外部稳定分析，并建立围堰三维数值模型，分析多种工况下围堰受力及变形情况。从塑性混凝土防渗性能、充砂长管袋受力与变形以及充砂长管袋围堰稳定性3方面对红谷隧道围堰工程进行理论分析，并结合工程实际，指导膜袋材料选取、接缝缝纫工艺、管袋沉放定位、塑性混凝土配合比设计、防渗墙施工等围堰关键技术，形成由充砂长管袋+塑性混凝土墙+钢筋混凝土墙组成的大型临时围堰(见图2)施工技术。

(a) 示意图

(b) 实物图

3.2.2 大体积混凝土防渗抗裂技术

通过室内试验对胶凝材料优化并选取最适合的混凝土配合比，并对混凝土配合比进行现场试验，实时控制并保证优选的混凝土配合比。在大体积混凝土温度应力控制方面，先通过对相应混凝土试浇块进行试验分析，得出温度变化规律，然后在施工中采取相应的措施控制温度裂缝，详细研究施工中信息化控制温度和预埋循环冷却水管施工技术。

在施工的每个阶段将理论研究结果和措施应用到实际施工步骤中，从混凝土的拌制与输送、浇筑与捣固以及表面处理与养护技术3方面进行详细分析研究，总结分析具体施工中采取的防渗抗裂措施。

3.2.3 沉管隧道管节沉放对接施工技术

普通管节采取单体预制、单体浮运、水中沉放对接，而最后1节管节E10-2&E11管节则采取在干坞内分2节(分为长管节和短管节)预制完成并达到设计强度后在干坞内进行陆地拉合对接。在陆地拉合中要控制GINA止水带压缩量，若测出GINA止水带压缩量最大偏差超过允许值，必须暂停压缩，注意油压参数，使对称位置的千斤顶组压力基本保持一致，通过控制千斤顶组的作用力来调整GINA止水带使其整圈均匀受压，调整完成后才可继续重复拉合施工。

管节沉放因施工过程繁琐，难免出现施工偏离设计的情况，本工程通过管节沉放过程中的逐节纠偏处理使得后续管节按照设计精度顺利完工。由于管节沉放跨年度，时间间隔长，砂盘基础有可能产生不均匀沉降，对这种差异沉降及其对管节间柔性接头影响的判定是面临的技术难题。通过对地基刚度变化幅值及模式、纵向差异沉降容许理论以及三维沉管隧道管节数值模拟分析，得到适当的差异沉降对接处理方法。

3.2.4 沉管隧道基础灌砂效果检测及处理技术

采用冲击映像法对红谷隧道基础灌砂施工进行实时监测、成像处理及灌砂效果实时评价。现场监测及试验结果表明，通过波形的可视化处理、冲击响应能量及频谱处理相结合的方式，冲击映像法能够很好地实时监测和反映灌砂过程中砂液的分布状况。根据灌砂前和灌砂过程中的波形分析、冲击响应能量分布以及频谱分布的变化，能综合判断灌砂扩散半径和充盈程度。

根据红谷隧道各管节的现场沉降量观测结果，可知沉管隧道基础的承载力满足设计要求，证明红谷隧道基础灌砂模型试验和施工工艺正确合理。

3.2.5 超长距离管节浮运及穿越小净距桥梁的管节姿态控制和桥墩保护技术

红谷隧道共12节沉管，施工跨越2个年度，先后浮运穿越小净跨南昌大桥(见图3)。沉管管节浮运过桥时，通过对浮运线路和管节姿态的精准控制，并采取偏上游浮运方式，安全顺序穿越南昌大桥。针对南昌大桥主墩的特点及通航条件，在桥墩承台台阶处至桥墩范围内设钢导向柱支撑系统，在承台周围设置筒形自浮式复合材料防撞设施，用以保护桥墩。管节浮运过程中，在桥墩上设置自浮式防撞浮筒是非常必要的，尤其对指挥拖轮编队拖带管节顺利过桥团队人员的心理镇定有着十分重要的作用。

图3 拖航编队穿越小净跨桥梁(净跨62 m)

3.2.6 江河沉管隧道水下立交深基坑关键技术

针对赣江东岸老城区现行多条快车道与过赣江隧道难以衔接通行的瓶颈问题，红谷隧道采用“5Y+3X”新型水下立交桥模式，修建我国首个水下疏散中心匝道基坑群(见图4)，实现过江隧道内车辆的多点疏散和快速分流，在水下实现过江隧道与赣江两岸道路网的全面快速对接，并且在隧道中每隔200 m设置疏散横通道，隧道内一旦发生事故，可以通过横通道迅速疏散人员至逃生通道，逃生通道直通岸上，可以实现运营期间的全方位防灾疏散。

图4 东岸水下立交匝道基坑群

4 工程主要技术创新

1)建立内河流域管节浮运过程风险节点分析体系，探索管节在浮运过程中的水流阻力性能，深入研究内河沉管法隧道管节浮运水文窗口选择，提出管节浮运流速限值，发明绑拖工装架，实现“拖轮绑拖与吊拖相结合、岸上地锚与水中锚块相结合及设置工程船辅助”的管节浮运方式(见图5)，解决大流速条件下管节浮运姿态控制问题。

图5 狭窄航道沉管浮运方式

2)进行动水作用下沉管隧道接头力学特性分析，揭示高水位差及地基不均匀影响下沉管接头结构受力机制与变形规律，提出不同水位与流速下长距离管节最终接头的施工方法；在对接精度监测的基础上，形成管节沉放时间间隔长引发不均匀沉降状态下止水带、干坞内管节对接、江河内沉放与对接、轴线纠偏等的长距离、高精度管节对接技术体系。

3)发明“自动测量、实时传输计算、可视化输出为一体”的管节沉放监控系统(见图6)，实现管节沉放全过程可视化监控。研制出一种新式的绞车式管节沉放吊驳下放装置(见图7)，实现管节快速平稳沉放。

图6 管节沉放可视化监测系统

图7 绞车式管节沉放吊驳下放装置

4)构建下部采用三轴搅拌桩+塑性混凝土墙、上部采用钢筋混凝土墙的临时围堰综合防渗体系，研发塑性混凝土防渗墙，开发了塑性混凝土防渗墙和钢筋混凝土挡墙相结合的防渗系统，实现有效防洪。

5)研发沉管隧道基础灌砂1∶1模型试验平台装置及试验方法，揭示灌砂过程中砂积盘的扩展方式及其规律，构建扭矩式液压泵及马达功率回收测试平台，实现灌砂设备的测试；创造性地将冲击映像法和全波场无损检测技术相结合应用于沉管隧道基础灌砂大比例尺模型试验检测中，揭示灌砂过程中的砂流扩展半径、相邻灌砂孔间的相互影响规律、砂积盘的充满程度以及各影响参数之间的相关关系，形成了一种快速、简便且有较好适用性的内河沉管隧道基础灌砂过程与效果监测和评价的新技术。