基于柔性水袋的沉管隧道压载水系统设计与应用

孙晓伟，李涛，2，3*，华晓涛，2，3，周兴涛，王金绪

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点试验室，

湖北 武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040；4.湖北文理学院土木工程与建筑学院，湖北 襄阳 441053）

0 引言

沉管隧道是将预制好的管节浮运安装到水底基槽碎石垫层上，依次连接固定后进行覆盖回填，再将管节内压载水排出而贯通的隧道形式[1]。而压载水系统是管节安装作业中不可或缺的一部分[2]，管节要实现沉放必须通过压载水系统增大自身的重量以克服浮力。目前普遍采用压载水箱装水来进行压载，如东京湾临海公路隧道、釜山巨济沉管海底隧道、港珠澳大桥岛隧工程等。虽然这种水箱压载水系统技术发展已经很成熟，但压载水箱是由钢或钢木结构制作，需要在沉管底部水箱安装的位置安装好预埋件，水箱安拆施工复杂、成本较高[3-4]。因此，迫切需要一种新型压载水系统来解决上述存在的问题，而根据市场调研情况，在同等装水量的情况下，水箱成本约是水袋的2倍，水袋具有成本低、安装方便的优点，但是国内外还尚未有对此的研究。

1 工程概况与特点

襄阳市东西轴线道路工程鱼梁洲段隧道项目全长5 400 m，采用沉管方案2 次下穿汉江，沉管段总长1 011 m。其中，汉江西汊布置4 节管节，合计351 m；东汊布置6 节管节，合计660 m[5-6]。东汊6 节管节包括1 节125.5 m、3 节120.5 m 和2 节86.5 m 管节；西汊4 节管节包括3 节86.5 m和1 节91.5 m 管节[7]。本工程所有管节设计干舷值15 cm，沉放最大纵坡为4.8%，管节沉放最深为25 m。项目如果仍然采用传统压载水系统，将面临施工复杂、成本高的问题，因此提出了一种基于柔性水袋的沉管隧道压载水系统。

2 压载水系统的设计

2.1 水袋压载水系统总体布置

压载水系统的布局主要受沉管长度和沉管断面的限制。原则上，装水装置应该沿管节纵向和横向都对称布置，以使管节在浮运和沉放作业期间的4个吊点受力均衡。本项目的压载水系统采用柔性水袋进行装水，120.5 m 和125.5 m 的管节内置6个水袋组，86.5 m 和91.5 m 的管节内置4个水袋组，每个水袋组由2个大小相同的水袋组成。4 水袋组相比6 水袋组少了2个水袋组，因此下面以6 水袋组压载水系统为例进行说明，6 水袋组管节压载水系统结构布置如图1所示。

图1 6 水袋组管节压载水系统结构布置图Fig.1 The structure layout of ballast water system of six water bag group

系统按管节行车道分别设置2 套独立的管路系统，管路系统包括主水管路、支水管路和透气管路，而支水管路包括排水泵支水管路、水袋组进排水支管路和应急排水支管路。除在一边行车道设置一透气管路外，其他管路沿管节中轴线对称布置。

在2 条主水管路上各设置1个手动蝶阀和电液开度蝶阀，主水管路上的手动蝶阀和电液开度蝶阀为冗余设计，手动蝶阀用于在紧急情况下关闭管路；在每条主水管路上、水袋组进排水支管路的每个水袋进水管路上各安装1个电动开关蝶阀，共14个电动开关蝶阀；在管节沉放后由于纵坡导致的较低一端分别设置1个浮球开关和应急潜水泵排水支管路，每条应急潜水泵排水支管路上各安装1个潜水泵和手动蝶阀，共2个浮球开关、2个手动蝶阀和2 台潜水泵，用于管节紧急漏水情况下，通过潜水泵将漏水排至压载水袋内；在透气管路上安装1个截止阀。

在每个水袋组的进排水支管路上安装1个双向流量计，共有6个双向流量计，用于检测水袋组水量；在每个水袋组的进排水支管路上安装1个压力传感器，共有6个压力传感器，用于检测水袋组的压力；在每台排水泵的出口管道处安装1个压力传感器，共2个压力传感器，用于检测排水泵出口的压力。

2.2 水袋压载水系统器件选型

1）柔性水袋的选择

水袋的作用是通过装水增大管节的重量使管节下沉到基槽指定位置，管节沉放的过程分为：消除干舷、加载下沉和最终加载3个阶段。消除干舷时往水袋内加的水量正好使管节淹没在水中；加载下沉时往水袋内加的水量使管节的抗浮系数达到1.01～1.02；最终加载是管节沉放到位后继续往水袋内加水，使管节的抗浮系数达到1.05，从而稳定管节[8]。因此水袋的大小由其最终所装的水量决定，可以通过如下公式确定[9]：

式中：G 为管节的重量；N 为水袋内水的总重量；F为管节的浮力；α 为抗浮系数。于是计算出各管节沉放阶段的加水量如表1 所示，可知水袋需要的最大装水量为205.15 m3，综合考虑管节沉放的纵坡需求，水袋的最低性能需要在纵坡4.8%时能装水205.15 m3。

表1 管节不同沉放阶段的加水量Table 1 Water addition at different tube sinking stages

根据管节空间大小和水袋的制作工艺，最终确定单个水袋注满水后的尺寸为15 m×6.5 m×3.5 m。水袋结构采用内囊、外网和涂层组成。内囊材料采用PVC 进行储水；外网采用加筋编织布作为加强层，加筋带宽度10 cm；涂层主要是增加水袋的摩擦力、防刺穿能力和防污能力。图2 为水袋的现场加工图。

图2 水袋现场加工图Fig.2 Field processing of water bag

2）管道的选择

管路的选择主要需要考虑管道进排水时水流的速度、管节的沉放深度和管道的运输等。本水袋压载水系统为保证管道安装方便，采用钢管和钢丝橡胶管的组合连接方式，在直接与外部河水接触处、各电动阀门安装处、各传感器安装处全部采用钢管，其他地方则采用钢丝橡胶管。除应急排水管路以及透气管路的大小为DN80 mm 外，其他所有管道大小为DN150 mm，管道最大长度为10 m，钢丝橡胶管压力要求为0.6 MPa，钢管压力要求为1 MPa，各管路节段全部采用法兰连接。

3）水泵的选择

水泵包括排水泵和潜水泵，选择排水泵的型号时，需要考虑管节沉放的深度、排水的效率；选择潜水泵时，需要考虑水袋装水后的压力以及排水效率。因此，选择的排水泵型号为：立式电动自吸离心泵、流量150 m3/h、扬程40 m、功率30 kW、电压380 V，可在约7.2 h 将管内装完水后的所有水袋排空；选择的潜水泵型号为：立式电动潜水泵、排量25 m3/h、扬程25 m，功率4 kW，电压380 V。

4）压力传感器的选择

压力传感器的选择主要考虑压力检测范围和检测精度。压力传感器用于检测排水泵出口和水袋组的压力，因为本工程排水泵扬程40 m 以及水袋最大高度3.5 m，因此选用的压力传感器量程为0～0.41 MPa，精度为0.5%FS，输出信号为4～20 mA。

5）双向流量计的选择

由于水袋不是规则的形状，不能像传统水箱装水那样，采用压力传感器检测水量，本工程采用双向流量计检测水袋组内的水量，双向流量计的选择要考虑水流的流速，必须保证流速在双向流量计检测范围内。本工程采用电磁式双向流量计，双向流量计检测范围32～636 m3/h，信号输出方式为4～20 mA+RS485，精度等级±0.5%。

6）阀门的选择

阀门包括电液开度阀、电动开关阀和手动阀，主要依据管道的大小和工作压力选择。本工程阀门选用标准为应急排水管路以及透气管路的阀门大小为DN80 mm，其他阀门都为DN150 mm，压力都为1.6 MPa。

2.3 水袋压载水系统的特点

本文所设计的水袋压载水系统所具有的特点和优点在于：

1）管节内布置6 组水袋，水袋直接放置在管内，与传统的水箱结构相比，不仅减少了预埋件、焊接、切割等工作，而且降低了近50%施工成本。并且水袋使用完后还可用于路基压载等其他工程。

2）创新型的采用水袋作为储水装置，水袋的水量由双向流量计进行精确测量，并用压力传感器实时检测压力，双重保证水袋工作的安全。

3）在系统中管路的设置和控制阀的使用不仅可以保证进出水流量的可调，而且可以在紧急情况下关闭管路，充分保证沉管沉放的平稳和安全。

4）系统采用了2 条独立的主水管路，管路采用带钢丝的橡胶软管和钢管组合安装形式，降低了管路安装的难度，提高施工效率。

3 水袋压载水系统的进排水工艺

压载水系统的进排水包括水袋的进水、水袋的排水和结合腔的排水。水袋的进水是靠河水水位的水头差使水自流进入水袋；水袋的排水是靠排水泵将水袋的水抽到管节外；结合腔的排水是靠已沉放管节的排水泵将管节对接结合腔的水抽到结合腔之外[10]。

当管节需要进水时，先打开主水管路上的电液开度蝶阀和电动开关蝶阀，再打开需要进水的水袋组进排水支管路上水袋前的电动开关蝶阀，这样就可以使水流入相应的水袋。

当管节需要排水时，先打开主水管路上的电液开度蝶阀，并关闭主水管路上的电动开关蝶阀，接着启动排水泵，再打开需要排水的水袋进排水支管路上水袋前的电动开关蝶阀，这样就可以将相应水袋内的水排出。

结合腔的排水是由已经沉放的管节完成。首先在已沉放管节内连接另一段排水管，排水管通过已沉放管节端封门的水密门直达岸上，然后打开透气管路上的截止阀，使结合腔通大气，接着打开已沉放管节主水管路上的手动阀以及水泵支水管路外圈上的手动阀，并关闭水泵支水管路上内圈上的手动阀，最后启动排水泵，这样就可以将结合腔的水排出。

水袋采用对角法进行进水和排水，为保证每个水袋水量计量准确，同一水袋组的2个水袋不能同时进水。

4 水袋装水性能试验

为充分保证管节沉放的安全性，对水袋的装水性能进行试验，试验场地选择在本项目东津敞开段4.8%的斜坡上进行，试验时水袋装水从0 注水到220 m3，此过程通过流量计观察注水的流速以及注水量，采用压力传感器监测水袋的压力情况。在注水试验整个过程中，水袋的高度和压力都在不断增加，但直至注水完成，水袋仍然完好无损，而且水袋也未发生滑移和滚动现象。水袋的水量和压力关系见图3，可以得到以下结论：

图3 斜坡试验时水袋的水量与压力关系Fig.3 The relationship between water volume and pressure of water bag in slope test

1）柔性水袋在4.8%的纵坡上，装水量最大为220 m3，压力最大为0.035 6 MPa，并且在此水量下水袋仍然完好，其装水性能满足现场沉管沉放的实际水量要求；

2）水袋的抗滑性能完好，在4.8%的纵坡上，注水整个过程水袋都未出现滑移和滚动，因此在管节内水袋安装时不需要其他固定装置；

3）随着水袋装水量的增加，水袋压力也会不断增加，但水袋的水量与压力并不是成正比关系。

5 现场应用

基于柔性水袋的压载水系统已在襄阳市东西轴线鱼梁洲段项目东汊沉管全部安装完成，并且至2021年3 月已安全沉放东汊E6、E5 两节管节，上述水袋压载水系统得到了实际应用，效果良好，见图4。今后随着工程的推进，该压载水系统将得到进一步完善。

图4 已沉放管节内水袋稳定压载Fig.4 Stable ballast of water bag in sunk pipe section

6 结语

设计了一种与传统水箱压载水不同的水袋压载水系统，通过柔性水袋进行装水压载，不仅降低了施工复杂程度，而且节省了施工成本。系统已在实际工程中得到了成功应用，因此采用水袋作为压载水系统装水装置完全具备可行性和可靠性。该系统的研发与应用有力地支撑了依托项目，将推动沉管隧道压载水系统的研究与发展。