邢永輝， 張　毅， 李志軍

(1. 中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司， 天津　300133； 2. 廣州打撈局， 廣東 廣州　510260；3. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河　065201)

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南昌紅谷隧道E4管節(jié)軸線糾偏案例的分析與應(yīng)用

邢永輝1， 張毅2， 李志軍3

(1. 中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司， 天津300133； 2. 廣州打撈局， 廣東 廣州510260；3. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河065201)

南昌市紅谷隧道沉管段全長1 329 m，分為12節(jié)管節(jié)，是目前國內(nèi)內(nèi)河最長的沉管隧道工程，其管節(jié)安裝的軸線精度控制是工程施工的重點及難點。為保證管節(jié)安裝精度，同時兼顧經(jīng)濟性、便捷性和可行性，以本工程管節(jié)安裝為例，對管節(jié)安裝的主要影響因素進行計算，提出利用現(xiàn)有橫調(diào)系統(tǒng)對管節(jié)安裝軸線進行糾偏的方案。理論計算與實測數(shù)據(jù)對比表明，提出的方案可對管節(jié)安裝軸線進行有效的糾偏，對其他沉管隧道工程也可起到一定的借鑒作用。

沉管隧道; 管節(jié)沉放; 管節(jié)安裝; 軸線糾偏

0　引言

自1894年美國在波斯頓修建世界上第一座沉管隧道以來，截至2008年，中國、美國、荷蘭、丹麥、挪威和日本等20多個國家已建成了100多條沉管隧道[1-2]，并在近幾年呈快速增長態(tài)勢。沉管法作為一種先進的隧道施工方法發(fā)展至今，已有了成熟的施工工藝。其主要施工工序有： 管節(jié)主體預(yù)制、基槽開挖、管節(jié)沉放安裝、基礎(chǔ)處理、最終接頭處理和管內(nèi)鋪裝等。管節(jié)沉放安裝作為施工過程中極其重要的一環(huán)，其軸線精度直接關(guān)系到管節(jié)能否順利合攏，是沉管法隧道施工中的重點和難點。

目前國內(nèi)外常用的沉管法隧道管節(jié)安裝軸線糾偏方法主要有管節(jié)安裝前的預(yù)判糾偏及管節(jié)安裝后的實測糾偏。

管節(jié)安裝前的預(yù)判糾偏方法主要為接頭橫向錯位法[3]，即根據(jù)上一管節(jié)的實測安裝偏差，計算待安裝管節(jié)的糾偏幅度，通過改變接頭導(dǎo)向裝置的軸線來實現(xiàn)管節(jié)軸線橫向平移錯位的目的，在上海外環(huán)隧道、南昌紅谷隧道和越南西貢隧道等工程得到了廣泛的應(yīng)用。

管節(jié)安裝后的實測糾偏又分為管內(nèi)糾偏、管外糾偏及重新對接調(diào)整[4]，管內(nèi)糾偏方法主要為頂頭擺尾法，即通過在接頭設(shè)置千斤頂、楔形塊[5]等使接頭不均勻?qū)?，從而達到調(diào)整管尾軸線的目的，在日本多摩川隧道[6]、港珠澳大橋隧道[7]等工程應(yīng)用了此法； 管外糾偏方法主要為管外頂推法，即通過在管外設(shè)置千斤頂、絞車等使管節(jié)平移或偏轉(zhuǎn)以達到調(diào)整軸線的目的，如韓國釜山—巨濟隧道采用的EPS(Eternal Lifting & Positioning System)調(diào)整系統(tǒng)等； 而重新對接調(diào)整法由于涉及到GINA止水帶二次壓縮、管節(jié)間碰撞等不利因素，因此通常不作為首選糾偏方法。

本文運用糾偏方法的原理，對南昌紅谷隧道E4管節(jié)現(xiàn)場實際偏差情況進行分析，在盡可能不增加設(shè)備的情況下，通過既有的管節(jié)橫調(diào)系統(tǒng)對管節(jié)安裝軸線進行糾偏，可兼顧經(jīng)濟性、便捷性和可行性。

1　工程概況

南昌市紅谷隧道工程是目前國內(nèi)最長的內(nèi)河沉管法隧道工程。本工程沉管段總長1 329 m，共分為12節(jié)管節(jié)，最終接頭設(shè)置于E10-1管節(jié)與E10-2&E11管節(jié)之間。管節(jié)長度為90～115 m、高度為8.3 m、寬度為30 m、質(zhì)量為22 000～28 000 t； 管頭中部設(shè)置1處導(dǎo)向裝置，管尾兩側(cè)各設(shè)置1處水下垂直千斤頂，3點形成管節(jié)沉放對接豎向支撐體系； 管面利用絞車及滑輪組等形成管節(jié)縱調(diào)、橫調(diào)系統(tǒng)。

2015年8月進行了本工程E4管節(jié)沉放安裝，并進行了E4管內(nèi)軸線精確測量，測量結(jié)果如表1所示。

表1　E4管節(jié)測量數(shù)據(jù)

根據(jù)E4管節(jié)軸線測量數(shù)據(jù)，若不采取任何措施，E5、E6管節(jié)將順著E4管節(jié)軸線射線方向安裝，即：

E5管尾預(yù)計偏移量=19.3 mm+ 40.4 mm(E4管尾偏移量)=59.7 mm；

E6管尾預(yù)計偏移量=19.3 mm+ 59.7 mm(E5管尾偏移量)=79 mm。

上述預(yù)測值已嚴重超出設(shè)計要求，因此必須對管節(jié)軸線進行糾偏。

2　E4管節(jié)軸線糾偏相關(guān)計算

影響管節(jié)安裝軸線的主要因素分布示意圖如圖1所示。

圖1　管節(jié)軸線影響因素分布圖(單位： m)

Fig. 1Influencing factors of axial line deviation of tunnel segment (m)

2.1垂直千斤頂摩擦力

1)穩(wěn)定壓載前。管節(jié)沉放時負浮力為2 744 kN(280 t)，管節(jié)初步落座后，根據(jù)支承墊塊位置(距管頭105 m)與管節(jié)長度(115 m)關(guān)系，計算得導(dǎo)向裝置提供支撐力1 244.6 kN，垂直千斤頂提供支撐力1 499.4 kN，在高應(yīng)力下假定鋼-鋼靜摩擦因數(shù)為0.12，計算得垂直千斤頂摩擦力=1 499.4 kN×0.12=179.9 kN，對管頭導(dǎo)向裝置力矩=179.9 kN×105 m =18 889.5 kN·m。

2)穩(wěn)定壓載后。管節(jié)穩(wěn)定壓載負浮力13 720 kN(1 400 t)，同理可得垂直千斤頂摩擦力=899.6 kN，對管頭導(dǎo)向裝置力矩=899.6 kN×105 m=94 458 kN·m。

2.2水壓力

2015年8月28日隧址水位為12.65 m，預(yù)計E5管節(jié)沉放時水位位于12～12.5 m，如圖2所示，管節(jié)所受水壓力水平合力為管頭面積所受水壓力。

圖2　管節(jié)受水壓力水平分力示意圖

E4管節(jié)水壓力F由F1、F2組成(如圖3所示)，計算公式如下：

式中： P1為F1部分的水壓壓強； A1為F1部分的面積； P2為F2部分的水壓壓強； A2為F2部分的面積； x為計算點水深； ρ為水體密度，取1t/m3； g為重力加速度，取9.8m·s-2。

同理，根據(jù)E5管頭底標高0.13m及E5管節(jié)沉放預(yù)計水位12～12.5m，計算得E5管節(jié)平均理論水壓力約19 600kN。

圖3　E4管節(jié)橫斷面示意圖(單位： m)

2.3拉合千斤頂及橫調(diào)纜拉力

1)目前使用的拉合千斤頂系統(tǒng)可提供拉力為980kN(100t)/臺(受拉桿強度制約)，即2臺拉合千斤頂總共可提供1 960kN拉力。拉合千斤頂距離導(dǎo)向裝置支點8.315m，即，單邊拉力產(chǎn)生的力矩=980kN×8.315m=8 148.7kN·m。

2)目前使用的橫調(diào)系統(tǒng)主要包括10t液壓絞車、80t吸附式重力錨塊及5輪滑車組，可提供784kN(80t)拉力(受錨塊制約)，對導(dǎo)向裝置力矩=784kN×105m=82 320kN·m。

2.4碎石鎖定回填側(cè)壓力

由于垂直千斤頂摩擦力較大，因此按靜止土壓力計算碎石鎖定回填側(cè)壓力

碎石鎖定回填對導(dǎo)向裝置力矩=74.52kN×85m=6 334.2kN·m。

式中： γ為碎石水下重度，取6kN/m3； h為碎石回填高度，取3m； k0為靜止土壓力系數(shù)，按松散砂土取0.46； l為碎石回填寬度，取6m。

2.5水流力計算

式中： F為水流力； Cw為水阻力系數(shù)，取2.0； ρ為水密度，取1t/m3； v為水流速度，取0.3m/s； A為迎流面積。

水流力對導(dǎo)向裝置力矩

式中：f為dx范圍內(nèi)的水流力；x為f至導(dǎo)向裝置的距離。

2.6GINA止水帶相關(guān)計算

2.6.1壓縮曲線

GINA止水帶壓縮曲線如圖4所示。

圖4　GINA止水帶壓縮曲線

2.6.2理論反彈力及理論壓縮量

E3/E4接頭GINA止水帶實測壓縮量為113.75 mm(8月28日)，根據(jù)壓縮曲線可得GINA止水帶反彈力約為375 kN/m，理論總反彈力=375 kN/m×71 m(GINA止水帶總長度)=26 625 kN。

根據(jù)E4管節(jié)水壓力22 902.6 kN，考慮管頭導(dǎo)向裝置及管尾垂直千斤頂摩擦力1 646.4 kN(=13 720 kN×0.12)，計算GINA止水帶反彈力=22 902.6+1 646.4=24 549 kN，與理論總反彈力存在2 076 kN誤差，分析原因是由于GINA止水帶壓縮量測量誤差及壓縮曲線觀測誤差導(dǎo)致。

根據(jù)E5管節(jié)預(yù)計平均水壓力19 600 kN及GINA止水帶壓縮曲線，反推E4/E5接頭GINA止水帶理論壓縮量為103 mm。

2.6.3GINA止水帶不均勻壓縮分析

1)根據(jù)E4管節(jié)軸線狀態(tài)，為保證E5管節(jié)軸線偏轉(zhuǎn)至與原設(shè)計軸線方向，E5管尾需偏轉(zhuǎn)約3.8 cm，即 E4/E5接頭GINA止水帶須產(chǎn)生1 cm不均勻壓縮。

2)由于GINA止水帶兩側(cè)壓縮量相差僅1 cm，因此假設(shè)該范圍內(nèi)的GINA止水帶壓縮量與反彈力呈線性關(guān)系。

3)基于以上假設(shè)，E4/E5接頭GINA止水帶北側(cè)理論壓縮量為98 mm，對應(yīng)的反彈力為230 kN/m； 南側(cè)理論壓縮量為108 mm，對應(yīng)的反彈力為325 kN/m，詳見圖5。

圖5　GINA止水帶不均勻壓縮反彈力示意圖(單位： kN/m)

Fig. 5Sketch diagram of uneven nonuniform compression elastic strength of GINA water seal strip (kN/m)

4)GINA止水帶造成的回復(fù)力矩(轉(zhuǎn)點為導(dǎo)向裝置)

式中： 8 m=扣除管節(jié)倒角影響后的側(cè)墻高度； 47.5 kN/m=(南側(cè)墻反力-北側(cè)墻反力)/2=(325 kN/m-230 kN/m)/2； 14.725 m為力臂，取(管節(jié)寬度-鋼端殼寬度)/2=(30 m-0.55 m)/2； 13.75 m=頂?shù)装彘L度和/4=(25 m+30 m)/4。

2.7適用的平均水深臨界值計算

2.7.1現(xiàn)有橫調(diào)系統(tǒng)(784 kN拉力)糾偏3.8 cm工況

通過2.1、2.3中的計算可得，現(xiàn)有橫調(diào)系統(tǒng)提供的對導(dǎo)向裝置拉力矩為82 320 kN·m，千斤頂摩擦力產(chǎn)生的阻力矩為18 889.5 kN·m，即臨界狀態(tài)下的止水帶不均勻壓縮回復(fù)力矩=82 320-18 889.5=63 430.5 kN·m。

通過2.6中的回復(fù)力矩計算公式及圖4中的GINA止水帶壓縮曲線計算，可得兩側(cè)GINA止水帶的反彈力分別為534、358 kN/m，對應(yīng)的極限壓縮量分別為121、111 mm。

糾偏前的平均極限壓縮量=(121+111)/2=116 mm，根據(jù)圖4可得對應(yīng)的反彈力為419.8 kN/m，總反彈力=419.8×71(GINA止水帶總長度)=29 805.8 kN，即水壓力29 805.8 kN。

通過2.2中的計算方法反算可得，管頭橫斷面形心處的極限水深為12.5 m。

2.7.2加強橫調(diào)系統(tǒng)(1 470 kN拉力)糾偏3.8 cm工況

通過加大絞車、錨塊和滑輪組等措施，將橫調(diào)纜拉力提升至1 470 kN，即橫調(diào)系統(tǒng)提供的對導(dǎo)向裝置拉力矩為1 470 kN×105 m=154 350 kN·m，千斤頂阻力矩為18 889.5 kN·m，即臨界狀態(tài)下的止水帶不均勻壓縮回復(fù)力矩=154 350-18 889.5=135 460.5 kN·m。

同理可得兩側(cè)GINA止水帶的反彈力分別為837、481 kN/m，對應(yīng)的極限壓縮量分別為129、119 mm。

糾偏前的平均極限壓縮量=(129+119)/2= 124 mm，對應(yīng)反彈力為630.5 kN/m，總反彈力=水壓力=630.5×71=44 765.5 kN，可得管頭橫斷面形心處的極限水深為18.8 m。

2.7.3現(xiàn)有橫調(diào)系統(tǒng)(784 kN拉力)糾偏1.9 cm工況

按上述方法計算可得兩側(cè)GINA止水帶的反彈力分別為673、502 kN/m，對應(yīng)的極限壓縮量分別為125、120 mm。糾偏前的平均極限壓縮量=122.5 mm，對應(yīng)反彈力為582.2 kN/m，總反彈力=水壓力=582.2×71=41 336.2 kN，可得管頭橫斷面形心處的極限水深為17.4 m。

3　E4管節(jié)糾偏案例的分析及應(yīng)用

3.1糾偏案例的主要原理

管節(jié)水壓接后穩(wěn)定壓載前，利用管尾橫調(diào)纜調(diào)整管節(jié)軸線，再利用穩(wěn)定壓載加大管尾垂直千斤頂摩擦力來置換橫調(diào)纜錨泊力，最后松橫調(diào)纜，達到軸線糾偏的目的，其本質(zhì)屬于管外頂推法。

3.2糾偏案例的施工方案

本工程管節(jié)沉放時采用的管外測量系統(tǒng)為全站儀+測量塔，受測量塔剛度、水流力、風(fēng)力、管面及測量塔控制點放樣、管節(jié)橫傾和縱傾等一系列因素的影響，管外測量系統(tǒng)與管內(nèi)精確測量存在一定誤差，因此本案例的施工方案采用管節(jié)對接完成并打開水密門后的管內(nèi)測量數(shù)據(jù)作為糾偏依據(jù)。具體糾偏方法： 按常規(guī)方法沉放—管外測量配合橫調(diào)纜調(diào)整管節(jié)軸線—管節(jié)落座—水壓接—打開水密門—管內(nèi)軸線測量—管內(nèi)測量配合管尾橫調(diào)纜調(diào)整管節(jié)軸線—穩(wěn)定壓載—鎖定回填—松管尾橫調(diào)纜—管內(nèi)測量復(fù)核。

3.3可行性分析及主要結(jié)論

計算數(shù)據(jù)匯總詳見表2。

表2　計算數(shù)據(jù)匯總表

1)管節(jié)穩(wěn)定壓載前，千斤頂摩擦力矩與止水帶回復(fù)力矩之和小于橫調(diào)纜拉力矩，因此認為通過橫調(diào)纜調(diào)節(jié)管節(jié)軸線是可行的(力矩： ⑤>①+⑧)。當水深逐步增大時，止水帶不均勻壓縮回復(fù)力矩也將隨之增大，需根據(jù)工程實際情況分析其是否可行，可通過加強橫調(diào)系統(tǒng)或減少糾偏值來提高其適用范圍。

2)管節(jié)穩(wěn)定壓載后，橫調(diào)纜拉力矩小于千斤頂摩擦力矩，因此認為此時通過橫調(diào)纜調(diào)節(jié)管節(jié)軸線是不可行的(力矩： ⑤<②)。

3)管節(jié)穩(wěn)定壓載后，止水帶回復(fù)力矩小于千斤頂摩擦力矩，因此認為此時松橫調(diào)纜是可行的(力矩： ⑧<②)。

4)水壓力計算應(yīng)當計算管頭水壓力。

5)由于鎖定回填側(cè)壓力遠小于垂直千斤頂摩擦力，且鎖定回填通常在管節(jié)落座并穩(wěn)定壓載后才進行，因此認為鎖定回填意義不大(力矩： ⑥?②)。

6)由于拉合千斤頂拉力矩與止水帶回復(fù)力矩相差太大，因此認為利用拉合千斤頂輔助調(diào)整GINA帶壓縮偏差是不可行的(力矩： ④?⑧)。

7)由于水流力遠小于垂直千斤頂摩擦力，因此本文認為在管節(jié)落座后，水流力(0.3 m/s)不會影響管節(jié)軸線(力矩： ⑦?①)，但水流速度較快時要根據(jù)實際情況重新評估，且應(yīng)該考慮鎖定回填由靜止土壓力轉(zhuǎn)換為被動土壓力時帶來的積極效果。

8)本文主要為理論計算，實際施工時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況變化、設(shè)備效率和安全要求等因素，制定分階段糾偏計劃，將偏差調(diào)整分布到各個管節(jié)，盡量避免在一節(jié)管上完成所有偏差的糾偏。

3.4糾偏案例的特點及適用范圍

1)經(jīng)濟、操作簡單，無需額外增加設(shè)備，僅對原工序作局部調(diào)整。

2)軸線偏差可調(diào)幅度中等，且受水深影響較大，水深較淺時適應(yīng)性較好，對于本工程： 管底水深16.5 m時，管尾軸線可調(diào)幅度約4 cm，與整體錯位法配合時可調(diào)幅度達6 cm； 管底水深21.4 m時，管尾軸線可調(diào)幅度約2 cm，與整體錯位法配合時可調(diào)幅度達4 cm； 相對于±3.5 cm的設(shè)計軸線精度要求，有足夠的控制力。當水深大于21.4 m時，在不調(diào)整橫調(diào)系統(tǒng)的情況下，本案例的糾偏方案不適用。

3)不受沉管段總長度影響，但沉管段總長度較長、管節(jié)較多時優(yōu)勢明顯。

4)每節(jié)管節(jié)沉放時均可使用，可避免管節(jié)軸線產(chǎn)生較大的累計偏差。

4　結(jié)論及討論

E4管節(jié)實測安裝軸線為偏北約40 mm，后續(xù)的E5管節(jié)、E6管節(jié)按上述方案進行糾偏后，實測E6管節(jié)安裝軸線為偏北約20 mm，較預(yù)計的79 mm調(diào)整了59 mm，證明通過既有橫調(diào)系統(tǒng)進行管節(jié)安裝軸線糾偏的設(shè)想是切實可行的。

管節(jié)沉放對接軸線偏差控制是沉管法隧道，尤其是長距離沉管法隧道施工的重難點。采用經(jīng)濟、簡單、可行的方法將管節(jié)沉放對接軸線偏差進行分節(jié)糾偏，避免產(chǎn)生較大累計偏差是本文的主要理念。由于本案例采用簡化的邊界條件進行理論分析，且各個隧道施工工況多少存在差異，使得本案例提出的施工方案存在一定的局限性，本案例采用的糾偏方案需打開水密門后安排管內(nèi)測量人員輔助糾偏，相對于橫向錯位法、EPS體外調(diào)整等方法來說存在一定的風(fēng)險，因此，在不同的沉管法隧道工程施工過程中，應(yīng)盡可能采用橫向錯位法等風(fēng)險較低的糾偏方法，確實需要采用本案例類似的糾偏方法時，應(yīng)深入分析現(xiàn)場實際情況，將施工經(jīng)驗與理論計算相結(jié)合，形成針對性較強、安全性較高的糾偏方案，并在實施過程中加強管節(jié)姿態(tài)監(jiān)測，以確保施工安全。

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Analysis and Application of Axial Line Rectification of Segment E4 of Honggu Tunnel in Nanchang

XING Yonghui1, ZHANG Yi2, LI Zhijun3

(1.ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China; 2.GuangzhouSalvageBureau,Guangzhou510260,Guangdong,China; 3.ErchuCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Sanhe065201,Hebei,China)

Nanchang Honggu Tunnel is a longest inland river tunnel in China. The immersed section of Honngu Tunnel is 1 329 m long and includes 12 segments. The axial line accuracy of segment installation is the key. The main influencing factors of tunnel segment installation accuracy are calculated, and the axial line deviation rectification of tunnel segment is carried out by using horizontal adjusting system. The comparison between measured data and theoretical calculation results shows that the above-mentioned axial line deviation rectification method is effective. The study results can provide reference for similar projects in the future.

immersed tunnel; segment sinking; segment installation; axial line rectification

2016-05-05;

2016-06-20

邢永輝(1978—)，男，河南?？h人，2001年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，鐵道與道路工程專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事地下工程設(shè)計工作。E-mail: skyhorse_xyh@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.011

U 455.46

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1672-741X(2016)09-1101-05