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1、 摘 要 管段接头是沉管隧道的重要环节，其首先要满足水密性要求，即在施工阶段和日后运营阶段不渗漏；第二是具有抵抗各种作用的能力，这些作用包括各种荷载和强迫变形，诸如地震、温度和地基变形等；第三是要求受力明确，方便施工和保证施工质量。文章根据常洪沉管隧道管段接头的构造形式和功能要求，介绍了接头2道止水带的选型依据和安装工艺，描述了接头其它构造如剪切键等的制作方法，特别叙述了接头中钢拉索的构造形式、安装工艺和防腐耐火措施，同时文章介绍了常洪沉管隧道最终接头的施工方法。 关键词 沉管隧道 橡胶止水带 管段接头 抗震接头 最终接头 管段止退 钢拉索 一、概况
2、 宁波常洪隧道江中沉管段长395m，共有4节管段，管段间采用柔性接头形式，GINA橡胶止水带和OMEGA橡胶止水带构成管段接头的2道防水线。由于工程所处地区为7°地震设防区，所以在接头处采用预应力钢拉索作为限位装置，以防止接头在地震工况下发生过大的轴向拉伸位移。 根据坞口的位置和管段由北向南的依次沉放顺序，沉管段的最终接头置于江南侧的暗埋段和沉管段连接之处，采用干作法施工，即待最后一节E4管段沉放结束后，立即封堵坞口，将坞内的水抽排至甬江中，然后在坞内轴线位置施工江南暗埋段，并与E4管段连接。 沉管管段接头的设计必须结合过江段的水文条件进行。根据常洪隧道甬江
3、段的水文测验结果，得到管段各接头和水位的关系见表1。 表1 管段接头与水位关系表 工作井～E1 E1～E2 E2～E3 E3～E4 管段接头顶板水深(m) 2.7 6.4 7.9 6.1 管段接头中心水深(m) 6.9 10.6 12.2 10.4 注：表中水深以平均低水位计算。 二、管段接头的构造形式及施工工艺 1.GINA止水带 (1) GINA止水带的性能 GINA止水带是管段接头的第一道防水线。根据接头压接量的计算结果，选定GINA的型号为TB-ETS-130/160，其每环尺寸为22.3m×7.
4、95m，转角采用135°折角连接。根据设计要求，GINA止水带须在0.25MPa的水压作用下(扣除各种轴向位移量后)，能满足最小初始压接力(50kN/m)时的水密要求。其性能指标见表2和表3。 表2 材料性能指标 项目 指标 材质 丁苯橡胶 密度(kg/m3) 硬度(Shore A) 拉伸强度(MPa) 扯断伸长率(%) 撕裂强度(N) 1140±30 65±5 ＞17 ＞400 ＞50 压缩永久变形(70℃,24h)(%) ＜25 耐老化性(变化率) 硬度(Shore A) 拉伸强度(%) 扯断伸长率(%) ＜±6 ＜-15 ＜
5、25 水密性(23℃,168h)(Vol.%) ＜5 应力松弛(%/10年) ＜7 抗臭氧性 无裂缝出现 吸水性(70℃,70h)(%) ＜3 表3 压应力与变形特性关系(误差：±10%) 平均压应力(kN/m) 227 342 349 402 压缩量(mm) 64 67 68 73 2)GINA止水带的安装 管段端部封门制作完成后，先用高精度测量仪器复核安装端面的平整度，然后安装GINA止水带压板系统。与此同时，吊车将GINA带移放至管段端口，并将其展开，每隔1.5m绑扎一道尼龙带，最后将尼龙带系挂于长23m左右的型钢梁上，
6、再用吊车起吊整段GINA止水带，并移至管段端部，准备安装。 安装时先固定GINA带的角点，然后固定两角点的中点，接下来是每段中点，直至整条边乃至整环止水带固定。 GINA带安装完毕后拆除尼龙带，并用测力板手对每个压板螺栓进行校核，确定GINA带安装牢固，但不宜过紧。 为了避免GINA止水带在浮运中碰撞受损，需在GINA带上部安装保护罩。 (3)GINA止水带的压接 止水带的压接是管段沉放过程中的一个重要部分。整个压接过程大致可分为两个阶段，即初步压接和最终止水压接。初步压接时GINA止水带的尖头压缩，达到接头初步止水的效果；最
7、终止水压接是依靠管段自由端的约20000kN水压力将GINA止水带进一步压缩，达到最终止水的目的。根据GINA止水带的选型计算，常洪隧道沉管段接头的GINA止水带的最终压接量应为8～9cm。实际沉放时4节管段的压接量分别为8.1cm、9.3cm、7.8cm和5.1cm。 2.OMEGA止水带 OMEGA止水带是管段接头的第二道防水线。由于管段接头是柔性接头，所以要求OMEGA止水带在一定水压和变形条件下，以及任何可能的工况条件下(如沉降、位移、地震和温度变化等)保证接头的水密性。 (1) OMEGA止水带的性能 OMEGA橡胶止水带是由2层SBR橡胶
8、及置于其中的尼龙片经压模机压制而成的。宁波常洪隧道选择了S240-40型OMEGA橡胶止水带，能满足最高水位条件下管段轴向位移(张开40.9mm、压缩39.6mm)、竖向差异沉降(50mm)以及侧向位移(25mm)等变位时的接头水密要求。止水带的性能指标见表4，水密性要求见表5。 表4 止水带的性能指标 项目 指标 材质 丁苯橡胶 密度(kg/m3) 硬度(Shore A) 拉伸强度(MPa) 扯断伸长率(%) 1160±30 65±5 ＞17 ＞450 压缩永久变形(70℃,24h)(%) ＜20 耐老化性(变化率) 硬度(Shore A) 拉伸
9、强度(%) 扯断伸长率(%) ＜±6 ＜-15 ＜-25 25%压缩量的应力松弛(%/10年) ＜6 吸水性(70℃,72h)(Gram/m2) ＜20 纤维层与橡胶的粘合力(N/mm) ＞5 表5 止水带的水密性要求 水压(MPa) 保证接头水密性情况下的各向允许位移量 x±(mm) y±(mm) z±(mm) 0.15 60 60 60 0.20 50 50 50 0.25 50 45 45 0.30 40 40 40 0.35 30
10、30 30 OMEGA止水带成型后的每环尺寸为21.8m×7.45m，转角采用135°折角连接 。其通过压板固定在HFA500型钢的翼缘上，压板材料屈服强度为240N/mm2。 (2) OMEGA止水带的安装与检漏 OMEGA止水带的安装在管段沉放后进行。为了保证安全，OMEGA止水带必须在两管段接头的相邻封门拆除前完成安装。先进行初步安装，即止水带就位，并将压板基本固定；然后待管底囊袋灌浆完成、管段沉降基本稳定后，拧紧压板螺栓，完成安装。 止水带安装时，必须注意以下问题： ① 由于管段浸泡水中时间较
11、长，且甬江水的含砂量较大，所以管段对接完成后接头管腔壁上积有淤泥。安装OMEGA止水带之前必须将这些淤泥冲洗干净。 ② OMEGA止水带安装前先检查止水带的完好性，并检查预埋螺栓和压板的数量和编号。此外，为了达到良好的水密性，端钢壳与OMEGA止水带接触的安装面必须确保平整，如有问题即进行修整。 ③ OMEGA止水带安装时先在两管段的隔腔内搭设工作支架，然后将止水带移入隔腔中，并先固定止水带的上部一角，随后固定上部的另一角，接着按中间点固定的原则用压板将OMEGA止水带的上边固定。余下的三边待接头现场热接完成后仍按角点和中间点固定的原则完成。压板螺栓固定时应用扳
12、手反复拧紧，确保止水带压紧密贴。 ④ 为了安装方便，OMEGA止水带在底边留有一个接头，接头采用现场硫化热接，接口位置设在端封门侧约1.5m处。热接前先将接头用布擦拭干净，再用香蕉水清洁热接面，待烘干后涂上粘接剂，并将按尺寸裁剪的含2层尼龙加筋丝的胶料粘上，然后再涂上粘接剂，贴上与OMEGA止水带同质的橡胶料；随后将接头置于模具中，并用夹具夹紧，打开模具加热开关，待加热温度上升至120℃后，维持约150分钟即可拆除模具，完成热接，使原开口的OMEGA条成为封闭的止水圈。 ⑤ OMEGA止水带安装完成后，即在GINA止水带和OMEGA止水带之间通过钢端壳的预留检漏
13、孔进行OMEGA止水带的检漏试验。检漏试验的压力为0.25MPa。检漏时由上孔进水口注入，达到压力后关闭进水阀，并保持2～3小时，无渗漏现象即为合格。如果有渗漏点，须对渗漏处的压板重新调紧，或衬垫腻子。 3.管段接头拉索 (1) 钢拉索的构造 为了防止接头在7°地震烈度条件下发生过大的轴向变位，在设计中采用了一种连接钢缆的限位装置。其不仅能在运营阶段用于接头的轴向限位，同时又能在最后一节管段沉放完成后干坞抽水时提供止退力，在最终接头施工中起重要作用。 该装置主要是由预埋于管段端部的4束预应力钢拉索和连接钢套筒组成(见图1)。钢拉索
14、的预紧可通过旋紧连接套筒实现，在管段制作期间通过严格放样定位预埋于管段的端部，定位误差不超过1cm。 (2) 钢拉索的安装与防腐处理 钢拉索在OMEGA止水带安装完成后连接，连接时先打开拉索一端的法兰盖板，拉出锚头将其与连接套筒连接，然后将另一端的锚头拉出与连接套筒旋紧，最后用管子钳旋紧套筒，使拉索绷紧。 接头钢拉索预紧完成后即安装橡胶伸缩管和钢套筒外的防腐热缩管，随后向拉索管腔内压注油脂以防拉索锈蚀。 4.管段接头的最终处理 (1) 剪切键施工 ① 水平剪切键分别设于相邻管段之间和管段与暗埋段之间。管
15、段的水平剪切键设于接头底板处，每接头处共5对，呈锯齿状。OMEGA止水带安装完成后即可进行管段水平剪切键的制作。制作前先凿除封门枕梁的混凝土，留出竖向钢筋作为插筋，然后绑扎剪切键结构钢筋，浇捣半边水平剪切键；随后粘贴橡胶垫，扎筋制作另半边水平剪切键。 ② 垂直剪切键施工必须等管段沉降稳定后进行。每个接头的垂直剪切键共6只，设置于中隔墙端部。其中上剪切键即利用上鼻托的牛腿；中、下剪切键制作前先割除原端部的导向装置，然后凿除鼻托横梁和下鼻托钢筋混凝土，并凿出接驳器，绑扎中、下剪切键的钢筋，安装钢板和橡胶垫，浇捣混凝土，完成垂直剪切键的制作。 (2) 接头的防火处理
16、 为了防止管段接头处的所有橡胶制品在火灾时受热损坏，影响接头的结构和水密性，故在管段装饰时在接头处设置2.5cm厚的防火板，以保证接头1小时耐火1200℃的标准。 三、管段最终接头的干地施工 由于甬江水深较浅，航道较窄，所以根据河床条件，为了不影响航运，同时根据管段自北向南沉放流程，管段的最终接头设于E4管段和江南暗埋段S-1之间，采用“干地施工方法”施工。干地施工方法的最大特点是质量有保证、施工方便，但必须解决好坞口的封堵问题和管段的止退问题。 1.坞口封堵 在管段顶部设一挡土墙，管段两侧和坞墩间隙之间放置钢围箱，
17、浇筑水下混凝土形成剪切键，管底通过预埋的注浆孔注浆，挡土墙外回填土合拢坞口。将管段与坞墩连成一整体。 (1) E4南端挡墙制作 E4管段南端的挡土墙墙底设一道地梁，墙高5m，以确保高水位时露出水面，方便后续施工，墙厚0.6m，呈梯形。在墙体南侧设6道墙垛，墙垛底宽2.84m，顶宽1m，厚0.3m。挡土墙两端设3m长的封头，以便与两侧的水下混凝土剪切键结合。 挡墙制作前，先用高压水枪将管段顶面的淤泥冲洗干净，同时将管段顶面的混凝土作凿毛处理，并且将管段顶板的预留钢筋作除锈处理。挡墙的混凝土标号为C30，由泵车通过敷设在栈桥上的泵管泵送至浇捣面。
18、 (2) 坞口两侧的封堵 坞口两侧管段与坞墩间隙的封堵，即管段与坞墩间剪切键制作是利用E4管段外侧墙的预埋限位角钢作为导向，吊放钢围箱，然后浇筑水下混凝土，形成剪切键，使管段与坞墩成为一整体，限制管段因自由端水压力的消失而使GINA止水带回弹，避免管段回退，接头漏水。坞口两侧的封堵工作包括钢围箱的加工、吊放、水下混凝土的浇筑和坞口外的土方回填。 (3) 坞口管底封堵 管底封堵和止水是通过在管段内预留的3排注浆管向管底压注水泥砂浆来实现的。管段制作时在E4管段南端(即以后的封堵位置)预留了3排23只注浆孔。由于E4管段南端位于坞口坞墩间，管底基
19、槽高低不平，为达到注浆后止水效果，先将注浆管从注浆孔内插入至原状土，然后再进行注浆。 (4) 坞口回填合拢 钢围箱吊放完毕后，即在东西2个坞墩上往挡土墙外侧回填土，合拢坞口。回填土为干坞中挖出的、临时堆放在工地附近的弃土，用车驳运至坞口。回填应东西两侧对称进行，直至坞口合拢，合拢共需土方约30000m3。 2.干坞抽水和管段止退 (1) 干坞抽水 坞口封堵完毕后，坞内水与甬江隔离，水位为+0.2m，理论计算的抽水量约20万m3。由于管段间采用的是GINA橡胶止水带水力压接的连接形式，为防止自由端水位下降时GINA橡
20、胶带松弛，影响接头水密性，故在抽水前需完成管段接头间的拉索预紧，并在水位降至管顶时，在管段与坞墩间设置一对支撑。 抽水采用2台流量为700m3/h的砂泵，先将水位降至管段顶面，然后架设支撑，再继续抽水至坞底。 (2) 管段止退措施 干坞抽水时的管段止退措施共有3项，即管段接头间的预紧钢拉索、管段与坞墩间的混凝土剪切键和抽水至管段顶面后设置的支撑。 (3) 止退效果 管段沉放完成后，在每个管段接头的东西两侧分别在上下位置设置了接头变位标志点。干坞抽水时分别对每个管段的接头变位和支撑的轴力进行了测量和量测。
21、 从观测到的情况看，管段在抽水期间仅有E3和E4管段接头处发生了小量变位，其中测得西侧接头处张开了0.8mm；东侧接头压紧了0.5mm。这个现象说明该接头发生了向西方向的偏转，而并非因止退不够而接头松弛。根据当时的工况条件，发现管段东侧正在进行外围回填土，于是立即调整回填方向，改东侧回填为西侧回填，变位立即得到了控制，并予以纠正。支撑施加后，在每根支撑上放置了应变计，以观测坞内抽水过程中和抽水完成后支撑的轴力变化情况。 从现场量测到的支撑轴力可以看出：坞内完成抽水至管段顶板面后，即支撑架设完成后，初期支撑轴力随水位下降而增加，并且东侧支撑轴力较西侧支撑轴力略大，这与管段东西
22、两侧回填不均匀的实际工况条件相吻合。而随着时间的推移和工况的变化，两侧的支撑轴力趋于相等，支撑轴力总和为3000kN，仅为计算回退力的15%～20%。 微小的管段接头变位和支撑轴力，说明坞口管段两侧剪切键的止退作用相当显著，而管顶支撑施加的3000kN轴力，对进一步控制管段的回退是有利的。 3.E4与暗埋段的连接施工 E4管段与暗埋段的连接设计成变形缝的形式。E4制作时在其南端顶板预留了间距为12cm的剪力销，底板制作了剪切键，端面埋置了钢边橡胶止水带。制作暗埋段时首先清理端面，修整钢边止水带，然后在端面粘贴丁腈橡胶，最后扎筋、立模、浇捣与E4相
23、接的暗埋段混凝土，完成南岸隧道与江中管段的连接。 为了考虑E4管段与其连接的江南暗埋段的沉降过渡，江南暗埋段S-1的基础采用桩基形式，共5排20根、直径为1000mm的钻孔灌注桩。在接头处设置了1条OMEGA止水带，以防该接头两侧的结构因差异沉降而出现渗漏现象。 四、结语 常洪沉管隧道管段接头为柔性接头，选择以GINA和OMEGA橡胶止水带作为接头的第一和第二道止水带，并以钢拉索作为接头的永久限位装置；管段的最终接头采用“干地施工方法”，以预紧的钢拉索和坞口的混凝土剪切键作为坞内抽水后管段的止退装置。这种管段接头和最终接头的施工具有以下特点：
24、 (1) 以GINA和OMEGA橡胶带作为管段接头的2道止水防线，止水效果明显，在甬江潮位变化条件下，接头没有出现渗漏现象； (2) 水平剪切键和垂直剪切键是管段接头的结构形式，其中垂直剪切键必须在管段稳定后进行； (3) 由于管段接头为柔性接头，所以在管周回填时必须注意对称施工； (4) 采用钢拉索既可作为最终接头施工时的临时系紧装置，又可成为隧道运营期接头抗震的纵向限位装置； (5) 坞口的混凝土剪切键对限制干坞抽水后的管段变位作用十分显著； (6) 干坞抽水至管段顶面后，在管顶设置的钢支撑对限制管段回退有一定的作用。
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