0 引言
沉管隧道是一种修建于江河湖海水下的交通载体［1］，最终接头位置可在水中或岸上进行处理，结构形式为刚性或柔性接头［2］，不同的最终接头形式对隧道的工期和造价有较大影响［3］。岸上或水下最终接头施工时，最后一节管节与岸上段( 或相邻管节) 形成了一种刚性连接［4］，管节基础多采用砂流法或层铺法，长期使用后容易产生不均匀沉降［5］。为解决这一问题，可设置1 个短管节，即增加1 个柔性接头，避免刚性连接管节不均匀沉降造成管节结构开裂的问题［6］。短管节长度较短、空间有限，无法设置压载系统来调节管节的起浮和沉放，因此，需将短管节与相邻管节在干坞内拉合、对接成整体后一起浮运沉放。
王光辉等［7］通过牵移和顶推试验，得出牵移和顶推过程中底部摩擦力及GINA 止水带压缩值存在差异性的结论，但缺少实际数据支撑。我国沉管隧道起步较晚，在短管节干坞内拉合受力验算、拉合对接施工工艺、管节轴线纠偏、保证GINA 止水带压缩量等方面的研究较少。本文以南昌红谷沉管隧道短管节干坞内拉合对接为背景，从准备、牵移、拉合及后处理4 个阶段详细介绍短管节对接拉合施工工艺及控制要点，并通过理论计算和实测数据，验证计算机控制液压同步系统的可操作性，通过减小底钢板摩擦阻力、GINA 止水带压缩值控制、管节轴线纠偏调整等措施，保证GINA止水带压缩量，避免管节倾覆事故风险，可为类似沉管隧道工程提供参考。
1 工程概况
南昌红谷隧道沉管段长1 329 m，是目前国内内河最长的城市道路沉管隧道，共12 节管节。其中: E1—E9 管节每节长114． 85 m，E10 管节长89． 85 m，E11 管节长107． 35 m，E12 管节长89． 85 m，E10 － 2 短管节长3． 85 m，E10 － 2 与E11 管节之间预留1． 5 m 的间距，水下最终接头部位见图1。
图1 水下最终接头示意图
E10 － 2 管节与E11 管节上、下2 对拉合横梁设置8 只350 t 千斤顶，上、下部各4 只，对应于每只千斤顶设1 束高强度低松弛钢绞线，规格为31 － j15． 24，锚具采用桥梁工程中的GVM 系列预应力锚具。E10 － 2管节为滑动段，E11 管节为固定段，在干坞内初步拉合对接，待完成后续接头处理、钢端封门安装等工序后，一起浮运、沉放。
2 施工工艺
管节干坞内拉合对接示意图见图2。分4 个阶段: 准备阶段、牵移阶段、拉合阶段及后处理阶段［8］。牵移和拉合阶段主要由计算机控制液压同步提升系统( 见图3) 完成，液压同步提升系统由钢绞线及提升油缸集群( 承力部件) 、传感检测及计算机控制( 控制部件) 、液压泵站( 驱动部件) 组成。拉合对接施工工艺流程见图4。
3 施工技术及控制要点
3． 1 准备阶段
1) 安装拉合横梁、拉合设备及测试元件，主要有液压泵站、液压千斤顶( 见图5) 、锚具系统( 见图6) 、钢绞线、传感器、计算机控制系统等。
2) 在E10 － 2 和E11 管节端面上对称布设监测点( 见图7) ，顶板、底板各4 处，每侧侧墙及倒角各3 处，测点要明显、易测、代表性强。
图2 管节干坞内初步拉合对接示意图
图3 计算机控制液压同步提升系统组成示意图
图4 管节拉合对接施工工艺流程
图5 液压千斤顶
图6 锚具
3) 清除待拉合管节间杂物，采用砂轮机将凸出、尖锐物打磨彻底，下涂黄油并铺设塑料薄膜隔离层。
4) 钢导向梁与2 管节侧墙接触面间加塞四氟板，以减小滑动过程中摩擦阻力的影响。
3． 2 牵移阶段
牵移工艺见图8，主要使用底部的4 只千斤顶，顶部4 只千斤顶主要起牵制E10 － 2 管节的作用，防止E10 － 2 管节失稳。
1) 钢绞线初始张力调整。8 只千斤顶同时预加张拉力20 kN，使每一束的钢绞线能共同均匀受力。
2) 克服静摩擦力。保持顶部4 只千斤顶预加力不变，底部4 只千斤顶从初始20 kN 以10 kN 为一级逐级同时施加张拉力，直至E10 － 2 管节略有滑移。
3) 循环牵移。E10 － 2 管节略有滑移后，上下千斤顶油缸全部退油，夹片即自动跟进锚固。重新对顶部4只千斤顶施加20 kN 张力，底部4 只千斤顶从20 kN 初始值以10 kN 为一级逐级施加张拉力直至E10 － 2 管节开始滑移，滑移后随时调整顶部4 只千斤顶的张力。当一次拉合距离接近千斤顶有效行程时，活塞回程，油缸继续提升工作，直至GINA 止水带与面板接触。
4) 牵移过程监测。控制牵移速度在300 mm/min以内，观测千斤顶的累计行程差及2 管节的相对位置，若超过10 mm，应及时调整施加力的顺序，使管节平稳牵移。
图7 测点布置示意图( 单位: mm)
图8 牵移工艺示意图( 单位: mm)
3． 3 拉合阶段
E10 － 2 短管节与E11 管节在干坞内拉合对接，根据设计施工图设计要求，GINA 止水带需被均匀、稳定地压缩80 mm，且需保证沉放后管节接头的水密性。因此，对拉合横梁与拉合设备受力进行验算。
3． 3． 1 拉合过程受力验算
3． 3． 1． 1 拉合力设计值计算
GINA 止水带压力变形曲线见图9，压缩量为80mm 时，需要的压力为230 kN/m，单根GINA 止水带长度为71． 388 m，止水带压缩80 mm 所需压缩反力F1 = 230 × 71． 338 = 16 407． 7 kN。短管节结构质量约855． 86 t，底部摩擦力f = μN = μmg = 0． 15 ×855． 86 × 10 = 1 283． 79 kN。
图9 GINA 止水带压力变形曲线［9］
要将GINA 止水带压缩80 mm，总8 l442.1 拉合力设计值F = ( F1 + f) γQγ0。其中: γQ为荷载分项系数，取1． 4;γ0为结构重要性系数，取0． 9。代入相关数据，计算得总拉合力设计值F = 22 291． 3 kN。
3． 3． 1． 2 千斤顶选型
千斤顶选型情况见表1。每只千斤顶提供的力F2 = F /8 = 22 291． 3 /8 = 2 786． 4 kN ＜ 3 000 kN( 有效荷载) 。因此，所选用的千斤顶满足施工要求。
表1 选用千斤顶型号及规格
3． 3． 1． 3 钢绞线选型
选用的钢绞线性能见表2。每根钢绞线承受拉力F3 = F /248 = 22 291． 3 /248 = 89． 9 kN ＜ Fm = 260 kN( 破断力) 。因此，钢绞线的配置满足设计施工要求。
表2 选用钢绞线性能表
3． 3． 1． 4 拉合横梁受力验算拉合横梁计算简图及其横截面分别如图10 和图11 所示。
图10 拉合横梁计算简图( 单位: mm)
图11 拉合横梁横断面图( 单位: mm)
1) 抗弯强度σ 验算。横梁最大弯矩Mx = F2 × l =2 786． 4 × 0． 65 = 1 811． 2 kN•m，惯性矩Ix =3 768． 18 × 106 mm4，净截面模量Wx = Ix × 2 /b =3 768． 18 ×106 × 2 /540 = 13． 96 × 106 mm3。抗弯强度σ = Mx /γWx，其中γ 为截面塑性发展系数( 取1． 05) 。代入相关数据得σ = 123． 6 MPa，小于钢材的抗压强度设计值205 MPa。
2) 抗剪强度τ 验算。横梁最大剪力V = 2 786． 4kN。面积矩S = 28 × 500 × ( 566 /2 － 14) + 30 ×190 ×( 450 /2 + 15) × 2 + ( 28 × 450 /2 × 450 /4) × 2 =7． 92 ×106 mm3。抗剪强度τ = VS /Ix tw，其中tw为腹板厚度( 取56 mm) 。代入相关数据得抗剪强度τ =104． 6 MPa，小于钢材的抗剪强度设计值120 MPa。
3) 弯剪共同作用下的腹板顶部剪应力计算。面积矩S1 = 28 × 500 × ( 566 /2 － 14) + 30 × 190 ×( 450 /2 +15) × 2 = 6． 5 × 106 mm3。抗剪强度τ1 =VS1 /Ix tw = 2 786． 4 × 103 × 6． 5 × 106 /3 768． 18 ×106 ×56 = 85． 8 MPa，小于钢材的抗剪强度设计值120MPa。槡σ2 + 3τ21= 槡123． 62 + 3 × 85． 82 = 193． 3MPa ＜ β × 205 = 225． 5 MPa( β 为增大系数，取1． 1) 。
综上，拉合横梁作为在主平面内受弯的实腹构件，同时受较大的正应力和剪应力时，其抗弯强度、抗剪强度及折算应力均低于设计值。因此，拉合横梁满足施工要求。
3． 3． 2 拉合步骤
1) 向管节E11 方向牵移管节E10 － 2，当E10 － 2管节局部与GINA 止水带接触还未压缩时，调整8 只千斤顶的张拉力使2 管节结合面基本平行。
2) 对8 只千斤顶同时施加张拉力，以10 kN 为一级逐级施加，以平稳、分级、及时调整为原则，均匀压缩GINA 止水带。
3) 当整圈GINA 止水带被均匀、稳定地压缩80mm 后，立即锁定8 只千斤顶，确保接头不松动回弹。
4) 通过对拉合管节端钢壳面板间距量测以及油压传感器和长距离传感器显示数据读取，借助计算机控制柜对管节牵移拉合过程实时监控并采集、记录数据。短管节牵移、拉合过程数据记录见表3，GINA 止水带压缩量测值见表4。由表3 和表4 可知: ①行程1—8 下层4 组拉合点油压明显大于上层4 组，为管节牵移阶段; 行程9—16 上下层油压相当，为管节拉合阶段。②短管节对坞底结构( 钢板) 的吸附力巨大，与坞底钢板局部连接十分紧密，使得牵移过程中摩擦力较大，远大于理论值1 283． 79 kN。因此，牵移前需对底钢板进行清理、打磨、涂抹黄油，以减小摩擦。③在牵移过程中，下部4 只千斤顶每只加到300 kN 时，管节开始移动，此时拉动管节的力为2 000 kN，直到E10 － 2管节行进1． 2 m 后，此时管节姿态存在差异性，需对管节进行纠偏。④GINA 止水带设计尺寸厚度为275 mm，最终管节累计位移为1 309 mm，GINA止水带最终预压缩量ΔL = 275 － ( 1 500 － 1 309) =84 mm，与设计压缩量误差仅为+ 4 mm。考虑到干坞内拉合对接后存在微小的回弹松弛量，因此压缩误差+ 4 mm 是完全满足施工要求的。⑤顶部GINA止水带压缩值明显大于底部GINA 止水带压缩值，此时需对上层千斤顶部分卸载，加大下层千斤顶作用力，保证底部GINA 止水带压缩值。
表3 E10 － 2 短管节牵移、拉合过程数据记录表
3． 3． 3 后处理阶段
1) 连接并紧固E10 － 2 和E11 管节接头PC 拉索，PC 拉索主要用于抵抗水压或GINA 止水带压缩反力的变化。
2) 经测量确认E10 － 2、E11 管节接头无松动张开后，平缓同步释放8 只千斤顶内的拉合力，并逐步将千斤顶顶力转由接头PC 拉索承担，2管节松弛位移不大于20 mm。
3) 安装管节接头处的OMEGA 止水带并进行检漏。
4) 施工安装E10 － 2 和E11 管节接头间水平限位梁。
5) 测量E10 － 2 和E11 管节接头GINA 止水带的最终实际压缩量。
3． 4 施工要点及保证措施
3． 4． 1 减小底钢板摩擦阻力
1) 底钢板杂物清洗干净，焊渣、凸点要磨平，牵移前在底钢板表面涂抹黄油，注意保护GINA 止水带不要受到油污污染。
表4 GINA 止水带压缩值记录表
2) 起始驱动时加强观察，若是因垫层钢板及管节防水底钢板之间吸附力作用，使静摩擦力转换为动摩擦力导致需要的动力过大时，需使用上层的千斤顶辅助管节牵移。
3． 4． 2 短管节轴线及平面控制
通过管节外部布设的监测点及计算机控制柜界面显示参数，密切监测待拉合管节的轴向水平与竖直偏差，确保短管节平面位置和标高符合以下要求: 1) 待拉合管节轴线的平面位置允许偏差＜ ± 1 cm; 2) 待拉合管节轴线的平面转角允许偏差＜ ± 0． 04°; 3) 待拉合管节的端钢壳中心标高允许偏差＜ ± 1 cm; 4) 待拉合管节的竖向转角允许偏差＜ ± 0． 03°。
3． 4． 3 拉合中GINA 止水带压缩量控制
1) E10 － 2 管节牵移到位后，将进行压缩GINA 止水带与E11 管节拉合连接工作。缓慢推动E10 － 2 管节，从E11 管节钢端壳面板与短管节GINA 止水带尖嘴部位局部接触开始，压缩GINA 止水带后，每拉合1 ～ 1． 5 cm，须暂停拉合检查GINA 止水带整圈受压状态，测量人员在有代表性的位置监测2 管节面板之间的距离，即测量GINA 止水带顶板、底板中间部位及四角压缩量; 重复上述步骤，不断压缩GINA 止水带，直至其整体压缩量达到80 mm 为止。
2) 若压缩过程中测量人员测出GINA 止水带压缩量最大偏差超过10 mm，须暂停压缩过程，计算机主控柜操作人员注意观察界面上的油压参数，控制对称位置的千斤顶组压力基本保持一致，通过调整千斤顶组的作用力来使GINA 止水带整圈均匀受压，调整完成后才可继续重复拉合施工。
3． 4． 4 压力平衡及轴线纠偏控制
1) 计算机主控柜操作人员要时刻注意界面上显示的油压参数，拉合过程中尽可能保证8 只千斤顶油压一致，使2 条横梁对称受力。
2) 时刻注意短管节的移动距离，控制短管节在移动时其左右侧对应千斤顶的行程一致。牵移起始时每个行程走10 cm 后暂停并立即测量2 管节的相对位置; 3 个起始行程( 即牵移30 cm) 完成后，每移动25cm( 千斤顶单次满行程) 暂停施工并测量，直至E10 － 2管节GINA 止水带尖嘴部位移动至离E11 管节端钢壳面板1 ～ 2 cm 处。
若监测中发现E10 － 2 轴线偏差超过2 cm，须通过千斤顶来纠偏，调整方法如下:
1) 可通过改变钢绞线受力角度( 移动E11 管节拉合横梁位置) ，往轴线偏移的反方向拖动E10 － 2管节。
2) 若监测发现轴线偏向，应把反向2 只千斤顶卸载，先拖动正向千斤顶行走3 ～ 5 cm，保持正向千斤顶压力，反向千斤顶行走相同行程，该过程能微调轴线偏差1 mm 左右，重复上述过程直至符合要求。
4 结论与建议
1) 从准备阶段、牵移阶段、拉合阶段及后处理阶段介绍南昌红谷隧道短管节干坞内拉合对接工艺及控制要点，利用计算机控制液压同步提升系统，通过液压数据、端钢壳间距量测，实现管节拉合对接过程中轴线偏差控制，保证GINA 止水带的压缩量，验证施工设备及施工工艺的可行性。
2) 短管节牵移、拉合过程中或多或少存在倾斜、偏移现象，建议勤量测，而尺量是较为直观、便捷的方法。通过改变钢绞线受力角度、千斤顶加( 卸) 载措施，可以达到管节纠偏效果。
3) GINA 止水带理论压缩值与实际压缩值存在差异性，施工中很难达到一致。建议富余5 mm 左右，以避免拉合后处理阶段张开的风险。
4) 在后处理阶段，建议PC 拉索连接紧固，并及早施作垂直剪切键间临时钢垫块及水平限位梁。
摘自：隧道建设