大流速高位差過江沉管隧道典型工程
——南昌紅谷隧道

大流速高位差過江沉管隧道典型工程
——南昌紅谷隧道

1 工程意義

南昌市是我國唯一一個與長三角城市群、珠三角城市群和海峽西岸城市群相毗鄰的省會城市。位于南昌市發(fā)展中心區(qū)、連接兩岸的越江核心通道——八一大橋和南昌大橋日漸繁冗，緩慢的通行速度直接制約紅谷灘CBD新區(qū)的快速發(fā)展。為緩解這2座相距僅3.7 km大橋的交通壓力，在兩橋之間采用沉管法修建了世界上首座江河中游沉管越江隧道——南昌紅谷隧道。

紅谷隧道的建設將開辟一條新的過贛江通道，實現過江隧道覆土最淺、線路最短、房屋零拆遷、與兩岸多條路網快速銜接、直進直出、無需繞行、快速過江的交通方式； 不遮擋鄰近的地面滕王閣等歷史名勝古跡，可最大程度地保護自然和人文環(huán)境，有效減小對周邊環(huán)境的干擾，避免對贛江兩岸旅游觀光帶的破壞，有效保護國家文物的原始風貌，同時減少對城市核心地段建筑物的拆遷及改移，有效節(jié)約建設用地； 有力促進南昌市實現“沿江而下，雙城夾江”的城市格局，大大提升南昌新城“國際花園”的城市形象，極大促進贛江兩岸經濟發(fā)展。

2 工程概況

紅谷隧道工程平面和剖面布置見圖1。主線全長2 650 m，江中段為直線沉管隧道，長1 329 m； 兩岸采用明挖與沉管對接。東岸7條明挖匝道均為單向雙車道，以水下互通立交形式與3條既有城市快車道銜接； 西岸主線為雙向4車道，下穿1個“T”型路口和2個“十”字路口，并設2座與主線并行的明挖匝道，為直行單向雙車道。在隧址上游設置1座獨立干塢(分為2個子塢)進行管節(jié)預制。管節(jié)從干塢(上游)至隧址(下游)浮運距離為8.51 km，采用5艘大馬力拖輪順江而下，拖運管節(jié)穿越既有3座大橋至隧址沉放與對接。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

隧址地層自地表向下依次為素填土、淤泥質粉質黏土、細砂、粗砂、礫砂、圓礫、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖、微風化泥質粉砂巖、鈣質泥巖。場地地表水主要為贛江地表水。地下水有3種類型: 1)上層滯水； 2)第四系松散巖類孔隙水為潛水，局部承壓，主要賦存于第四系全新統(tǒng)(Q4al)沖積層、細砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫、卵石層中； 3)地下水主要受贛江及撫河地表水體的側向補給，地下水受人為開采影響小，含水層滲透性較好。

3 工程重難點及解決方案

3.1工程重難點

1)百萬m3巨型圍堰； 2)水下立交深大基坑群； 3)40萬m3水下巖石炸礁； 4)異地干塢和8.51 km航道開挖與管節(jié)浮運； 5)6條生產線平行預制6節(jié)管節(jié)； 6)12套4 000 t超大模板臺車多次轉場； 7)超大體量管節(jié)預制混凝土防滲抗裂； 8)管節(jié)浮運穿越小凈跨橋梁； 9)急流回旋區(qū)管節(jié)調頭； 10)江河中游和水位落差10 m條件下水力壓接管節(jié)； 11)12節(jié)管節(jié)沉放對接軸線精度控制； 12)時隔半年沉放管節(jié)的接頭差異沉降等。

3.2解決方案

3.2.1 特大特高型充砂長管袋圍堰防滲穩(wěn)定技術

通過建立充砂長管袋圍堰穩(wěn)定分析簡化模型，提出圍堰穩(wěn)定計算公式，進行圍堰內外部穩(wěn)定分析，并建立圍堰三維數值模型，分析多種工況下圍堰受力及變形情況。從塑性混凝土防滲性能、充砂長管袋受力與變形以及充砂長管袋圍堰穩(wěn)定性3方面對紅谷隧道圍堰工程進行理論分析，并結合工程實際，指導膜袋材料選取、接縫縫紉工藝、管袋沉放定位、塑性混凝土配合比設計、防滲墻施工等圍堰關鍵技術，形成由充砂長管袋+塑性混凝土墻+鋼筋混凝土墻組成的大型臨時圍堰(見圖2)施工技術。

(a) 示意圖

(b) 實物圖

3.2.2 大體積混凝土防滲抗裂技術

通過室內試驗對膠凝材料優(yōu)化并選取最適合的混凝土配合比，并對混凝土配合比進行現場試驗，實時控制并保證優(yōu)選的混凝土配合比。在大體積混凝土溫度應力控制方面，先通過對相應混凝土試澆塊進行試驗分析，得出溫度變化規(guī)律，然后在施工中采取相應的措施控制溫度裂縫，詳細研究施工中信息化控制溫度和預埋循環(huán)冷卻水管施工技術。

在施工的每個階段將理論研究結果和措施應用到實際施工步驟中，從混凝土的拌制與輸送、澆筑與搗固以及表面處理與養(yǎng)護技術3方面進行詳細分析研究，總結分析具體施工中采取的防滲抗裂措施。

3.2.3 沉管隧道管節(jié)沉放對接施工技術

普通管節(jié)采取單體預制、單體浮運、水中沉放對接，而最后1節(jié)管節(jié)E10-2&E11管節(jié)則采取在干塢內分2節(jié)(分為長管節(jié)和短管節(jié))預制完成并達到設計強度后在干塢內進行陸地拉合對接。在陸地拉合中要控制GINA止水帶壓縮量，若測出GINA止水帶壓縮量最大偏差超過允許值，必須暫停壓縮，注意油壓參數，使對稱位置的千斤頂組壓力基本保持一致，通過控制千斤頂組的作用力來調整GINA止水帶使其整圈均勻受壓，調整完成后才可繼續(xù)重復拉合施工。

管節(jié)沉放因施工過程繁瑣，難免出現施工偏離設計的情況，本工程通過管節(jié)沉放過程中的逐節(jié)糾偏處理使得后續(xù)管節(jié)按照設計精度順利完工。由于管節(jié)沉放跨年度，時間間隔長，砂盤基礎有可能產生不均勻沉降，對這種差異沉降及其對管節(jié)間柔性接頭影響的判定是面臨的技術難題。通過對地基剛度變化幅值及模式、縱向差異沉降容許理論以及三維沉管隧道管節(jié)數值模擬分析，得到適當的差異沉降對接處理方法。

3.2.4 沉管隧道基礎灌砂效果檢測及處理技術

采用沖擊映像法對紅谷隧道基礎灌砂施工進行實時監(jiān)測、成像處理及灌砂效果實時評價。現場監(jiān)測及試驗結果表明，通過波形的可視化處理、沖擊響應能量及頻譜處理相結合的方式，沖擊映像法能夠很好地實時監(jiān)測和反映灌砂過程中砂液的分布狀況。根據灌砂前和灌砂過程中的波形分析、沖擊響應能量分布以及頻譜分布的變化，能綜合判斷灌砂擴散半徑和充盈程度。

根據紅谷隧道各管節(jié)的現場沉降量觀測結果，可知沉管隧道基礎的承載力滿足設計要求，證明紅谷隧道基礎灌砂模型試驗和施工工藝正確合理。

3.2.5 超長距離管節(jié)浮運及穿越小凈距橋梁的管節(jié)姿態(tài)控制和橋墩保護技術

紅谷隧道共12節(jié)沉管，施工跨越2個年度，先后浮運穿越小凈跨南昌大橋(見圖3)。沉管管節(jié)浮運過橋時，通過對浮運線路和管節(jié)姿態(tài)的精準控制，并采取偏上游浮運方式，安全順序穿越南昌大橋。針對南昌大橋主墩的特點及通航條件，在橋墩承臺臺階處至橋墩范圍內設鋼導向柱支撐系統(tǒng)，在承臺周圍設置筒形自浮式復合材料防撞設施，用以保護橋墩。管節(jié)浮運過程中，在橋墩上設置自浮式防撞浮筒是非常必要的，尤其對指揮拖輪編隊拖帶管節(jié)順利過橋團隊人員的心理鎮(zhèn)定有著十分重要的作用。

圖3 拖航編隊穿越小凈跨橋梁(凈跨62 m)

3.2.6 江河沉管隧道水下立交深基坑關鍵技術

針對贛江東岸老城區(qū)現行多條快車道與過贛江隧道難以銜接通行的瓶頸問題，紅谷隧道采用“5Y+3X”新型水下立交橋模式，修建我國首個水下疏散中心匝道基坑群(見圖4)，實現過江隧道內車輛的多點疏散和快速分流，在水下實現過江隧道與贛江兩岸道路網的全面快速對接，并且在隧道中每隔200 m設置疏散橫通道，隧道內一旦發(fā)生事故，可以通過橫通道迅速疏散人員至逃生通道，逃生通道直通岸上，可以實現運營期間的全方位防災疏散。

圖4 東岸水下立交匝道基坑群

4 工程主要技術創(chuàng)新

1)建立內河流域管節(jié)浮運過程風險節(jié)點分析體系，探索管節(jié)在浮運過程中的水流阻力性能，深入研究內河沉管法隧道管節(jié)浮運水文窗口選擇，提出管節(jié)浮運流速限值，發(fā)明綁拖工裝架，實現“拖輪綁拖與吊拖相結合、岸上地錨與水中錨塊相結合及設置工程船輔助”的管節(jié)浮運方式(見圖5)，解決大流速條件下管節(jié)浮運姿態(tài)控制問題。

圖5 狹窄航道沉管浮運方式

2)進行動水作用下沉管隧道接頭力學特性分析，揭示高水位差及地基不均勻影響下沉管接頭結構受力機制與變形規(guī)律，提出不同水位與流速下長距離管節(jié)最終接頭的施工方法； 在對接精度監(jiān)測的基礎上，形成管節(jié)沉放時間間隔長引發(fā)不均勻沉降狀態(tài)下止水帶、干塢內管節(jié)對接、江河內沉放與對接、軸線糾偏等的長距離、高精度管節(jié)對接技術體系。

3)發(fā)明“自動測量、實時傳輸計算、可視化輸出為一體”的管節(jié)沉放監(jiān)控系統(tǒng)(見圖6)，實現管節(jié)沉放全過程可視化監(jiān)控。研制出一種新式的絞車式管節(jié)沉放吊駁下放裝置(見圖7)，實現管節(jié)快速平穩(wěn)沉放。

圖6 管節(jié)沉放可視化監(jiān)測系統(tǒng)

圖7 絞車式管節(jié)沉放吊駁下放裝置

4)構建下部采用三軸攪拌樁+塑性混凝土墻、上部采用鋼筋混凝土墻的臨時圍堰綜合防滲體系，研發(fā)塑性混凝土防滲墻，開發(fā)了塑性混凝土防滲墻和鋼筋混凝土擋墻相結合的防滲系統(tǒng)，實現有效防洪。

5)研發(fā)沉管隧道基礎灌砂1∶1模型試驗平臺裝置及試驗方法，揭示灌砂過程中砂積盤的擴展方式及其規(guī)律，構建扭矩式液壓泵及馬達功率回收測試平臺，實現灌砂設備的測試； 創(chuàng)造性地將沖擊映像法和全波場無損檢測技術相結合應用于沉管隧道基礎灌砂大比例尺模型試驗檢測中，揭示灌砂過程中的砂流擴展半徑、相鄰灌砂孔間的相互影響規(guī)律、砂積盤的充滿程度以及各影響參數之間的相關關系，形成了一種快速、簡便且有較好適用性的內河沉管隧道基礎灌砂過程與效果監(jiān)測和評價的新技術。

5 工程工期及獲得榮譽

5.1工程工期

紅谷隧道自2014年4月開工，已于2017年5月31日竣工，僅用38個月即建成通車。

5.2獲得榮譽

1)獲得實用新型專利38項，發(fā)明專利31項(其中取得證書8項、獲得授權8項、其余15項已受理處于審查階段)，國家軟件著作權1項；

2)取得省部級工法13項，QC成果11項(含2項國家級)；

3)獲得2017年度河北省科技進步二等獎；

4)已在核心期刊上發(fā)表論文36篇；

5)出版《大流速高位差過江沉管隧道關鍵技術——南昌紅谷隧道》著作1本；

6)榮獲中國中鐵節(jié)能減排標準化工地、江西省五一勞動獎狀等榮譽，并獲得南昌市優(yōu)質結構工程獎、江西省建筑結構示范工程等工程質量獎。

6 工程參建單位

建設單位： 南昌市政公用投資控股有限責任公司。

設計單位： 中鐵隧道勘測設計院有限公司、南昌市城市規(guī)劃設計研究總院。

施工單位： 中鐵隧道局集團有限公司。

監(jiān)理單位： 江西中昌工程咨詢監(jiān)理有限公司。

7 供稿人

中鐵隧道局集團二處有限公司，李志軍。