基于柔性水袋的沉管隧道壓載水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孫曉偉，李濤，2，3*，華曉濤，2，3，周興濤，王金緒

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，

湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.湖北文理學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053）

0 引言

沉管隧道是將預(yù)制好的管節(jié)浮運(yùn)安裝到水底基槽碎石墊層上，依次連接固定后進(jìn)行覆蓋回填，再將管節(jié)內(nèi)壓載水排出而貫通的隧道形式[1]。而壓載水系統(tǒng)是管節(jié)安裝作業(yè)中不可或缺的一部分[2]，管節(jié)要實(shí)現(xiàn)沉放必須通過(guò)壓載水系統(tǒng)增大自身的重量以克服浮力。目前普遍采用壓載水箱裝水來(lái)進(jìn)行壓載，如東京灣臨海公路隧道、釜山巨濟(jì)沉管海底隧道、港珠澳大橋島隧工程等。雖然這種水箱壓載水系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)很成熟，但壓載水箱是由鋼或鋼木結(jié)構(gòu)制作，需要在沉管底部水箱安裝的位置安裝好預(yù)埋件，水箱安拆施工復(fù)雜、成本較高[3-4]。因此，迫切需要一種新型壓載水系統(tǒng)來(lái)解決上述存在的問(wèn)題，而根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研情況，在同等裝水量的情況下，水箱成本約是水袋的2倍，水袋具有成本低、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，但是國(guó)內(nèi)外還尚未有對(duì)此的研究。

1 工程概況與特點(diǎn)

襄陽(yáng)市東西軸線道路工程魚(yú)梁洲段隧道項(xiàng)目全長(zhǎng)5 400 m，采用沉管方案2 次下穿漢江，沉管段總長(zhǎng)1 011 m。其中，漢江西汊布置4 節(jié)管節(jié)，合計(jì)351 m；東汊布置6 節(jié)管節(jié)，合計(jì)660 m[5-6]。東汊6 節(jié)管節(jié)包括1 節(jié)125.5 m、3 節(jié)120.5 m 和2 節(jié)86.5 m 管節(jié)；西汊4 節(jié)管節(jié)包括3 節(jié)86.5 m和1 節(jié)91.5 m 管節(jié)[7]。本工程所有管節(jié)設(shè)計(jì)干舷值15 cm，沉放最大縱坡為4.8%，管節(jié)沉放最深為25 m。項(xiàng)目如果仍然采用傳統(tǒng)壓載水系統(tǒng)，將面臨施工復(fù)雜、成本高的問(wèn)題，因此提出了一種基于柔性水袋的沉管隧道壓載水系統(tǒng)。

2 壓載水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 水袋壓載水系統(tǒng)總體布置

壓載水系統(tǒng)的布局主要受沉管長(zhǎng)度和沉管斷面的限制。原則上，裝水裝置應(yīng)該沿管節(jié)縱向和橫向都對(duì)稱布置，以使管節(jié)在浮運(yùn)和沉放作業(yè)期間的4個(gè)吊點(diǎn)受力均衡。本項(xiàng)目的壓載水系統(tǒng)采用柔性水袋進(jìn)行裝水，120.5 m 和125.5 m 的管節(jié)內(nèi)置6個(gè)水袋組，86.5 m 和91.5 m 的管節(jié)內(nèi)置4個(gè)水袋組，每個(gè)水袋組由2個(gè)大小相同的水袋組成。4 水袋組相比6 水袋組少了2個(gè)水袋組，因此下面以6 水袋組壓載水系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明，6 水袋組管節(jié)壓載水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 6 水袋組管節(jié)壓載水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置圖Fig.1 The structure layout of ballast water system of six water bag group

系統(tǒng)按管節(jié)行車道分別設(shè)置2 套獨(dú)立的管路系統(tǒng)，管路系統(tǒng)包括主水管路、支水管路和透氣管路，而支水管路包括排水泵支水管路、水袋組進(jìn)排水支管路和應(yīng)急排水支管路。除在一邊行車道設(shè)置一透氣管路外，其他管路沿管節(jié)中軸線對(duì)稱布置。

在2 條主水管路上各設(shè)置1個(gè)手動(dòng)蝶閥和電液開(kāi)度蝶閥，主水管路上的手動(dòng)蝶閥和電液開(kāi)度蝶閥為冗余設(shè)計(jì)，手動(dòng)蝶閥用于在緊急情況下關(guān)閉管路；在每條主水管路上、水袋組進(jìn)排水支管路的每個(gè)水袋進(jìn)水管路上各安裝1個(gè)電動(dòng)開(kāi)關(guān)蝶閥，共14個(gè)電動(dòng)開(kāi)關(guān)蝶閥；在管節(jié)沉放后由于縱坡導(dǎo)致的較低一端分別設(shè)置1個(gè)浮球開(kāi)關(guān)和應(yīng)急潛水泵排水支管路，每條應(yīng)急潛水泵排水支管路上各安裝1個(gè)潛水泵和手動(dòng)蝶閥，共2個(gè)浮球開(kāi)關(guān)、2個(gè)手動(dòng)蝶閥和2 臺(tái)潛水泵，用于管節(jié)緊急漏水情況下，通過(guò)潛水泵將漏水排至壓載水袋內(nèi)；在透氣管路上安裝1個(gè)截止閥。

在每個(gè)水袋組的進(jìn)排水支管路上安裝1個(gè)雙向流量計(jì)，共有6個(gè)雙向流量計(jì)，用于檢測(cè)水袋組水量；在每個(gè)水袋組的進(jìn)排水支管路上安裝1個(gè)壓力傳感器，共有6個(gè)壓力傳感器，用于檢測(cè)水袋組的壓力；在每臺(tái)排水泵的出口管道處安裝1個(gè)壓力傳感器，共2個(gè)壓力傳感器，用于檢測(cè)排水泵出口的壓力。

2.2 水袋壓載水系統(tǒng)器件選型

1）柔性水袋的選擇

水袋的作用是通過(guò)裝水增大管節(jié)的重量使管節(jié)下沉到基槽指定位置，管節(jié)沉放的過(guò)程分為：消除干舷、加載下沉和最終加載3個(gè)階段。消除干舷時(shí)往水袋內(nèi)加的水量正好使管節(jié)淹沒(méi)在水中；加載下沉?xí)r往水袋內(nèi)加的水量使管節(jié)的抗浮系數(shù)達(dá)到1.01～1.02；最終加載是管節(jié)沉放到位后繼續(xù)往水袋內(nèi)加水，使管節(jié)的抗浮系數(shù)達(dá)到1.05，從而穩(wěn)定管節(jié)[8]。因此水袋的大小由其最終所裝的水量決定，可以通過(guò)如下公式確定[9]：

式中：G 為管節(jié)的重量；N 為水袋內(nèi)水的總重量；F為管節(jié)的浮力；α 為抗浮系數(shù)。于是計(jì)算出各管節(jié)沉放階段的加水量如表1 所示，可知水袋需要的最大裝水量為205.15 m3，綜合考慮管節(jié)沉放的縱坡需求，水袋的最低性能需要在縱坡4.8%時(shí)能裝水205.15 m3。

表1 管節(jié)不同沉放階段的加水量Table 1 Water addition at different tube sinking stages

根據(jù)管節(jié)空間大小和水袋的制作工藝，最終確定單個(gè)水袋注滿水后的尺寸為15 m×6.5 m×3.5 m。水袋結(jié)構(gòu)采用內(nèi)囊、外網(wǎng)和涂層組成。內(nèi)囊材料采用PVC 進(jìn)行儲(chǔ)水；外網(wǎng)采用加筋編織布作為加強(qiáng)層，加筋帶寬度10 cm；涂層主要是增加水袋的摩擦力、防刺穿能力和防污能力。圖2 為水袋的現(xiàn)場(chǎng)加工圖。

圖2 水袋現(xiàn)場(chǎng)加工圖Fig.2 Field processing of water bag

2）管道的選擇

管路的選擇主要需要考慮管道進(jìn)排水時(shí)水流的速度、管節(jié)的沉放深度和管道的運(yùn)輸?shù)?。本水袋壓載水系統(tǒng)為保證管道安裝方便，采用鋼管和鋼絲橡膠管的組合連接方式，在直接與外部河水接觸處、各電動(dòng)閥門安裝處、各傳感器安裝處全部采用鋼管，其他地方則采用鋼絲橡膠管。除應(yīng)急排水管路以及透氣管路的大小為DN80 mm 外，其他所有管道大小為DN150 mm，管道最大長(zhǎng)度為10 m，鋼絲橡膠管壓力要求為0.6 MPa，鋼管壓力要求為1 MPa，各管路節(jié)段全部采用法蘭連接。

3）水泵的選擇

水泵包括排水泵和潛水泵，選擇排水泵的型號(hào)時(shí)，需要考慮管節(jié)沉放的深度、排水的效率；選擇潛水泵時(shí)，需要考慮水袋裝水后的壓力以及排水效率。因此，選擇的排水泵型號(hào)為：立式電動(dòng)自吸離心泵、流量150 m3/h、揚(yáng)程40 m、功率30 kW、電壓380 V，可在約7.2 h 將管內(nèi)裝完水后的所有水袋排空；選擇的潛水泵型號(hào)為：立式電動(dòng)潛水泵、排量25 m3/h、揚(yáng)程25 m，功率4 kW，電壓380 V。

4）壓力傳感器的選擇

壓力傳感器的選擇主要考慮壓力檢測(cè)范圍和檢測(cè)精度。壓力傳感器用于檢測(cè)排水泵出口和水袋組的壓力，因?yàn)楸竟こ膛潘脫P(yáng)程40 m 以及水袋最大高度3.5 m，因此選用的壓力傳感器量程為0～0.41 MPa，精度為0.5%FS，輸出信號(hào)為4～20 mA。

5）雙向流量計(jì)的選擇

由于水袋不是規(guī)則的形狀，不能像傳統(tǒng)水箱裝水那樣，采用壓力傳感器檢測(cè)水量，本工程采用雙向流量計(jì)檢測(cè)水袋組內(nèi)的水量，雙向流量計(jì)的選擇要考慮水流的流速，必須保證流速在雙向流量計(jì)檢測(cè)范圍內(nèi)。本工程采用電磁式雙向流量計(jì)，雙向流量計(jì)檢測(cè)范圍32～636 m3/h，信號(hào)輸出方式為4～20 mA+RS485，精度等級(jí)±0.5%。

6）閥門的選擇

閥門包括電液開(kāi)度閥、電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥和手動(dòng)閥，主要依據(jù)管道的大小和工作壓力選擇。本工程閥門選用標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)急排水管路以及透氣管路的閥門大小為DN80 mm，其他閥門都為DN150 mm，壓力都為1.6 MPa。

2.3 水袋壓載水系統(tǒng)的特點(diǎn)

本文所設(shè)計(jì)的水袋壓載水系統(tǒng)所具有的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在于：

1）管節(jié)內(nèi)布置6 組水袋，水袋直接放置在管內(nèi)，與傳統(tǒng)的水箱結(jié)構(gòu)相比，不僅減少了預(yù)埋件、焊接、切割等工作，而且降低了近50%施工成本。并且水袋使用完后還可用于路基壓載等其他工程。

2）創(chuàng)新型的采用水袋作為儲(chǔ)水裝置，水袋的水量由雙向流量計(jì)進(jìn)行精確測(cè)量，并用壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力，雙重保證水袋工作的安全。

3）在系統(tǒng)中管路的設(shè)置和控制閥的使用不僅可以保證進(jìn)出水流量的可調(diào)，而且可以在緊急情況下關(guān)閉管路，充分保證沉管沉放的平穩(wěn)和安全。

4）系統(tǒng)采用了2 條獨(dú)立的主水管路，管路采用帶鋼絲的橡膠軟管和鋼管組合安裝形式，降低了管路安裝的難度，提高施工效率。

3 水袋壓載水系統(tǒng)的進(jìn)排水工藝

壓載水系統(tǒng)的進(jìn)排水包括水袋的進(jìn)水、水袋的排水和結(jié)合腔的排水。水袋的進(jìn)水是靠河水水位的水頭差使水自流進(jìn)入水袋；水袋的排水是靠排水泵將水袋的水抽到管節(jié)外；結(jié)合腔的排水是靠已沉放管節(jié)的排水泵將管節(jié)對(duì)接結(jié)合腔的水抽到結(jié)合腔之外[10]。

當(dāng)管節(jié)需要進(jìn)水時(shí)，先打開(kāi)主水管路上的電液開(kāi)度蝶閥和電動(dòng)開(kāi)關(guān)蝶閥，再打開(kāi)需要進(jìn)水的水袋組進(jìn)排水支管路上水袋前的電動(dòng)開(kāi)關(guān)蝶閥，這樣就可以使水流入相應(yīng)的水袋。

當(dāng)管節(jié)需要排水時(shí)，先打開(kāi)主水管路上的電液開(kāi)度蝶閥，并關(guān)閉主水管路上的電動(dòng)開(kāi)關(guān)蝶閥，接著啟動(dòng)排水泵，再打開(kāi)需要排水的水袋進(jìn)排水支管路上水袋前的電動(dòng)開(kāi)關(guān)蝶閥，這樣就可以將相應(yīng)水袋內(nèi)的水排出。

結(jié)合腔的排水是由已經(jīng)沉放的管節(jié)完成。首先在已沉放管節(jié)內(nèi)連接另一段排水管，排水管通過(guò)已沉放管節(jié)端封門的水密門直達(dá)岸上，然后打開(kāi)透氣管路上的截止閥，使結(jié)合腔通大氣，接著打開(kāi)已沉放管節(jié)主水管路上的手動(dòng)閥以及水泵支水管路外圈上的手動(dòng)閥，并關(guān)閉水泵支水管路上內(nèi)圈上的手動(dòng)閥，最后啟動(dòng)排水泵，這樣就可以將結(jié)合腔的水排出。

水袋采用對(duì)角法進(jìn)行進(jìn)水和排水，為保證每個(gè)水袋水量計(jì)量準(zhǔn)確，同一水袋組的2個(gè)水袋不能同時(shí)進(jìn)水。

4 水袋裝水性能試驗(yàn)

為充分保證管節(jié)沉放的安全性，對(duì)水袋的裝水性能進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在本項(xiàng)目東津敞開(kāi)段4.8%的斜坡上進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)水袋裝水從0 注水到220 m3，此過(guò)程通過(guò)流量計(jì)觀察注水的流速以及注水量，采用壓力傳感器監(jiān)測(cè)水袋的壓力情況。在注水試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程中，水袋的高度和壓力都在不斷增加，但直至注水完成，水袋仍然完好無(wú)損，而且水袋也未發(fā)生滑移和滾動(dòng)現(xiàn)象。水袋的水量和壓力關(guān)系見(jiàn)圖3，可以得到以下結(jié)論：

圖3 斜坡試驗(yàn)時(shí)水袋的水量與壓力關(guān)系Fig.3 The relationship between water volume and pressure of water bag in slope test

1）柔性水袋在4.8%的縱坡上，裝水量最大為220 m3，壓力最大為0.035 6 MPa，并且在此水量下水袋仍然完好，其裝水性能滿足現(xiàn)場(chǎng)沉管沉放的實(shí)際水量要求；

2）水袋的抗滑性能完好，在4.8%的縱坡上，注水整個(gè)過(guò)程水袋都未出現(xiàn)滑移和滾動(dòng)，因此在管節(jié)內(nèi)水袋安裝時(shí)不需要其他固定裝置；

3）隨著水袋裝水量的增加，水袋壓力也會(huì)不斷增加，但水袋的水量與壓力并不是成正比關(guān)系。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于柔性水袋的壓載水系統(tǒng)已在襄陽(yáng)市東西軸線魚(yú)梁洲段項(xiàng)目東汊沉管全部安裝完成，并且至2021年3 月已安全沉放東汊E6、E5 兩節(jié)管節(jié)，上述水袋壓載水系統(tǒng)得到了實(shí)際應(yīng)用，效果良好，見(jiàn)圖4。今后隨著工程的推進(jìn)，該壓載水系統(tǒng)將得到進(jìn)一步完善。

圖4 已沉放管節(jié)內(nèi)水袋穩(wěn)定壓載Fig.4 Stable ballast of water bag in sunk pipe section

6 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種與傳統(tǒng)水箱壓載水不同的水袋壓載水系統(tǒng)，通過(guò)柔性水袋進(jìn)行裝水壓載，不僅降低了施工復(fù)雜程度，而且節(jié)省了施工成本。系統(tǒng)已在實(shí)際工程中得到了成功應(yīng)用，因此采用水袋作為壓載水系統(tǒng)裝水裝置完全具備可行性和可靠性。該系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用有力地支撐了依托項(xiàng)目，將推動(dòng)沉管隧道壓載水系統(tǒng)的研究與發(fā)展。