港珠澳大橋沉管隧道接頭防水技術(shù)

1、 港珠澳大橋沉管隧道接頭防水技術(shù)2016-06-17IBTC橋隧大會(huì) “超級(jí)工程”港珠澳大橋沉管隧道由33節(jié)巨型沉管對(duì)接而成，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長180m，由8個(gè)節(jié)段構(gòu)成，重約80000t，最大沉放深度超過45m，是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道工程之一。到目前為止，港珠澳大橋沉管隧道已經(jīng)完成了三分之二的沉管浮運(yùn)安裝施工，并在施工完成的沉管隧道中表面沒有濕跡，可見沉管隧道的防水、防滲設(shè)計(jì)要求之高。本刊記者有幸參觀港珠澳施工現(xiàn)場(chǎng)，并邀請(qǐng)上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院地下分院陸明副總工來介紹該工程的接頭防水設(shè)計(jì)與施工技術(shù)。工程概況 港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，連接香港、珠海和澳門，是一國兩制三地

2、的海上通道。項(xiàng)目東起香港大嶼山石灣，西至珠海拱北和澳門明珠，總長約356km，包括3項(xiàng)工程內(nèi)容：1)海中橋隧主體工程;2)香港口岸及珠海、澳門口岸;3)香港連接線、珠海連接線和澳門連接線。其中，海中橋隧主體工程?hào)|自粵港分界線，穿越銅鼓、伶仃西主航道以及青州航道、江海直達(dá)船航道、九洲航道，止于珠澳口岸人工島，總長約29.6km，島隧工程為海中橋隧主體工程的控制性工程，長約6.7km。 本工程的海底隧道采用沉管法施工，是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道之一。沉管隧道全長5664m，東、西島暗埋段各長163m，海中段采用W形布置，橫斷面寬度為37.95m，高度為11.4m，采用兩孔一管廊布置，沉管隧

3、道橫縱斷面圖如圖1、圖2所示。島隧工程建設(shè)的主要難點(diǎn)：1)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高。國家一級(jí)公路，雙向6車道，設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h;設(shè)計(jì)使用壽命為120年;地震基本烈度為度。2)水文氣象條件復(fù)雜。工程處于外海環(huán)境，臺(tái)風(fēng)頻繁，海流、涌浪復(fù)雜，受冬季季風(fēng)影響。3)海底軟基深厚。工程所處海床面的淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土深厚，下臥基巖面起伏變化大，基巖埋深基本處于50110m。4)受規(guī)劃中30萬噸級(jí)的航道(通航深度-29m)影響，隧道水深、埋深(回淤量)大。5)隧道距離超長。6)通航環(huán)境復(fù)雜。航線復(fù)雜，船舶流量大，最大日流量約4000艘次。7)環(huán)保要求高。工程穿越國家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物中華白海豚的保護(hù)區(qū)核心區(qū)。8)珠江口防洪

4、納潮要求高，阻水率要求控制在10%以內(nèi)。 在如此苛刻的條件下建設(shè)大型海底沉管隧道，已有的內(nèi)河沉管隧道建設(shè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程需求，需要進(jìn)行大量技術(shù)創(chuàng)新和突破?，F(xiàn)就海底沉管隧道的接頭防水技術(shù)為大家作一介紹。問題的提出 早年的沉管隧道管節(jié)采用的都是一體化剛性結(jié)構(gòu)，為了解決剛性管節(jié)的防水問題，只能嚴(yán)格控制地基沉降量?，F(xiàn)在，國外有多條沉管隧道的管節(jié)采用“柔性接頭”，在沉管浮運(yùn)和沉放過程中用預(yù)應(yīng)力拉索將各個(gè)節(jié)段串結(jié)成一體，在沉放后將其全部截?cái)?。港珠澳沉管隧道遇到的突出問題是深水基坑開挖施工和長期運(yùn)營中的嚴(yán)重回淤。盡管不斷清淤，回淤土仍有可能回到原高度且分布不均勻，導(dǎo)致深厚軟基土產(chǎn)生很大的沿隧道縱

5、向的不均勻差異沉降，因此選擇了柔性接頭的管節(jié)構(gòu)造形式。解決措施 沉管法隧道的接頭防水處于十分重要的地位，一般采用GINA、OMEGA兩種止水帶來承擔(dān)管節(jié)接頭防水任務(wù)。港珠澳大橋沉管隧道分為管節(jié)接頭與節(jié)段接頭防水。管節(jié)接頭防水主要由GINA止水帶和OMEGA止水帶組成;節(jié)段接頭為柔性結(jié)構(gòu)，主要設(shè)置噴涂型聚脲防水涂料、中埋式可注漿止水帶、OMEGA止水帶、遇水膨脹橡膠條。1管節(jié)接頭防水措施1.1 GINA止水帶 GINA型橡膠止水帶是管節(jié)接頭防水的主要構(gòu)件，也是管節(jié)接頭防水的第一道防線。它的優(yōu)點(diǎn)為止水效果好、水下作業(yè)少、施工工藝簡便、能節(jié)省接頭造價(jià)和提高接頭的施工質(zhì)量。GINA止水帶的止水原理為：

6、當(dāng)管節(jié)初步就位后，用自動(dòng)連接千斤頂把兩管節(jié)端頭連接好，壓緊GINA止水帶的鼻尖，起到初步止水功效，利用臨時(shí)隔墻間的水閥把隔墻間的水排除。GINA止水帶受到很大的靜水壓力而產(chǎn)生彈性變形，達(dá)到接頭止水，然后在內(nèi)部作永久性接頭。 港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)接頭的GINA橡膠止水帶的斷面構(gòu)造形式、斷面尺寸、壓力與壓縮變形特性根據(jù)管節(jié)接頭所承受的水壓及可能產(chǎn)生的最大變形量所確定，如圖3、圖4所示。 沉管隧道最小管節(jié)中心標(biāo)高為-7.2m，最大管節(jié)中心標(biāo)高為-38.7m，所以管節(jié)之間承受的水壓差別較大。對(duì)此，管節(jié)接頭采用同一尺寸斷面、不同硬度的橡膠來實(shí)現(xiàn)各管節(jié)GINA止水帶壓縮量較為接近的目標(biāo)。橡膠主體的硬度劃

7、分為40度、50度、60度、65度，所有GINA止水帶的壓縮量基本控制在121159mm。但為了確保GINA止水帶鼻尖止水功效的一致性，鼻尖硬度劃分為40度、50度、50度、50度。由于管節(jié)接頭處的端鋼殼采用的是單道端板的形式，端板與混凝土之間有一道接縫并且端板另一面的端部暴露在海水之中，這樣會(huì)使端板受到海水的雙面腐蝕，所以需要在接頭端部涂布環(huán)氧重型防腐材料，一方面可以遮蔽端板與混凝土的接縫，另一方面可以遮蔽迎海水面的端板端部。與此同時(shí)，端板與混凝土的接縫中設(shè)置了遇水膨脹止水膠、止水鋼片及預(yù)埋式注漿管，進(jìn)一步加強(qiáng)端鋼殼與混凝土的接縫防水。 沉管隧道管節(jié)接頭的GINA橡膠止水帶的固定采用卡箍方式

8、，如圖5所示，即采用焊接于端鋼殼上的壓塊和壓板，卡住安裝到位的GINA橡膠止水帶兩側(cè)的凸緣，起到固定就位的作用。其優(yōu)點(diǎn)在于不對(duì)GINA止水帶本身產(chǎn)生破壞，且安裝便利。缺點(diǎn)在于若管節(jié)接頭受到突然猛烈的沖擊，止水帶有可能會(huì)從卡箍裝置中脫落出來。 GINA止水帶的安裝為整環(huán)一次安裝到位，按照先頂板角部、再頂板、隨后底板角部、再側(cè)墻、最后底板的順序進(jìn)行安裝。管節(jié)浮運(yùn)前，頂板以及水面以下1m范圍內(nèi)的GINA橡膠止水帶應(yīng)設(shè)置臨時(shí)性保護(hù)罩，防止水上非固定物對(duì)GINA止水帶的破壞?，F(xiàn)場(chǎng)施工照片如圖6所示。1.2 OMEGA止水帶 OMEGA型橡膠止水帶是管節(jié)接頭止水的第二道防線，因其形狀與受水壓后的拉力線形狀

9、相吻合而備受青睞。管節(jié)接頭采用的是丁苯橡膠OMEGA止水帶，它的斷面尺寸、形式、適應(yīng)變形能力的要求由管節(jié)接頭所承受的水壓、三向位移的估算值、抗老化等要求決定，OMEGA止水帶斷面構(gòu)造圖如圖7所示。 OMEGA止水帶的固定方式采用杠桿式構(gòu)造，如圖8所示。具體固定原理是將雙頭螺柱插入燒焊在端鋼殼上的預(yù)埋套筒之內(nèi)，然后通過螺柱上面固定的螺母施加一個(gè)預(yù)緊力作用在壓板上，壓板的兩端分別是燒焊圓鋼和燒焊壓條，壓條壓住OMEGA止水帶的端部從而形成杠桿防水構(gòu)造措施。 OMEGA止水帶運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后，最終的接頭在安裝接近尾聲的時(shí)候才進(jìn)行連接，所以需要對(duì)最后的接頭預(yù)加工處理。在管節(jié)沉放和安裝OMEGA橡膠止水帶后，

10、按設(shè)計(jì)要求注水加壓檢漏(在管節(jié)底板接頭承受的水壓基礎(chǔ)上再人為加上5m水頭) 。2節(jié)段接頭防水措施 沉管隧道管節(jié)采用分節(jié)澆搗，節(jié)段交接處設(shè)有接縫，接頭采用4道防水措施，分別為厚2mm噴涂型聚脲防水涂料、遇水膨脹橡膠條、中埋式可注漿止水帶和OMEGA止水帶，4道止水措施配合水平向剪力鍵與豎向剪力鍵形成節(jié)段接頭防水。同時(shí)工程在節(jié)段接縫外側(cè)設(shè)計(jì)了一道鋼擋板，如節(jié)段接頭因地震張開后又迅速閉合，因鋼擋板的存在，不會(huì)對(duì)聚脲防水涂料造成損傷，確保了防水效果。2.1節(jié)段接頭外包防水層 整條隧道的混凝土管節(jié)是在工廠里預(yù)制完成的，采用輪軌系統(tǒng)一節(jié)節(jié)向前推進(jìn)，沒有外包防水措施。為了加強(qiáng)節(jié)段接頭的防水，設(shè)計(jì)人員在施工現(xiàn)

11、場(chǎng)充分調(diào)研了整個(gè)施工工藝，發(fā)現(xiàn)節(jié)段接頭恰好處于輪軌間隙的中部，所以可對(duì)接頭的頂?shù)装寮皞?cè)墻施作外包防水層。節(jié)段接頭外包防水層的材質(zhì)為聚脲防水涂料，在底板、側(cè)墻、頂板范圍形成全包防水。由于管節(jié)在沉放和安裝時(shí)，鋼纜會(huì)滑過管節(jié)的表面，且鋼纜的拖拽力較大，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本體造成損害，為了保證防水層的連續(xù)性和密封性，需要在頂板設(shè)置厚70mm的C20細(xì)石混凝土。2.2中埋式止水帶 中埋式可注漿止水帶主要由中埋式止水帶與注漿管組成，中埋式止水帶的材質(zhì)為丁苯橡膠與鋼片，注漿管的構(gòu)造如圖9所示。環(huán)形螺釘?shù)亩瞬亢椭顾畮У匿撨呁ㄟ^一個(gè)扣件連接，鋼邊端部設(shè)置表面結(jié)皮的氯丁海綿橡膠，氯丁海綿橡膠表面結(jié)皮是為了防止水泥漿進(jìn)入海綿

12、，使海綿固結(jié)。在壓漿時(shí)可使注漿液從海綿中順利壓出填充止水帶和混凝土之間的縫隙。注漿管端部的保護(hù)通過聚氯乙烯硬泡沫塊和封口袋把注漿管封住緊貼在模板上實(shí)現(xiàn)。 由于固定注漿管的環(huán)形螺釘在施工現(xiàn)場(chǎng)有斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致螺釘無法從注漿管中拔出，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置預(yù)埋式注漿管作為輔助注漿措施，預(yù)埋式注漿管通過塑料扣件固定，如圖10所示。所有注漿工作(包括預(yù)埋式注漿管注漿、中埋式可注漿止水帶注漿)要求在管節(jié)推入淺塢前完成，注漿材料采用環(huán)氧漿液，達(dá)到JC/T1041中固化物性能指標(biāo)中的II型要求。 工程采用的中埋式止水帶寬度為500mm，中埋式止水帶的短期抗水壓試驗(yàn)表明：在接頭張開90mm工況下，可承受0.9MPa水壓。中埋

13、式止水帶的200次循環(huán)抗水壓試驗(yàn)表明：在接頭張開45mm工況下，可承受0.5MPa水壓;接頭張開31mm工況下，可承受0.75MPa水壓。2.3 OMEGA止水帶 節(jié)段接頭與管節(jié)接頭設(shè)置的OMEGA止水帶較為類似，采用的OMEGA止水帶材質(zhì)為丁苯橡膠，底板與OMEGA止水帶配套預(yù)埋的角鋼上設(shè)置犧牲陽極塊?，F(xiàn)場(chǎng)安裝后，同樣需進(jìn)行注水加壓檢漏。安裝完畢照片如圖15所示。預(yù)埋角鋼與混凝土接縫之間設(shè)置預(yù)埋式注漿管與遇水膨脹止水膠形成雙道防水線，因遇水膨脹止水膠施工質(zhì)量良莠不齊，現(xiàn)場(chǎng)采用止水鋼片代替了遇水膨脹止水膠。 目前沉管最終水下接頭的形式還在討論中，估計(jì)在以下兩種形式中作出選擇：1)水下接頭為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)與兩側(cè)的預(yù)制管節(jié)為施