沉管隧道柔性抗震接头施工方法

摘要

沉管隧道柔性抗震接头施工方法属于建筑工程领域。本发明根据柔性抗震接头的基本形式，以套筒连接的预应力钢拉索纵向限位为主要特征，首先根据地基的基床条件确定管段接头刚度，并根据接头刚度进行管段抗震分析和进一步确定接头结构的形式和确定施工流程。本发明具有实质性特点和显著进步，构造简单，现场安装可行而方便；钢拉索在结构上更具柔性；避免接头渗漏；确保拉索的防腐；使接头在火灾时依旧具有水密、抗震等功能。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种沉管隧道施工方法，特别是一种沉管隧道柔性抗震接头施工方法，属于建筑工程领域。

背景技术

沉管隧道的管段接头是沉管工程的重要环节，它的接头应具有以下的功能和要求：首先是水密性的要求，即要求在施工阶段和日后运营阶段不渗漏；第二是接头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；第三是接头的构造要求受力明确，方便施工和保证施工质量。但是，由于能够满足上述功能和要求的管段接头不具备承担管段接头止水垫张力作用的能力，所以在管段最终接头施工时，必须在最终接头位置处设置临时支撑以防管段回退造成接头渗漏水，而采用了以套筒连接钢拉索为主要特征的管段柔性接头结构形式，不仅能够具有通常管段接头的功能，而且可在最终接头施工中用连接套筒将接头两侧的预埋钢拉索主体旋紧，使接头具有承担止水垫张力作用的功能。经文献检索发现，管敏鑫、高伟豪撰写的《沉埋隧道管段接头的设计与施工》，收录于《隧道及地下工程》1994年3月第15卷第1期第1~8页，该文介绍了自水力压接法问世以来，沉管隧道均采用柔性接头形式，该法利用作用在管段后部的强大水压力，通过水平千斤顶拉合，压接GINA止水带初步止水，然后从接头中抽水直至全部压接完成。之后在内侧安装“Ω”型橡胶止水带作第二道止水防线，满足管段接头的止水要求。如果管段处地震设防区，尚需在接头处制作垂直和水平剪切键，并安装“Ω”型钢板或连接拉缆。所以，一般在地震设防区的沉管隧道接头的构造为：1管段止水橡胶垫，2二次止水橡胶，3垂直剪切键，4水平剪切键，5高强接头连接件。管段止水橡胶垫，如GINA止水橡胶带，材料为天然橡胶或丁苯橡胶，是管段止水的第一道防线，也是限制管段纵向压缩的“弹簧”；二次止水橡胶，如“Ω”型止水带，是管段第二道防水线，并可在管内更换；垂直剪切键和水平剪切键可以是钢制，也可是混凝土结构，作用是限制管段的垂直和水平位移；高强连接件可以是“Ω”型钢板，也可是“M”型钢板，或连接拉缆，具有一定的抗拉功能，是接头纵向变位限制的主要构件，也是管段接头止水和抗震的重要保证。这些接头构造使地震区的柔性接头具有水密、抗拉、抗压、抗剪和抗弯的能力。但由于接头中的“Ω”型钢板和“M”型钢板是钢板屈曲而成，所以设置在接头中并非完全柔性；而接头拉缆虽可克服“Ω”型或“M”型钢板的缺点，但由于其构造设计的特点使得对接头的水力压接精度要求甚高，所以安装不十分方便。同时这两种形式的纵向限位构件均不能承担管段最终接头施工时的管段接头止水垫的张力。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种沉管柔性抗震接头施工方法，以实现施工期可承担接头止水垫张力作用，隧道运营使用时具有柔性防水抗震性能，保证管段最终接头的施工，以及安装方便，对沉放的精度要求又不高的目的。本发明的技术方案是这样实现的：本发明的施工方法具体如下：根据柔性抗震接头的基本形式，以套筒连接的预应力钢拉索纵向限位为主要特征，首先根据管段沉降和纵向变形计算结果确定管段接头形式，并根据管段接头形式进行管段接头抗震分析，进一步确定管段接头结构的形式和确定施工流程。以下对本发明进一步详细描述：

(一)根据管段沉降和纵向变形计算结果确定管段接头形式所采取的技术措施如下：

①根据地基的基床条件计算沉管隧道纵向沉降；

②根据温差变化计算在沉管隧道内引起的纵向温度应力或变形量；

③确定管段接头形式。

(二)根据接头形式进行管段接头抗震分析所采取的技术措施如下：

①根据沉管周围土与管段的相互作用关系，简化动力分析计算模型；

②根据抗震设计标准选择输入的地震作用；

③应用动力分析方法进行管段抗震分析。

(三)确定管段接头结构的形式所采取的技术措施如下：

①依据最高水位和最低水位资料，计算管段因温度变化、混凝土收缩、地基沉降和地震等因素产生的接头伸缩量，再考虑止水垫的松弛量、管段端面平整度误差和水密所需最小压缩量等，选择止水垫的规格和型号，并设计止水垫的合理固定形式；

②根据计算的接头轴向、横向和垂直位移量，依据各接头的水压力，选择二次止水橡胶带，并设计止水带的合理固定形式；

③根据允许剪切位移和材料剪切弹性模量，依据计算外力设计水平和垂直剪切键的结构和组数；

④根据钢拉索的张拉试验结果，在设计荷载下进行钢拉索结构设计，钢拉索由多股钢绞线、固定端锚头、定位套环、连接套筒、P锚挤压头构成。

(四)施工流程所采取的技术措施如下：

①在管段制作时安装固定橡胶止水带的钢端壳，并在端部结构制作时预埋钢拉索主体；

②管段沉放前在管段压接端安装第一道止水垫，并设置保护罩；

③管段沉放对接完成后在管段间隔腔内安装二次橡胶止水带；

④拆除封盖，将接头两端的预埋连接钢拉索主体成对抽出，用连接套筒将钢索旋紧连接，并采用千斤顶对钢拉索主体张拉预紧，以防松弛；

⑤对套筒外和钢绞线裸露部分分别采用橡胶热缩管和橡胶伸缩管包裹，然后通过油脂压注孔向钢拉索管腔内压注油脂进行防腐蚀处理；

⑥制作水平剪切键；

⑦待管段沉降稳定后，进行垂直剪切键施工；

⑧接头防火措施。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下施工例：

某沉管隧道工程江中沉管段长395m，由四节管段组成，其中一节长95m，其余三节长均为100m。四节管段依次由江北岸向江南岸沉放于桩基基础上，其中E1管段首先沉放，并与江北的连接井连接，接着沉放、连接位于江中部的E2和E3管段，最后沉放南岸坞口处的E4管段。管段沉放完成后，即采用围堰封堵方法将干坞坞口封闭，再将坞内的水排入江中，最后在干地施工条件下完成最终接头，即E4管段与隧道南岸结构的连接。沉管隧道采用水下对接形成的接头需在实施过程中考虑水密、抗震、变形和最终接头施工时的影响，以及施工便利等因素，具体如下：

(1)根据管段沉降和纵向变形计算结果确定接头形式

采用以Mindlin公式为依据的单向压缩分层总和法，计算各管段中点和管段与管段间接头位置的最终沉降，分析沿隧道纵向的沉降分布规律，计算结果如下：

  位置 E1管段  中点   E1、E2   接头处  E2管段   中点   E2、E3   接头处  E3管段   中点   E3、E4   接头处  E4管段   中点  沉降  (cm)  1.74  1.70  1.49  0.63  0.50  0.82  0.98

同时根据计算，当混凝土管段在温差为15℃条件下时，接头在平均最低水位(-0.48m)时的张开量为9.5mm，压缩量为4.8mm。

尽管由于采用桩基础管段沉降量较小，且纵向变形量也较小，但考虑到接头的抗震要求，还是采用较为柔性的接头形式为宜。

(2)管段接头抗震分析

采用质点-弹簧计算模型，应用振型分析法，对沉管输入地震波进行动力分析，计算管段地震响应的时程曲线。结果得到地震时的接头位移为2.5cm。

(3)确定接头结构形式

GINA止水带设计的主要参数如下：

根据GINA应力-应变特性曲线，选定GINA的型号为TB-ETS-130/160，其每环尺寸为22.3m×7.95m，转角采用135°折角连接，固定采用卡固方式。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)，GINA止水带能满足最小初始压接力(227kN/m)时的水密要求，且止水带100年总松弛量不超过初始总压缩量的54％。

“Ω”止水带的选型建立于GINA止水带选型的基础上，选择S240-40型“Ω”橡胶止水带，成型后的每环尺寸为21.8m×7.45m，转角采用135°折角连接。“Ω”通过压板固定在钢端壳的翼缘上，压板材料屈服强度为240N/mm²。止水带的水密性要求如下。

   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    30    30

根据管段沉放和运营等不同工况条件，采用三维有限元模型对管段进行受力分析计算。管段水平剪切键的设计结合地震分析所得的横向水平剪力情况，在每接头处共布置5对剪切键，设于接头底板位置处，每接头处垂直剪切键根据计算结果共布设2组，置于中隔墙端部。

根据抗震分析结果，在管段接头之间设置了根数不等的钢拉索，以既能在运营阶段用于轴向限位，又可在施工时承担一部分GINA橡胶止水带的张力，保证最终接头顺利施工。钢拉索由4股7ф5钢铰线、固定端锚头、定位套环、连接套筒、P锚挤压头等组成。根据计算，每接头钢拉索的配置如下：

   位置 江北连接井~E1   E1~E2    E2~E3    E3~E4   数量    30    40    44    38

为了验证钢拉索结构选型的合理，进行了钢拉索的张拉实验，以观测钢拉索两端锚具、中间连接器和钢铰线的受力变形情况。通过试验得出以下结论：钢拉索的延伸量和拉力成正比关系，在设计荷载作用下其变形处于弹性阶段，能约束管段接头在地震工况下的张开、并满足水密性要求。

(4)接头施工流程

①在管段制作时安装固定橡胶止水带的钢端壳，并在端部结构制作时预埋钢拉索主体

钢端壳的制作和安装的面不平整度小于3mm，垂直和水平误差不允许超过3mm。加工时每个钢端壳分为6块，先在厂内试拼，然后在现场拼接成框，随后根据测量放样出钢端壳底边线，利用靠模和调节丝杆将钢端壳定位。

待管节混凝土浇捣结束，即安装钢端壳面板。面板的安装也是采用分块拼接的方法。面板安装拼接前，在钢壳型钢外侧上、下翼缘上精放面板安装位置线，安装时即根据这上、下两根边线，将面板烧焊在型钢翼缘上。面板之间的拼接缝必须打磨平整，确保不平整度小于3mm。

面板安装结束后，向面板与型钢骨架之间的空腔压注水泥浆，水泥浆的28天强度不小于28MPa。

钢拉索的安装在管段制作期间进行。安装时根据每接头的数量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管段沉放前在管段压接端安装GINA止水垫，并设置保护罩

先安装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GINA展开，每隔150cm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，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安装牢固。

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。保护罩由钢架和木板组成。  ③管段沉放对接完成后在管段间隔腔内安装“Ω”橡胶止水带

“Ω”止水带的安装在管段沉放后进行。为了保证安全，“Ω”止水带必须在两管段接头的相邻封门拆除前完成。安装“Ω”止水带之前必须将接头冲洗干净。

“Ω”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，并固定止水带的上部一角点，接着按中间点固定的原则用压板将“Ω”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手反复拧紧，确保止水带压紧密贴。

为了安装方便，“Ω”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两层尼龙加筋丝的胶料粘上，然后再涂上粘接剂，贴上与“Ω”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。

“Ω”止水带安装完成后，即在GINA止水带和“Ω”止水带之间通过钢端壳的预留试压孔进行“Ω”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灌入，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。

④钢拉索安装

拆除封盖，将接头两端的预埋连接钢拉索主体成对抽出，用连接套筒将钢索旋紧连接，并对钢拉索主体张拉预紧以防松弛。

钢拉索在“Ω”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，最后旋紧套筒，使拉索预紧力达到3t。

⑤钢拉索防腐处理

对套筒外和钢绞线裸露部分分别采用橡胶热缩管和橡胶伸缩管包裹，然后通过油脂压注孔向钢拉索管腔内压注油脂进行防腐蚀处理

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。

⑥制作水平剪切键

“Ω”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。

⑦待管段沉降稳定后，进行垂直剪切键施工；

管段稳定后进行垂直剪切键施工。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沉放导向装置，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。

⑧接头防火措施；

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，在管段装饰时须在接头处设置1.5cm厚的防火板，保证接头1小时耐火1200℃的标准。

本发明具有实质性特点和显著进步，相比较该柔性抗震接头的实施具有下列优点：(1)管段端部用于GINA止水带安装和压接的钢端壳采用型钢加工而成，构造简单，且可通过型钢和面板分布实施的方法达到安装的精度要求，现场安装可行而方便；(2)GINA和“Ω”止水带的固定根据抗震分析的结果采用压板卡固方式，避免了穿孔固定的操作不便；(3)由于采用柔性钢拉索作为接头的抗震限位装置，使对接后的安装如同“Ω”型钢板或“M”型钢板一样可适应接头一定量的错位，安装便利，同时钢拉索又较两种钢板形式在结构上更具柔性；(4)管段对接完成后，通过对接头钢拉索的预紧，可以在最终接头施工时限制因压接力的消失而使GINA止水带松弛，避免接头渗漏；(5)管段接头钢拉索采用外包橡胶，内注油脂的方法确保拉索的防腐；(6)管段接头处采用防火板封盖，使接头在火灾时依旧具有水密、抗震等功能。