预应力管道节段接头施工关键技术及质量控制

2022-05-30刘端省

科学技术创新 2022年16期

刘端省

（中交四航局第二工程有限公司，广东广州 510300）

1 概述

根据大连市的城市总体规划，大连湾海底隧道将为大连新增一条纵贯南北、连接“一核”（东部核心区）和“一极”（金普新区）的快速通道，对缓解市区进出交通“瓶颈”、解决中心城区南北方向交通不畅问题、推动钻石港湾两岸一体化、打造大连沿海经济圈具有重要意义。其中大连湾海底隧道沉管预制除了具有超大工程所普遍存在的工期紧、规模大、难度高、风险大等特点外，还是北方首条海洋环境沉管隧道，国内首个干坞跳段法全断面沉管尺寸浇筑施工。

2 工程概况

2.1 工程结构及规模

大连湾海底隧道工程北起梭鱼湾规划20 号路向南通过隧道北岸接地点，隧道以沉管的形式下穿大连湾并在大连港三、四号码头之间登陆。隧道全线长约5098.227m，其中沉管海底隧道长3035m，由18 个管节组成，包括1 节135m、12 节180m 直线管节，5 节148m 曲线管节组成。隧道主线采用城市化快速路标准，设计速度60km/h，双向六车道规模，沉管管节采用两孔一管廊结构，管节标准断面尺寸180m×33.4m×9.7m，单个管节重约6 万吨，由8 个节段组拼而成。沉管管节采用干坞法进行预制施工，在梭鱼湾北岸陆域设置东、西两座干坞，采用两个干坞分批次预制，每个干坞每批次3 节。管节预制采用跳段式预制工艺，各节段混凝土独立浇筑，节段间设置节段接头，接头为柔性接头。预应力接头作为节段接头之一，施工质量直接关乎沉管的水密性，是沉管预制质量控制关键。

2.2 预应力孔结构介绍

在管节浮运和沉放前，需通过预应力筋张拉，使管节各节段纵向连为一个整体，并保证在施工过程中各节段接头处的压应力不小于最小压应力控制要求。管节于顶板布置24 个预应力孔道，底板布置22 个预应力孔道，其中42 束预应力钢束进行预应力张拉施工，另外4 个为预留管道。预应力钢束采用15-25 钢束型号，标准管节单根预应力管道由2 根10m 长塑料波纹管构成，S1、S8 节段采用1 根10m和1 根11m长的塑料波纹管构成。大连湾沉管隧道按柔性结构体系设计（E1～E18），预应力为临时预应力，在节段接头附近设置预应力剪断孔，在沉管安装到位、沉降稳定后的适当时机将预应力束剪断。节段接头孔道连接通过波纹管连接件实现，波纹管节段接头连接件由D160 孔径的PE管、D140 孔径的PE 管、防水密封圈、热缩套和O 形密封圈构成，预应力孔道波纹管节段接头连接件组成方式如图1所示。沉管预制完成并在管节强度达标后需对沉管进行管节的预应力张拉和压浆施工。预应力张拉采用后张法进行两端张拉、并左右对称进行，压浆采用真空辅助压浆工艺。

图1 预应力钢束构造布置图

2.3 预应力孔道施工方法

2.3.1 施工流程。预应力管道施工流程如下：先浇端波纹管安装→先浇端D140 管安装→先浇端O型密封圈安装→先浇端D160 管安装→先浇端防水密封圈安装→匹配端D140 管安装→匹配端O 型密封圈安装→匹配端D160 管安装→匹配端防水密封圈安装→匹配端波纹管安装。

2.3.2 波纹管固定。波纹管在顶板及底板钢筋绑扎过程中安装。波纹管为专门定制，长度约10m/根，每个节段的每根预应力管道使用2 根波纹管对接而成（如图3 所示），波纹管对接接头使用厂家提供的专用连接器进行连接。波纹管安装前，测量将波纹管精确位置放样在端头钢筋上，波纹管直接安装在预应力钢筋托架上，每隔400mm用一根C12的“U”型钢筋将波纹固定在托架上，如图2 所示。

图2 波纹管的固定示意图

图3 波纹管对接示意图

2.3.3 绞线下料及穿束。（1）钢绞线下料。钢绞线采用直径为15.2mm 的高强、低松弛钢绞线，其技术指标应符合国家标准GB/T5224 技术要求，标准强度为1860MPa，计算弹性模量为1.95×10^5MPa。现场钢绞线穿束使用穿束机进行，完成穿束后使用轮片式砂轮机切掉多余钢绞线，严禁采用电焊断料，下料的长度误差应控制在-10mm～+100mm以内。（2）钢绞线穿束。现场施工作业使用张拉架进行辅助施工，如图4，张拉架吊装到位后，应及时用钢丝绳与管节端钢壳螺栓连接，保证张拉架在张拉施工作业过程中的稳定性。同时，在张拉架顶部作业时要注意高空作业，施工人员佩戴安全带。

图4 预应力施工张拉架布置图

预应力钢绞线穿束使用自动穿束机进行穿束，在穿束端利用张拉架搭设穿束平台，穿束固定高度与预应力孔道基本保持平行，穿束机钢绞线进口端采用柔软管套进行保护，避免钢绞线被污染和磨损，穿束机每次穿束一根钢绞线,如图5 所示。

图5 穿束机穿束

穿束前在钢绞线头部安装塑料“子弹头”，如图6，人工将钢绞线头穿入穿束机中，启动穿束机穿束待钢绞线，在穿束过程中可根据需要在钢绞线上涂抹肥皂或石蜡等润滑剂，以减少钢绞线与预应力管道的摩擦系数。

图6 穿束子弹头

单根穿束完成后，使用砂轮机切断钢绞线，不得采用火焰或焊接切割。由于穿束机穿束速度快，要特注意穿束过程中预应力管道正对面要设立挡板，并将施工场地围避，避免钢绞线穿出时打伤路过行人。

2.3.4 先浇端节段接头施工。预应力管道在节段接头位置使用PE 管连接。PE 管使用嵌套结构，外侧使用D160管，内侧使用D140 管，波纹管与D140 管、D140 管与D160管利用热缩套进行连接。D140 管在先浇端安装时预留20cm 长度，用于匹配端管道安装时插入对接；D160 管与D140 管之间安装2 条O型密封圈，用于管道压浆过程中止浆防漏；D160 管外侧再安装1 条防水密封条，作为D160 管外侧防水、止浆措施。

2.3.5 匹配端节段接头施工

优先安装插入对接的匹配端内测D140 管道，而后D160 管与D140 管之间安装O 型密封圈，O 型密封圈在每个管道的每个匹配端节段接头处安装5 个，用于管道压浆过程中止浆防漏。同样在D160 管外侧再次安装1 条防水密封条，作为D160 管外侧防水、止浆措施；波纹管、D140 管道D160 管道仍采用热缩套连接。

2.4 施工质量控制难点

预应力孔道内管与外管间要求保证水密性，能满足0.6MPa 水压作用下水密性要求以便在沉管预制完成、强度达标后对沉管进行的管节预应力张拉、压浆施工。节段接头一旦密封不严，将导致预应力管无法抽真空，影响预应力孔道压降质量。同时本工程在节段接头处所有连接措施均为柔性接头，压浆过程中预应力孔道在接头处一旦有一处漏浆，浆液将随之蔓延至整条OMEGA止水带预埋件上，污染OMEGA 止水带预埋件进而影响到止水带安装面平整度。浆液附着在OMEGA预埋将防腐涂层后，需对其进行清理，在清理的过程将无法避免的会破坏预埋件原始的防腐图层，造成质量隐患。

2.5 质量控制难点分析

在西坞第一批次沉管预制中，发现预应力套管存在防水性能失效的情况，导致压浆过程中从节段接头处漏浆，压浆受影响较大。经研究及讨论发现预应力管道漏浆主要有两点可能：

2.5.1 波纹管节段接头处设计为PE 管直接对接，在先浇端浇筑过程中预埋D160 管，匹配端施工中D160 管对接处无止水措施，而D160 管对接缝直接处于节段接头处，现场水密封闭存在一定难度。

2.5.2 管道内侧的D140 管与外侧的D160 管间止水完全依靠管道中间的两道O型止水密封圈止水，而O 型密封圈在遇水前不会发生膨胀体积较小，管道密封性难以保证，经过7 道节段接头后预应力管道真空泵施工完全失效。对其性能分析发现在压浆过程中O 型密封圈从遇水至膨胀需要的时间过长，待其膨胀到位时，此条孔道压浆往往已经结束，压浆质量难以保证。

2.6 施工控制措施

2.6.1 波纹管节段接头工艺优化

为解决先浇端与匹配端D160 管间对接无防水措施的问题，拟对D140 与D160 套管间、D140 与波纹管间的工艺优化，增加2 道施工措施。如图7 所示。

图7 预应力节段接头措施图

①在节段接头接口处，于混凝土先浇端端面沿D140 外径涂抹一圈遇水膨胀止水胶，填满匹配端D140 塑料套筒与先浇端D160 套筒之间的间隙；而后待D160 管安装完成后再于混凝土端面处沿D160 塑料套筒外径再次涂刷一层遇水膨胀止水胶，加强两条D160 管道连接的紧密性。

②在先浇端浇筑前，每条D160 管外侧再增加一条60cm的热缩套，热缩套埋入先浇端30cm，匹配端预留出30cm。在先浇端混凝土浇筑前先对先浇端处进行热缩处理，待匹配端施工管道其他措施施工完毕后再对预留出30cm热缩套进行热缩处理施工。

2.6.2 波纹管O型密封圈

针对O型密封圈遇水膨胀但膨胀需要一定时间及膨胀后不收缩的特性，亦增加相应措施。在O型密封圈完全封闭前于D140 管道和D160 管道间放入一定量的淡水，使其在压浆前膨胀到位。同时在先浇端和匹配端的D140 管道和D160 管道间分别增加一条防水密封条和一道O型密封圈。使其由原来的2 到O 型密封圈止水增加为3 条O 型密封圈止水外再曾加一道防水密封条止水，通过增加止水措施的目的达到止水效果。预应力接头改进措施如图8 所示。

2.7 质量控制成果

通过对D140 与D160 套管间、D140 与波纹管间的工艺优化及增加O 型密封圈和防水密封条的措施，加强了波纹管接头密封性能、较好减少了压浆过程中的节段接头漏浆，提高压浆质量。同时压浆过程中水泥浆由孔道的节段接头渗漏情况得到了很好的控制，为后续节段间关键工艺OMEGA止水带安装提供了良好的作业环境。