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博斯普鲁斯海峡沉管隧道管段制作工艺研究
发布:2015-08-14    浏览:5441    来源:    【

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编者按:近年,沉管隧道施工工艺有着迅速发展,国内外相继施工完成了多条高难度、大规模跨海隧道,而土耳其的博斯普鲁斯海峡沉管隧道是迄今为止建造难度最大的沉管隧道之一。博斯普鲁斯海峡沉管隧道工程很好地控制了混凝土施工,满足了对隧道长期耐久性的要求。相对于已经建成的厄勒松海峡沉管隧道和在建的港珠澳大桥岛隧工程,其干坞选址及管段制作并未选择顶尖的工厂化生产工艺,而是结合当地环境,选择了邻近图兹拉市成熟的船坞改造而成;同时,其管段生产又不是单一的传统干坞浇筑,而是利用干坞环境允许的条件,建立了多个干坞,利用管段外包钢板自成船体的优势,形成了自有的流水化生产。这种准流水线生产方式大幅提高了管段的生产效率,也有效地控制了生产成本,性价比极高,是沉管隧道建设领域的经典案例。

  1.工程简介

  博斯普鲁斯(Bosphorus)海峡沉管隧道,又称为马尔马拉(Marmaray)隧道,是土耳其马尔马拉项目的一个部分。马尔马拉隧道是由长9.8km盾构法隧道、2.4km暗埋段和1.4km沉管隧道组成。该项目概况如图1所示,以施工难度闻名世界,主要有以下难点、特点:

  1)该隧道最大埋深达到58m,创世界沉管隧道埋深最深。

  2)该隧道位于博斯普鲁斯海峡,沉放区域洋流流速高、分层多变,上部水流与下部水流可能产生逆向,并产生高达6节流速差值,管节沉放条件极为恶劣。

  3)该区域位于地震活跃区,结构抗震要求高。

  4)博斯普鲁斯海峡狭窄且船只来往频繁,水面交通管理难度极大。

  5)盾构隧道与沉管隧道实施对接,难度和风险巨大。

  6)建设区域位于欧亚交界处,历史文化悠久,埋藏文物众多,环境保护难度大。

图1 博斯普鲁斯海峡沉管隧道概览图

  作为世界上最深的沉管隧道,管段顶部对管段受力性能和防水要求很高,管段浇筑方式和质量将直接影响管段的耐久性和抗渗性能。管段结构的防水不仅仅依靠使用低水灰比混凝土浇筑,保证管段结构不产生裂缝(特别是贯穿裂缝)也是非常重要的控制条件之一。由于博斯普鲁斯海峡隧道将直接面对超深水压作用,同时该区域在隧道使用寿命100年内是地震活跃区,这些非常规因素大大提高了隧道管段制作要求。

  面对诸多难点,为建成这条世界上最难的沉管隧道并满足100年的使用寿命,施工方面应对管段截面结构形式、耐久防腐和现场浇筑进行重点控制。

  2.博斯普鲁斯沉管隧道管段形式

  2.1结构形式

  2.1.1概述

  博斯普鲁斯沉管隧道由11个管段组成(E1~E11),长度为98.5~135m。管段截面宽度15.3m,高度8.6m,由1道中隔墙分割为双管廊,提供2列轨道列车运输。管壁厚度为:底板900mm,外侧墙1000mm,中隔墙600mm,顶板800mm,管段采用三面外包钢板,内部浇筑混凝土结构,顶部加橡胶防水膜的形式组成。具体管段和截面形式如图2、图3所示。

图2 单节管段示意图

图3 管段截面图

  2.1.2端钢壳和接头

  管段两端的端钢壳是由内外钢壳和中间混凝土结构组成的“钢混三明治结构形式”,如图4所示。管段端头由钢封门密封。两端端钢壳需施工平整,以适应GINA橡胶止水带压缩密封。工程中GINA橡胶止水带仅作为临时密封,在对接完成后,橡胶止水带内侧将焊接钢板密封,同时浇筑钢筋混凝土连接件作为永久结构。通过止水带、钢板和钢筋混凝土连接件共同作用,形成有效的防水、耐久性能,如图5所示。

图4 钢混三明治形式的端钢壳结构

图5 管段接头处理图

  2.1.3结构防水

  沉管结构防水将使用外部防水膜处理[2],同时管段自身混凝土结构也具备良好的防水性能。为了给管段提供更好的防水处理,管段侧墙外部和底部包裹一层7mm厚密封钢板,顶部喷涂一层橡胶防水膜,如图6所示。

图6 管段外部钢壳图

  2.2结构防蚀

  2.2.1钢材防锈蚀处理措施

  为使得结构外部的钢板和结构内部的钢筋满足100年使用寿命,工程采用阳极牺牲法在结构外部钢壳上安放锌条进行保护。锌块的分布如图7示,每节管段外部钢壳焊接了222~314块(约107.8kg)锌块进行保护。

图7 锌块分布示意图

  管段外3个表面覆盖着密封钢板,保护钢板不被锈蚀是有效防水的重要措施。为有效掌握防腐蚀处理效果,将采用一系列电极电位测试,对管段外表钢壳上的锌保护块进行监测。管段内部钢筋采用二氧化锰(MnO2)对比电极进行监测。二氧化锰对比电极将与外壳锌块电极监测结合安装,每节管段都安装这种监测电极同时监测保护管段钢筋和外部钢壳。

  2.2.2氯离子渗透监测

  施工区域位于博斯普鲁斯海峡,海水中氯离子含量较高,如果有大量氯离子渗漏入结构,对混凝土耐久性将产生重大影响。为对氯离子进行密切监测,将在管段外侧每400m纵长布置一处监测系统。每套监测系统在管段接头附近,邻近顶板外防水膜处预埋不锈钢和低碳钢制作氯离子监测设备、零内阻安培计等,对管段外的洋流进行氯离子浓度监测。隧道全线布置了3处氯离子监测系统,分别是E3、E6和E9管段接头处。

  3.管段制作施工

  3.1干坞

  博斯普鲁斯沉管隧道管段制作是在2个干坞和1个临时系泊码头内进行的,如图8所示。坞址位于隧址以外40km的图兹拉市的图兹拉海湾(Tuzla Bay)。图兹拉海湾是著名的船厂基地、优良的港湾基地,其毗邻市区,是良好的坞址选择。干坞分为干坞1和干坞2,每个干坞可同时容纳2节管段进行施工。2个干坞同时制作管段的下半部分。

  管段制作的顺序是:干坞1和干坞2内同时进行管段制作,干坞1内先进行下半部分管段制作。待管段下半部分完成后(如E1、E2),利用管段外部钢壳与端钢壳形成的舱体,作临时船体拖出至临时码头再进行管段上半部分制作,此时干坞2内E3、E4的下半部分也在同步制作中。待E1、E2上半部分浇筑完成并拖出沉放后,将干坞2内E3、E4同样拖出至临时码头进行上半部分制作,此时,干坞1内已经在生产E5、E6下半部分。以此类推,进行流水式生产作业,满足隧道沉放需求。

  临时系泊码头的容量为2节,码头内搭建临时平台,方便混凝土搅拌车和泵车的进入及浇筑施工。

图8 干坞概览图

  3.2全断面浇筑试验

  在混凝土的级配、骨料、化学添加剂以及拌制方式确定后,为得到最佳浇筑效果和大体积混凝土浇筑的养护处理,由业主要求,在现场进行了全断面浇筑试验。通过实体试验,给实际浇筑施工提供重要参考。

  第一阶段试验进行了1.3m的混凝土块浇筑,以确定最佳的搅拌时间、运输时间、可泵性、振捣技术和混凝土重塑过程。并且由试验室对该试块取芯测试,测得试验混凝土的性能。第二阶段试验浇筑了长5.5m的全断面试件。通过试验确定了现场施工的混凝土浇筑工序,包括施工工艺、施工方法等。

  同时对断面浇筑过程进行了数值模拟,通过有限元分析,模拟了浇筑后的混凝土水化热温度变化,关于模拟混凝土性能、新拌混凝土和周围温度、模板选型、模板拆除时间等方面,给施工提供了重要参数。实体浇筑试验和数值模拟如图9所示。

图9 实体浇筑及数值模型示意图


  3.3混凝土浇筑

  在全断面试验和数值模拟分析之后,利用得出的经验,进行了正式浇筑施工。

  管段浇筑是在2个坞内分两大部分完成的,每个干坞内可存放浇筑2节管段。施工方采用了减少垂直施工缝的工艺,以确保管段防水性能。首先,将管段底板、侧墙外的密封钢板安装完成,并且将底板钢筋绑扎完成。随后,进行第一部分浇筑施工,第一部分浇筑分为2步完成:第一步,在干坞内通长浇筑管段底板;第二步,在干坞内绑扎完成侧墙和中隔墙的下半部分钢筋并通长浇筑,干坞内施工平面布置如图10所示。考虑到第一步底板浇筑后随时间的推移,底板刚度增加会引起对第二步浇筑的侧墙和中隔墙的下半部分额外的抵抗应力。为降低对后浇结构的应力影响以及混凝土之间施工缝影响,底板和下半侧墙的2步浇筑的时间间隔限定为14d。长时间间隔会引起新旧浇筑的混凝土之间产生温差,收缩不均,对结构防水不利。因此在底板浇筑后,侧墙和中隔墙的钢筋绑扎、墙体模板的竖立必须及时有效,一旦延长了间隔时间,对结构的防水性能影响很大。管段第一步和第二步浇筑断面如图11所示。

图10 坞内浇筑施工平面布置图

图11 第一部分第二步浇筑墙体下半部分施工示意图

  第一部分浇筑完成后,先进行侧墙、中隔墙的上半部分钢筋绑扎,再竖立模板。然后将带有钢筋网架的半节管段拖运出坞,停靠临时系泊码头,绑扎管段顶板钢筋。在码头平台上进行上半部分管段浇筑及养护,即第二部分浇筑。待养护完成,沉放需要时,对管段进行双驳船舾装,投入沉放施工。

  第二部分浇筑:在漂浮状态下,管段的上半部分割为6块进行浇筑(即第三步浇筑施工)。在第三步浇筑施工中,后浇筑部分与已浇筑部分接触后,混凝土早期发展可能立刻产生变形并生成早期裂缝。因此,上半部分浇筑被划分为6块,按顺序进行间隔式浇筑施工。通过计算分析,中间2块还存在产生早期开裂的可能。为了减少因变形造成的早期裂缝,管段上部分还施加了额外张拉力组件。同时考虑到混凝土内外温度以及因早期变形可能造成裂缝等多重因素,设计了间断分块、分层浇筑施工。分块浇筑施工顺序如图12、13所示。这样有效地减少开裂的可能,管段施工质量得以保证。

图12 管段分块浇筑施工顺序图

图13 管段分层浇筑截面示意图

  3.4混凝土养护工作

  管段暴露的混凝土面养护由湿润土工布覆盖进行。湿润的土工布养护于混凝土表面是为了保护混凝土水分蒸发过快,同时还防止混凝土表面温度下降过快,增加内外温差,防止由内外温差导致混凝土开裂。混凝土表面的养护工作应及时进行。

  3.5模板拆除

  管段模板在混凝土强度达到75%以后才能进行拆除,而暴露的混凝土表面在强度达到90%以前都需要进行湿润养护,防止蒸发过快产生混凝土开裂。混凝土的成熟度每天都需要进行计算,结构内关键部位安装有热电偶,每15min测量一次温度,计算和测量其温度值是否合理,对模板拆除及养护工作起重要参考作用。

  3.6浇筑后的检查

  在管段养护完成后,先进行管段表面检查,确认结构表面是否存在浇筑中产生的瑕疵、开裂或几何缺陷。之后应进行修缮并填写一份维修报告,记录内容有维修点位置、表面缺陷的性状、裂痕形状、维修处将使用何种预先测试过的维修方法以及修缮过程中的处理操作。

  另一项重要的检查工作是对管段顶板面积15%以上的混凝土表面和防水橡胶膜部分进行检查,确保顶板的防水性能。

  4.结语

  工程中的混凝土浇筑施工的各项控制工作,包括防水处理、大体积结构混凝土浇筑工艺以及混凝土养护等都得到了成功应用。通过这些有效的措施,完成了世界上沉管隧道施工难度最大的博斯普鲁斯施工隧道。该工程富有成效的建设经验,对今后实施相应类似工程或类似工艺,如大体积混凝土结构制作、沉管隧道相应施工等等都有重要的指导作用和良好的借鉴意义。作者:宿文德(文章略有删改)



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