港珠澳大桥沉管隧道接头防水技术

港珠澳大桥沉管隧道接头防水技术2016-06-17“超级工程”港珠澳大桥沉管隧道由33节巨型沉管对接而成，每个标准管节长180m，由8个节段构成，重约80000t，最大沉放深度超过45m，是目前世界上综合难度最大的沉管隧道工程之一。到目前为止，港珠澳大桥沉管隧道已经完成了三分之二的沉管浮运安装施工，并在施工完成的沉管隧道中表面没有湿迹，可见沉管隧道的防水、防渗设计要求之高。本刊记者有幸参观港珠澳施工现场，并邀请上海市隧道工程轨道交通设计研究院地下分院陆明副总工来介绍该工程的接头防水设计与施工技术。工程概况港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，连接香港、珠海和澳门，是一国两制三地的海上通道。项目东起香港大屿山石湾，西至珠海拱北和澳门明珠，总长约356km，包括3项工程内容：1)海中桥隧主体工程;2)香港口岸及珠海、澳门口岸;3)香港连接线、珠海连接线和澳门连接线。其中，海中桥隧主体工程东自粤港分界线，穿越铜鼓、伶仃西主航道以及青州航道、江海直达船航道、九洲航道，止于珠澳口岸人工岛，总长约29.6km，岛隧工程为海中桥隧主体工程的控制性工程，长约6.7km。本工程的海底隧道采用沉管法施工，是目前世界上综合难度最大的沉管隧道之一。沉管隧道全长5664m，东、西岛暗埋段各长163m，海中段采用W形布置，横断面宽度为37.95m，高度为11.4m，采用两孔一管廊布置，沉管隧道横纵断面图如图1、图2所示。岛隧工程建设的主要难点：1)建设标准高。①国家一级公路，双向6车道，设计时速100km/h;②设计使用寿命为120年;③地震基本烈度为Ⅶ度。2)水文气象条件复杂。工程处于外海环境，台风频繁，海流、涌浪复杂，受冬季季风影响。3)海底软基深厚。工程所处海床面的淤泥质土、粉质黏土深厚，下卧基岩面起伏变化大，基岩埋深基本处于50～110m。4)受规划中30万吨级的航道(通航深度-29m)影响，隧道水深、埋深(回淤量)大。5)隧道距离超长。6)通航环境复杂。航线复杂，船舶流量大，最大日流量约4000艘次。7)环保要求高。工程穿越国家一级保护动物中华白海豚的保护区核心区。8)珠江口防洪纳潮要求高，阻水率要求控制在10%以内。在如此苛刻的条件下建设大型海底沉管隧道，已有的内河沉管隧道建设技术和经验已远远不能满足工程需求，需要进行大量技术创新和突破。现就海底沉管隧道的接头防水技术为大家作一介绍。问题的提出早年的沉管隧道管节采用的都是一体化刚性结构，为了解决刚性管节的防水问题，只能严格控制地基沉降量。现在，国外有多条沉管隧道的管节采用“柔性接头”，在沉管浮运和沉放过程中用预应力拉索将各个节段串结成一体，在沉放后将其全部截断。港珠澳沉管隧道遇到的突出问题是深水基坑开挖施工和长期运营中的严重回淤。尽管不断清淤，回淤土仍有可能回到原高度且分布不均匀，导致深厚软基土产生很大的沿隧道纵向的不均匀差异沉降，因此选择了柔性接头的管节构造形式。解决措施沉管法隧道的接头防水处于十分重要的地位，一般采用GINA、OMEGA两种止水带来承担管节接头防水任务。港珠澳大桥沉管隧道分为管节接头与节段接头防水。管节接头防水主要由GINA止水带和OMEGA止水带组成;节段接头为柔性结构，主要设置喷涂型聚脲防水涂料、中埋式可注浆止水带、OMEGA止水带、遇水膨胀橡胶条。1管节接头防水措施1.1GINA止水带GINA型橡胶止水带是管节接头防水的主要构件，也是管节接头防水的第一道防线。它的优点为止水效果好、水下作业少、施工工艺简便、能节省接头造价和提高接头的施工质量。GINA止水带的止水原理为：当管节初步就位后，用自动连接千斤顶把两管节端头连接好，压紧GINA止水带的鼻尖，起到初步止水功效，利用临时隔墙间的水阀把隔墙间的水排除。GINA止水带受到很大的静水压力而产生弹性变形，达到接头止水，然后在内部作永久性接头。港珠澳大桥沉管隧道管节接头的GINA橡胶止水带的断面构造形式、断面尺寸、压力与压缩变形特性根据管节接头所承受的水压及可能产生的最大变形量所确定，如图3、图4所示。沉管隧道最小管节中心标高为-7.2m，最大管节中心标高为-38.7m，所以管节之间承受的水压差别较大。对此，管节接头采用同一尺寸断面、不同硬度的橡胶来实现各管节GINA止水带压缩量较为接近的目标。橡胶主体的硬度划分为40度、50度、60度、65度，所有GINA止水带的压缩量基本控制在121～159mm。但为了确保GINA止水带鼻尖止水功效的一致性，鼻尖硬度划分为40度、50度、50度、50度。由于管节接头处的端钢壳采用的是单道端板的形式，端板与混凝土之间有一道接缝并且端板另一面的端部暴露在海水之中，这样会使端板受到海水的双面腐蚀，所以需要在接头端部涂布环氧重型防腐材料，一方面可以遮蔽端板与混凝土的接缝，另一方面可以遮蔽迎海水面的端板端部。与此同时，端板与混凝土的接缝中设置了遇水膨胀止水胶、止水钢片及预埋式注浆管，进一步加强端钢壳与混凝土的接缝防水。沉管隧道管节接头的GINA橡胶止水带的固定采用卡箍方式，如图5所示，即采用焊接于端钢壳上的压块和压板，卡住安装到位的GINA橡胶止水带两侧的凸缘，起到固定就位的作用。其优点在于不对GINA止水带本身产生破坏，且安装便利。缺点在于若管节接头受到突然猛烈的冲击，止水带有可能会从卡箍装置中脱落出来。GINA止水带的安装为整环一次安装到位，按照先顶板角部、再顶板、随后底板角部、再侧墙、最后底板的顺序进行安装。管节浮运前，顶板以及水面以下1m范围内的GINA橡胶止水带应设置临时性保护罩，防止水上非固定物对GINA止水带的破坏。现场施工照片如图6所示。1.2OMEGA止水带OMEGA型橡胶止水带是管节接头止水的第二道防线，因其形状与受水压后的拉力线形状相吻合而备受青睐。管节接头采用的是丁苯橡胶OMEGA止水带，它的断面尺寸、形式、适应变形能力的要求由管节接头所承受的水压、三向位移的估算值、抗老化等要求决定，OMEGA止水带断面构造图如图7所示。OMEGA止水带的固定方式采用杠杆式构造，如图8所示。具体固定原理是将双头螺柱插入烧焊在端钢壳上的预埋套筒之内，然后通过螺柱上面固定的螺母施加一个预紧力作用在压板上，压板的两端分别是烧焊圆钢和烧焊压条，压条压住OMEGA止水带的端部从而形成杠杆防水构造措施。OMEGA止水带运到现场后，最终的接头在安装接近尾声的时候才进行连接，所以需要对最后的接头预加工处理。在管节沉放和安装OMEGA橡胶止水带后，按设计要求注水加压检漏(在管节底板接头承受的水压基础上再人为加上5m水头)。2节段接头防水措施沉管隧道管节采用分节浇捣，节段交接处设有接缝，接头采用4道防水措施，分别为厚2mm喷涂型聚脲防水涂料、遇水膨胀橡胶条、中埋式可注浆止水带和OMEGA止水带，4道止水措施配合水平向剪力键与竖向剪力键形成节段接头防水。同时工程在节段接缝外侧设计了一道钢挡板，如节段接头因地震张开后又迅速闭合，因钢挡板的存在，不会对聚脲防水涂料造成损伤，确保了防水效果。2.1节段接头外包防水层整条隧道的混凝土管节是在工厂里预制完成的，采用轮轨系统一节节向前推进，没有外包防水措施。为了加强节段接头的防水，设计人员在施工现场充分调研了整个施工工艺，发现节段接头恰好处于轮轨间隙的中部，所以可对接头的顶底板及侧墙施作外包防水层。节段接头外包防水层的材质为聚脲防水涂料，在底板、侧墙、顶板范围形成全包防水。由于管节在沉放和安装时，钢缆会滑过管节的表面，且钢缆的拖拽力较大，会对结构本体造成损害，为了保证防水层的连续性和密封性，需要在顶板设置厚70mm的C20细石混凝土。2.2中埋式止水带中埋式可注浆止水带主要由中埋式止水带与注浆管组成，中埋式止水带的材质为丁苯橡胶与钢片，注浆管的构造如图9所示。环形螺钉的端部和止水带的钢边通过一个扣件连接，钢边端部设置表面结皮的氯丁海绵橡胶，氯丁海绵橡胶表面结皮是为了防止水泥浆进入海绵，使海绵固结。在压浆时可使注浆液从海绵中顺利压出填充止水带和混凝土之间的缝隙。注浆管端部的保护通过聚氯乙烯硬泡沫块和封口袋把注浆管封住紧贴在模板上实现。由于固定注浆管的环形螺钉在施工现场有断裂现象，导致螺钉无法从注浆管中拔出，现场设置预埋式注浆管作为辅助注浆措施，预埋式注浆管通过塑料扣件固定，如图10所示。所有注浆工作(包括预埋式注浆管注浆、中埋式可注浆止水带注浆)要求在管节推入浅坞前完成，注浆材料采用环氧浆液，达到JC/T1041中固化物性能指标中的II型要求。工程采用的中埋式止水带宽度为500mm，中埋式止水带的短期抗水压试验表明：在接头张开90mm工况下，可承受0.9MPa水压。中埋式止水带的200次循环抗水压试验表明：在接头张开45mm工况下，可承受0.5MPa水压;接头张开31mm工况下，可承受0.75MPa水压。2.3OMEGA止水带节段接头与管节接头设置的OMEGA止水带较为类似，采用的OMEGA止水带材质为丁苯橡胶，底板与OMEGA止水带配套预埋的角钢上设置牺牲阳极块。现场安装后，同样需进行注水加压检漏。安装完毕照片如图15所示。预埋角钢与混凝土接缝之间设置预埋式注浆管与遇水膨胀止水胶形成双道防水线，因遇水膨胀止水胶施工质量良莠不齐，现场采用止水钢片代替了遇水膨胀止水胶。目前沉管最终水下接头的形式还在讨论中，估计在以下两种形式中作出选择：1)水下接头为现浇混凝土结构，现浇结构与两侧的预制管节为施工缝连接，可采取设置预埋式注浆管、遇水膨胀止水胶于接缝处，接缝面涂覆水泥基渗透结晶防水涂料的防水措施。2)水下接头为预制混凝土结构，采取嵌入施工方式封闭接头，可采取设置弹性橡胶类产品封闭接缝的防水措施。沉管隧道管节接头、节段接头的防水问题一直是地下工程施工技术人员关注的重点。针对港珠澳大桥沉管隧道的管节接头、节段接头采用的防水材料和钢材的防腐措施，都取得了令人满意的结果。本工程可为同类工程提供施工技术借鉴。