西江引水工程盾構隧道內襯大口徑鋼管的施工技術

西江引水工程在穿越小塘立交(大型立交)時采用了盾構法施工,盾構隧道結構采用厚度為300mm的預制鋼筋混凝土管片,隧道內徑為5400mm。為了確保供水安全,盾構隧道內襯DN4800的大口徑鋼管。重點介紹了盾構內襯大口徑鋼管施工的工藝流程和技術要點,在工程實踐中成功攻克了大口徑鋼管在隧道內的運輸、對接、焊接和自密實混凝土澆筑等技術難題,可為其他同類工程提供參考。

1工程概況

近年來,盾構法施工技術在長距離輸水管線中得到了快速發展,埃及穿越蘇伊士運河輸水隧洞工程、南水北調、上海青草沙原水工程等都采用了盾構技術。

國內外的工程實踐表明,盾構隧道作為輸水管道的一種基本形式是切實可行的。廣州市西江引水工程小塘立交段需要穿越廣茂鐵路、G321國道、廣三高速公路和西二環高速公路等重要障礙物,在如此復雜的施工環境中采用明挖敷設的施工技術是非常困難的。經技術、經濟和供水安全性等因素綜合分析,確定采用盾構工法建成單線的盾構隧道,線路長約2355m

盾構隧道結構采用預制鋼筋混凝土管片,外徑為6000mm,內徑為5400mm,管片厚度為300mm。為了確保供水安全,盾構工程采用雙層襯砌方案,即在管片隧道內襯砌DN4800的鋼管,壁厚為20mm,材質為Q235C,每延米質量為238t。為使通水后內襯鋼管承受內水壓與管片承受外水壓相互分開,在隧道上部240°范圍內鋪設聚乙烯泡沫板及沿隧道方向均布5根與隧道同長的DN50排水花管。內襯鋼管與管片之間回填C20自密實混凝土,回填采用鋼管開孔灌注的方法進行。

2盾構隧道內襯鋼管施工流程

為了確保按時完工,該盾構工程自廣三高速公路南側的盾構始發井分別向接收井1和接收井2掘進,形成西線隧道和東線隧道,東線、西線的內襯鋼管作業分別同時進行。管道運輸方向為始發井至兩個接收井,鋼管內襯的安裝方向則從兩個盾構接收井退向始發井,最后在盾構始發井完成鋼管的合龍。

為減少隧道內焊接工作量,在盾構始發井設置焊接轉臺,采用埋弧自動焊將兩節6m鋼管焊接成一根12m長的鋼管段。采用自行研制的運輸臺車在隧道內實施鋼管的運輸和對接,在隧道內完成鋼管內環縫焊接后,對已固定的鋼管每隔24m安裝快易收口網預制構件進行分倉,對每一分倉進行自密實混凝土分層澆筑,然后進行鋼管內防腐修復,東、西線隧道內襯鋼管在始發井合龍后進行管道試壓。

3內襯鋼管施工技術要點

3.1鋼管運輸與對接技術

①鋼管排版設計與制作

由于受地面建()筑物的限制,盾構隧道線路由圓曲線與直線段交替的線形組成,共有5段圓曲線,曲線長度占隧道總長度的比例超過50%,其中最小半徑為300m。在盾構隧道分部工程完成后,進行隧道貫通測量和斷面測量,根據測量數據進行內襯鋼管排版設計,將每節鋼管設計成一端直口和一端為斜口的形式,沿著圓弧的割線布設,并編號標識。其中,在始發井焊接轉臺以“直口對直口”的形式對接,在隧道內以“斜口對斜口”的形式對接。此外,在每節鋼管兩端管口縮進250mm處設置“內法蘭+傘形槽鋼”形式的內支撐,以有效控制變形量。鋼管制作、編號和內支撐安裝均在鋼管制造廠內完成。

②施工難點

在盾構始發井焊接轉臺將兩節DN4800鋼管焊接成一根12m鋼管,質量約2856t。在隧道中心軸線與鋼管中心軸線完全重合的理想情況下,鋼管與管片的間隙僅為280mm,在盾構曲線段的間隙還要小。在如此狹小的空間內完成大型鋼管運輸和安裝的難度極大,在國內外的工程實踐中并無先例可供借鑒。

③解決方案

為解決隧道內鋼管運輸和對接技術難題,采用“電瓶車+軌道+臺車”運輸方案。

隧道內軌道選用22kg輕軌,采用斜三角塊的軌枕在管片上施作膨脹螺栓并焊接固定,軌道中心距為950mm,軌枕按1500mm間距鋪設,每間隔6000mm采用8#槽鋼進行水平固定,在軌道底澆筑混凝土平面,控制混凝土面與管片內壁最低點距離為120mm。臺車在鋼管內的行走軌道為11m長的整體式“活動軌道”,由輕軌、槽鋼和枕木預制而成。自行設計研制的運輸臺車見圖3,采用踏步式的方法跨入或跨出鋼管。臺車動力采用盾構施工時同型號的電瓶車,電瓶車通過連桿與臺車固定連接,推動臺車馱運鋼管前行。參照火車輪內側車輪轂的形式定制加工臺車車輪組,保證在軌道上滑行方便,方向可控不脫軌。臺車共有3組支撐臂,每一個支撐臂都配有一套獨立的液壓裝置,用以調整各自高度,靈活地實現爬管踏步動作。在臺車中部安裝帶液壓油缸和轉臺輪組裝置的龍門支撐架,一方面可頂升、支承鋼管,并通過調整兩組液壓油缸的高度實現鋼管安裝時裝配間隙的調節,另一方面可對鋼管進行旋轉微調,調整對接點位置和焊縫位置。臺車兩端焊接有槽鋼架,用于懸掛手拉葫蘆和活動軌道。

④運輸和對接流程

a.通過龍門吊將始發井內12m長的鋼管放置在隧道口軌道上,讓臺車前端接近鋼管,利用手拉葫蘆將“活動軌道”放置于鋼管內。

b.提升臂一,使其慢慢爬入鋼管內的“活動軌道”并落穩。提升臂二并前行,使其爬入“活動軌道”內,完成向上跨步動作。

c.提升臂一,電瓶車推動臺車,臂二在鋼管內活動軌道上往前移動。當臂一離開鋼管前端而臂二尚未跨出鋼管時,臂一先降至軌道上,臂二抬起,臺車往前移動,完成向下踏步動作。

d.當鋼管處于臺車中間位置時,臺車停止前行。提升臺車上的龍門支撐架承托起整條內襯鋼管,通過輪組裝置對管身進行微調,盡可能使鋼管與隧道的上、下間隙均等,臺車和鋼管在電瓶車推動下沿軌道前行,實現在隧道內的運輸。

e.運輸到達目的地后進行鋼管對接。利用手拉葫蘆將整體式活動軌道移入前一段已安裝固定的鋼管內,完成臂一和臂二的跨步動作后,先將待固定鋼管節底部的軌道進行回收,然后通過龍門支撐架的轉臺輪組裝置調節好在各個方向上的裝配間隙,并用鋼質楔塊將鋼管焊接固定,完成鋼管的對接。

f.放下龍門支撐架,收起“活動軌道”,采用后踏步動作退出鋼管,由電瓶車牽引回始發井進行下一段鋼管的運輸。

3.2管道焊接

①焊接施工

鋼管焊接施工主要分為始發井轉臺上焊接和隧道內焊接。為減少隧道內焊接工作量,在始發井轉臺將兩節鋼管以“直口對直口”形式焊接,將內襯鋼管焊縫總量的50%改為在隧洞外完成。觀察注漿孔位置并轉動鋼管完成對接,然后采用埋弧自動焊,雙面焊接成型,焊接作業主要為平焊,既改善了工作環境,又提高了焊接質量和速度。

隧道內鋼管焊接施工采用焊條打底+CO2填充焊,由于空間受限,為單面焊接雙面成型,多數為立焊和仰焊作業,施工質量控制難度大。

②質量控制

在焊接施工過程中,從以下6個方面采取措施確保焊接質量。a.正式焊接作業前開展生產性焊接試驗,進行焊接工藝評定,確定內襯鋼管焊接工藝和技術參數,并實行施焊許可制度。b.在始發井焊接轉臺上方搭建活動雨篷,防止上方露水或雨水滴落影響焊接質量。c.焊接過程中不得隨意引弧或電弧擦傷。d.預熱及后熱溫度應有明顯的標識以便監理工程師檢查,預熱寬度焊縫兩側各大于3倍的板厚,且不小于100mm,貼角焊縫要預熱。e.在焊接區設置上風口擋板以保證空氣流速滿足CO2保護焊的要求。f.始發井轉臺的焊縫采用X射線(RT)檢測,隧道內環向焊縫采用100%超聲波(UT)檢測。根據原焊接方法及焊接工藝對不合格的焊縫實施返修處理,返修后的焊縫應修磨光順,按照原檢驗要求進行復驗,且返修次數不得超過2次。

3.3自密實混凝土澆筑

①自密實混凝土配合比的優化

自密實混凝土有高流動性、不離析、均勻性和穩定性等特點,澆筑時依靠其自重流動,無需振搗而達到密實。該工程內襯鋼管與管片間的間隙小,采用C20低強度自密實混凝土進行澆筑,免除了常規混凝土澆筑的振搗。

針對自密實混凝土的特點,工程從以下5個方面優化其配合比,提高質量。a.降低水膠比,有利于混凝土的泵送施工。b.增加膠合材料的比例,提高混凝土的質量密度。c.調整石料級配,選用尺寸規格較低的片狀瓜米石,以提高混凝土的和易性,確保其流動性、保水性和粘聚性。d.加大粉煤灰摻量,增強流動性。e.充分運用聚羧酸外加劑進行保坍。

②注漿孔和補充注漿孔的設置

內襯鋼管注漿孔和補充注漿孔布置見圖4。每24m鋼管,在時鐘3點和9(腰部)位置共布置4DN136注漿孔(25斷面),在時鐘12(頂部)位置布置3DN136注漿孔(235斷面)3DN48的補充注漿孔(146斷面)。補充注漿孔用于檢查泵送混凝土密實度,同時兼作排氣和補充注漿。

③采用快易收口網預制構件實行分倉

隧道內每安裝固定24m鋼管,在離管口200mm處的鋼管外壁焊接快易收口網預制構件進行隔離分倉,主要作用包括3個方面:一是確保鋼管安裝、混凝土泵送兩個工作面互不影響,提高施工效率。二是利用快易收口網的特殊結構免除了施工縫鑿毛,有助于泵送混凝土施工的排氣。三是分倉避免鋼管管身各部位受浮力不均造成鋼管失穩,提高了隧道的安全性能。

④分層澆筑

利用DN136注漿孔進行自密實混凝土澆筑,由于自密實混凝土澆筑產生的浮力較大,對每個倉分3層進行澆筑,分層注漿高度根據浮力和自重平衡計算確定。前一層初凝后(610h)再進行下一層注漿,相鄰倉位的第一層注漿可與上一個分倉的第二層注漿同步進行。泵送混凝土過程中充分利用補充注漿孔,必要時及時進行二次注漿。

⑤控制措施

在自密度混凝土澆筑過程中,從5個方面采取措施保障施工質量。a.澆筑混凝土前,在補強板上抹油,防止補強板與混凝土粘結。b.在混凝土泵送前,用高強度等級砂漿進行試泵,以濕潤和密封管壁,減少管壁對混凝土拌合物的阻力。c.泵送過程中,嚴格控制泵送壓力,并加強鋼管變位和抬動觀測,防止管壁失穩和變形。d.分層泵送混凝土前,采用稍高于泵送壓力的水(其壓力不高于鋼管抗外壓的安全壓力)擠開補強板與混凝土間的縫隙。e.為保證混凝土的泵送不影響鋼管的安裝,泵送混凝土的管節與對接、焊接的管節至少間隔錯開兩倉即48m以上為宜。

4結語

廣州市西江引水工程中小塘立交段采用盾構法,盾構隧道結構采用厚度為300mm的預制鋼筋混凝土管片,在盾構內徑為5400mm的隧道二次襯砌DN4800的鋼管,鋼管承受內部水壓,盾構管片承受外壓,提高了管道的安全可靠性。該工法施工技術難度極大,在國內外可查閱資料中尚無先例可循,在工程實踐中,成功攻克了大口徑鋼管在隧道內的運輸、對接、焊接和自密實混凝土澆筑等技術難題,為今后其他同類工程積累了寶貴經驗。

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