深中通道深埋隧道上覆土层减压材料研究大纲 - 图文

深中通道深埋隧道上覆土层减压材料研究

1. 隧道管顶减载轻型填料分析 1.1 概述 1.1.1 项目概述

可行性研究的隧道方案起于深圳侧东人工岛，下穿沿江高速、机场支航道、矾石水道，在伶仃水道和矾石水道之间的西人工岛结束。隧道全长6720m，其中暗洞全长6085m、沉管段长5700m。受平面线位的控制，隧道两端采用直线，中间以半径为6000米的圆曲线连接，曲线段长度接近1300m。

图1 A3线位沉管隧道平面布置

该沉管隧道最大的特点为管节横断面宽度宽，为双向八车道布置，宽度达47.2m，比国内目前正在建造的港珠澳沉管隧道管节将近宽10m，由此带来的管节系列技术难题亟待解决，包括深埋隧道上覆土层减压问题。

处于水中的沉管隧道，其管节不仅需要抵抗高水头的压力，还要抵抗其上覆盖土层的重量，而对于深埋的超宽沉管隧道，其管节所承受的水压力和上覆土层压力尤为巨大，从而造成管节内力增大，管壁厚度和配筋率随之增大，由此带来了管节控裂和预制施工振捣困难等系列难题，为了解决上述难题，有效的方法是减少管节上覆土层的压力。本研究点主要对深埋隧道上覆土层减压材料进行研究，通过置换深埋隧道上覆土层，达到减小管节内力的目的。 1.1.2 置换回填料的需求

为解决附加荷载大及可能出现的异常偏载问题，可以采取以下三种措施：第

1

一，采取定期清淤措施，后期管养要求高，对航道存在一定干扰；第二，进一步处理隧道地基基础，且增强结构（含接头）强度抵抗覆土压力，已基本达到较合理的状态；第三，采用轻质回填材料代替回淤海泥，减轻管顶荷载，需要对轻质材料进行一系列调研、分析及试验。

结合隧道区的建设条件，经过认真调研分析后认为，对淤积区内适当的范围采用一种较淤泥质土更轻的回填料来代替后期由于回淤形成的淤泥质土，按照合理的时机进行施作，应是解决深埋沉管隧道运营期高风险的有效措施。

对减载用回填料的需求主要包括以下几个方面：

1）综合密度应介于1.1~1.3 t/m3，大于海水密度、低于自然回淤密度； 2）回填料及工艺应具有良好的环保性； 3）回填料应具有一定的可施工性。 1.2 轻质填料的调研和分析 1.2.1 天然材料

天然固体材料有易于大量获得的特点，并且天然存在的材料在耐久性方面具有先天的优势。天然固体材料中密度合适的石材只有浮石。浮石是一种多孔、轻质的玻璃质酸性火山喷出岩，其成分相当于流纹岩。其气孔体积占岩石体积的 50%以上，机械强度可达几个兆帕，可以抵御海

水压力。浮石表面粗糙，颗粒容重为450 kg/m3，松散容重为250 kg/m3左右，天然浮石孔隙率为71.8%~81%，吸水率为50%-60%，吸水后可沉于水下。它的特点是质量轻、强度高、耐酸碱、耐腐蚀，且无污染、无放射性等，是天然、绿色、环保的产品。因浮石用途十分广泛，市场价格在 400~500元/吨。 1.2.2 工业废渣

工业废渣具有易于大量获得的特点，调研了利用率较低的磷矿渣和锰矿渣，这类矿渣在水泥掺合料、微晶玻璃技术有一定的应用，但是数量仅占了一小部分，我国磷矿尾矿的综合利用率目前仅7%左右。在贵州省大量的矿渣仍无人问津，出运费即可大量获得。

2

但比重不稳定，高炉水淬矿渣密度可达到2.7g/cm3左右，如果这类矿渣较多会导致回填失效。且大部分为球型颗粒，不便于抛填。可能对海域造成污染，回此以上材料不予考虑。 1.2.3 废旧轮胎

近年来随着我国汽车工业的迅猛发展、废旧轮胎数量急剧增加，我国在利用废旧轮胎作为土建材料方面也正在发展。但是废旧轮胎仍可以回收重新加工，故价格也不偏低，平均每吨约1200元，并且本工程用量很大，成本非常高。

利用废旧轮胎（比重1.1~1.6 g/cm3）回填，轮胎内腔填充轻质材料（塑料泡沫或轻质土），或整体回填完成后覆盖土工材料封闭，以避免海泥淤积。轮胎材料柔韧性好、防撞击，耐久稳定，能够对沉管结构提供额外保护。

图2 废旧轮胎回填

1.2.4 陶粒

陶粒一种人造轻质粗集料，外壳表面粗糙而坚硬，内部多孔，一般由页岩、黏土岩、粉煤灰等经粉碎、筛分、再高温下烧结而成。陶粒具备很多优异的性能：密度小、质轻；保温、隔热性好；耐火性好，陶粒具有优异的耐火性；吸水率低，抗冻性能和耐久性能好；优异的抗渗性；优异的抗碱集料反应能力；适应性强。主要用于配制轻集料混凝土、

轻质砂浆，也可做耐酸、耐热混凝土集料。陶粒的堆积密度有从低于300 kg/m3

3

到高于1000 kg/m3的各型产品，广东省有大量生产陶粒的厂家，市场上出售的陶粒价格在200~300元/吨。

陶粒堆积空隙率一般在40%左右，这部分空间有可能在长期水流作用下淤塞为海泥。因此，采用陶粒等回填，必须考虑空隙率的因素。并且对陶粒的耐久性有所质疑（当前陶粒粉煤灰为主要原材料，粘土做粘结剂）。 1.2.5 泡沫混凝土砌块

泡沫混凝土是通过化学或物理的方式根据应用需要将气体引入混凝土浆体中，经过合理养护成型，而形成的含有大量细小的封闭气孔，并具有相当强度的混凝土预制砌块。其特点是密度可调（330~1030 kg/m3，吸水率20%~25%，吸水后可下沉），强度高（0.5~7.5MPa各型产品），耐腐蚀性能好。

泡沫混凝土砌块制作工艺主要几个步骤：1）配料制浆，将水泥和掺合料以及各种外加剂，通过上料设备加入搅拌机，制成水泥浆；2）使用发泡设备，将发泡剂水溶液制成1mm左右微细均匀泡沫，并将泡沫与水泥浆混合均匀，制成环保轻质混凝土料浆；3）将环保轻质混凝土料浆用浇注泵注入模，利用不同的模具，就可以成型不同的制品；4）养护脱模，通过静养、蒸养的方式使结构水化获得强度脱模。

养护脱膜有蒸压和非蒸压的两种，蒸压设备成本较高，但从投料到成品12小时完成，场地和模板需求少，而且高压蒸汽为物料中的硅钙反应提供昀为有利的生成条件，从而大量减少水泥的用量，可以广泛选用价格低廉的含硅钙工业尾废料作为生产原料，具有经济价值同时还具备环保意义。非蒸压设备投入少，对生产条件要求不高，只需场地和简易工棚，从简易生产线、少量模具入手，小成本投入，逐步扩张。如需扩大规模、增加产量，添置生产线既可。见效快。设备安装后几天就可出产品。

作为回填材料，可以制成片状或管状砌块直接抛填，也可以设计与一种架空砌块，回填时可在顶布覆盖土工布防止淤泥进入空腔。如空腔率提高，可大大减小工程量。空心砌块壁体可采用密实度较高的泡沫混凝土，在耐久性方面更优良，同时由于内部充满海水，内外压力平衡，对结构的力学性能要求不高，可以采用素混凝土浇筑，避免钢筋锈蚀问题。

4

图4 空心砌块使用

1.2.6 现浇水泥基泡沫材料

现浇水泥基泡沫材料的施工是通过整套专用的设备现场完成，整套设备配有上料、搅拌、主机、泵送等系统，施工时进行现场上料、搅拌、发泡并通过自带的泵送系统经高压输送管直接送至施工基面。泡沫混凝土的密度较小，密度等级一般为300~1800kg/m3，混凝土采用泵送，施工简单，强度有保障，成本较高，且现场浇筑不能制成镂空结构，工程量大。 1.2.7 轻量土

所谓轻量土，实在原状土的基础上，添加轻质材料和固化剂与原状土复合，达成轻量化目的的工法。轻量土工法有粉煤灰轻量土、EPS、SLS、SGM多种类型，国内清华大学、中国地质大学（武汉）有相关研究，国外日本在这一方面工程应用实例丰富，与本工程需求相适应的介绍一下SGM轻量土工法。

SGM轻量土工法是针对港湾、海洋环境的轻量土工法，是在疏浚土中添加水和水泥等固化材料让其流动化，之后添加气泡、发泡粒等达到轻量化的土，图 3-6。堆积密度为1.0~1.2吨/方，固化后单轴压缩强度为0.2~0.4MPa（约为2~4个大气压力），详见附件3。可以水下作业，水中打入时根据水流等可能会发生材料分离、已打入的处理土流动分散，因此原则上是在静水中进行打入作业。

可能存在的问题包括以下三个方面：

1）平均水下20m作业，海水压力下（增加0.2MPa），采用气泡轻量化的土未固化时可能会被压缩，根据压差平衡原理（P1V1=P2V2），气泡体积缩小为原

5

来的1/3，轻量土密度会增大，超过自然回淤密度，失去轻量化的意义；

2）水体流动可能影响轻量土现浇作业，造成流动和分散； 3）浇筑总方量巨大，对海上工程机械的数量和作业强度提出考验。

气泡轻量土 泡沫颗粒轻量土

图5 固化后的轻量土

1.2.8 回填材料综合对比分析

上述调研的回填材料的经济性、技术指标、施工可行性、环保型和社会资源量的对比分析见表1。

表1 轻质回填材料综合对比分析

材料 经济性 400-500元/天然材料 吨，成本较高 0元/吨，只工业废渣 需考虑运技术指标 堆积密度在 450kg/m3，质轻，强度高，耐腐蚀 比重不稳定，可高达 2.7g/cm3，球型施工可行性 直接采用抛填的方式填充，可行 环保 社会资源量 广州本地有大量无影响 生产浮石的厂家，通过水运较快捷 贵州省存在大量有污染 废弃的磷矿渣和锰矿渣 广州本地有一些，无影响 因用量大，可能资源量不足 直接采用抛填的方式填充，不可行 费，很便宜 颗粒，不便于抛填 1200元左右废旧轮胎 一吨，成本高 比重在 1.1-1.6 g/cm3之间，在轮胎内部填充泡沫可减小比重 陶粒的堆积密度 300-1000kg/m3，吸水下沉，质轻强度高，耐腐蚀 直接采用抛填的方式填充，可行 200-300元/陶粒 吨，成本较高 直接采用抛填的方式填充，可行，抛填量大 广州本地有厂家无影响 生产，基本可以供给工程使用 100元左右 砌块堆积密度在 在预制场预制密实度大的泡沫混凝土砌块 /吨，需要建设预制场，性价比高

330~1030kg/m3，内部填充泡沫更小，设计可吸水后可下泡沫混凝土砌块填充泡沫或者密度小的实心泡沫混凝土，采用抛填的方式填6

无影响 建造预制场自行生产

沉，强度高 现浇泡沫混凝土 充 混凝土原材料、发无影响 泡剂等材料在搅拌船上自行施工 150元左右 密度等级一般为 在搅拌船上拌合好泡沫混/吨，性价比高 300-1800kg/m3，强度较高 凝土，采用泵送的方式，泵送至海底填充 在搅拌船上拌合好轻量土，采用泵送的方式，泵送至海底填充，可行，抛填大 无影响 100元左右 堆积密度为 轻量土 /吨，性价比高 1000~1200kg/m3，强度低 在搅拌船上装置设备自行施工 综合分析认为，适宜于本工程的轻质回填材料包括预制泡沫混凝土砌块、现浇泡沫混凝土和轻量土，材料的密度均可以满足设计要求。 1.3 适用的轻质回填材料 1.3.1 轻量土

针对港湾、海洋环境的轻量土工法较少，目前轻量土在海工环境下使用最苛刻的条件是静水水下 15m 作业。在日本采用的 SGM 轻量土工法基础上进行改进。大概设计流程与 SGM 轻量土工法大体相同，如图所示。

取料：在搅吸船上进行搅吸作业采集附近海床里的淤泥为原料土。 制泥：将其倒入水池中采用搅拌混合除去砾石、异物的原料土和海水。 通过密度计测量原料土泥浆的密度，如果密度大时要加水调节浆体。 调泥：在原料土浆体中加入水泥等其他的增粘固化材料让其流动化，之后添加起泡剂产生的气泡溶液使之达到轻量化的土。

采用专用投料管等打入材料，压力泵送至沉管上部区域进行回填，应时刻关注轻量土在水流作用下是否发生材料分离或打入的处理土流出等情况。

通过调节发泡粒及发气剂来设定堆积密度在 1000~1200kg/m3的范围。材料用量多少可采用电磁流量计来进行测定。

图6 人工轻量土施工工艺

7

1.3.2 预制泡沫混凝土砌块

预制泡沫混凝土砌块技术目前较为成熟， 对于本工程减载拟采用的预制泡沫混凝土砌块：

1）主要原材料：①胶凝材料：主要使用 42.5 级普通硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣微粉等；②发泡剂；③集料：可选用河沙、石粉、人造空心微珠、高炉水渣、尾矿砂、加气碎渣等；④添加剂：根据情况添加料浆稳定剂、水泥促凝剂等添加剂。

2）模具的选择：环保轻质混凝土砌块成型采用多腔小型组合模具，可采用钢板、

木板、塑料板自制。 3）生产工艺：

?配料制浆。将水泥和掺合料以及各种外加剂，通过上料设备加入搅拌机，制成水泥浆；

?使用环保轻质混凝土生产设备，将发泡剂水溶液制成 1mm 左右微细均匀泡沫，并将泡沫与水泥浆混合均匀，制成环保轻质混凝土料浆；

?浇注成型。将环保轻质混凝土料浆用浇注泵注入模，利用不同的模具，就可以成型不同的制品；或者制作自密实度大的空心泡沫混凝土砌块。

脱模时间：夏季 4~6 小时，冬季 2~3 天，脱模后自然养护 7~20 天即可出厂。想提高强度等一系列性能也可以采用浇筑后，静置 2~3 小时，然后再升温干热养护、蒸汽养护。最后抛填入海。

通过调节发泡粒及发气剂来设定堆积密度在 1000~1200kg/m3的范围。预制泡沫混凝土砌块的形状和配合比需结合施工工艺进一步明确。

8

图7 预制泡沫混凝土块体工艺流程

1.3.3 现浇水下泡沫混凝土

对于本工程减载拟采用的现浇水下泡沫混凝土： 1）主要原材料：

①胶凝材料：主要使用42.5级普通硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣微粉等；②发泡剂；③集料：可选用河沙、石粉、人造空心微珠、高炉水渣、尾矿砂、加气碎渣等；④添加剂：根据情况添加料浆稳定剂、水下不分散剂等添加剂。

2）生产工艺：

①上料。精确称量水泥、掺合料、骨料、发泡剂以及各种外加剂，通过上料设备加入搅拌机。

②混凝土搅拌。利用专用高速混凝土强制搅拌机将各种材料搅拌均匀，搅拌时间约3~5min，制成水下环保轻质泡沫混凝土；

③泵送、水下浇注成型。将轻质泡沫混凝土料浆用泵送设备和导管水下浇筑回填。可通过调节发泡粒及发气剂来设定堆积密度在1000~1200kg/m3的范围，需结合施工工艺确定现浇水下泡沫混凝土的配合比。

图8 现浇水下泡沫混凝土工艺流程

2. 轻型材料回填时机的选择 2.1 回填减载的范围

结合隧道纵断面布置、隧道回填防护方案、原始海床面形态以及区域内的航道规划等条件，拟定隧道轻型材料减载的范围如下：

2.1.1 纵向范围

9

考虑隧道运营期开口基槽完全回淤至原始海床的工况，计算所得隧道区未减载时对应的荷载分布如下图所示，深埋段管底荷载集度介于120～180kPa，露出海床段（无回淤）的管底荷载集度约为60kPa，沿纵向的不同段落荷载差异变化较大。

图9 沉管隧道海中段管底荷载集度纵向分布曲线

根据纵向荷载分布曲线，初步按将管底荷载集度减载至110～140kPa的目标，拟定纵向的减载区段为 E9～E29 管节，具体如下图所示。结合既有伶仃西航道及隧道区临时航道的布设情况，将减载区划分为航道区与非航道区。

图10 沉管隧道纵向减载范围布置图（单位：m）

2.1.2 横向范围

由于沉管隧道埋置较深，隧道管节沉放、对接、回填保护完成后，仍暴露有一个开敞于海水之下的基槽，如下图示。

10

图11 沉管隧道回填防护（无减载）断面图（单位：cm）

为了降低运营期风险， 对隧道管节回填防护后的开敞水下基槽采取轻型材料进行减载，从减少运营期附加荷载的多少，可以分为全部减载及部分减载两种。为有效合理利用减载填料，两种减载模式均只针对管节顶及两侧各 2～50m（采用放坡回填实现）进行减载。全部减载指从护面回填顶至原海床面均采用轻型材料进行预回填，实现减载的最大作用； 部分减载指从护面回填顶向海床面方向一定深度采用轻型材料进行预回填，而预回填层顶至原海床面间仍留有一小部分回淤空间，达到适当减少隧道附加荷载的作用。根据减载材料的不同，分为预制安装减载与现场搅拌减载两种，预制安装与现场（海上平台）搅拌方案的工艺见后续章节所述。相关的典型断面如下图所示。

图 12 预制安装全部减载横断面布置方案（单位：cm）

11

图13 预制安装部分减载横断面布置方案（单位：cm）

图14 现场搅拌全部减载横断面布置方案（单位：cm）

图15 现场搅拌部分减载横断面布置方案（单位：cm）

同轻质块体减载回填方案相同，为确保现场搅拌回填料边坡的稳定，在原隧道回填区的两侧均采用 10～100kg 块石进行回填护底。

2.2 回填时机分析

在隧道管节沉放就位、锁定及护面回填完成后，选择何种时机进行减载填料的回填作业取决于对管节接头变形及受力的监测结果。一般地，可分为两种情况，一是待隧道全部管节沉放对接施工完成后， 自西向东分层实施减载回填； 二是根据管节沉放、回填顺序，纵向留出适当距离，边沉放安装管节，边分层进行回填作业。具有如下图示意：

12

图16 管节全部沉放对接完成后减载的示意图

图17 管节边沉放对接边进行减载的示意图

回填时机的选择需要根据现场管节沉放就位后对管节接头的的监测结果进行确定，如下图示，初始阶段管节接头间发生的竖向位移由 GINA 止水带承担，起到减少部分运营期永久的剪力值，随着荷载的增加，差异沉降达到 GINA 止水带的允许限值时，安装竖向剪力键限制差异沉降的进一步发生，此后的不均匀沉降引起的管节接头剪力值均由剪力键承担。

图18 管节接头剪力键未安装前的示意图

13

图19 管节接头安装剪力键后的示意图

3. 回填工艺 3.1 人工轻质块体 3.1.1 回填断面

人工轻质块体可以通过三个途径达成“轻质”的目的：其一是减小块体材料的容重；其二是改变块体的外形，增加回填堆积体的空隙率；第三就是结合前面两种方法，既减小容重，又增加空隙率。本案拟采用第三种方案，即使用边长为2.5m的轻质钢筋混凝土空心立方体作回填块体，用起重船水下定点安装，最后在堆积体顶面和两侧坡面覆盖模袋轻质混凝土，以隔离堆积体空隙内自然淤积。管顶回填结构减载至原海床泥面和部分减载的断面图分别如图所示

图20 管顶回填空心方块结构断面示意图（减载至原海床泥面）

14

图21 管顶回填空心方块结构断面示意图（减载至原海床泥面以下 6.6m）

混凝土空心方块预制和安装的工艺参考了长江口深水航道治理工程二期工程NIIC 区段北导堤东侧2.6km斜坡堤设计和施工的经验。北导堤堤身结构断面图如图所示。

图22 空心方块斜坡堤堤身结构断面图（长江口航道整治工程北导堤）

空心方块外形尺寸为 2.5×2.5×2.5m，从3个方向看均有1.5×1.5m的方孔，即相当于立方体的6个面均有断面为0.5×0.5m 的4个方柱组成。每两根正交方柱的交角处有0.2×0.2m的加强角，以避免应力集中。其形状和尺度如图所示。空心方块的空隙率（空隙体积÷块体体积）P1=63.2%，随机安放的空心方块体的空隙率（空心方块之间的空隙体积÷设计断面体积P2=40%，由此推算空心方块体的密度仅为原混凝土密度的22.08%（(1-P1)*(1-P2)）。

15

图23 空心方块外形尺寸（单位 mm）

该工程模型实验论证及工程实例的实施效果均表明了空心方块体的结构形式在减轻了结构自重的前提下，同时满足了整体的稳定性要求。据此分析认为，采用空心方块回填减轻管顶荷载的结构形式是可行的。为了满足回填材料堆积密度在1.1~1.3 t/m3的安全范围内，采用上述外形尺寸的空心方块并采用轻质混凝土浇筑，如配制泡沫混凝土密度(含筋)1.2 t/m3，计算空心方块堆积密度1.26t/m3，可满足上述要求。为了避免使用期内空心方块堆积体的空隙由于海泥的淤积，造成管顶荷载增加，在空心方块回填完成后，我们在其顶部和两侧坡面铺设模袋轻质混凝土覆盖，隔离自然淤积。

模袋轻质混凝土是通过高压泵把轻质混凝土灌入模袋中，混凝土的厚度通过袋内尼龙吊筋带的长度来控制，混凝土固结后形成具有一定强度的板状结构。它具有如下优点：

①土工模袋施工采用一次喷灌成型，施工简便、速度快。

②土工模袋能适应各种复杂地形，在其混凝土初凝前具有一定“柔性”，能较好地适应凹凸不平的空心块堆积表面。

③土工模袋具有一定的透水性，在混凝土灌入以后，多余的水分通过织物空隙渗出，可以迅速降低水灰比，加快混凝士的凝固速度，增加混凝土的抗压强度。模袋施工方法采用“滑板法”施工工艺，它的工作原理是：利用模袋混凝土整体 性，可塑性的特点，在具有一定起吊能力的工程船上加工制作一座钢结构模袋滑

16

板，使模袋铺设及混凝土充填由水下施工变为水上施工，并在混凝土初凝前将滑板上充填好的模袋混凝土和处于悬浮状态下的模袋混凝土准确地铺至河床设计位置上，从而大大降低了因流速、水深、水下作业等外界条件对施工造成的不利影响。本工程拟采用幅宽38.4m，长度为40m，厚度为30cm的矩形无滤点模袋，材料采用涤纶，重量不少于500g/m2；模袋布垂直渗透系数为1.0×10-2 ~5.0×10-3cm/s；有效孔径0.192mm； 抗拉强度:纵向>2200N/5cm， 横向>2000N/5cm； 断裂伸长率：纵向<3O％，横向<30％；CBR顶破强度>4000N。其断面形式如图所示。

图24 土工模袋断面示意图

3.1.2 主要工程量

根据设计提供的断面和相关资料，计算主要工程量如表2所示。

表2 主要工程量表

3.1.3 空心方块的预制

空心方块采用平地预制，钢筋制作在专设钢筋加工场地上作业，钢筋成型后用定制专用平板车运至预制场地安装绑扎。混凝土由搅拌楼搅拌，预制基地内采用 6 m3砼运输车运输，泵车输送入模。浇筑完成后满足起吊强度后集中堆放养

17

护。预制工艺见图25空心方块预制工艺流程图。

（1）预制场的布置

根据现场空心方块安装进度，每天需求量在280个左右。按浇筑完成后隔天拆模考虑，模板数量考虑一定富余量，则需要加工模板700套。

图25 空心方块预制工艺流程图

模板布置间隔1.5m，空心方块浇筑完成后7天可满足起吊强度，预制场地按7天周转考虑，各预制点按140套布置(5×28)，故预制场地面积=280×(2.5+1.5)×(2.5+1.5)×7=31360 ㎡。空心方块需在堆放场地养护一个月后方可出运，堆放场地布置应方便堆存及出运，故堆放场地规划于预制点一侧，堆放场地中7排×14列作为一个单元，向中间挤紧堆放成排（均为3层），则每堆放单元可堆存空

18

心方块数量=7×24×3=504个。预制场共规划14个堆放场，共可以堆存空心方块 7056个＞7000个/月的产量。堆放点面积=21×72×14=21168 ㎡。堆放点与各预制点之间浇筑宽为12m的道路供混凝土车辆往来。在预制场一侧规划两处沙石料堆场，两个搅拌站及钢筋加工区，具体布置见图26所示。

图26 预制场平面布置图

（2）模板工程 ①模板工艺的几个原则

a．空心方块的12条外边和8个外角均设置倒角，以避免多次吊运时棱角损坏。

b．模板分块时考虑单块自重小于200kg，便于装拆。 c．模板具有足够的刚度、强度、稳定性要求。 d．模板采用定型钢模板，模板间联接采用螺栓联接。 ②模板设计

模板形式采用成熟工艺，面板采用δ=5mm 和4mm的冷轧平板，肋骨采用型钢和角钢，具体模板结构形式见图27。

19

图27 模板结构形式图

③模板拼拆规定：

a．以砼地坪作为空心方块底模，对地坪制作的平整度要求较高，2.5m×2.5m范围内地坪平整度≤3mm，且在每次支模前，必须对场地进行严格清理，并覆盖滑石粉及二层无油毛毡作为隔离层。

b．四周外侧模底部粘贴发泡橡胶条止浆，确保底板不漏浆。

c．模板在拼装过程中，对各种型号的模板进行编号，并设置支架防倾倒，按照设计所采用的螺栓点设置各联接点，防止漏设而产生模板变形。

d．拆模时，执行先拆外侧，后拆内侧，先拆非承重模板，待强度达到要求后再拆承重模板的操作程序。

④模板配置数量：根据现场安装进度计划，空心方块每天预制需求量约280个，按浇筑完成后隔天拆模考虑，共需加工制作模板700套（考虑部分富余量）。

（3）钢筋工程

空心方块钢筋制作在专设钢筋加工场地上作业，钢筋成型后用定制专用平板车运至预制场地安装绑扎，确保预制场地周转快，立模、浇砼交叉作业不受干扰。钢筋作业如图28。

20

图28 钢筋作业图

钢筋接头：钢筋的接头用闪光对焊和绑扎，钢筋焊接前，构件内接头位置相互错开，接头截面面积占受力钢筋总截面积不超过25%。空心方块底部钢筋保护层垫块采用同标号细石砼方型垫块，柱头、梁、保护层垫块采用压制圆弧形带铁丝垫块。

（4）混凝土工程

空心方块浇筑用的混凝土全部由搅拌楼搅拌，预制基地内采用6m3砼运输车运输，泵车输送入模。

a．为减少混凝土表面气泡，通过砼试拌和典型施工将混凝土的塌落度控制到最佳状态，掺加适量粉煤灰和外加剂，有效地提高混凝土的和易性。浇筑到构件顶时，进行复振，并根据气温条件，掌握复振时间，控制砼松顶现象出现，提高砼质量。

b．混凝土下灰和振捣：混凝土浇捣分层下料分层振捣，每层浇筑高度应控制在50cm 以内。在浇捣上一层混凝土时，振捣器插入下一层混凝土顶面进行复振，来减少混凝土表面的气泡现象，在浇筑过程中，由专人观察模板支架，以防变形，影响外观质量。浇筑到构件顶时，必须进行复振，并根据气温条件，掌握好复振时间，防止出现砼松顶现象。

c．混凝土养护：对已浇完的空心方块，在12小时以内加以土工布覆盖和浇水养护，浇水次数以保持混凝土处于湿润状态为准。在常温情况下，混凝土浇水养护时间不少于10昼夜。空心方块养护见图29所示。

21

图29 空心块养护示意图

（5）陆上堆存和运输

空心方块原则上采取就地堆存，利用16t和25t铲车堆放，把预制场地中7排作为一个单元，向中间挤紧堆放成排（均为3层）。空心方块场内运输采用6辆简易平板车（4m长×3m宽），大型拖拉机拖运，由16t和25t铲车装车，见图30所示。

图30 空心块场内运输与堆存

3.1.4空心方块的安装

（1）空心方块的落驳及水上运输

22

利用平板车由堆放场地运输至出运码头，码头上通过2台吊重为25t×22m的克林吊装船。预制场地内采用空心方块专用吊具起吊、装船，见图31。

图31 场内落驳专用吊具

该吊具结构简单、重量轻、快速便捷、操作安全。现场作业时运输船须靠在安装作业船上且必须随安装船移动，采用1000t～2000t级自航驳运输。甲板驳运输船装一层，舱驳运输船装二层。

（2）空心方块定位及安装 ①参数设定

空心方块的安放原则是：“水平分层、质心定点、姿态随机”。分层安放时，层与层之间呈梅花型布置，即上面一层的每一块体均需要放在下一层四个块体的中央。通过调整块体的间距，即可调整上层块体的嵌入深度，层高就可相应得到调整，同时达到调节堤身高度的目的。根据计算，纵横向间距保持在3.5~4.5m间，且乘积约为14~15m2时，空隙率可保持在40%~41%之间。

②定位原理

▲系统主要硬件如下：

i 两台 RTK GPS，用以确定船位；

ii 两台双轴测倾仪，用以分别测定吊臂及钢丝绳的倾斜度； iii 两台光栅角度传感器，用以分别测定吊臂方向及钢丝绳的行程； iv 一台计算机，用以运行软件系统，采集各传感器数据，显示设备状态和

23

方块体位置。 ▲定位原理如下：

系统采用分级定位原理，如图所示。

i 船体位置确定：采用两台 RTK GPS 以确定船体位置，并由 GPS 实时定位结果计算吊机旋转中心Z位置，如图32所示。

ii 吊臂方向测定：通过吊机转向传动齿轮带动光栅角度传感器，并由光栅角度传感器纪录吊机的转动角度以计算吊臂的方向。

iii 吊臂倾斜测定：吊臂倾斜量可以通过安装在吊臂上的测倾仪测定。 iv 吊钩线倾斜测定：吊钩线倾斜量可以通过安装在吊钩线上的测倾仪测定。 v 天菱(T)位置（坐标）计算：天菱(T)相对吊机旋转中心(Z)的位置由吊臂长度、吊臂方向和吊臂倾斜计算。

vi 空心方块中心(P)位置（坐标）计算：空心方块中心(P)相对天菱(T)的位置由吊钩线长度、空心方块对角线半长、吊钩线在沿吊臂方向和吊臂水平垂直方向的倾斜分量计算。

图32 安装定位示意图

③ 安装工艺

▲ 底层空心方块的安放

i 底层空心方块采用两点平吊，以保证方块呈水平状态安装，行、列间距由

24

模型试验的结果确定；

ii 安装船顺堤轴线锚泊，根据GPS显示数据移船到位；

iii 按模拟试验所确定的纵、横向间距，将参数输入电脑，完成程序设置； iv 吊起空心方块，按电脑屏幕显示的方块理论位置和实际位置，移动吊臂，安放方块，安放时应确保空心方块水平着底。

▲ 第二层及其以上各层空心块体的安放

i 第二层及其以上的空心方块采用单点吊，吊起后块体呈倾斜状态； ii 第二层及其以上的空心方块的安放步骤与第一层相同，但横向安放列数为：若第一层为n列，则第二层为n+1列，第三层为n列，其后每增加一层减少一列；

iii 相邻两层的空心方块从平面看呈梅花型布置，即上层块体均应安放在其下层块体的空档处；

④ 船机配置和工效分析

按长江口航道整治工程的工效：单船单吊机日平均安装200个空心方块，而本工程由于其安装水深远深于前者，因此考虑工效降低30%，即单船单吊机日平均安装150个。按每月有效工作日为25天，则单船单吊机月平均安装150×25＝3750个。如果按沉管安装进度1节（180m）/月，后续抛石、回填空心块流水作业的方式，分析计算船机配置如表3所示

表3 船机配备分析表

3.1.5 模袋混凝土铺设工艺

模袋轻质混凝土主要功能是隔离堆积体空隙内自然淤积，模袋砼需有效覆盖回填堆积体顶面和两侧坡面，且在结构使用期持续发挥隔离回淤功能，这对模袋砼施工工艺和质量提出了更高要求。采用“滑板法”铺设模袋砼工艺，可以实现

25

陆上砼袋体加工（加工厂）和充灌（船甲板）、水上连续铺设成型的目标，解决深水模袋砼大面积铺设的难点。模袋砼拟在堆积体表层铺设2层，模袋砼铺设施工工艺流程如图33所示。

图33 模袋混凝土施工工艺流程图

（1）土工模袋制作

土工模袋由底层土工织物和充灌袋体组成，根据现有船机性能和分幅铺设工艺，加工成单幅宽度38.4m、长度35~40m的模袋体。土工织物及袋体缝制拼接采用包缝法，受力拉筋采用5cm加筋带。

底层土工织物承载着模袋砼连续铺设，在回填堆积体表层形成隔离层。土工织物加工时，需考虑其铺设下放时的拉力及铺设到位后因覆盖面起伏产生的局部不均匀张拉，拟在纵横向均加工布置受力加筋带，如图34所示。

26

图34 土工织物加筋带示意图

土工模袋缝制在底层土工织物上， 模袋加工成宽度1m、充灌后高度0.3m的袋体，沿单幅底层土工织物宽度方向通长满布，如图35所示。

图35 土工模袋加工示意图

（2）轻质混凝土灌注

27

轻质砼在砼搅拌船上拌合完成，通过泵管输送至充灌口灌入模袋体中。充灌连续、均匀，至袋体饱满后扎紧充灌口，进行另一袋体充灌。

（3）模袋定位铺设 1）铺设前的准备工作。 2）模袋体卷上滚筒，见图36。

模袋体运到现场后，铺设船将滑板放成水平，由铺排船上的起重机将袋体吊到甲板上。在甲板上展开袋体，用双股丙纶绳将（Ф10mm）袋体末端的加筋圈（加筋圈间距为50cm）和滚筒上的钢丝绳连接。启动滚筒绞车，卷起丙纶绳使袋体卷至滚筒。当排体前端与滑板边缘齐平时，停止滚筒作业。

图36 类似铺设工艺的软体排上滚筒图

3）模袋铺设

①根据前一幅已铺相邻袋体的实际边线位置确定将铺设袋体的平面位置。GPS操作人员根据铺设控制软件的显示， 配合船长指挥锚车室操作人员将铺设船准确定位于排头位置，砼搅拌船向铺排船靠拢，准备充灌作业。如图37所示。

28

图37 准备阶段

②由砼搅拌船充灌模袋体，首先充灌滑板边缘5m左右；将滑板缓缓下倾使袋体首部下滑3m左右并处于紧绷状态时，调整滑板倾角使其再次水平，继续充灌。如图38所示。

图38 开始充灌模袋砼

③第二次充灌完成，滑板下倾使其达到30度左右，控制袋体下滑至内边线与甲板处边线齐平；保持滑板倾斜，继续充灌。如图39所示。

图39 下滑并继续充灌砼

④重复充灌、下滑步骤，并根据水深和水下袋体的长度确定移船的距离，移

29

船时要特别注意两点：控制移船的速度；控制移船距离，每次充灌（5m）移船最大距离控制在略小于 5m，否则可能造成袋体在填充块体面上重叠或袋体受拉被撕裂。如图41所示

图40 模袋铺设、移位、继续充填和下滑

⑤重复以上操作步骤（充灌、下滑、移船），直到模袋体铺设完毕。 （4） 船机配置和工效分析

模袋砼铺设船机配置按沉管安装的进度1节（180m）/月的计划进行。根据模袋单幅尺寸，单节沉管上横向分为2块，纵向分为6块，分2层，共24块。铺设时按以下顺序进行：

① 承上节沉管已完成段，开始铺设半幅第一层第1－1块，依次为1－2、直至1－6块；

② 铺排船再回到起始段，依次铺设对称半幅的1－1’至1－6’块； ③ 再回到起始段，按①、②的顺序完成第二层的铺设。 铺设顺序如图41所示

30

图41 模袋混凝土铺设顺序示图

单幅模袋体加工长度35~45m，砼最大充灌方量 45*0.3*38*0.8=410m3。按砼搅拌船泵送工效60m3/小时，充灌和铺放工效5延米/小时，单幅袋体铺设耗时7～9小时。按每天完成一幅，可以满足沉管安装流水作业的进度要求。

3.2 人工轻量土 3.2.1 施工生产工艺

轻量土的施工生产工艺主要分三个步骤： （1）挖泥船取泥、运输、靠驳输送；

（2）原材料在海上生产与施工平台上的混练、加工； （3）成品轻量土压送、填筑。

挖泥船取泥与运输与常规疏浚作业流程相同，取料区将根据设计要求确定。

31

轻量土的生产和填筑将通过设在海上平台的加工装置完成，此平台具备三种功能：从疏浚土运输船舶上取料的功能、轻量土加工生产功能及轻量土填筑功能，从而实现轻量土的生产与填筑一体化。具体流程如图42所示：

图42 轻量土生产工艺图

挖泥船可通过确定的开挖区域为轻量土生产提供原材料，挖泥船作业生产工艺见图43。挖泥方式与常规疏浚类似。

图43 挖泥船取土工艺流程流程

海上生产与施工平台作为一个大型加工场所，装有一条完整的生产轻量土的生产线，主要包含筒仓、压气机、湿送泵、发泡机、电磁流量计等设备，原材料在海上平台上加工生产工艺见图44、45。

32

图44 原材料在海上生产与施工平台上的加工工艺流程示意

图45 原材料在海上生产与施工平台上的加工工艺流程图

3.2.2 回填工艺

可利用生产轻量土的海上生产平台来完成轻量土的填筑过程。轻量土生产完成后，通过加装在海上平台上的管送系统直接输送至指定位置和指定标高填筑，具体作业形式类似于溜管抛石作业。采用此方法可以有效避免轻量土在运输及抛设过程中的流失，且保证轻量土在相对静水状态下完成填筑，对环境的影响亦可做到较小。具体作业方法如下：

海上生产与施工平台设立六锚系统，按垂直基槽轴线展布，其中左、右艏锚成八字形抛向下游，左、右艉锚成八字形抛向上游，船舶前后抛设前、后中锚。船舶的移位可采用六锚同步联动定位系统通过计算机来进行精准船位控制，平台上在船舷位置设置竖向输送管，管底标高可通过液压装置根据潮水变化实现动态。从而实现调整轻量土在填筑过程中的平面与高程精确控制。具体见图46。

33

图46 施工平台船平面布置示意图

施工平台船根据设计好的回填预定轨迹显示系统采用分段、分层、分条施工，分段长度主要由平台船每次横移距离而定，分层厚度按2～3m控制，分条宽度主要由管道直径大小而定。轻质土回填前，使用多波束测深仪测量回填区域水深，并计算出每块区域回填标高及工程量，平台船作业时管道根据潮位变化实施调整回填标高并对不同区域进行定点填筑，每回填完部分区域后即进行水深测量，对于不合格区域进行补填，以确保回填标高符合设计要求。

图47 施工平台船回填工艺流程图

34

图48 施工平台船分层回填横断面示意图

图49 施工平台船分层分条回填平面示意图

3.2.3 工效分析

轻量土海上生产与施工平台将根据最终回填工程量和可利用工期计算的生产效率来进行专门设计与建造，以满足整体工程进度需求。在此基础上，进行相应的疏浚土取土及供应设备配置。轻量土回填采用即生产即填筑的方法。也就是说，决定轻量土回填施工工效的将是海上生产平台的效率， 而该平台的生产效率将由设计的工程量及工期来决定。

3.2.4 设备选型

人工轻质回填土生产施工主要的船机设备如下： （1）挖泥船； （2）泥驳；

（3）轻量土生产与施工平台船

（4）相应的辅助船舶（交通、测量、锚艇、油水补给船、警戒船等）。 五、可能存在的问题：

1）根据目前掌握的资料：轻量土在平均水下20m作业，海水压力下（增加

35

0.2MPa），采用气泡轻量化的土未固化时可能会被压缩，根据压差平衡原理 （P1V1=P2V2），气泡体积缩小为原来的1/3，轻量土密度会增大，超过自然回淤密度，失去轻量化的意义。目前计划施工区域大都处于水深大于20米的情况。

2）回填方量预计超400万立方米，施工强度预计超过200万立方米/年，海上生产与施工平台建造的技术难度及经济性未知。

3.3 轻质混凝土

轻质混凝土回填可考虑模袋轻质混凝土方案或轻质混凝土联锁块方案，这两个方案均以成熟的水下护底软体排的工艺为基础，然后分层叠合，形成设计断面。模袋混凝土的施工工艺可参见 3.3.1 章节的内容。联锁块方案采用水上铺排船“滑板”铺设的工艺，相比模袋混凝土的铺设，工序简单，工效更高，只是增加了联锁块预制和出运的环节。有关联锁块预制和铺设的施工照片见图50～52所示。

图50 场内预制砼联锁块

36

图51 砼联锁块运输吊运

图52 砼联锁块铺设沉放

3.4 轻质人工土和块体组合方案

轻质人工土和块体组合方案可考虑预制单面留孔的轻质混凝土空心方块，然后在空心内填充轻质人工土，再封闭孔口。封闭后的“实体方块”密度略大于海

37

水密度，确保其入水下沉。安装方块采用类似于 3.3.1 章节空心块水下安装的工艺，水平分层、质心定点，但改“姿态随机”改为“规则摆放”，以减少空隙率，空隙率应控制在10%以内。不同于空心块回填，其顶面不再设置覆盖层。

38

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1ec.html