沉管法隧道施工基本原理及施工工艺

沉管法隧道施施工基本原理理及施工工艺艺10.1基本原理沉管法：在隧址附近修修建的临时干坞内(或船厂船台)预制管段，用临时隔墙封闭，然后浮运到隧址规定位位置，此时已已于隧址处预预先挖好水底基槽。待管段定位位后灌水压载下沉沉到设计位置，，将此管段与与相邻管段水下连接，经基础处理并最后回填覆土即成为水底隧隧道。在已修筑好的的干坞内预制管段一般由敞开段、暗埋埋段、岸边竖竖井与沉埋段段等组成。沉埋段两端通常设置竖井作为起讫点，，竖井起到通通风、供电、、排水和监控控等作用。根根据两岸地形形与地质条件件，也可将沉沉埋段与暗埋埋段直接相接接而不设竖井井。沉管隧道的组组成整体结构：水下沉管隧道道的整体结构构是由管段基基槽、基础、、管段、覆盖盖层等组成，，整体坐落于于河（海）水水底。沉管隧道的横横断面结构覆盖层管段基础基槽10.2沉管隧道结构构10.2.1沉管隧道结构构分类按断面形状：：圆形矩形等按建筑材料：：钢壳混凝土钢筋混凝土按管段的制作作方式：船台型干圬型船台型1）造船厂船台台上预制钢壳壳2）滑行下水，，水上悬浮状状态灌注混凝凝土3）横断面一般般为圆形、八八角形、花篮篮形，多为圆圆形优点：1）圆形，弯矩矩较小；水深深大时，较经经济2）管段底面积积小，基础容容易处理3）钢外壳既是是外模，又是是防水层，同同时保护内侧侧混凝土缺点：1）断面空间不不能充分利用用；车道数少少2）隧道深度增增加，基槽土土方量增加3）耗钢量大，，造价高，焊焊接质量无法法保证，没完完没了的堵漏漏4）钢壳防锈问问题、防水问问题。干圬型1）临时干圬中中制作钢筋混混凝土管段，，外涂防水涂料2）圬内灌水，，管段上浮；；拖运到隧址址陈设3）断面多为矩矩形优点：1）管段在干船船坞内制造，，不需钢壳，，节约钢材2）断面大小不不受限制缺点：1）必须在合适适地点修建干干船坞2）需设置防水水层，并加以以保护，以保保证防水性3）混凝土工艺艺要求高，特特别是水密性性要求4）底面积大，，基础处理麻麻烦10.2.2沉管隧道结构构设计要点设计内容主要要有：总体几何设计计；结构设计计；通风设计计；照明设计计；内装设计计；给排水设设计；供电设设计；运行管管理设施设计计等。（1）横断面的设设计用干船坞制作作的钢筋混凝凝土管段，从从施工的角度度看，在应力力方面是不会会有问题的。。决定横断面面时，就是要要注意对浮力的的平衡。决定断面尺尺寸时，一般般都按采用平面框架结构构进行应力计算算。一般管段结构构设计横断方向的钢钢壳断面，一一般决定于混凝土灌注时时的应力。随着混凝土土的灌注，吃吃水深度增加加，而水压增增大。设计断断面也随之变变化。因此，，应对每一施工阶段段的混凝土重重量和水压进进行应力计算算，而后按最危危险状态，决决定钢壳断面面。（2）纵断面的设设计施工阶段：主主要计算浮运运、沉设等阶阶段时主要由由施工荷载引引起的弯矩，，浮运管段越越长，所受弯弯矩越大。使用阶段：弹弹性地基梁理理论计算纵向向内力钢壳作为整体体梁分析，保保证纵向发生生变形而横截截面方向无显显著变形，可可利用横柱和和支柱增强截截面的刚度（3）预应力混凝凝土管段设计计跨度较大时，，并且土、水水压力较大时时，采用管段段顶、底及隔隔墙预应力设设计，改善管管段结构的抗抗裂性能。10.3沉管隧道施工工工艺10.3.1沉管法施工前前期调查工作作水力调查：流速、流向、、密度差异、、潮汐、水位位变化、海海浪和波波浪影响、水水质情况地质调查：地基承载力、、水下障碍物物、浚挖技术术气象调查：风、温度、能能见度等地震调查：断层位置、地地震记录、土土层性质或成成层状态，特特别注意液化化问题10.3.2临时干船坞坞的构造与与施工（1）规模取决于管段段节数、管管段宽度与与长度、管管段预制批批量，同事事考虑工期期因素。小型干圬：分批制作作瑞典Tingstad隧道（5节管段，长长93.5m，80m，宽30m）：干圬3500平米（100×35m）大型干圬：一批制作作日本东京港港水底隧道道（9节管段，长长115m，宽37.4m）：干圬81270平米（645×126m）（2）深度保证管段制制作好后能能顺利浮运运出坞。（3）坞底与边边坡坞底20-30cm无筋混凝土土或钢筋混混凝土（铺铺砂砾或碎碎石层）或1-2.5m的黄砂；上上覆20-30cm砂砾或碎石石一般坞底强强度不存在在问题边坡需进行边坡坡稳定性分分析可采用防渗渗墙及井点点系统分批制作时时，需分析析干圬排水水时边坡的的稳定性（4）坞首、坞坞门一批制作时时：一般不不采用坞门门，仅用土土围堰、钢钢板桩围堰堰；局部拆拆除围堰，，将管段拖拖运出坞分批制作时时：双排钢钢板桩围堰堰；单排钢钢板桩作坞门10.3.3管段制作（1）施工缝、、变形缝的的控制纵向施工缝缝：竖墙下下端30-50cm处横向施工缝缝：垂直缝缝（水密性性难以保证证）设置垂直于于隧道轴线线方向的变变形缝，以以防止管段段开裂，长长短一般为为15-20m（2）底板地层不均匀匀沉降可能能引起管段段裂缝。一一般在坞底底沙层上铺铺设一块6mm厚的钢板，，与底板混混凝土浇筑筑在一起，，既防水，，又防止外外力对底板板的破坏。。或者用9-10cm的钢筋混凝凝土板代替替钢板，并并贴上防水水膜。（3）侧墙与顶顶板侧墙外周可可用钢板（（做外模板板和侧防水水），应确确保焊接质质量。也可可用防水膜膜，并做好好防水膜保保护。顶板上通常常铺设防水水膜，浇筑筑15-20cm厚的钢筋混混凝土保护护层，一直直包到侧墙墙上部，并并做成削角角，避免被被船锚钩住住。（4）临时隔墙墙设置于管段段两端50-100cm处木料、钢材材或钢筋混混凝土制成成设计时按最最大静水压压力考虑封端墙上需需设排水阀阀（下部））、进气阀阀（上部））、人员出出入孔（5）压载设备备石碴、矿碴碴或者水，，多数用加加载水箱每只管段>4只水箱，均均匀布置于于四角水箱容量取取决于干舷舷大小、下下沉力、基基础压重等等（6）预应力张张拉管段预制完完成后，在在干船坞内内全部预应应力一次施施加完毕。。10.3.4管段浮运管段制作完完成后开始始向干船坞坞注水，检检查管段内内部漏水情情况，一旦旦发现漏水水，立即停停止注水并并修补。船坞内水位位接近干舷舷量时，向向压载水箱箱内注水，，防止管段段上浮。完完全淹没后后，排出水水箱内的水水，使管段段上浮。浮浮运时干舷舷量一般取取10-15cm左右。调整整完后，打打开坞门，，拽出管段段。一般清晨托托运至隧址址，以便沉沉设。提前前12h做好水流与与气象条件件预报工作作，并提前前2h复核。一般般要求：风风力小于5-6级，能见度度大于1000m，气温高于于-30C，可进行沉沉设作业。。宁波甬江沉沉管隧道管管段预制干坞注水与与管段检漏漏调整管段内部检检漏10.3.5沟槽浚挖基槽断面底宽：大于于管段宽度度4－10cm深度：覆盖盖层厚+管段高度+基础处理所所需超挖深深度坡度：土层层条件、基基槽留置时时间、水流流情况等浚挖方式挖泥船选择择吸扬式挖泥泥船生产效率高高；成本低低；开挖面面平整度好好抓扬式挖泥泥船造价低；浚浚挖深度大大；可开挖挖硬土链斗式挖泥泥船生产效率高高；成本低低；能浚挖挖硬土；平平整度好；；占用水面面大铲扬式挖泥泥船浚挖费用高高；占用水水面小耙吸式挖泥泥船绞吸式挖泥泥船链斗式挖泥泥船抓斗式挖泥泥船铲斗式挖泥泥船10.3.6管段沉放影响因素：：管段尺寸寸、地形、、水流条件件、气象条条件、航运运条件管段下沉全全过程一般般需要2~4h。下沉作业业分为初步下沉、靠拢下沉与着地下沉3个步骤。初步下沉压载至下沉沉力达50％规定值后后校正位置置，之后再再继续压载载至下沉力力达100％规定值，，然后20-50cm/min的速度下沉沉，直到管段底底部离设计计高程4~5m为止。靠拢下沉将管段向前前节既设管管段方向平平移至距前前节管段2~2.5m处，再将管管段下沉到到管段底部部离设计高高程0.5m左右右，，再再次次校校正正管管段段位位置置。。着地地下下沉沉先将将管管段段底底降降至至距距设设计计高高程程10~20cm处，，再再将将管管段段继继续续前前移移至至距距既既设设管管段段20~50cm处，，校校正正位位置置后后即即开开始始着着地地下下沉沉。。下下沉沉速速度度缓缓慢慢，，随随时时校校正正管管段段位位置置。。管段段下下沉沉作作业业步步骤骤浮箱箱分分吊吊法法1-沉放放管管段段;2-压载载水水箱箱;3-浮箱箱;4-定位位塔塔;5-指挥挥室室;6-吊索索;7-定位位索索;8-既设设管管段段;9-鼻式式托托座座a)就位位前前;b)加载载下下沉沉;c)沉放放定定位位浮箱箱分分吊吊法法管段段顶顶板板上上方方用用4只浮浮力力1000～1500kN的方型型浮浮箱箱直接接吊吊起起，，吊吊索索起起吊吊力力作作用用于于各各浮浮箱箱中中心心，，前前后后每每组组两两只只浮浮箱箱用用钢桁桁架架连接接，，并并用用4根锚锚索索定定位位。。起起吊吊卷卷扬扬机机与与浮浮箱箱定定位位卷卷扬扬机机均均安安放放在在浮浮箱箱顶顶部部，，管管段段本本身身则则另另用用6根锚锚索索定定位位，，其其定定位位卷卷扬扬机机则则安安设设在在定定位位塔塔顶顶部部。。船组组(四驳驳)杠吊吊法法每组组船船体体由由两两只只铁铁驳驳或或两两组组浮浮箱箱构构成成，，将将每每组组钢钢梁梁(杠棒棒)两头头担担在在两两只只船船体体上上构构成成一一个个船船组组，，再再将将先先后后两两个个船船组组用用钢钢桁桁架架梁梁连连接接成成整整体体船船组组(前后后两两个个船船组组也也可可不不用用钢钢桁桁架架梁梁连连接接)。船船组组与与管管段段各各用用6根锚锚索索定定位位(均为为四四边边锚锚与与前前后后锚锚)，所所有有定定位位卷卷扬扬机机均均安安设设在在船船体体上上，，起起吊吊卷卷扬扬机机安安设设在在“杠棒棒”上，，吊吊索索的的吊吊力力通通过过“杠棒棒”传到到船船体体上上。。1-沉管管;2-铁驳驳;3-船组组定定位位索索;4-沉管管定定位位索索;5-杠棒棒;6-连接接梁梁;7-定位位塔塔10.3.7水下下连连接接水下下混混凝凝土土连连接接法法应用用范范围围早期期均均使使用用该该法法，，目目前前只只用用于于最最终终接接头头连连接接。。施工工方方法法水中中安安放放圆圆弧弧形形堰堰板板，，围围成成圆圆形形钢钢围围堰堰，，往往围围堰堰内内灌灌筑筑水水下下混混凝凝土土，，形形成成管管段段连连接接。。水力力压压接接法法作用用原原理理利用用作作用用在在管管段段上上的的巨巨大大水水压压力力使使安安装装在在管管段段前前端端面面周周边边上上的的一一圈圈胶胶垫垫发发生生压压缩缩变变形形，，形形成成一一个个水水密密性性相相当当可可靠靠的的管管段段接接头头。。水力力压压接接的的步步骤骤：：1）对对位位；；2）拉拉合合；；3）压压接接主要要是是垫垫平平基基槽槽底底部部，，有有刮刮铺铺、、喷喷砂砂、、压压砂砂法法。。刮铺铺法法在管管段段沉放放前前采采用用专专用用刮刮铺铺船船上上的的刮刮板板在在基基槽槽底底刮刮平平铺铺垫垫材材料料(粗砂砂或或碎碎石石或或砂砂砾砾石石)作为为管管段段基基础础。。采用用刮刮铺铺法法开开挖挖基基槽槽底底应应超超挖挖60~80cm，在在槽槽底底两两侧侧打打数数排排短短桩桩安安设设导导轨轨，，以以便便在在刮刮铺铺时时控控制制高高程程和和坡坡度度。。10.3.8基础础施施工工喷砂砂法法从水水面面上用用砂砂泵泵将将砂砂、、水水混混合合料料通通过过伸伸入入管管段段底底下下的的喷喷管管向向管管段段底底喷喷注注、、填填满满空空隙隙。。砂砂垫垫层层厚厚度度1m左右右。。可沿沿着着轨轨道道纵纵向向移移动动的的台台架架外外侧侧挂挂三三根根L形钢钢管管，，中中间间为为喷喷管管两两侧侧为为吸吸管管。。压砂砂法法在管管段段沉沉放放后后向向管管段段底底面面压压注注水水泥泥砂砂浆浆或或砂砂作作为为管管段段基基础础。。根根据据压压注注材材料料不不同同分分成成压浆浆法法和压砂砂法法两种种。压浆浆法法：开开控控基基槽槽时时应应超超挖挖1m左右右，，然然后后摊摊铺铺一一层层厚厚40~60cm的碎碎石石。。两两侧侧抛抛堆堆沙沙石石封封闭闭槛槛后后，，通通过过隧隧道道内内预预留留压压浆浆孔孔注注入入由由水水泥泥、、膨膨润润土土、、黄黄砂砂和和缓缓凝凝剂剂配配成成的的混混合合砂砂浆浆。。压砂砂法法：与与压压浆浆法法相相似似，，但但注注浆浆材材料料为为砂砂水水混混合合物物。。10.4沉管管隧隧道道施施工工特特点点（1）隧隧道道深深度度与与其其它它隧隧道道相相比比，，因因能能够够设设置置在在只只要要不不妨妨碍碍通通航航的的深深度度下下，，故故隧隧道道全全长长可可以以缩缩短短；；（2）隧隧道道管管段段是是预预制制的的，，质质量量好好，，水水密密性性高高；；（3）造造价价较较低低。。水水下下挖挖土土与与管管段段制制作作成成本本较较低低，，短短于于盾盾构构隧隧道道；；（4）工工期期短短，，对对航航运运干干扰扰小小。。管管段段在在干干坞坞中中呈呈长长段段预预制制，，沉沉放放连连接接时时间间短短，，对对航航运运干干扰扰次次数数少少、、时时间间短短。。沉沉管管隧隧道道的的主主要要工工序序可可平平行行作作业业，，各各工工序序间间干干扰扰少少，，可可缩缩短短工工期期。。（5）施施工工条条件件好好。。管管段段预预制制、、托托运运和和沉沉放放等等都都是是陆陆地地或或水水面面完完成成，，水