《沉管隧道施工》PPT课件 (2).ppt

LOGO 地下工程施工 Underground Engineering & Construction 轨道交通工程学院 蒋英礼 Tel: 150-0203-0945 Email： 第4章 沉管隧道施工 沉管隧道施工 沉管法：就是在水底预先挖好沟槽，沉管法：就是在水底预先挖好沟槽， 把在陆地上特殊场地预制的适当长度的把在陆地上特殊场地预制的适当长度的 管段浮运到沉放现场，顺序地沉放到沟管段浮运到沉放现场，顺序地沉放到沟 槽中并进行连接，然后回填覆盖成的隧槽中并进行连接，然后回填覆盖成的隧 道。道。 第4章 沉管隧道施工 沉管隧道施工 第4章 沉管隧道施工 v 4.1 概论 4.1.1 发展史 v 1919世纪末，美国首先用沉管法建成波士顿的下世纪末，美国首先用沉管法建成波士顿的下 水道工程，之后，于水道工程，之后，于19101910年用此法建成底特律河年用此法建成底特律河 水底铁路隧道，这是世界上第一条沉管建造的铁水底铁路隧道，这是世界上第一条沉管建造的铁 路隧道。日本是东亚第一个建成沉管隧道的国家路隧道。日本是东亚第一个建成沉管隧道的国家 。自。自19441944年第一条沉管道路隧道庵治河隧道通年第一条沉管道路隧道庵治河隧道通 车以来，已建成铁路和公路隧道车以来，已建成铁路和公路隧道1818条。目前世界条。目前世界 上最长的沉管隧道是美国旧金山海湾地区快速交上最长的沉管隧道是美国旧金山海湾地区快速交 通隧道，全长通隧道，全长58255825米，由米，由5858节管段组成。管段最节管段组成。管段最 宽的隧道是比利时亚珀尔隧道，宽达宽的隧道是比利时亚珀尔隧道，宽达53.1m53.1m，全，全 长长336m336m。单节管段最长的隧道是荷兰海姆斯普尔。单节管段最长的隧道是荷兰海姆斯普尔 隧道，最长一节管段长隧道，最长一节管段长268m268m，宽，宽21.5m21.5m重重50000KN50000KN 。 第4章 沉管隧道施工 v 4.1.1 发展史 v 根据国际隧道协会沉管与悬浮式隧道到根据国际隧道协会沉管与悬浮式隧道到19941994年年 的统计资料，世界各国已建、在建或拟建的沉管的统计资料，世界各国已建、在建或拟建的沉管 隧道共有隧道共有9393条，就管段制作而言，混凝土隧道条，就管段制作而言，混凝土隧道5959 条，钢壳隧道条，钢壳隧道3434条；从使用功能上来看，公路隧条；从使用功能上来看，公路隧 道道6161条，铁路隧道条，铁路隧道2626条（包括地铁隧道），公路条（包括地铁隧道），公路 、铁路两用隧道、铁路两用隧道4 4条，人行隧道条，人行隧道2 2条；就管段横截条；就管段横截 面形状来说，矩形截面隧道面形状来说，矩形截面隧道7373条，圆形（含花篮条，圆形（含花篮 形、八角形、马蹄形、椭圆形）截面隧道形、八角形、马蹄形、椭圆形）截面隧道2020条；条； 从规模上看，早期的沉管多为双车道或四车道，从规模上看，早期的沉管多为双车道或四车道， 从从6060年代中期，陆续建成一些六车道隧道，到目年代中期，陆续建成一些六车道隧道，到目 前世界已建的前世界已建的6 68 8车道共有车道共有1919条。条。 第4章 沉管隧道施工 v4.1.1 发展史 vv 在我国，香港和台湾借助国内外先进技术共建在我国，香港和台湾借助国内外先进技术共建 成四条沉管隧道，中国大陆第一条沉管道路隧道成四条沉管隧道，中国大陆第一条沉管道路隧道 广州珠江隧道于广州珠江隧道于19931993年底通车，已建成宁波甬年底通车，已建成宁波甬 江隧道。我国目前的沉管隧道设计及施工技术还江隧道。我国目前的沉管隧道设计及施工技术还 处在积累经验阶段，但我国经济的迅猛发展为其处在积累经验阶段，但我国经济的迅猛发展为其 进一步发展创造了良好的条件。如上海外环线吴进一步发展创造了良好的条件。如上海外环线吴 淞口越江隧道确定采用沉管法隧道。由于多车道淞口越江隧道确定采用沉管法隧道。由于多车道 沉管隧道明显节约投资，因此沉管隧道在我国具沉管隧道明显节约投资，因此沉管隧道在我国具 有广阔的前景。有广阔的前景。 第4章 沉管隧道施工 v4.1.2 方法实质 vv 先在干坞中或船台上预制大型砼箱形构件，或先在干坞中或船台上预制大型砼箱形构件，或 是砼和钢的组合箱形构件，每个构件长是砼和钢的组合箱形构件，每个构件长6060140m140m ，并于两端用临时隔墙封闭，用拖轮拖至预沉位，并于两端用临时隔墙封闭，用拖轮拖至预沉位 置，定位后，将这些构件沉放在河床上预先浚挖置，定位后，将这些构件沉放在河床上预先浚挖 好的沟槽中并联接起来，回填砂石，拆除隔墙形好的沟槽中并联接起来，回填砂石，拆除隔墙形 成隧道。成隧道。 第4章 沉管隧道施工 4.1.3、优点 vv1 1 对地质水文适应能力强对地质水文适应能力强 因在基槽中开挖较浅，基槽开挖和基础 处理的施工技术比较简单 因沉管受到水的浮力，作用于地基的荷 载较小 因管段采用先预制再浮运沉放的施工工 艺，避免了难度较大的水下作业，故可在 深水施工，且对潮差和水流速的适应能力 强 第4章 沉管隧道施工 vv2 2 可浅埋与两岸道路衔接容易可浅埋与两岸道路衔接容易 与埋深较大的盾构隧道相比，沉管隧道路面 标高可抬高，与岸上道路隧道很容易衔接 4.1.3、优点 第4章 沉管隧道施工 第4章 沉管隧道施工 vv3 3 防水性能好防水性能好 每节预制管段很长，一般约100m,而盾构 隧道预制管片环宽仅为1m，因而沉管隧道接 缝数量少 vv4 4 沉管隧道施工工期短沉管隧道施工工期短 由于每节预制管段较长，一条沉管隧道只 用几节预制管段就可完成，预制管段和基槽 开挖可同时进行，且预制管段不在隧址，施 工干扰时间短 4.1.3、优点 第4章 沉管隧道施工 vv5 5 沉管隧道造价低沉管隧道造价低 水底挖基槽土方量少，比地下挖土单价低 ，管段预制与盾构相比，所需费用低。 vv6 6 施工条件好施工条件好 沉管隧道施工时，预制和浮运沉放管段等 主要工序大部分在水上进行，水下作业极少 ，除少数潜水工外，工人们都在水上作业， 且不需在气压下工作 4.1.3、优点 第4章 沉管隧道施工 vv7 7 沉管可作成大断面多车道沉管可作成大断面多车道 一个隧道横断面可同时容纳48条车道 。而结构尺寸不限。对盾构受尺寸限制， 一般只能双车道 4.1.3、优点 第4章 沉管隧道施工 4.1.4、沉管隧道类型 vv按断面形状按断面形状 圆形 第4章 沉管隧道施工 v矩形 第4章 沉管隧道施工 vv按管段按管段 制作方制作方 式式 船 台型 第4章 沉管隧道施工 干坞型 第4章 沉管隧道施工 第4章 沉管隧道施工 浮船坞 第4章 沉管隧道施工 干坞 管段预制 防锚层施工 沉管隧道内部 4.2 沉管结构设计 vv.1、沉管结构浮力计算、沉管结构浮力计算 计算内容 干舷浮力计算 抗浮安全系数计算 1 干舷：能保持管顶露出水面的管段外露 高度，对矩形截面管段，高度多为1015cm。 对矩形断面，太小，制作困难； 太大，消除干舷下沉的压载水容量太 大 计算方法：按最大的砼容重，最大的砼体积 和最小的河水比重计算干舷 第4章 沉管隧道施工 抗浮安全系数抗浮安全系数 K K K管段总重管段排水重 K=1.051.10 管段沉放阶段 K=1.21.5 管段使用阶段 设计计算时，应按最小的混凝土容 重和体积，最大的河水比重来计算各阶 段的抗浮安全系数。 第4章 沉管隧道施工 .2、作用在沉管上的荷载和结构分析、作用在沉管上的荷载和结构分析 v（一）、作用在沉管上的荷载 v1 结构自重 管段重量：砼(23.724.1)+钢筋(1.6 2.05) KN/m3 压载混凝土重量：22.5KN/m3 路面铺装重量 第4章 沉管隧道施工 v2 水压力 主要荷载之一，分别计算高、低潮位和百 年一遇的特大洪水位的水压力 v3 土压力 主要荷载，但不一定是常荷载，表示河 床底面到管段顶面的土重。隧道刚建时， 可能很小，以后逐渐增加 v4 浮力 浮力排水重 v5 施工荷载：封端墙、定位塔、出入洞、压 载水柜、索具、浮箱等重量。 v6 波浪力：在浮运时发生 v7 流水压力：在浮运时发生 .2、作用在沉管上的荷载和结构分析、作用在沉管上的荷载和结构分析 v8 负摩阻力：管段横向外侧覆土沉降到管段的向下 摩擦力 v9 车辆荷载：在道路隧道中，如果路面铺设在压载 混凝土层上面，则可略去车辆活载对管段的影响。 v10 地基反力 .2、作用在沉管上的荷载和结构分析、作用在沉管上的荷载和结构分析 v偶然荷载： 11 沉船荷载 12 投锚与拖锚荷载 13 车行隧管内的爆炸力 .2、作用在沉管上的荷载和结构分析、作用在沉管上的荷载和结构分析 二、作用在沉管上的荷载 v其他荷载：砼收缩、变温影响、不均匀沉降、地 震 v（二）、结构分析 1 横断面结构 在水底隧道沉管结构中，常采用变截面 或折线形结构。即使在同一节管段（一般长度 为100m左右）中，因隧道纵坡和河底标高的变 化，各处断面所受水、土压力也不同（特别在 接近岸边时），因此一般不能只以一个横断面 的结构分析来进行整节管段的分析计算。工作 量大，常采用电算的方式进行。可采用一般的 平面杆系结构分析的通用程序进行计算。 2 纵向结构 施工阶段的沉管纵向受力分析，主要 是计算浮运，沉设时的施工荷载、波浪力 所引起的内力。使用阶段的沉管纵向受力 分析，一般按弹性地基梁理论进行计算。 3 配筋 因抗剪的需要，沉管应采用较高标号 的混 凝土，一般采用28天强度为300 450kg/cm2混凝土。 由于沉管结构不容许出现任何通透性 的裂缝；非通透性的裂缝开展的宽度应控制 在0.15 0.2mm以下。因此不宜采用级及 级以上的钢筋。 4.3 管段制作 一、临时干坞： 位置应选择距隧址较近，地质条件较好 ，便于浮运的地方 （一）干坞规模： 根据工程规模、管段长宽尺寸和管段 数量，结合坞址的地形、地质条件、工期 、土地使用费和施工设备综合考虑。 1 1 一次预制管段时的干坞一次预制管段时的干坞 在干坞内一次完成所有管段的制作 ，它只需放一次水进干坞，干坞不需要闸门 ，施工简便，干坞仅用土围堰或钢板围堰作 坞首。管段出坞时，拆除坞首围堰便可将管 段浮运出坞。规模大，占地多，适用于：工 程量较小，管段数量少，土地价格低和坞址 地质条件较差的工程。 4.3 管段制作 2 2 分批预制管段时的干坞分批预制管段时的干坞 分批预制管段是在干坞内分批制作管段 ，每批管段预制完成，就放一次水进坞，使之 浮运出坞，干坞的坞门需开启多次，这种干坞 规模小，占地少，造价低，重复使用率高，而 且有利于与其它施工程序配合缩短工期。但这 种方式也有不少缺点： 若不采用启闭式坞门（闸门），则 每次修复坞门难度大。若采用闸门式坞门，造 价又高。 先批出坞后沉放的管段，至少有一 端搁置在基槽中的临时支座上，需待几个月时 间才能与后批管段相接，这样不利于先沉放管 段的稳定，其安全难于保证。 原已开挖的基槽，在后批管段出坞 时己有回淤，且难于清除，将影响后批管段基 础的质量。 重复使用干坞，反复灌水、排水，抽水时 难以保证干坞边坡的稳定性。 重复使用干坞还会造成难以彻底清除坞底 垫层上的淤泥，必然影响坞底的透水性，削弱坞底防 排水能力与承载力，从而影响再次预制管段的质量， 对管段上浮也不利，甚至造成吸附现象而使管段平衡 失控。 分批预制管段会增加坞底施工设备的拆迁 和再组装工作，使临时工程费用增加。 后批管段浮运时，可能需要再次对临时航 道进行疏浚工作。 为克服上述缺点，在丹麦至瑞典跨海联络线 的厄勒海峡水底沉管隧道的分批预制管段干坞中采用 了两级干坞的型式，即干坞由浅水槽和深水槽组成。 采用船闸的方式逐段发送管段单元。 （二）干坞的构造 干坞一般由坞墙、坞底、坞首及坞门、 排水系统、车道组成 干坞的深度应保证管段在制成后能顺利地进行安 装工作并浮运出坞，要求坞室深度能使管段在低水 位时露出水面，高水位时有足够的水深以安设浮箱 ，中水位时能自由浮升。此外为确保安全管段在浮 起时，底部的富余深度为1m。 v 管段制作：注意所设置施工缝和变形缝并密封 （二）管段预制 一）钢筋混凝土结构 保证浮运时有规定的干舷高度 由于矩形管在浮运时的干舷高度仅为 10 15cm，占管段全高的1.2 2%，确保管 段的容重变化控制在既不使管段出现下沉，也 不使管段上浮过多。 制定严密的接缝防渗漏措施 管段的缝隙主要有纵向施工缝和竖向变 形缝。 （1） 纵向施工缝 纵向施工缝由于混凝土底板和上部管段 的不同时浇注产生，主要由于水泥的水化热作 用而引起的。防止措施应从防止混凝土的开裂 出发。包括合理组成混凝土，降低温差等。 2）变形缝 在垂直于隧道轴线方向设置，把每一管 段分割成若干节段，每一段节段的长度一 般在1520m。用于较长的混凝土管段（ 节）单元连接和抵抗差异沉降和由温差所 造成的变形。接缝应设在混凝土结构的中 断处。 变形缝的构造应满足三个主要要求：能 适应一定幅度的线变形和角变形；