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沉管隧道施工 工法初探 2005 年 4 月 目目 录录 第一章沉管隧道概述第一章沉管隧道概述 17 1 沉管隧道的概念沉管隧道的概念 17 2 2 钢壳沉管钢壳沉管 17 2 1 横断面形式 18 2 2 结构形式 18 2 3 钢壳隧道主要工序 18 2 3 1 管段制造 18 2 3 2 基槽开挖与基础处理 19 2 3 3 浮运沉放 20 2 3 4 接头处理 20 2 3 5 荷载和设计 21 2 4 钢壳沉管隧道特点 21 3 钢筋混凝土沉管钢筋混凝土沉管 22 4 沉管隧道的优缺点沉管隧道的优缺点 23 4 1 沉管隧道的优点 23 4 2 沉管隧道的缺点 25 4 3 沉管法 盾构法和矿山法的比较 25 4 4 沉管隧道与桥梁的比较 28 5 沉管隧道关键施工工序沉管隧道关键施工工序 29 6 沉管隧道的发展沉管隧道的发展 30 6 1 国外情况 30 6 2 国内情况 不含港澳台 30 6 3 沉管隧道的发展趋势 31 第二章基础资料准备第二章基础资料准备 32 1 水文资料水文资料 32 1 1 水位 32 1 2 波浪 33 1 3 流速及流向 33 1 4 水温 比重及水质 34 1 5 河 海 道资料 34 1 6 河 海 床稳定性 35 1 7 河道整治 35 1 8 河 海 势变化 36 1 9 水质情况 36 2 气象资料气象资料 36 2 1 气温 36 2 2 湿度 37 2 3 降雨 37 2 4 雾况 37 2 5 风向和风速 38 3 工程地质与地震工程地质与地震 38 3 1 工程地质 38 3 1 1 勘测内容 38 3 1 2 地质资料用途 39 3 1 3 浚挖技术的选择 39 3 2 地震 39 4 地形与测量地形与测量 40 5 沿线地面 地下构筑物沿线地面 地下构筑物 40 5 1 地下管线 40 5 2 地下构筑物 40 6 管段预制场地的调查管段预制场地的调查 41 7 其他资料调查其他资料调查 41 第三章沉管隧道几何设计第三章沉管隧道几何设计 42 1 一般规定一般规定 42 2 横断面设计横断面设计 42 3 纵断面设计纵断面设计 42 3 1 最小覆盖厚度 42 3 2 纵坡 43 3 3 竖曲线 43 3 4 防洪 43 3 5 管段长度 43 4 平面设计平面设计 43 4 1 平面曲线半径 43 4 2 平面曲线的组成 44 5 设计实例设计实例 45 6 地下铁路及铁路 高速铁路地下铁路及铁路 高速铁路 45 第四章沉管隧道结构设计第四章沉管隧道结构设计 46 1 结构设计荷载结构设计荷载 46 1 1 设计荷载 46 1 2 荷载组合 47 2 结构静力计算结构静力计算 48 2 1 有关规定 48 2 2 影响因素 49 2 3 横断面设计 49 2 3 1 钢筋混凝土管段横截面分析 49 2 3 2 钢壳管段横截面分析 50 2 4 纵向设计 50 2 4 1 纵截面分析 50 2 4 2 计算内容 51 2 4 3 基本假设 51 2 4 4 计算荷载 51 2 4 5 其他依据 52 2 5 接头设计 52 3 柔性接头结构设计柔性接头结构设计 52 3 1 影响因素 52 3 2 水密性设计 52 3 2 1GINA 橡胶止水带选型参数 53 3 2 2GINA 橡胶止水带选型计算 54 3 2 3 OMEGA 橡胶止水带选型 55 3 3 轴向力传递构件设计 56 3 3 1 预应力钢索 56 3 3 2OMEGA 钢板 57 4 柔性接头剪切键设计柔性接头剪切键设计 57 4 1 垂直剪切键设计 58 4 2 水平剪切键设计 59 5 最终接头的处理最终接头的处理 60 5 1 水中接头 61 5 1 1 工程特点 61 5 1 2 结构形式 61 5 2 岸上接头 63 5 2 1 工程特点 63 5 2 2 止推力计算 63 5 2 3 结构形式 64 5 3 最终接头的比较与选择 64 5 3 1 进度比较 64 5 3 2 造价比较 65 5 3 3 风险比较 65 5 3 4 难度比较 65 6 刚性接头刚性接头 水力压接法水力压接法 65 6 1 初始密封 65 6 2 受力分析 需进一步研究 65 7 浮力设计浮力设计 66 7 1 干舷高度的确定 66 7 2 干舷高度的控制 67 7 2 1 混凝土重度控制 68 7 2 2 河 海 水重度 68 7 2 3 管段施工误差 68 8 抗浮安全系数抗浮安全系数 69 9 浮运 沉放各工况的结构安全性验算浮运 沉放各工况的结构安全性验算 69 第五章防水设计与施工第五章防水设计与施工 70 1 沉管隧道防水概述沉管隧道防水概述 70 1 1 一般规定 70 1 2 防水等级 70 1 3 防水的具体要求 70 1 4 防水的细部技术措施 71 2 2 结构防水 需进一步研究内容 结构防水 需进一步研究内容 72 2 1 结构裂缝控制 72 2 2 施工缝防水 72 2 2 1 横向施工缝 73 2 2 2 纵向施工缝 74 3 管段外防水设计管段外防水设计 74 3 1 端钢壳 74 3 1 1 功能 74 3 1 2 设计依据 74 3 1 3 横断面设计 74 3 1 4 轴向设计 75 3 2 防水底钢板 75 3 2 1 功能 75 3 2 2 设计依据 75 3 2 3 结构设计 76 3 3 钢端壳与底钢板防护 76 3 4 外防水层 76 3 4 1 薄膜防水 76 3 4 2 涂料防水 78 4 4 管段间的接头防水管段间的接头防水 79 4 1GINA 橡胶止水带 79 4 2OMEGA 橡胶止水带 80 第六章沉管隧道抗震设计第六章沉管隧道抗震设计 82 1 1 地震危害性地震危害性 82 2 2 理论基础理论基础 82 3 3 设计依据设计依据 82 4 4 设计步骤设计步骤 82 5 5 设计实例设计实例 82 第七章干第七章干 坞坞 83 1 1 概述概述 83 2 陆上干坞陆上干坞 83 2 1 陆上干坞分类 83 2 2 干坞的构造 84 2 2 1 坞墙 84 2 2 2 坞底 84 2 2 3 坞首及坞门 84 2 2 4 降排水系统 85 2 2 5 干坞车道 85 2 3 干坞的设计与施工 85 2 3 1 坞底标高确定 85 2 3 2 坞底处理措施确定 85 2 3 3 坞底排水措施 86 2 3 4 干坞边坡设计 86 2 3 5 干坞防渗 87 2 3 6 管段出口设计 87 2 3 7 干坞施工 88 2 4 干坞的平面布置 88 2 4 1 混凝土生产线 88 2 4 2 钢筋作业生产线 89 2 4 3 模板制作作业生产线 89 2 4 4 金工车间布置 89 2 4 5 水电管线布置 90 2 4 6 生产辅助设施及生活场地布置 90 2 5 干坞内主要设备 90 3 移动干坞移动干坞 91 4 工厂化预制工厂化预制 91 第八章沉管预制第八章沉管预制 92 1 管段预制技术要求管段预制技术要求 92 1 1 混凝土性能要求 92 1 2 外形几何尺寸精度要求 92 1 3 管段端面几何尺寸精度要求 93 1 4 管段防水要求 93 1 5 管段预制施工要求 93 1 5 1 施工工艺 93 1 5 2 混凝土工艺 93 1 5 3 模板系统 94 1 5 4 施工材料误差 94 2 原材料原材料 94 2 1 水泥 94 2 2 骨料 94 2 3 掺和料及外加剂 95 2 3 1 粉煤灰 95 2 3 2 矿碴粉 95 2 3 3 减水剂 96 2 3 4 缓凝剂 96 2 3 5 阻裂剂 96 2 4 水 96 2 5 钢筋 96 3 模板工程模板工程 96 3 1 模板的设计原则 96 3 2 底模 98 3 2 1 底模性能要求 98 3 2 2 底模结构 98 3 3 底板边模 98 3 4 外侧模板 99 3 5 内侧模板 100 3 6 内隔墙模板 100 3 7 端封门模板 100 3 8 模板安装的测量控制 100 3 9 模板安装要求 100 4 混凝土工程混凝土工程 101 4 1 配合比设计 101 4 1 1 配合比设计原则 101 4 1 2 混凝土配合比设计 102 4 2 混凝土生产流程 102 4 3 混凝土生产 103 4 4 混凝土运输 103 4 5 混凝土浇筑工艺 103 4 5 1 一般要求 103 4 5 2 底板浇筑 104 4 5 3 侧墙及顶板浇筑 105 4 6 拆模 106 4 7 养护 107 4 8 自动冷却水系统 107 4 8 1 设置冷却系统的目的和必要性 107 4 8 2 冷却系统的布置 108 4 8 3 冷却循环水温控制要点 108 4 9 现场温控监测 110 4 9 1 监测项目及方法 110 4 9 2 监测频率 110 4 9 3 测点布设原则 110 4 9 4 测温元件 仪表的选择 110 4 9 5 测温元件的安装和保护 111 4 10 管段施工缝处理 111 4 11 夏雨季混凝土施工措施 112 4 12 管段混凝土浇筑保证措施 112 5 钢端壳制作安装钢端壳制作安装 113 5 1 端钢壳概述 113 5 2 端钢壳的加工及安装方案 114 5 3 钢端壳分段 114 5 4 钢端壳制作工艺 115 5 4 1 配料 115 5 4 2 切割 115 5 4 3 坡口加工 115 5 4 4 半成品焊接 116 5 4 5 变形控制及校正 116 5 5 端钢壳安装工艺 116 5 5 1 安装顺序 116 5 5 2 支撑胎架安装 116 5 5 3 钢端壳安装 117 5 5 4 安装变形控制 117 5 5 5 支撑胎架拆除 118 6 端封门施工端封门施工 118 6 1 端封门概述 118 6 2 钢结构端封门 119 6 3 钢筋混凝土结构端封门 119 6 3 1 施工顺序及步骤 120 6 3 2 质量保证措施 120 7GINA 橡胶止水带安装橡胶止水带安装 121 7 1 压缩试验与水密性试验 121 7 2 安装程序 122 7 3 准备工作 122 7 4 压块试装 124 7 5 止水带安装 124 7 6 保护罩安装 126 7 7 脚手架拆除 126 8 压载水箱施工压载水箱施工 126 8 1 工作基理 126 8 2 压载水箱结构 127 8 3 压载水箱容量确定 127 8 4 压载水箱组装 127 8 5 管线及抽水机配置 128 9 预埋件及其他设施安装预埋件及其他设施安装 128 9 1 预埋件种类 128 9 2 预埋件施工流程图 129 9 3 各预埋件安装方法及保证措施 129 第九章沉管预制的关键技术第九章沉管预制的关键技术 131 1 概述概述 131 2 混凝土容重控制技术混凝土容重控制技术 132 3 沉管形状尺寸控制沉管形状尺寸控制 132 3 1 精确测量控制 132 3 2 模板体系质量控制 133 3 3 端钢壳质量控制 133 4 沉管裂缝控制沉管裂缝控制 134 4 1 裂缝产生原因 134 4 1 1 混凝土干缩 134 4 1 2 温度应力作用 134 4 1 3 水泥水化热作用 135 4 2 裂缝控制措施 135 4 2 1 合理配置纵筋 135 4 2 2 混凝土的配置 136 4 2 3 控制混凝土出机温度 136 4 2 4 控制混凝土浇筑温度 137 4 2 5 降低混凝土结构各部分的温差 137 4 2 6 设置后浇带 138 4 2 7 制定合理的施工工艺 138 5 沉管裂缝的处理沉管裂缝的处理 138 5 1 裂缝概述 138 5 2 表面封堵方法 139 5 3 化学灌浆法 139 第十章舾装施工第十章舾装施工 140 1 试浮检漏试浮检漏 140 1 1 试验流程 140 1 2 试验准备工作 141 1 3 低水位试漏 141 1 4 高水位试漏 141 1 5 管段试浮 141 1 6 干舷测定 141 1 7 压载系统试验 142 2 防锚层施工防锚层施工 142 3 管段舾装管段舾装 143 待防锚层强度达到要求以后由拖轮将管段拖至存放泊位进行管段舾装 具体工序流程待防锚层强度达到要求以后由拖轮将管段拖至存放泊位进行管段舾装 具体工序流程 如下图 如下图 143 4 4 管段沉放的辅助设备管段沉放的辅助设备 143 4 1 测量塔 143 4 2 管段微调对中系统 143 4 3 拉合千斤顶 144 4 4 管段对接定位设施 144 4 5 支撑千斤顶 144 4 6 管段内部其他设备 144 第十一章基槽开挖第十一章基槽开挖 146 1 概述概述 146 1 1 主要施工设备介绍 146 1 1 1 挖泥船 146 1 1 2 泥驳 147 1 2 设备选择 148 2 施工定位与测量施工定位与测量 148 2 1 平面与高程控制 148 2 1 1 平面控制系统 148 2 1 2 精度控制 148 2 2 高程控制系统 149 2 3 定位与深度控制 149 2 3 1 平面控制 149 2 3 2 深度控制 149 2 3 3 测量要求 150 3 基槽开挖施工基槽开挖施工 150 3 1 工序流程图 150 3 2 开挖分区分层 151 3 3 开挖方法 151 3 4 开挖质量控制 152 3 垫块施工垫块施工 153 3 1 整平架设计 154 3 2 施工步骤及工艺 154 4 回淤预防回淤预防 155 5 水下爆破水下爆破 155 5 1 施工设备 156 5 2 施工方案 156 5 3 安全措施 157 6 卸泥区的选择卸泥区的选择 159 7 疏浚污染疏浚污染 160 8 基槽开挖应注意的问题基槽开挖应注意的问题 161 8 1 水力条件变化的影响 161 8 2 开挖深度加深值的确定 161 8 3 泥沙流失控制 162 第十二章管段浮运 沉放与对接第十二章管段浮运 沉放与对接 163 1 概述概述 163 1 1 管段浮运 沉放流程 163 1 2 基础资料准备 164 1 3 测量准备 164 2 2 管段浮运 沉放前期工作管段浮运 沉放前期工作 165 2 1 浮运阻力 系泊力的确定 165 2 2 起吊力 负浮力的确定 165 2 3 管段沉放方式的确定 165 2 3 1 起重船吊沉法 165 2 3 2 浮箱吊沉法 166 2 3 3 扛吊法 167 2 3 4 自抬式平台吊沉法 168 3 3 浮运 沉放施工浮运 沉放施工 168 3 1 准备工作 168 3 2 管段起浮 169 3 3 管段出坞 169 3 4 管段浮运 170 3 5 沉放作业 170 3 5 1 初次下沉 172 3 5 2 靠拢下沉 172 3 5 3 着地下沉 172 4 4 管段水下对接管段水下对接 173 4 1 管段对位 173 4 2 初次拉合 174 4 3 水力压接 174 4 4 检测验收 175 4 5 管段稳定压载 175 4 6 设施拆除 176 5 最终接头最终接头 176 5 1 岸上接头 176 5 1 1 管底灌浆 177 5 1 2 止推墙与防渗墙 177 5 1 3 围堰填筑 177 5 1 4 基坑开挖 177 5 1 5 基坑排水 178 5 1 6 后浇带施工 178 5 1 7 场地恢复 178 5 2 水中接头 178 5 2 1 钢封板安装 178 5 2 2 侧封板 顶封板安装 179 5 2 3 初次密封 179 5 2 4 二次水封 179 5 2 5 接头内部施工 179 6 6 水上交通管制水上交通管制 180 第十三章管段基础处理与回填第十三章管段基础处理与回填 181 1 基础处理概述基础处理概述 181 2 基础处理工艺基础处理工艺 181 2 1 先铺法 181 2 2 早期灌砂法 182 2 3 喷砂法 182 2 4 灌囊法 182 2 5 压浆法 183 2 6 压砂法 184 2 7 灌砂法 184 2 7 1 灌砂试验 185 2 7 2 灌砂工艺 185 2 7 3 砂盘监测 186 2 7 4 注意事项 186 2 7 3 灌浆封孔 186 3 软弱土层基础处理软弱土层基础处理 187 4 回填施工回填施工 187 5 1 锁位充填 188 5 2 普通回填物回填 188 5 3 预防冲刷回填 188 第十四章沉管内部施工第十四章沉管内部施工 189 1 1 概述概述 189 2OMEGA 橡胶止水带安装橡胶止水带安装 189 2 1 准备工作 189 2 2 测量与检查 190 2 3 安装顺序 190 2 4OMEGA 橡胶止水带试漏 191 3 端封门拆除端封门拆除 191 4PC 锚索施工锚索施工 192 5 压仓混凝土施工压仓混凝土施工 192 6 剪切键施工剪切键施工 192 6 1 竖向剪切键 192 6 2 水平剪切键 193 6 3 安装误差 193 第十五章施工测量第十五章施工测量 194 1 测量概述测量概述 194 1 1 测量内容 194 1 2 测量方案 194 1 3 测量控制网布设 195 1 3 1 控制点复核 195 1 3 2 测量控制网 195 1 3 3 高程控制网 196 1 3 4GPS 基准站设置 196 1 3 5 流速 潮位观测站设置 196 1 4 测量仪器 196 2 预制测量预制测量 197 2 1 外部测量体系 197 2 2 内部测量体系 197 3 水下地形测量水下地形测量 198 3 1 测量原理 198 3 2 测量船测量系统配置 198 3 3 水下测量 198 3 3 1 工前准备 199 3 3 2 测量作业 199 3 3 3 内业处理 199 4 基槽施工测量控制与验收基槽施工测量控制与验收 199 4 1 测量内容 199 4 2 测量作业 200 4 3 成槽验收 200 5 沉放 对接测量沉放 对接测量 200 5 1 测量项目 200 5 2 测量方法 201 5 3 沉放过程定位与控制 201 5 3 1GPS 定位系统 201 5 3 2 实时定位软件 201 5 3 3 3D 实时监控系统 202 5 4 对接校核与验收 202 5 5 测量精度 202 6 基槽回填测量控制基槽回填测量控制 202 第十六章生物岛 大学城工程建议方案第十六章生物岛 大学城工程建议方案 204 1 工程概况工程概况 204 1 1 干坞形式 204 1 2 预制方案 204 1 3 浮运方案 204 1 4 沉放方案 204 1 5 最终接头方案 204 1 6 基础处理方案 204 1 7 岸上工程 204 2 总体布置总体布置 204 2 1 组织机构 204 2 2 场地平面布置 204 2 3 设备投入 205 2 4 人员准备 205 3 主要工程项目施工工艺主要工程项目施工工艺 205 第一章沉管隧道概述第一章沉管隧道概述 1 1 沉管隧道的概念沉管隧道的概念 沉管隧道是在一种应用于跨越江河及海峡 湾 水下隧道方式 其施 工方法是利用干坞预制管段 管段两端用临时封墙密封 待混凝土达到设 计强度后将管段拖运至隧道位置 此时设计位置上已经预先进行了基槽的 浚挖 设置了临时支座 然后沉放管段 待沉放完毕后 完成水下对接 处理管段接头及基础 然后覆土回填 再进行内部装修及设备安装 以形 成水底隧道 沉管隧道一般由敞开段 暗埋段 沉埋段等部分组成 部分工程在沉 埋段两端设置岸边竖井 供通风 供电 排水等使用 图1 1 沉管纵断面示意图 敞开段暗埋段 竖井 沉管段 竖井 暗埋段敞开段 根据国内外有关沉管隧道的资料 沉管隧道大致可以分为两大类钢壳 沉管和钢筋混凝土沉管 2钢壳沉管 第一座钢壳管段沉管隧道是在二十世纪初在北美建成的 钢壳管段沉 管隧道是钢壳与混凝土的组合结构 钢壳可作为防水层并在结构上有明显 作用 混凝土主要承受压力和作为镇载物 并且也有助于结构上的需要 由于钢壳具有弹性特点 因此 完工的钢壳管段沉管隧道成为一个具有柔 性的整体结构 全世界修建的钢壳管段沉管隧道大多在北美 日本也修建 了几座 欧洲采用得不多 隧道施工时首先预制外层钢壳 然后通过滑行或其他方法使钢壳漂浮 在水中 在漂浮状态下完成钢筋混凝土结构的施工 最后完成浮运 沉放 对接等作业 2 12 1 横断面形式横断面形式 此类隧道又称为圆形沉管 在美国和日本应用较多 隧道横断面的内 轮廓为圆形 外轮廓有圆形或近似于圆形的八角形和花篮形 圆形横断面从受力角度来看是非常有利的 因其在静水压力作用下主 要是受压 但对于道路隧道而言 圆形断面与车辆行驶时所要求的动态包 络线不甚一致 隧道内多余出的上下两部分空间 造成隧道断面较大 为 了保证最小覆盖厚度要求 则隧道埋深较深 基槽开挖量较大 同时隧道 长度增加 与两岸道路连接将存在一定困难 2 22 2 结构形式结构形式 单层钢壳管段 外层为钢壳 内层为钢筋混凝土环 钢壳为防水层 其防水性能的好坏取决于钢壳焊缝的质量 外层钢壳与内部钢筋混凝土环 共同承受静水压力和覆土荷载 这种结构一般用于直径较小的单筒或双筒 隧道 例如城市快速轨道运输系统的隧道 双层钢壳管段 外层为多边形钢壳 内层为圆形钢壳 并用钢横隔板 将内外层钢壳连接 同时内外钢壳之间浇筑抗浮压重混凝土 以此形成主 要承载结构 2 32 3 钢壳隧道主要工序钢壳隧道主要工序 2 3 12 3 1 管段制造管段制造 钢壳沉管隧道的管段由于长度不大 一般为 90m 下水时重量亦不大 因此不需要在专门的干坞内进行预制 可以在隧址附近的岸边或在造船厂 船台上制造 当整条钢壳圆筒焊接好后 如果是双层钢壳的管段还要浇筑下部夹层 中起龙骨作用的混凝土然后安装临时端封板 即可通过滑道采用纵向或侧 向方式下水 在管段与岸边架设一座栈桥 然后开始浇筑混凝土 必须十 分小心制订实施这一工序的计划 以免钢壳出现过大的荷载 同时还要保 证管段处于全浮状态 并保持有足够的干舷高度 下水后可以分为三个阶段浇筑混凝土 见下图所示 第一阶段 部分龙骨混凝土浇筑后下水 第二阶段 完成筒内混凝土部分内衬 环 和夹层混凝土浇筑 第三阶段 完成筒内混凝土部分内衬 环 和结构帽盖混凝土 水面 水面 水面 图1 2 圆形钢壳管段浇筑混凝土施工示意图 说明 第一阶段 部分龙骨混凝土浇筑好后下水 第二阶段 完成筒内混凝土部分内衬 环 和 夹层混凝土 第三阶段 完成筒内混凝土部分内衬 环 和 结构帽盖混凝土 第三阶段 第二阶段 第一阶段 2 3 22 3 2 基槽开挖与基础处理基槽开挖与基础处理 在管段预制的同时 在隧址的河 海 床上开挖基槽 并做好基础处 理的准备 基础处理一般采用先铺法 即用一漏斗在开挖好的基槽中铺上 一层 600 1000mm 厚的碎石垫层 然后进行整平 一般采用悬吊在驳船上 的重型横梁进行拖拉整平 驳船通常可以用压仓物和通过垂直锚进行调节 吃水深度 使刮平工作不会因潮汐变化而受到影响 其刮平精度可达 20mm 由于钢壳管段的沉管隧道横断面宽度一般都在 25m 以下 开挖出的基 槽宽度也不大 用先铺法进行基础处理 水下刮平 完全可以保证基础的 平整度精度要求 2 3 32 3 3 浮运沉放浮运沉放 在管段拖离栈桥前 把由于沉放的测量定位塔安装到管段上 然后把 管段浮运到作为管段沉放工作平台的两艘连接在一起的驳船之间 在这一 平台上用钢丝滑轮组把管段沉放到基槽位置上 对于双层钢壳管段 可以进一步在两层钢壳之间浇筑混凝土 使管段 重量增加 直至产生负浮力 以便管段顺利下沉 在基槽内设置锚块 沉放平台用钢缆系住锚块从而能保证管段平稳下 沉 必要时可在施工现场设置浮标 警报系统和调头航道以保证正常航运 管段沉放至碎石基础上特别在最后时刻要格外小心 由于水流方向和 水的密度在变化 管段沉放时必须有足够的系泊力 沉放完成后 应进一 步注水 使负浮力满足抗浮系数的要求 然后在基槽管段两侧和顶部填充 砂及铺放块石 从而使管段牢固定位 2 3 42 3 4 接头处理接头处理 刚刚沉放好的新管段由潜水员通过每侧的连接板和螺丝套用销子固定 到先前沉放好的管段上 此时新沉放好的管段端头上的托板已搭在先前沉 放好的管段端头的底部上 板之间环形空间由潜水员进行封堵 通过沉放 大型 U 形钢板沿接头再次形成一个隔仓 并在其每一侧用板桩锁紧 然后 浇筑混凝土将这一隔仓填满 在接头周围形成一个坚实的环 管段沉放 对接后 接头处理成功后 就可以拆除管段两端的端封盖 板 并在管段内把相邻的两节管段焊接起来 接着浇筑接头段的内部混凝 土衬环 用坚固材料回填基槽 使管段顶部以上有约 2m 厚的覆盖层 如 有冲刷危险或因船舶下锚破坏则要在顶部设置块石保护层 2 3 52 3 5 荷载和设计荷载和设计 管段从预制好下水 浮运 沉放至基槽内 对接直到最后回填完工的 期间 管段结构受力工况不断变化 管段预制好后 如采取侧向下水方案 通常荷载增加较少 但如采用纵向下水方案可能会产生纵向弯矩 这需要 采用专门预防措施 管段浮运时 端封板的重量使壳体两端受到一弯曲力矩的作用 但壳 体和龙骨混凝土自重所形成的纵向荷载则是均匀的 在 1 4 和 3 4 跨度处 开始浇筑内衬混凝土 从仰拱开始逐步向上延伸 一环接一环 向中间和 两端扩展 这样使壳体内产生的纵向弯曲应力最小 同时 随着静水压力 的增加 使壳体变形增加 因此在壳体设计时必须考虑上述因素 运营时最终工况作用在管段上的荷载包括径向静水压力以及回填层产 生的垂直和水平土压力 此外 亦有可能出现例如由于波浪 地震 回淤 和沉船而产生的偶然性荷载 当管段浮运时 虽然龙骨混凝土以及在某时候帽盖混凝土与壳体形成 一圆筒形的受力主体 一并承受纵向弯矩 但主要还是由壳体来承受荷载 在最终工况下 设计中一般不考虑壳体的承载作用 但实际上荷载还是由 钢筋混凝土内衬和壳体共同承受的 考虑到壳体一般不作特殊处理 但又 要求壳体能防腐和足够的耐久性 故通常都要用混凝土把壳体包起来并埋 在基槽内 2 42 4 钢壳沉管隧道特点钢壳沉管隧道特点 1 由于钢壳沉管的截面是圆形 故沉放后的最终内力是由轴向力 控制的 弯矩几乎不产生 因此 从力学角度来看是有力的 但是如果作 为交通隧道 则其空间不能充分利用 上下都有多余的空间 不仅增加了 材料的使用 而且因为交通基面的下降使隧道的全长加大 埋深也加大了 2 由于钢壳沉管的基础底面宽度与最大宽度之比是较小的 或底 宽较小 基础处理相对容易 3 在进行管段的浮运与沉放时 没有必要对机械撞击作特殊防护 这是由于钢外壳既是一层防水结构 又可作为外部防护层 4 圆形沉管具有某些方面优势 即占大部分重量的混凝土是在管 段处于悬浮状态下浇筑的 故在陆地上比较轻 容易搬运 下水 如果有 可能利用船坞来进行管段预制 则更能进一步发挥这个特点 可以确保及 时供应预制好的管段 5 圆形沉管有大量的现场手焊作业 要保证所有焊缝的水密性是 十分困难的 机械焊接的焊缝可以保证焊缝质量 但手工焊接仍不可避免 故对焊缝质量应进行检查 一般可采用在焊缝一侧涂上肥皂膜 在另一边 加气压的简单检漏方法 6 管段内衬环混凝土的浇筑困难 特别是管段接头顶部的混凝土 浇筑 质量难以保证 影响混凝土的密实度和抗弯性能 7 在钢壳下水以及浮在水面上进行灌筑混凝土时 整个结构的受 力复杂 应力很高 必须予以加劲 加强 耗钢量巨大 故圆形钢壳沉管 的造价较高 3 3 钢筋混凝土沉管钢筋混凝土沉管 此类沉管为矩形沉管 沉管所有的预制工作均在沉管下水以前完成 沉管混凝土隧道最早出现在欧洲 半个世纪以前 在荷兰的鹿特丹建 成了第一座欧洲的沉管隧道 此后 这种施工方法得到了极大的简化和优 化 现今全世界约建成了四十多座混凝土管段沉管隧道 混凝土管段沉管 隧道大多数在欧洲 其中约有一半在荷兰 亚洲的日本 中国也修建了几 座混凝土管段沉管隧道 我国已经施工和规划的沉管隧道均采用矩形沉管设计 因此 沉管隧 道施工工法初探 所讨论的施工方法均是围绕钢筋混凝土沉管进行的 钢筋混凝土沉管的特点包括 1 隧道截面是矩形的 空间能够得到充分利用 2 由于路基面较浅 所以可以将隧道全长缩为最短 同时疏浚深 度也变浅了 3 由于采用的是矩形截面 管段的底面宽度很宽 因此为了完全 填实基槽与管段底部的空隙 需要进行一系列的潜水作业 4 在施工过程中要严格控制混凝土的质量 加强施工管理 尤其 是在沉放对接的施工防水 5 管段的外防水通常采用柔性防水膜 这对浮运 沉放以及回填 时产生的冲击力抵抗能力较差 必须采用一定的保护措施 4 4 沉管隧道的优缺点沉管隧道的优缺点 4 14 1 沉管隧道的优点沉管隧道的优点 1 对地质水文条件的适应能力强 由于沉管隧道的基槽开挖较浅 基槽开挖与基础处理的施工技术相对 比较简单 沉管由于受到水浮力的作用 作用于地基的荷载较小 因而对 基础承载力的要求较低 对各种地质条件的适应能力较强 沉管隧道对于潮差和流速的适应能力也较强 一般资料显示沉管隧道 宜在 1m s 的流速下施工 但是国外沉管施工中曾有在 3m s 的流速条件下 沉放作业的记录 比利时安特卫普斯尔德隧道 2 埋深浅 与两岸道路衔接容易 由于沉管隧道可浅埋 与埋深较大的盾构隧道相比 沉管隧道的标高 可以在一定范围内抬高 以便与岸上的道路衔接 减少引道的长度 取得 较好的线形设计 由于隧道在水底位置对船舶的航行和将来航道的疏浚影响不大 所以 隧道可以埋在最小限度的深度上 从而使隧道的全长缩短至最小限度 3 沉管隧道防水性能好 隧道结构的主要部分由于在船台或者干坞中完成浇筑施工 而不是像 一般的隧道工程处在遭受土压力或水压力荷载作用下的有限空间内进行衬 砌作业 从而易于质量控制 有利于制作出质量均匀且防水性能良好的隧 道结构 由于沉管隧道的每段管段较长 一般在 100m 左右 因此沉管隧道的 管段接缝数量极少 管段漏水的几率与同长度的盾构隧道相比成百倍地降 低 沉管隧道管段接头采用水力压接法施工 GINA 橡胶止水带和 OMEGA 橡 胶止水带双层防水设置 经过国内外的工程实践 表明沉管隧道接头防水 非常可靠 可以做到滴水不漏的程度 这一特点对水底隧道的运营至关重 要 4 沉管隧道施工工期短 一节管段预制周期一般在 4 个月左右 如采取合理的分段设计 沉管 的总体预制时间较短 同时基槽开挖可以安排与沉管预制同步进行施工 因此沉管隧道本身所用时间较短 5 沉管隧道造价低 综合考虑预制 接缝处理 引道工程等因素 沉管隧道与盾构隧道相 比 单价较低 而且随着隧道断面的增大 沉管隧道的价格优势愈发明显 6 施工条件好 沉管隧道施工时 主要的工序都在陆上或水上进行 水下作业极少 除了少数潜水作业外 因此施工条件好 施工较为安全 7 沉管隧道断面选择灵活 沉管隧道可以根据不同的营运需要灵活选择断面设计 而费用增加不 多 盾构法则应盾构机的限制变换断面困难 往往需要购置新的盾构机 尤其是大断面隧道 盾构机的购置费用惊人 4 24 2 沉管隧道的缺点沉管隧道的缺点 1 由于管段的浮运 沉放以及沟槽的疏浚 基础作业 大部分是 依靠船舶机械来完成的 对于平静的波浪 在流速较缓的情况下施工较为 顺利 但是如果情况相反 而且隧道截面较大时 就会带来一系列的问题 诸如管段的稳定 航道的影响等 对施工产生极为不利的作用 2 由于沉管隧道处于水底 对沉管隧道的防水性能要求极高 同 时为了满足沉放 抗浮等要求 需要严格控制干舷高度和抗浮安全系数 因此对管段预制的质量控制要求极高 需要在施工过程中采用一系列严格 的技术措施 3 与盾构法相比 沉管浮运 沉放施工一般需要封航 将对航运 产生不利影响 4 虽然沉管对地基的承载力要求不高 但是由于基槽开挖工艺本 身的限制 沉管管段底面与基槽底面间的基础处理仍存在一定问题 而且 缺乏可靠的检验手段 由于基础处理不当引起的管段沉陷与不均匀沉降等病害对管段产生了 极为不利的影响 5 由于 GINA 橡胶止水带和 OMEAGA 橡胶止水带的使用 水力压接 法在管段沉放施工中得到了广泛的使用 但是对于有些地质条件所带来的 不均匀沉降和防水问题需要进一步研究 4 34 3 沉管法 盾构法和矿山法的比较沉管法 盾构法和矿山法的比较 1 就矩形断面的钢筋混凝土沉管隧道而言 顶面覆盖层厚度只要 0 5 1 0m 即可 也可为零覆 有的甚至可凸出河床面 而盾构隧道的 覆盖层至少也得 7 8 m 用矿山法施工的隧道其覆盖层则更大 因此沉管 隧道坡降损失最小 同一隧址处 隧道长度最短 运营条件也相对较好 造价也会相对较低 2 从防水的角度看 钢筋混凝土沉管隧道为最优 其理由如下 沉管的管段每节长 100 m 以上 并在工作条件较好的露天干坞内预制 如 能控制好混凝土浇筑质量 如再涂一层外防水材料后 那么管段周边 底部 为钢板 的大面积范围内的防水是完全有保证的 再加上接头 两接头相 距 100m 以上 处采用成熟的 GINA 和 OMEGA 双保险止水带 那么 沉管 隧道可以切实地做到 滴水不漏 前些年 中国学者组团去日考察 日 本国就是这个结论 我国广州珠江沉管隧道也是这个结论 然而 盾构隧道则不然 因为它沿隧道纵向施工通缝很密 一般是 1 2m 长一道通缝 而相邻两通缝间纵方向又有 6 7 条缝 尽管这些 1 2 m 的缝是错缝的 尽管这些横向的环形通缝和纵向的错缝都采取紧固 密封 防水等各种措施 但在整个盾构隧道内几乎到处是缝 人们可以相 象 如此众多的交叉缝在日后隧道的不均匀沉降下 处于江河底部要保证 不发生渗漏或滴水不漏是相当困难的 诚然 人们想出多种办法和措施来 预防和治理渗漏 也取得了一些经验 但这是以付出了大量的精力和经济 作为代价的 无论怎么说 以防水而言 盾构隧道的结构构造与沉管隧道 相比就处于劣势 这是无庸置疑的 至于矿山法施工的隧道 其混凝土是 在洞内浇注的 施工条件比沉管隧道差 施工缝的防水和混凝土质量都不 及沉管隧道 也不能象沉管隧道那样利用有效的涂料进行外防水 3 矿山法修建的隧道一般为双宇渺四 六 八个车道应多修几条平 行的隧道为宜 一般也是双车道 道 也得多修建平行隧道一般也是双车道 圆形内径 10m 欲建较多车道 无论几车道 也得多修建平行隧道才能 适应需要 于于沉管隧道无论几车道 均可浇筑成一个矩形的钢筋混凝土 管段 内部浇筑隔板 可一次沉放成功 其施工方法简单 也节省施工时 间 经费和精力 4 沉管隧道相对其他两种类型的隧道来说 受力明确 因此其荷载 的作用效应也相对准确 既可以较好地横向按平面应变进行计算 也可将 整个越江隧道作为一个大系统进行纵向计算 也就是说由于其 作用 和 抗力 都相对明确 因此非但荷载的作用效应可以计算得较准 而且可 以较快地向可靠度设计方法靠拢和应用 5 盾构隧道和矿山隧道大部分作业在河床下面进行 人们戏称为 地下工作者 其安全性和作业条件较差 而沉管隧道作业大部分是地 上作业和水下作业 相对而言 安全性好些 6 从断面形状看 以矩形断面的钢筋混凝土沉管隧道为优 因为矿 山法隧道一般为似马蹄形或拱形 而盾构隧道为圆形 对于这两种形式的 隧道断面上两个方向的尺度及曲线形式都限得较死 而矩形断面的沉管隧 道高度和宽度可按需要改变 且断面利用率又高 这是一个很大的优点 7 沉管隧道施工时 平行作业点比盾构隧道和矿山法隧道多 干坞 建造紧接着管段浇筑 起浮 出坞是沉管隧道的第一个作业点 出坞后第 一停放场上的装配是第二个作业点 基槽开挖是第三个作业点 两端暗埋 段或明挖段隧道是第四 五个作业点 如有竖井则有第六个作业点 江中 沉放 基础构筑是第七个作业点 沉放后管段内装修是第八个作业点 上 述诸多个作业点一般均可平行作业间或进行流水作业 这样 沉管隧道在 施工组织上 在时间 空间 人员的安排及工期上有较大的优越性和灵活 性 8 任何一种工程结构物都有它的缺点 沉管 隧道与另外两种隧道 形式相比 其主要缺点是基槽 呈倒梯形状 开挖的土方量大 相应的回填 量也大 另一个问题是本体结构的圬工量也大 这是因为矩形断面沉管隧 道各板以受弯曲为主 轴力为次 所以 不得不以增加各板板厚加配筋以 适应水土压引起的弯矩 同时 沉管隧道是以抗浮和起浮都合适作为设计 断面尺寸的依据也是原因之一 然而 本体结构圬工量大 且配筋对抗震 都是有利的 某隧道专家收集了不少隧道因地震引起的局部破坏 这些破 坏都属于山岭隧道衬砌结构 而非沉管隧道 9 有人认为沉管隧道在施工阶段影响航运相当严重 笔者认为这是 夸大其词 实际上 所谓影响航运仅仅在一节管段范围之内 影响的时间 也仅仅在一节管段的沉放时间之内 以珠江沉管隧道为例江中管段最长的 一节为 120 m 对于运输繁忙的广州港来说 江宽 400 多米也未见有什么 大的影响 如果在长江中 下游建造沉管隧道 江面宽 1 5 2 0km 更 不会对航运有什么大的影响 这个问题 只要在有限的时间和空间中 施 工部门与航运部门进行协调 那么这只是一个小问题 大可不必言过其实 总之 从修建越江隧道来看 在中 下游地段以矩形断面的钢筋混凝 土沉管隧道优点较多 在上游地段以修建矿山法隧道或盾构隧道为宜 4 44 4 沉管隧道与桥梁的比较沉管隧道与桥梁的比较 1 桥梁各种类别的基本结构和组合结构 包括其基础 的类型很多 无 论是多么复杂的地质 水文条件 总可以趋利避害地选择一种具有合理结 构形式和跨度组合的桥梁去跨越江河 就是桥墩台的设置点都可以避开地 质 水文条件的复杂地点建造 故建桥具有很大的灵活性 这是桥梁的很 大的优点 而各种隧道则不然 无论多么复杂的地质 水文条件都得通过 除非另选隧址 2 沉管隧道最大的优点在于运营期间不影响 三航运 而桥梁则不然 非但梁底到水面的净高会影响较高吨位船舶的通过 而且桥墩对航运的畅 通都有影响 我国武汉长江大桥桥墩与船舶常会相碰就是例证 一条大的 江河上所有各座桥梁梁底至水面的趔高度的合理确定是事关江河航运是否 畅通 涉及造价和市区有关拆迁的一件大事 所以 从这一点讲建沉管隧 道比建造桥梁优 维多利亚港湾就是明证 然问题是航运和桥梁有矛盾 一个城市在同一条河流合 上建桥多了 与航运矛盾更大 而航运与沉管隧道没有矛盾 这就是为什么航运部门反 对一个城市内颧录 桥毗邻 而力主建造越江隧道之原因 3 从地震 大风 温度作用以及国防上看 建隧道比桥梁优 但从 地基基础沉降对结构影响而言 只要桥梁基础稳固 这是易做到的 那么 桥梁比隧道优 5 5 沉管隧道关键施工工序沉管隧道关键施工工序 根据沉管隧道的施工过程及特点 其关键工序包括 干坞制备 沉管 预制 沉放与对接 基础处理 回填 测量定位 各工序的具体介绍将在后面各章节一一进行 图1 3 沉 管 隧 道 施 工 流 程 图 设 备 安 装 洞 口 建 设 暗 埋 段 施 工 敞 开 段 施 工 竖 井 施 工 竣 工 验 收 设备安装及内装修 覆 土 回 填 基 础 处 理 水 下 对 接 管 段 沉 放 安 设 支 座 清 淤 铺 石 排 水 整 修 干 坞 管 段 浮 运 管 段 舾 装 管 段 预 制 修 建 干 坞三 通 一 平基 槽 开 挖 6 6 沉管隧道的发展沉管隧道的发展 6 16 1 国外情况国外情况 沉管法是 20 世纪初发展起来的一种修建水下隧道的新方法 自 1910 年美国修建第一座沉管隧道以来 目前全世界已经修建了 100 多座沉管隧 道 60 为钢筋混凝土沉管隧道 其余为钢壳沉管隧道 已建的沉管隧道中 横断面最大的是比利时的亚波尔隧道 宽度为 53 1m 高度为 9 35m 管段长度为 138m 最长的沉管隧道为美国的海湾 地区交通隧道 长达 5825m 截面为 14 6 6 5m 6 26 2 国内情况 不含港澳台 国内情况 不含港澳台 我国已建成用于交通的沉管隧道有 5 座 分别是 1994 年建成的广州珠江隧道是我国修建的第一条用于交通运输的沉管 隧道 该隧道为公 铁合用隧道 沉管部分长 457m 由五节管段组成 最 长的管段长 120m 最短的管段长 22m 隧道结构为钢筋混凝土型 横断面 为矩形 最大外轮廓尺寸为 33 7 95m 浙江宁波甬江隧道是继珠江隧道后修建的第二条沉管隧道 于 1996 年建成 沉管部分长 420m 由五节管段组成 85m 80m 85m 3 隧道 结构为钢筋混凝土型 横断面为矩形 内净空尺寸为 10 2 4 5m 宁波常洪隧道于 2002 年建成 也是国内第一条采用桩基础的沉管隧 道 沉管部分长 395m 由四节管段组成 95m 100m 3 隧道结构为钢 筋混凝土型 横断面为矩形 穿越上海黄浦江的外环沉管隧道沉管部分长 736m 由七节管段组成 长度为 100 108m 轮廓尺寸为 43 9 55m 最大一节管段重量为 4 5 万 吨 隧道结构为钢筋混凝土型 横断面为矩形 2004 年 2 月在杭州湾建成我国第一条海底沉管隧道 长约 200m 由 6 节管段构成 6 36 3 沉管隧道的发展趋势沉管隧道的发展趋势 根据有关国内外沉管隧道的设计施工情况 目前沉管隧道发展正呈现 出以下趋势 1 沉管隧道的规模越来越大 管段的长度越来越长 如荷兰京斯 麦尔隧道仅有 4 节管段 每节长度 268m 重达 5000t 横断面越来越大 如比利时亚波尔隧道 宽度为 53 1m 高度为 9 35m 管段长度为 138m 2 从单一用途向多用途发展 最初的沉管隧道如同矿山法或盾构 法修建的隧道一样 用途较为单一 即为城市道路或为铁路水下隧道 随 着隧道断面的增大 多功能隧道得到发展 3 沉管隧道的地基适用性越来越广 使用范围扩大 已经有了不 少修建于软弱地基上的工程实例 4 钢筋混凝土沉管有逐步取代钢壳沉管的趋势 5 在管段预制过程中 需要采取多种混凝土裂缝控制技术 以确 保钢筋混凝土管段的预制质量 特别是防止贯穿裂缝产生 HPC 高性能 混凝土 应用广泛 主要用于结构裂缝控制 6 沉管预制由传统的陆上干坞预制向工厂化流水线生产 即采用 工厂化预制 气囊搬用 驳船拖运等方法 第二章基础资料准备 沉管隧道是埋于水下的工程结构物 其设计和施工无不受到气候 水 文 地质航运等条件的制约和影响 因此做好有关基础资料的调查和勘测 工作 搜集足够而又精确的基础资料是沉管隧道设计和施工的前提 以便 预测可能会出现的情况 一般需要作水力 水质 地质 水下障碍物 气 象 航道运输 管段预制场地等方面的调查 本章将对沉管隧道施工和设计关系均较密切的基础资料进行较详细地 介绍 而与施工联系不大的基础资料仅作一般介绍 1 1 水文资料水文资料 水流对选择沉管管段的施工技术和拖运方案的选择影响很大 必要的 水文资料包括 水位 波浪 流速及流向 水的密度差异 潮汐影响等 1 11 1 水位水位 潮汐可能对水流速度产生影响 也会引起水位的变动 潮汐可能影响 管段浇筑现场的选择和设计 影响管段的浮运与沉放 水位资料主要包括 历史最高水位 历史最低水位 推算百年一遇洪 水位 推算两百年一遇洪水位 最高潮水位 最低潮水位等 水