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8沉管隧道施工SubmergedTubetunnelConstruction 世界上由于海峡存在 陆地被分割 在不同条件下形成两个区域 并造成交通障碍及文化差异 连接海峡两岸主要有三种方式 轮渡 修建桥梁和修建隧道 轮渡受气象条件的影响较大 并且不能直接连通 造成人员物资转运十分麻烦 修建桥梁往往受跨度 水深的影响 且建成运营后也同样受气象条件的影响 修建海峡隧道既可以穿越较大跨度直接连通海峡两岸 又可以在运营后很少手气象条件影响 能保持连续通行 8 1概述 沉管法 即按照隧道的设计形状和尺寸 先在隧址以外的干坞中或船台上预制隧道管段 并在两端用临时隔墙封闭 然后舾装好拖运 定位 沉放等设备 将其拖运至隧址位置 沉放到江河中预先浚挖好的沟槽中 并连接起来 最后充填基础和回填砂石将管段埋入原河床中 用这种方法修建的隧道又称水下隧道或沉管隧道 整体结构 水下沉管隧道的整体结构是由管段基槽 基础 管段 覆盖层等组成 整体坐落于河 海 水底 8 1 1沉管隧道的基本结构 8 1 1 1沉管隧道的横断面结构 覆盖层 管段 基础 基槽 沉管隧道的管段断面结构形式按制作材料分 主要有钢壳混凝土管段和钢筋混凝土管段两种 按断面形状分有圆形 矩形和混合形 按断面布局有单孔式和多孔组合式 沉管隧道的管段断面结构 a 圆形 单孔式 b 矩形 组合式 c 混合形 组合式 是钢壳与混凝土的组合结构 钢壳有单层和双层两种 单层钢壳管段的外层为钢板 内层为钢筋混凝土环 双层钢壳管段的内层为圆形钢壳 外层为多边形钢壳 内外层之间浇注抗浮压重混凝土 钢壳管段的内断面为圆形 外轮廓有圆形 八角形等多种 一般用于双车道 若需设4车道 则可采用双筒双圆形组合式断面 优点 外轮廓断面为圆形或接近圆形 沉没完毕后 荷载作用下所产生的弯矩较小 管段的底宽较小 基础处理的难度不大 管段外壳为钢板 浮运过程中不易碰损 钢壳可在造船厂的船台上制作 充分利用船厂设备 工期较短 缺点 管段的规模较小 一般为2车道 内径一般不超过10m 圆形断面的空间利用率低 且由于车道上方必须空出一个限界之外的空间 车道的路面高程不得不相应压低 使隧道的深度增加 基槽浚挖的量加大 管段耗钢量大 造价较高 钢壳存在焊接拼装的问题 防水质量不保证 钢壳本身的防锈问题尚未完善解决 钢壳混凝土管段 其横断面多为矩形 可同时容纳2 8个车道 有的还设置有维修 避险 排水设施等的专用管廊 如上海外环路沉管隧道为8车道 设有三个车辆通行孔和两个管廊孔 设于每两个通行孔之间 矩形管段一般比圆形管段经济 故目前国内外多采用矩形沉管 优点 隧道横断面空间利用率高 建造多车道 4 8车道 隧道时 优势显著 车道路面最低点的高程较高 隧道的全长相应较短 所需浚挖的土方量亦较小 不用钢壳防水 节约大量钢材 利用管段自身防水的性能 能做到隧道内无渗漏水 缺点 需要修建临时干坞 征地搬迁及施工费用高 制作管段时 对混凝土施工要求严格 保证干舷和抗浮安全系数 须另加混凝土防水措施 钢筋混凝土管段 沉管隧道在纵断面上一般由敞开段 暗埋段 沉埋段以及岸边竖井等部分 8 1 1 2沉管隧道的纵断面结构 沉管隧道纵断面一般结构示意图 香港海底沉管隧道纵剖面图 广州珠江沉管隧道纵剖面图 沉管法施工的一般工艺流程如下图8所示 其中管段制作 基槽浚挖 管段的沉放与水下连接 管段基础处理 回填覆盖是施工的主体 8 1 2沉管隧道施工工艺流程 优点 对地质水文条件适应性强 施工方法简单 沉管隧道不怕软弱地层 基本上不受地质条件的限制 对地基允许承载力的要求也很低 能适应各种地质条件 施工工期短 对航运干扰最小 施工质量容易保证 管段在干坞中呈长段预制 沉放连接时间短 对航运干扰次数少 时间短 沉管隧道的主要工序可平行作业 各工序间干扰少 可缩短工期 工程造价较低 沉管隧道的埋深很浅 水底需要进行的土方工程量较小 沉管隧道的长度也相对缩短 造价也因而降低 有利于多车道和大断面布置 沉管隧道的断面既可做成圆形 也可做成矩形或其它形状 十分灵活 接头少 密实度高 隧道防渗效果好 由于沉管隧道的管节比较长 节数少 因而接头数量少 具有很强的抵抗战争破坏和抗自然灾害的能力 8 1 4沉管法评述 适应性 沉管隧道在施工时 将受气象 水文条件的制约 一定程度上影响航运 选择沉管隧道要考虑以下原则 与城市总体规划要求的两岸交通疏解方案相协调 要保证隧道与两岸所需衔接的道路具有良好的连接 具有较为合适的河 海 航道 水文及河 海 床条件 沉管隧道多在江河的下游修建 因下游河床较平坦 水流缓 水流急或不稳定 河床有深沟 陡壁 都会给管节的沉放与对接造成困难 施工条件满足要求 如航道能否有足够的水深和宽度实施浮运 转向和储放 隧址附近有无合适的干坞修建地带等 8 1 4沉管法评述 沉管法最早于1810年在伦敦的泰晤士河修筑水底隧道时进行了试验研究 1894年利用沉管法在美国波士顿正式建成一条城市排水隧道 1910年 底特律水底铁路隧道的建成 标志着沉管法修建水底隧道技术的成熟 1959年 加拿大迪斯 Deas 隧道采用水下压接法进行管段连接成功后 沉管隧道施工方法逐步在世界范围内得到应用 已建成隧道150多座 最长的沉管隧道长5825m 1970年 美国 日本第一座沉管隧道于1944年修建 荷兰是用沉管法建造隧道最多的国家之一 目前荷兰有11座公路隧道和两座铁路隧道 除了一座公路和一座铁路隧道外 其余均采用沉管法 即隧道施工的荷兰法 8 1 4沉管隧道的发展 我国应用沉管法修建水底隧道虽然起步较晚 但发展较快 1972年 香港修建了我国第一条跨港沉管隧道 1984年台湾修建了高雄海底隧道 1993年在广州珠江下建成了大陆第一条沉管隧道 1996年在浙江宁波成功修建了甬江沉管隧道 这两条隧道都是我国自行设计和施工的 标志着我国在这一领域进入一个新的发展阶段 到1997年 全国建成有8条沉管隧道 其中香港5座 台湾1座 进入21世纪 我国内地又有宁波常洪 杭州湾 上海外环路三条沉管隧道相继建成 其中上海外环路沉管隧道2880m 结构为3孔 双向8车道 左右孔分别为单向3车道 中间一孔为两车道 这2条车道并不固定 宽44m 高9 55m 有3层楼高 最大节长108m 共7节 单节管重达到4 5万吨 号称亚洲第一世界第二沉管隧道 目前在广州 浙江等地有多座沉管隧道正在建设之中 初步估算 我国 含港台 已建和在建的沉管隧道至少在15座以上 另外 琼州海峡 长江流域等有多座隧道规划采用沉管法施工 上海外环沉管隧道隧道断面图 干坞是坞底低于水面的水池式建筑物 是修建矩形沉管隧道的必需场所 通常是在隧址附近开挖一块低洼场地用于预制隧道管段 干坞是一项临时性工程 隧道施工结束后便完成其使命 8 2干坞 7 2 1手掘式顶管机 干坞设计包括干坞形式 位置的选择 深度 面积等规模大小的确定 坞坡 坞底 坞首 坞门结构的设计等 干坞的形式 干坞形式按其活动性有固定干坞和移动干坞两种 干坞的位置 固定干坞位置的选择方案有两种 一种是位于隧道设计轴线上 该方案仅一个工程使用 另一种是位于隧道设计轴线外 该方案有利于多个工程使用 干坞的规模与尺寸 干坞规模分大型干坞和小型干坞 大型干坞又叫一次性预制管段干坞 小型干坞又叫分次完成管段干坞 8 2 1干坞的设计 干坞的平面形状多呈长方形 横向尺寸取决于管节的宽度 管节的列数 管节横向之间的距离 管节侧面与干坞底边的距离 纵向尺寸取决于每列预制管节的数量 管节的长度 管节端部之间的距离 管节端部至干坞两端边坡脚的距离 另外 还要考虑坞底车辆的运输线路 预制设备等 图8 8一次预制管段干坞1 坞底 2 边坡 坞墙 3 运料车道 4 坞首围堰 1 边坡其周边一般采用天然土坡或者进行简单的护坡 必要时可加铺塑料薄膜 植草皮 格栅或砌石等 个别情况下也可用钢板桩围堰或设混凝土防渗墙 边坡的确定要进行抗滑稳定性的验算 为保证边坡的稳定安全 一般设井点降水 在分批预制管段的小型临时干坞中 要特别注意干坞抽水时的边坡稳定性问题 2 坞底坞底要有足够的承载力 要提前进行工程地质和水文地质勘查 进行土工试验 一般情况下 管段作用在坞底上的附加荷载并不大 小于坞底的初始应力 地基强度可满足要求 因此 坞底常只是先铺一层干砂 再在砂层上铺设一层20 30cm厚的无筋混凝土或钢筋混凝土 在采用混凝土底板时 还要在管段底下铺设一层砂砾或碎石 以防管段起浮时被 吸住 3 坞首和坞门干坞的坞壁三面封闭 临水一面为坞首 在大型干坞中 可用土围堰或钢板桩围堰作坞首 不设坞门 管段出坞时 局部拆除坞首围堰就可将管段逐一拖运出坞 在分次预制管段的干坞中 既要设坞首也要设坞门 坞首常为双排钢板桩围堰 临河 海侧和临坞侧各一排 坞门可用单排钢板桩 每次拖运管段出坞时 将此段单排钢板桩临时拔除 将管段拉出 再恢复坞门 4 其它干坞内外要修筑车道 以便运送设备 机具及材料 为防止坞内积水 坞底设有明沟 暗沟和集水井等 坞外要设置截水沟和排水沟 干坞的构造 沉管管段是在地面预制的 所以其基本工艺与地上制作其它大型钢筋混凝土构件类似 由于沉管预制管段采用浮运沉放的施工方式 而且最终是埋设在河底水中 因此对预制管段的对称均匀性和水密性要求很高 为保证浮运和下沉 管段上还要设置端封墙和压载设施 8 3管段的制作 矩形钢筋混凝土管段一般在临时干坞中预制 制作完成后往干坞内灌水使管段浮起 然后拖运管段至隧址沉放 管段制作对混凝土施工要求很严格 要保证干舷和抗浮安全系数以及防水要求 管段的对称 均匀性控制 管段制作时对称性控制是为了确保矩形管段在浮运时有足够的干舷 管段在浮运时 为了保持稳定 必须使沉管顶面露出水面 其露出高度称为干舷 具有一定干舷的管段 遇风浪后产生反向力矩 保持平衡 干舷的高度应适中 过小则稳定性差 过大时沉设困难 浮力设计时 按照最大混凝土容重 最大混凝土体积和最小河水的比重来计算干舷 8 3 2矩形管段的制作 8 3 2 2管段的水密性控制 水密性控制的目的是为了确保管段的防水性能 使隧道投入使用后无渗漏 管段的防水按材料分又刚性防水 柔性防水 按防水部位分有外防水 结构自防水和接缝防水 外防水 要求不透水 耐久 耐压 耐腐蚀 能适应温度变化 施工方便 比较经济 外防水分刚性防水和柔性防水 刚性防水主要用钢板或塑料板防水 柔性防水主要用卷材和涂料防水 结构自身防水主要以防水混凝土为主 提高管段自身防水的措施在于控制管段混凝土在浇注凝结过程中产生的裂缝 裂缝产生的原因主要是变形 这些变形包括温度 水化热 气温 生产热 太阳辐射 湿度 自身收缩 失水干缩 炭化收缩 塑性收缩等 地基变形等 解决裂缝问题的措施主要是混凝土配制 控制温差 施工期间的特殊措施等 接缝防水管段接缝有三种 底板与侧墙之间的纵向施工缝 一节管段中分段浇注的横向变形缝和管段与管段之间的对接缝 底板与侧墙之间纵向施工缝是防水的薄弱环节 大多数情况下安装一根钢带确保防水效果 由于管段浮运就位后要沉放到水底 靠管段本身的重量不能克服水的浮力时需对管段进行加载 加载可用石碴 矿碴压载 也可用水来压载 用水箱压载简单方便 采用较多 压载水箱在管段上对称设置 每节管段至少要设四个水箱 对称布置在管段四角 使管段保持平衡 平稳地下沉 压载水箱可采用全焊钢结构 不易渗漏 但不易拆除 拼装式水箱便于安装拆卸 可重复使用 压载水的容器要在封墙安装之前设置在管段内部 水箱的容量及数量取决于管段干舷的大小 下沉力的大小 以及管段基础处理时抗浮所需的压重大小 8 3 2 4压载设施 在管段浇筑完成 模板拆除后 为了便于水中浮运 需在管段的两端离端面50 100cm处设置封墙 通常叫端封墙 封墙可用木材 已很少采用 钢材或钢筋混凝土制成 也有的采用钢梁与钢筋混凝土复合结构 采用钢筋混凝土封墙的好处是变形小 易于防渗漏 但拆除时比较麻烦 而钢封墙采用防水涂料解决了密封问题后 装 拆均比钢筋混凝土封墙方便得多 端封墙上设有鼻式托座 简称鼻托 排水阀 进气阀 出入人孔以及拉合结构 排水阀设在下面 进气阀设在上面 人员出入孔应设置防水密闭门并应向外开启 8 3 2 3端封墙 沉管隧道的浚挖工作一般有沉管的基槽浚挖 航道临时改线浚挖 出坞航道浚挖 浮运管段线路浚挖 舾装泊位浚挖 8 4沉管隧道的浚挖 8 4 1沉管基槽的设计 沉管基槽横断面设计沉管基槽的横断面主要由底宽 深度和边坡坡度三个基本要素确定 沉管基槽纵断面设计基槽开挖纵断面形状基本上与沉管段的隧道纵断面一致 在采用临时支座作为管段沉放的定位基准时 临时支座基底标高可作为纵断面设计的控制标高 无临时支座时以上述的开挖深度作为控制标高 沉管基槽平面设计基槽开挖的平面轴线应与沉管段平面轴线相一致 基槽开挖的宽度要与沉管段平面轴线相对称 并随管段埋设深度及边坡稳定性要求不同而变化 临时支座的设计管段采用鼻托式对接时 每节管段需配置2块临时支座 采用定位梁搭接时 每节管段需配置4块临时支座 临时支座一般为钢筋混凝土支承块 基槽施工主要是利用浚挖设备 在水底沿隧道轴线 按基槽设计断面挖出一道沟槽 用以安放管段 基槽浚挖是所有浚挖工作中最为重要一环 应根据现场地质与水力资料确定合理的浚挖方式和浚挖设备 浚挖方式 选择浚挖方式时应尽量使用技术成熟 生产效率高 费用低的浚挖方式 浚挖作业一般分层 分段进行 在基槽断面上 分几层逐层开挖 在平面沿隧道轴线方向 划分成若干段 分段分批进行浚挖 管段基槽浚挖亦可分粗挖和精挖两次进行 粗挖挖到离管底标高约1m处 精挖在临近管段沉放时超前2 3节管段进行 这样可以避免因管段基槽暴露过久 回淤沉积过多而影响沉放施工 8 4 2沉管基槽施工 基槽开挖一般采用吸泥船进行 如链斗式挖泥船 绞吸式挖泥船 自航耙吸式挖泥船 抓斗挖泥船 铲扬式挖泥船等等 浚挖设备 大挖深铰吸挖泥船 管段在干坞中预制好 沉管基槽开挖及基础处理好后便可进行管段的出坞 浮运 沉放与水下连接工作 是沉管隧道难度最大的一道工序 8 5管段沉放与连接 8 5 1管段的出坞 管段在干坞内预制完毕后 安装了全部浮运 沉放及水下对接的施工附属设备设施后 就可向干坞内灌水 使预制管段在坞内逐渐浮起 直到坞内外水位平衡为止 打开坞门或破坞堤 由布置在干坞坞顶的绞车将管段逐节牵引出坞 上浮时要利用干坞四周预先布设的锚位 用地锚绳索对管段进行控制 管段出坞后 先在坞口系泊 分次预制管段时 也可在拖运航道边临时选一个水域抛锚系泊 管段在坞内起浮前应对压载水仓注水调平 安装好系缆柱 缆绳导轮等 起浮时要逐步排出压载仓内的水 保证管段慢慢安全地起浮 多管段一次预制时 可按出坞浮运地顺序一节一节地起浮 起浮后 管段的一侧可利用干坞的系缆柱系泊 另一侧可利用尚未起浮的管段系缆绳 要确保起浮的管段平稳无漂移 如采用双吊驳吊沉管段 则需将双吊驳对着坞口中线在坞口附近系泊好 管段通过绞车系泊缆绳系统逐步牵引出坞 出坞作业应选在海水高潮的平潮前半小时进行 将管段从存泊区 或干坞 拖运到沉放位置的过程叫浮运 管段浮运可采用拖轮拖运或岸上绞车拖运 具体浮运方式很多 当水面较宽 拖运距离较长时 一般采用拖轮拖运 水面较窄时 可在岸上设置绞车拖运 宁波甬江水底沉管隧道的预制沉管浮运时 由于江面窄水流急 且受潮水的影响 采用了绞车拖运 骑吊组合体 方法浮运过江 广州珠江沉管隧道施工时 由于干坞设在隧道的岸上段 江面宽只有400m左右 浮运距离短 主要采用绞车和拖轮相结合的方式 即在一艘方驳上安置一台液压绞车作为后制动 2台主制动绞车设在干坞岸上 3艘顶推拖轮顶潮协助浮运 这种方式简单易行 且施工中淤泥不会卷入基槽 日本东京港沉管隧道采用的浮运方式如图8 14所示 该隧道运距4km 运距较长 前后各有一艘拖轮 两艘方驳在管段两侧护送 并用两艘拖轮做辅助顶推 浮运时间1d 纯运行时间为2h 管段浮运到沉放位置后 要转向或平移 对准隧道中线待沉 8 5 2管段的浮运 航道 绞车 宁波甬江沉管浮运方式 管段 方驳 干坞 1 管段 2 方驳 3 液压绞车 4 顶推拖轮 5 备用拖轮 6 芳村岸 7 水流方向 广州珠江沉管浮运方式 日本东京港沉管隧道管段浮运方式 管段的沉放在整个沉管隧道施工过程中占有相当重要的地位 沉放方法有多种 需根据不同的自然条件 航道条件 沉管本身的规模以及设备条件进行合理选择 8 5 3 1管段的沉放方式管段的沉放方式大致分为吊沉法和拉沉法 吊沉法中根据施工方法和主要起吊设备的不同又分为分吊法 包括起重船法和浮箱法 扛吊法和骑吊法等 8 5 3管段的沉放 沉放 对接过程中 管段将不可避免地受到风 浪 流等外力的作用 要保证沉放对接过程中管段的稳定 必须对管段进行牢固的定位 定位作业主要由锚碇系统完成 常用的锚碇方式有 八字型 和 双三角型 8 5 3 2管段的定位 锚 a 八字型锚碇系统 b 双三角形锚碇系统图8 21锚碇系统图 管段沉放与对接作业受海上的自然条件影响很大 因此对其有一定的要求 一般要求风速 10m s 波高 0 5m 水的流速 0 6 0 8m s 空气的能见度 1000m 沉放作业的步骤一般可分初次下沉 靠拢下沉和着地下沉三个步骤进行 如下图所示 8 5 3 3管段的沉放作业 管段沉放就位后 还要与已连接好的管段连成一个整体 该项工作在水下进行 故又称水下连接 水下连接技术的关键是要保证管段接头不漏水 水下连接有混凝土连接和水力压接两种方法 混凝土连接法作业工艺复杂 潜水工作量大 密封的可靠性差 故目前一般不再采用 水力压接法是上世纪50年代由丹麦工程师在加拿大开发应用 它工艺简单 施工方便 施工速度快 水密性好 基本上不用潜水工作 故目前普遍采用 8 5 4管段的水下连接 水利压接法是利用作用在管段上的巨大水压力 使安装在管段前端面 靠近既设管段的那一端 周边上的一圈胶垫发生压缩变形 形成一个水密性相当良好可靠的接头 其具体方法是先将新设管段拉向既设管段并紧密靠上 这时接