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第七章沉管隧道施工 沉管法 预制管段沉放法沉管法修隧道首先是在隧址以外的预制场制作隧道管段 管段两端用临时封墙封闭 待达到设计强度后托运到隧址位置 沉放管段到已预先进行了沟槽浚挖的设计位置上 然后进行管段水下连接 处理管段接头及基础 覆土回填 以完成隧道构筑的全部工作 1 沉管法优点 施工方法简单 对地质水文条件适应性强 采用管段预制 浮运沉放的方法 可避免难度较大的水下作业工作 施工简便 隧址开挖较浅 基槽开挖和基础处理的施工技术比较简单 地质适应性强 2 施工工期短 施工质量容易保证 管段地面预制 施工场地集中 管理方便 管段的结构与防水措施质量得到充分保证 在隧址的施工时间短 工程造价低 管段预制 水底的土石方量小 有利于多车道和大断面布置 3 第一节沉管隧道的结构与设计 一 沉管隧道的基本结构 4 一 圆形管段圆形管段的内轮廓线为圆形 外轮廓线有圆形 八角形和花篮形 还有组合形断面 5 圆形管段一般在造船厂的船台上制造 所以又称为船台型管段 制作时是先预制钢壳 然后沿船台滑道滑行下水成为浮体 在漂浮状态下灌注钢筋混凝土 6 圆形沉管隧道的特点 优点 1 结构受力比较合理 2 底部宽度小 基础处理比较容易 3 钢壳既是浇注混凝土的外模 又是隧道的防水层 该防水层在浮运过程中不易碰损 防水效果也好 7 圆形沉管隧道的缺点 1 断面空间利用率不高 2 断面不便于建造多车道隧道 3 管段制造钢材消耗量大 造价高 8 二 矩形管段 矩形管段一般为钢筋混凝土结构 在临时干坞中制作 制作后往坞内灌水使之浮起并拖运到隧址沉放 9 矩形管段特点 优点 1 制作不占用造船厂设备 不妨碍造船工业生产 2 车道断面利用率高 3 建造多车道隧道时 工程量和施工费用均较省 10 矩形管段的缺点 1 需建造临时干坞 2 管段混凝土灌注及浮运过程要求严格 11 二 沉管隧道设计设计内容 几何设计 通风设计 结构设计照明设计 内装设计 给排水设计供电设计 运营与安全设计等 12 一 几何设计包括 沉管管段的截面尺寸确定管段长度的确定 13 截面尺寸的确定 截面尺寸的确定需要考虑隧道的用途和施工 要结合考虑隧道施工的两个阶段 浮运阶段和沉放阶段 的要求 特别是外轮廓线要通过浮力设计才可最后确定 要有保证一定的干舷高度 抗浮安全系数 14 长度的确定 长度的确定要考虑 经济条件航道条件纵断面的形状管段的形状管段及其他的施工条件 15 16 珠江水下隧道是连接广州市中心区和芳村区的重要交通廊道 是水下道路与地铁共管的隧道 其横断面为四孔钢筋砼箱型结构 其中两孔为双线机动车孔 一孔为上下行地铁孔 另一孔为管线廊 隧道建筑全长1238m 隧管段长721m 沉管 预制 段457m 宽33m 高8m 是我国首次采用沉管法施工的大型过江隧道 17 二 结构设计 沉管隧道所承受的荷载包括 运营使用阶段荷载施工阶段荷载特殊荷载 18 结构自重 取决于几何尺寸和选用的材料 使用阶段要考虑各种内部管线的作用 水压力 设计时要分别考虑高 低潮水位的压力 同时还要考虑当地最大台风或特大洪水水位的压力 土压力 垂直土压力和侧向土压力 波浪力 必须有适当措施防止波浪力使管段翻转 19 沉放摩擦力 回填土之后 沟槽底部受荷不均 沉放不均而引起的摩擦力 地基反力 假设 直线分布 反力强度与各处地基沉降量成正比 弹性理论 沉船荷载 船只失事后沉在隧道顶上引起 20 温度应力 由于沉管内外侧之间存在温差引起的 沉管隧道结构受力分析沉管的横断面结构形式多采用矩形 管段顶板 底版和侧壁的连接为刚接 多车道的沉管 横断面一般为多孔矩形结构 为高次超静定结构 通常先假定沉管构件尺寸进行内力计算 经过几次循环 最后确定结构尺寸 21 1 由于隧道纵坡和河底标高的变化 各处断面所受水土压力不同 特别是接近岸边时 荷载变化较大 所以不能只从一个断面的结构分析确定内力 进行配筋 2 为改善结构受力性能 减少裂缝出现 避免采用剪刀钢筋 采用变截面或折拱结构或椭圆形结构 22 三 浮力设计浮力设计包括 干舷的选定抗浮安全系数的验算确定沉管高度与外轮廓尺寸 23 干舷为了保持管段稳定 管段顶面必须露出水面 其露出高度称为干舷 100 150mm 400 500mm 24 确定合理的干舷高度过小管段不稳定 过大则管段不容易沉放 确定浮力计算干舷高度计算浮力时 根据混凝土的最大容重和水的最小容重进行 25 抗浮安全系数抗浮安全系数 浮运时浮力大小与其自身重力之比 在施工阶段 临时施工设备的重量可以不计 抗浮系数在1 05 1 1之间 在使用阶段取 计算是可以考虑两侧填土对管壁的摩擦力 浮力计算 混凝土最小密度和水的最大密度计算 26 第二节沉管管段制作 矩形沉管隧道施工 干坞修筑 管段预制 基槽与航道浚挖 管段浮运与沉放 管段水下连接和基础处理 27 28 一 临时干坞的修筑满足条件 能分节预制管段 在管段制成后灌水浮起 距离隧址较近 地质条件较好 并便于管段出坞和浮运 29 一 干坞的规模根据工程规模 管段长度尺寸和管段数量 并结合坞址的地形 地质条件 工期 土地使用费和施工设备等情况综合考虑决定 30 一次预制管段干坞优点 一次预制管段干坞是在干坞内一次完成所有管段的制作 它只需放一次水进坞 干坞不需要采用闸门 施工简便 干坞仅用土围堰或钢板桩围堰作坞首 31 一次预制管段干坞缺点 干坞规模较大 占地多 土地使用费用较大 适用条件 工程量小 管段数量少 土地使用价格低和坞址地质条件差的工程 32 分批预制管段干坞优点 干坞规模小 占地少 造价低 重复使用率高 而且有利于与其他施工程序配合以缩短工期 缺点 1 需要采用闸门式坞门 造价高 2 先批出坞沉放的管段需待几个月才能与后批管段相接 不利于先沉放的管段稳定 安全难于保证 33 3 已开挖的基槽可能会有回淤 影响后批管段基础质量 4 干坞反复灌水 排水 影响坞墙的稳定性 5 重复使用还会造成坞底垫层上的淤泥清除困难 影响坞底的透水性和其防排水能力与承载能力 影响再次预制管段的质量 34 二 干坞的构造 35 36 坞墙坞墙周边多数采用简单的自然边坡为钨墙 边坡的坡度可采用 必要时可在上堤中设钢板桩或加设喷射混凝土防渗墙 以防地下水渗漏 多雨区可采用铺设一层塑料薄膜加沙袋固定保护措施 防止雨水冲刷边坡引起坍塌 37 2 坞底 先铺一层干砂 在砂层中铺一层 mm厚的混凝土或钢筋混凝土 再铺沙砾或碎石 防止管段上浮时被吸住 先铺一层 mm厚的黄砂 再在黄砂层上铺 mm厚的沙砾或碎石 遇到特别松软的粘土或淤泥层 坞底则需进行加固处理 如土石换填 一般换 m厚碎石 也可结合换填用桩基础加固坞底 38 坞首及坞门一次预制管段干坞中 可用土围堰或钢板桩围堰作坞首 而不用设置坞门 分批预制管段干坞中 干坞要重复使用 所以要设坞首和坞门 39 干坞的排水系统井点法降水 或坞底设明沟 盲沟和集水井 用泵将水排至坞外 为了增强地基承载力 保证基底的稳定 应保持坞底 m范围内干燥无水 同时坞堤外应设截水沟和排水沟 干坞的车道从坞外到坞底要修筑车道 以便运输施工机具 设备和材料 40 三 干坞的施工干法施工 先沿干坞的四周作混凝土防渗墙 隔断地下水 然后用推土机 铲运机从里面向坞口开挖 挖出一部分土用来回填作坞堤 大部分土运至弃土场 坞底和坞外设排水沟 截水沟和集水井 坡面用塑料薄膜满铺并压沙袋 以防雨水冲刷 坞底铺砂 碎石 再用压路机压实平整 坞内修筑车道 41 干坞施工所采用的主要施工设备 混凝土搅拌站 起重设备 轨行门式起重机 塔式起重机 运输设备 拖运管段设备 电动提升机和绞车 其他设备 钢筋加工设备 抽水设备 电焊机 空气压缩机 钢模板 拼装式脚手架 千斤顶 混凝土振捣及养护设备等 42 二 沉管管段的制作 一 管段灌注匀质性和水密性 1 如果管段混凝土容重变化幅度稍大 超过 以上 管段常会浮不起来 2 如果管段各部分的侧壁与板的混凝土密度不均匀 管段就会侧倾 43 水密性 为确保水密性 必须解决好管段防水问题 以避免任何渗水现象 防水措施 结构物自身防水结构物外侧防水施工接缝防水 44 管段自身防水 采用防水混凝土灌筑管段 其抗渗标号根据最大水深与管段边墙厚度所决定的水力梯度来选择 要防止管段混凝土由于温差和干缩造成的裂缝 45 降低混凝土灌筑温度 低水化热 降低水灰比 减少水泥用量 夏天掺冰水拌和混凝土 选择温度较底的夜间施工 减少施工缝两侧混凝土温差 控制节段长度 控制混凝土内外温差 46 外侧防水外侧防水层要求 不透水性 耐久 耐压 耐腐蚀性 不必修补 能适应关段的温度变化而延伸 收缩 便于施工 比较经济等 防水措施 钢壳 钢板防水 卷材 保护层防水和涂料防水等 47 钢壳 钢板防水 圆形管段 采用钢壳 mm 做模板 兼作永久性防水层 耗钢量大 焊缝防水可靠性不高 刚才防锈难 矩形钢筋混凝土管段 采用在管底与侧边墙下部以 mm厚的钢板做外侧防水层 48 卷材 保护层防水柔性防水层 沥青类卷材与合成橡胶卷材 在管段顶板设 mm厚的钢筋混凝土保护层 卷材防水缺点 工艺复杂 易 起壳 损坏无法修补 49 涂料防水 施工接缝防水纵向施工缝横向施工缝 能适应一定幅度的线变形和角变形 施工阶段能够传递弯矩 使用阶段能传递剪力 变形前后均能防水 50 51 在管段浮运时 为保持管段的整体性 变形缝一定要能传递由波浪及施工荷载引起的纵向弯矩 把变形缝处所有的管壁内 外纵向 水平 钢筋切断 另外设置临时预应力钢筋承受浮运时的纵向弯矩 只将变形缝处所有管壁外排纵向钢筋切断 内排纵向钢筋保持连续并通过变形缝 待管段沉放完后再予切断 使之成为完全的变形逢 52 变形逢中一般设置一至二道止水带 一保证变形前后均能防止河 海 水漏入 止水带必须既能适应变形 又能有效地截断渗流 53 二 封端墙 mm 钢结构或钢筋混凝土结构钢梁加固的 mm的钢筋混凝土板复合结构 钢制封端墙由端面钢板 主梁和横肋组成的正交异性板够成 装拆方便 钢筋混凝土封端墙变形小 密封性好 但拆除麻烦 54 封端墙实现水力压接的设施括鼻式托座人孔钢门给气阀排水阀拉合结构 55 三 压载设施水箱压载在管段上对称设置 每节管段至少要设四个水箱 对称布置在管段四周 使管段保持平衡 平稳地下沉 水箱的容量取决于管段干舷值和下沉力的大小 全焊钢结构和拼装式水箱 56 三 管段检漏与干舷调整一般在干坞灌水之前 先往压载水箱里注水压载 然后再往干坞坞室里灌水 干坞灌水后进一步抽吸管段内的空气 使管段气压降到 a 灌水 h后 工作人员进入管段内对管段所有外壁进行仔细的水底检漏 无问题即可排出压载水 管段浮升出水 如有渗漏 排干水进行修补 57 第三节管段的沉放作业 一 基槽开挖与航道疏浚 一 基槽开挖槽底纵坡与管段设计纵坡相同 基槽的断面尺寸应根据管段断面尺寸和地质条件确定 开挖基槽的底宽一般比管段底宽 m 58 基槽深度 管顶覆土厚度管段高度基础处理所需超挖深度 59 基槽开挖超深 1 基槽开挖后会显著降低当地的水流速度 从而降低潮汐水流对淤积物质的运载能力 2 在砂质和口处会使基槽内沉积物增加以及基槽周围河床形状发生变化 60 基槽开挖方法泥质基槽开挖分两个阶段 粗挖 挖到离管底标高约 m处 精挖 超前 节管段长度 精挖层应在临近管段沉放前再挖 以避免淤泥沉积 61 基槽开挖 1 用吸泥船疏浚 自航泥驳运泥 2 土层坚硬 水深超过 m时 可用抓斗挖泥船配小型泥泥船清槽及爆破 3 粗挖时也可用链斗式挖泥船没 对硬质土层可采用单斗挖泥船 岩基槽开挖 首先清除岩面上的覆盖层 然后用水下爆破方法挖槽 最后清礁 62 63 水中冲击波对人员的安全距离 64 二 航道疏浚航道疏浚包括 临时航道疏浚管段浮运航道疏浚 保证河道上正常的安全运输 管段浮运 65 二 管段的浮运托运方法 拖轮托运岸上绞车托运 66 驳船本身无自航能力 需拖船或顶推船拖带的货船 其特点为设备简单 吃水浅 载货量大 驳船一般为非机动船 与拖船或顶推船组成驳船船队 可航行于狭窄水道和浅水航道 并可根据货物运输要求而随时编组 适合内河各港口之间的货物运输 少数增设了推进装置的驳船称为机动驳船 机动驳船具有一定的自航能力 67 驳船就是大船在锚地抛锚 各项手续齐备后 将大船货物卸到小船以便运往各客户的过程中 承载 分流大船货物的船只 68 69 70 71 三 管段沉放影响因素 气候河流自然条件航道设备条件 一 沉放方法 72 73 分吊法起重船吊沉法浮箱吊沉法起重船吊沉法 又称为浮吊法 沉放前起重船通过管段顶板预埋的 个吊点提吊 同时逐渐给管段内压载 使管段慢慢沉放到规定的位置 74 优缺点 该法可免去主要的沉放设备 但占用水面较宽 对航道干扰大 指挥不方便 75 76 浮箱吊沉法 将管段顶板上方 只浮箱通过吊索和管段起吊点连接 吊索起吊力作用在浮箱的中心 分前后两组 用钢桁架连结 起吊提升机和浮箱定位提升机安放在浮箱顶部 管段本身用 根锚索定位 定位提升机安设在定位塔顶部 77 浮箱吊沉法的优缺点 减少水上作业 使管段对航道的影响减小 设备简单 水上作业简化 尤其适用于大型沉管 78 吊扛法在左右方驳之间加设 扛棒 扛棒 下吊设沉管 然后沉放 这种方法也成为方驳扛沉法 优缺点 吊扛法使用于小型管段的沉放 不仅沉放时较为平稳 而且浮运时还可以利用驳船组挟持管段航行 使浸水面积对浮轴的惯性矩成倍增大 从而使浮运时抗倾覆稳定性及安全度提高 79 80 骑吊法骑吊法系用水上作业平台 骑 于管段上方 将其慢慢的吊放沉没 所用水上作业平台 也叫自升式作业平台 实际上是矩形钢浮箱 就位时 向浮箱内灌水加荷压载 使 条钢腿插入海底 需要入土较深时 可以压沉一次后 排水浮起钢平台 然后再注水加荷压沉 如此反复数次达到设计要求 81 骑吊法适应条件 适合于水深或流速较大的河流或海湾沉放管段施工时不受洪水 潮水 波浪影响 不需要锚碇 对航道干扰小 风浪较大时有利 但设备费用大 82 83 拉沉法利用预先设置在沟槽底面上的水下桩墩作为地垄 依靠架在管段上面钢桁架顶上的提升机 和扣在地垄上的钢索 将管段缓缓拉下水 沉放到桩墩上 须在水底设置桩墩 费用较大 84 85 二 管段沉放作业 准备工作 水上交通管制 浮运 拖运水路深度和宽度 水流波浪和潮水涨落对管段的影响 非均匀荷载引起的弯矩 浮运及沉放期间管段受力等 管段就位 86 管段下沉 初次下沉 先灌注压载水到下沉力的 0 随即进行位置教正 然后再灌注水使下沉力达到设计值的 并开始按 mm min 500mm min速度下沉管段 至到管底离设计高程 m 5m为止 87 靠拢下沉 先将管段向前节已沉管段平移 移到距已设管段 m左右处 然后再将管段下沉到管底离设计高程 m 并教正管位 着地下沉 将管段前移至前节管段约距 mm处 教正后开始着地下沉 88 水上交通管制水上交通管制指 主航道的临时改道和局部水域的暂时封锁 三 沉放作业的主要设备 管段吊沉设备起重船 水上作业平台 浮箱或铁驳 提升机 钢绗架 扛棒钢梁 89 定位塔中间有人行孔 顶上设测量标志 指挥室和测量工作室 拉合千斤顶 测量仪器超声波测距仪 倾度仪和缆索测力计 90 四 管段的连接 一 水下混凝土连接法先在结构两侧管段的端部安设平堰板 待管段沉放完后 在前后两块平堰板左右两侧 水中安设圆弧形堰板 围成一个圆形钢围堰 同时在隧道衬砌的外边 用钢檐板把隧道内外隔开 最后往围堰内灌筑水下混凝土 形成管段连接 91 水下混凝土连接法的优缺点 水下作业工艺复杂 潜水工作量大 隧道一旦发生变形会导致接头处开裂漏水 92 二 水力压接法 作用原理利用作用在管段上巨大水压力使安装在管段前端面周边的一圈胶垫发生压缩变形 形成一个水密性相当可靠的管段接头 93 水力压接法施工步骤 施工时 管段沉放就位后 先将新设管段拉向既设管段并紧靠上 这时接头产生第一次压缩变形 具有初步止水作用 随即将既设管段后端的封端墙与新设管段的前端墙之间的水排走 排水之前 作用在新设管段前后两端封端墙上的压力是相互平衡的 排水 94 之后 作用在前封端墙上的压力变成 个大气压 于是作用在后封端墙上的巨大水压力就将管段推向前方 十接头胶垫产生第二次压缩变形 具有了很高的水密性 水力压接法优点 工艺简单 施工方便 水密性好 基本上不用潜水工作 工料费省 施工速度快 95 96 施工程序 对位 要求 水平方向前端 mm 后端 mm 垂直方向后端 mm 拉合 将沉放管段靠上前节既设管段 使胶垫尖肋部产生初步变形 起到初步止水作用 97 压接拉合完成后 即可打开已设管段后端封墙下部的排水阀 排出对接沉管端被胶垫所包围封闭的水 排水开始不久 须开启设在已设管段后端墙顶部的进气阀 以防端封墙受到反向的真空压力而破坏 拆除端封墙 98 接头胶垫 荷兰人研制的尖肋形橡胶垫 安装在管段接受的竖直方向 作为第一道防水线 橡胶板 安装在管段接头水平方向 作为管段接头的第二道防水线 承受拉力 99 三 管段接头管段内侧构筑永久性的管段接头 使前后两个管段连成一体 不仅要有可靠的水密性 而且要具备抵抗基础不均匀沉降和地震造成的影响 100 刚性接头在相邻两节管段端面之间 沿隧道外壁浇注一圈钢筋混凝土将之连接起来 形成一个永久性接头 刚性接头应能抵抗弯矩 剪力和轴力 不低于管段自身的强度 101 刚性接头水密性不可靠 在使用过程中常因不均匀沉降而开裂渗漏 先柔后刚 接头 水力压接时所用的胶垫 留在外圈作为接头的永久性止水防线 刚性接头在胶垫的防护之下 不在渗漏 其刚性部分一般在沉降基本结束之后 再浇注钢筋混凝土 102 103 柔性接头利用水力 压接时所用的胶垫 吸收变温伸缩与基础不均匀沉降造成的角度变化 以消除或减小管段所受温变与变形应力 104 第四节沉管基础处理 基础处理的目的 不是为了对付地基土的沉降 而是为在管段沉放前 基槽开挖不平整 使槽底表面与沉管底面之间存在很多不规则的空隙 这样会使地基受力不均 引起地基不均匀沉降 并使沉管结构受到较大的局部应力而开裂 因此在沉管隧道施工中必须进行基础处理 使管段底面与地基之间的空隙充填密实 均匀接触 105 沉管基础处理方法 刮铺法 先铺法 喷砂法和压注法 后填法 桩基法灌砂法灌囊法 106 一 刮铺法 刮铺法是在管段沉放前采用专用的刮铺船上的刮板在基槽底刮平铺垫材料 作为管段基础 基曹底应超挖 mm 在槽底两侧打数排短桩并安设导轨 以便在刮铺时控制高程和坡度 107 投放铺垫材料采用抓斗或通过刮铺机的喂料管进行 刮板船用沉到水底的锚块稳定 刮板支撑在刮板船的导轨上 平整度砂 mm 刮石 mm 108 缺点 需要专门的刮铺设备 作业时间长 干扰航道 刮铺完后需经常清除回淤土或塌坡的泥土 在管段底宽较大是施工困难 109 二 喷砂法是从水面上用砂泵将砂 水混合料通过伸入管段底的喷管向管段底部喷注 填满空