地下工程施工-沉管隧道施工

地下工程施工 UndergroundEngineering Construction 轨道交通工程学院 LOGO 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 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 顺序地沉放到沟槽中并进行连接 然后回填覆盖成的隧道 LOGO 沉管隧道施工 沉管隧道施工 LOGO 沉管隧道施工 1概论1 1发展史19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1910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路隧道 日本是东亚第一个建成沉管隧道的国家 自1944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18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通隧道 全长5825米 由58节管段组成 管段最宽的隧道是比利时亚珀尔隧道 宽达53 1m 全长336m 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268m 宽21 5m重50000KN LOGO 沉管隧道施工 1 1发展史根据国际隧道协会沉管与悬浮式隧道到1994年的统计资料 世界各国已建 在建或拟建的沉管隧道共有93条 就管段制作而言 混凝土隧道59条 钢壳隧道34条 从使用功能上来看 公路隧道61条 铁路隧道26条 包括地铁隧道 公路 铁路两用隧道4条 人行隧道2条 就管段横截面形状来说 矩形截面隧道73条 圆形 含花篮形 八角形 马蹄形 椭圆形 截面隧道20条 从规模上看 早期的沉管多为双车道或四车道 从60年代中期 陆续建成一些六车道隧道 到目前世界已建的6 8车道共有19条 LOGO 沉管隧道施工 1 1发展史在我国 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 广州珠江隧道于1993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有广阔的前景 LOGO 沉管隧道施工 1 2方法实质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60 140m 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好的沟槽中并联接起来 回填砂石 拆除隔墙形成隧道 LOGO 沉管隧道施工 LOGO 1 3 优点 1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 沉管隧道施工 LOGO 2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 1 3 优点 沉管隧道施工 LOGO LOGO 沉管隧道施工 LOGO 3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 4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 1 3 优点 沉管隧道施工 LOGO 5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 6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 1 3 优点 沉管隧道施工 LOGO 7沉管可作成大断面多车道一个隧道横断面可同时容纳4 8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 1 3 优点 沉管隧道施工 LOGO 1 4 沉管隧道类型 按断面形状圆形 沉管隧道施工 LOGO 矩形 沉管隧道施工 LOGO 按管段制作方式船台型 沉管隧道施工 LOGO 干坞型 沉管隧道施工 LOGO 沉管隧道施工 LOGO 浮船坞 沉管隧道施工 LOGO 干坞 LOGO 管段预制 LOGO 防锚层施工 LOGO 沉管隧道内部 LOGO 2沉管结构设计 2 1 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10 15cm 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 沉管隧道施工 LOGO 抗浮安全系数K K 管段总重 管段排水重K 1 05 1 10管段沉放阶段K 1 2 1 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 沉管隧道施工 LOGO 2 2 作用在沉管上的荷载和结构分析 一 作用在沉管上的荷载1结构自重管段重量 砼 23 7 21 钢筋 1 6 2 05 KN m3压载混凝土重量 22 5KN m3路面铺装重量 沉管隧道施工 2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 LOGO 3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4浮力浮力 排水重 5施工荷载 封端墙 定位塔 出入洞 压载水柜 索具 浮箱等重量 6波浪力 在浮运时发生7流水压力 在浮运时发生 2 2 作用在沉管上的荷载和结构分析 LOGO 8负摩阻力 管段横向外侧覆土沉降到管段的向下摩擦力9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 10地基反力 2 2 作用在沉管上的荷载和结构分析 LOGO 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 2 作用在沉管上的荷载和结构分析 LOGO 二 作用在沉管上的荷载 其他荷载 砼收缩 变温影响 不均匀沉降 地震 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 LOGO 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 LOGO 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 LOGO 1一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 3管段制作 LOGO 2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 LOGO 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 LOGO 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 LOGO 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 管段制作 注意所设置施工缝和变形缝并密封 LOGO LOGO LOGO LOGO LOGO LOGO LOGO LOGO 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 LOGO 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15 20m 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 施工阶段能传递弯矩 使用阶段能传递剪力 变形前后均能防水 LOGO 2 变形缝 LOGO LOGO LOGO 4水底浚挖 用改装后的挖泥船 沉管基槽断面 LOGO LOGO LOGO 5管段沉设与水下联接 一 沉设方法管段浮运 已完成的管段自干坞向预定沉放位置的运输坞内浮起 出坞 系泊等待 托运至隧址 LOGO LOGO LOGO LOGO 二 沉设作业 一 沉设准备完成沟槽清淤水上管制 二 管段的沉设方法有许多种 归纳起来有 LOGO LOGO LOGO LOGO LOGO LOGO LOGO LOGO LOGO 自升式海上作业平台 LOGO LOGO 三 管段下沉 管段下沉的全过程 一般需要2 4小时 沉设周期多为每月一段 初步下沉灌注压载水 至下沉力的50 位置校正 灌注压载水 下沉力值的100 距管底高程4 5m停止 速度控制在20 50cm min靠拢下沉到达隧道轴线位置时 先将管段向已设管段平移 至既设管段2 2 5m处 然后再将管段下沉到管底设计高程0 5 1 0m处 校正好管段位置着地下沉利用超声波测距仪控制继续将管段前移至距前节管段约20 50