第四章沉管施工技术的应用及发展

第四章、沉管隧道施工技术的发展与应用

4.1沉管隧道的发展

4.1.1国内外越海隧道工程建设和研究现状

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。●●12/4/20221

●而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受气象条件影响，能保持连续通行。

世界上已建成了许多海峡隧道，许多正在研究中。

●日本关门海峡在本世纪40年代即用隧道连接，以后又建了桥梁，是世界上最早的海峡隧道。经过艰苦努力，日本于1988年建成了青函隧道，使本州——北海道之间实现了铁路运输。

●英法海峡隧道从拿破仑时代（1800年）以来就曾两次开挖，但都停了下来。1993年隧道全部贯通，投入运营。12/4/20222

工期长达24年，共耗资6890亿日元。隧道海底段长23.30公里。最大水深140米，最小覆盖层厚100米，采用超前导坑和平行导坑法施工，以便提前探明地质情况并作通风、排水和出渣之用。12/4/20223

●1996年，丹麦大海峡隧道竣工，它把丹麦和欧洲本土连接起来，实现把瑞典和德国连成一体的计划，从而使欧洲范围内几乎都能陆路相通。

●直布罗陀海峡通道从七十年代开始调查，西班牙及摩洛哥交换了协议，分别设立勘察机构，依靠自身力量和日本、英、法等协作进行勘察设计。

●最初有桥梁及隧道两个方案，原定1990年内确立其中一个，由于种种原因而未能如愿。海峡水深300m，从摩洛哥的丹吉尔向北的海上距离约28km，桥梁方案在技术上十分困难，还有政治因素。

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●现在方案初步确定为桥梁和隧道的组合方案，即在航道下用隧道，其余部分架浮桥通过。这个海峡通道和仅是两个国家间的英法海峡通道相比，它将连接欧亚及非州两片大陆，而具有划时代的意义。

●在亚洲，计划的有日韩对马海峡隧道、台湾海峡隧道、马六甲海峡隧道、宗谷海峡、间宫海峡通道。日韩隧道经过约十年的勘察及方案设计，至今日本侧佐贺县的呼子长400m左右的试验斜井已经开挖，对地质地形状况有了很好的了解，但和韩国侧的资料在精度上有差别，出现一个界面。

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●该通道被构想作为亚洲高速公路的一部分，现有多个方案正在比选之中，这还和韩国政治形势有关，但总要逐步集中到某一方案。

●台湾海峡隧道目前由清华大学进行可行性研究。鉴于两岸的政治形势和技术条件，初步估计最早要到2030年才可能修建。

●关于马六甲海峡，从该地区发展需要来看，是引人注目的通道。

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●巽他海峡隧道正在日本及法国的帮助下进行调查。海峡原为火山岩屑堆积体，海底深部状况不明，水深100m左右，中间有岛屿，施工比较方便（将由地质状况来决定合适的施工方法）。

●关于宗谷海峡，间宫海峡通道，因眼下考虑的仅是输送西伯利亚、萨哈林的石油与天然气资源的需要，故至今未进行勘察。

●至于白令海峡，曾有筑坝发电之说，撇开其长度，由于水深不太大，如果选用合适的方案，作为运输通道也是可能的，它的实现将把亚欧大陆和美洲连接起来。12/4/20227

●随着经济的发展和技术的进步，特别是许多越水隧道成功的建成运行的事实使得人们的观念发生了变化，人们已意识到“遇水架桥”不再是唯一的选择，在许多情况下以水下沟通两岸比建桥更为优越。到目前为止，我国大陆已建成的水（海）底隧道已超过10座。

●在上海的黄浦江先后修建了打浦路、延安东路和延安东路复线三座城市道路隧道；1999年初，又建成了两条上海地铁二号线黄浦江区间隧道。12/4/20228

●计划中的轨道交通明珠线还将建成4条黄浦江隧道。已建成的黄浦江隧道均采用盾构施工。黄浦江吴淞口隧道采用沉管法。90年代以来，我国大陆除建成了众所周知的多条黄浦江隧道外，还建成了广州珠江沉管隧道和宁波甬江沉管隧道。

●值得注意的是，这两座水底隧道都是由国内的技术力量设计和施工的，其运营情况和防水效果都十分良好。京沪高速铁路穿越长江的南京上元门隧道已由铁道部第四勘察设计院完成初步设计。该隧道采用沉管隧道方案，沉埋段长1930m，全长5765m。12/4/20229

此外，我国香港已建成5座越海隧道，它们全部采用沉管隧道的型式。我国台湾也修建了高雄港跨港隧道和新店溪河隧道。广州救捞局参与了香港西区的两条隧道的沉放工作。

4.1.2国内外沉管隧道发展现状

自1894年美国在波斯顿修建世界第一座沉管隧道以来，到现在世界上已经修建了一百多座沉管隧道。我国大陆、香港和台湾高雄已修建了8座沉管隧道。

沉管隧道结构型式的发展:沉管隧道主要有两种基本类型：一种是钢壳管段隧道；一种是混凝土管段隧道。

12/4/202210●第一座钢钢壳管段段沉管隧隧道是在在二十世世纪初在在北美建建成的。。钢壳管管段沉管管隧道是是钢壳与与混凝土土的组合合结构。。钢壳可可作为防防水层并并在结构构上有明明显作用用。混凝凝土主要要承受压压力和作作为镇载载物，并并且也有有助于结结构上的的需要。。●由于钢壳壳具有弹弹性特点点，因此此，完工工的钢壳壳管段沉沉管隧道道成为一一个具有有柔性的的整体结结构。全全世界修修建的钢钢壳管段段沉管隧隧道大多多在北美美，日本本也修建建了几座座，欧洲洲采用得得不多。。11/26/202211●沉管混凝土隧隧道最早出现现在欧洲。半半个世纪以前前，在荷兰的的鹿特丹建成成了第一座欧欧洲的沉管隧隧道。此后，，这种施工方方法得到了极极大的简化和和优化。现今今全世界约建建成了四十多多座混凝土管管段沉管隧道道。混凝土管管段沉管隧道道大多数在欧欧洲，其中约约有一半在荷荷兰。亚洲的的日本、中国国也修建了几几座混凝土管管段沉管隧道道。●混凝土管段沉沉管隧道的主主要特点是隧隧道的管段由由钢筋混凝土土制成，钢筋筋混凝土用于于结构构造和和作为镇载物物。尽管大多多数新近建造造的混凝土管管段沉管隧道道设有防水薄薄膜，但老的的混凝土管段段的沉管隧道道一般都使用用了钢板或沥沥青防水薄膜膜。11/26/202212●大多数完工的的混凝土管段段由多个节段段组成，管节节长约20～25m，用柔性接缝缝将其连在一一起。因为每每一管节是一一个整体结构构，更易控制制混凝土的灌灌注和限制管管节内的结构构力。只有极极少数的混凝凝土管段沉管管隧道有刚性性的隧道接缝缝。●除了管段制造造中使用各种种不同技术外外，钢壳管段段沉管隧道和和混凝土管段段沉管隧道的的水上施工技技术也不同，，这些与不同同管段不同材材料的本来性性能有关，也也与承包人的的技术有关，，这种技术是是在不同的环环境下各自开开发出来的。。每一种实施施方法都对工工程进度、引引道斜坡的施施工、浇注场场地等有不同同影响。11/26/202213●例如，对私私人投资的的工程来讲讲，时间很很重要，可可能导致有有更高的直直接投资。。至于成本本，不能简简单说成是是混凝土管管段沉管隧隧道比钢壳壳管段沉管管隧道要昂昂贵些。●例如，由于于环境要求求，建造一一个专门制制造混凝土土隧道管段段的灌注场场地的费用用增高，这这就很可能能改而选择择钢壳管段段沉管隧道道方案。钢钢壳管段沉沉管隧道的的沉埋深度度可能会比比混凝土管管段沉管隧隧道的沉埋埋深度深一一些，这样样就增长了了现场引道道斜坡的长长度。11/26/202214美国和欧洲洲的方法不不同，有其其科学和政政治发展的的根源。但但是，总的的来讲，历历史已证明明最终结果果——即在质量、、防水性能能、寿命、、可靠性及及维修等方方面的最终终结果并不不存在不同同之处。11/26/202215中国国港港珠珠澳澳大大桥桥工工程程中中最最艰艰难难部部分分在在海海底底隧隧道道工工程程,其造造价价占占了了整整个个工工程程预预算算的的近近一一半半,初步步估估计计约约211亿元元人人民民币币。。2009年4月14日,接受受记记者者采采访访的的专专家家表表示示,按照照““沉沉管管法法””的的方方式式,港珠珠澳澳大大桥桥的的隧隧道道将将先先在在隧隧址址以以外外的的船船台台上上或或临临时时干干坞坞内内制制作作隧隧道道管管段段(管段段每每节节长长度度一一般般在在60-100m,目前前最最长长的的达达268m),并于于两两端端用用临临时时封封端端墙墙封封闭闭起起来来。。预预制制完完成成后后用用拖拖轮轮拖拖运运到到隧隧址址指指定定位位置置。。这这时时已已于于隧隧位位处处预预先先挖挖好好了了一一个个水水底底基基槽槽。。待待管管段段定定位位就就绪绪后后,向管管段段内内灌灌水水压压载载,使之之下下沉沉。。11/26/202216然后后把把沉沉放放的的管管段段在在水水下下连连接接起起来来。。经经覆覆土土(石)回填填后后,便筑筑成成隧隧道道。。11/26/20221711/26/202218据估估算算，，港港珠珠澳澳大大桥桥总总投投资资为为726亿元元。。融融资资方方案案已已于于日日前前确确定定，，口口岸岸及及连连接接线线部部分分由由粤粤港港澳澳三三地地政政府府投投资资兴兴建建，，总总投投资资约约350亿元；主桥部部分总投资约约376亿元，其中，，中央政府和和粤港澳三地地政府共同出出资157.3亿元，银行贷贷款融资约220亿元。11/26/20221911/26/20222011/26/20222111/26/202222港珠澳大桥2009.12.15开工11/26/20222311/26/20222411/26/2022254.2沉管隧隧道的的设计计与施施工4.2.1截面形形式选选择沉管隧隧道的的截面面形式式主要要有圆圆形和和矩形形两种种类型型，其其设计计、施施工以以及所所采用用的材材料均均不相相同。。圆形（（多用用于船船台型型）沉沉管隧隧道施施工时时多数数利用用造船船厂的的船台台制作作钢壳壳，制制成后后沿着着船台台滑道道滑行行下水水，然然后将将沉管管隧道道系泊泊于码码头边边上，，在水水中浮浮态中中浇筑筑钢筋筋混凝凝土。。这类沉沉管其其断面面形式式内边边概为为圆形形，外外边则则为圆圆形、、八角角形或或花篮篮形，，按设设计车车道的的多少少，断断面形形式又又可设设计为为单筒筒圆形形断面面和双双筒圆圆形断断面，，单筒筒圆断断面段段一般般为两两条车车道，，双筒筒圆断断面一一般设设四条条车道道。11/26/202226如1972年香港港建成成的穿穿越维维多利利亚港港的第第一座座沉管管城市市道路路海底底隧道道，即即为圆圆形钢钢壳沉沉管隧隧道结结构，，其断断面形形式如如图4.1所示。。图4.1香港海海底跨跨港隧隧道横横断面面图11/26/202227矩形（（多用用于干干坞型型）沉沉管隧隧道施施工时时在临临时在在干坞坞中制制作钢钢筋混混凝土土管段段，制制成后后往坞坞内灌灌水使使之浮浮起并并拖运运至隧隧址沉沉设。。此法法自荷荷兰的的鹿特特丹mass河隧道道(1942建成)首创矩矩形沉沉管以以来，，在各各国得得到广广泛的的应用用，我我国的的沉管管隧道道大多多数也也采用用矩形形截面面。矩形沉管断断面管段，，在同一管管段断面内内可以同时时容纳4～8个车道，一一般多在临临时干坞以以钢筋混凝凝土浇筑而而成。如上上海的外环环线越江隧隧道，即为为三箱八车车道，其断断面形式如如图4.2所示。11/26/202228图4.2(a)城市外围快快速干道的的建设(沉管式隧道道)11/26/202229图2.2（b）上海外外环线沉管管隧道入口口11/26/202230图4.2（c）上海海外环线越越江隧道示示意图采用矩形沉沉管隧道优优点是不占占用造船厂厂设备，不不妨碍造船船工业的生生产；在隧隧道横断面面中，没有有过多空余余空间，空空间利用率率较高；所所需浚挖的的土方量亦亦较少；不不用钢壳防防水，大量量地节约钢钢材。11/26/202231●其缺点是管管段宽度较较大，基础础处理时不不如船台型型管段简便便；制作管管段时须览览址建造临临时干坞；；混凝土浇浇筑时须采采用防水混混凝土，对对混凝土浇浇筑质量要要求较严。。●总的来说，，在干坞中中制作的矩矩形钢筋混混凝土管段段比在船台台上制作的的钢壳圆形形、八角形形或花蓝形形管段经济济。所以目目前世界各各国均采用用矩形钢筋筋混凝土管管段代替圆圆形钢筋混混凝土管段段。本节也也重点介绍绍矩形沉管管管段的施施工技术。。11/26/202232钢筋混凝土土钢壳钢筋混凝土土通风竖井通风竖井竖实地层软弱地层明挖段暗挖法沉埋段明挖段暗挖段路堑11/26/2022334.2.2沉管隧道施施工程序沉管隧道施施工一般包包括：预制制厂（临时时干坞）准准备、管节节制作、管管节浮运、、沉管段基基槽开挖、、临时支座座及地垅设设置、管节节沉放等，，具体的施施工程序如如图4.3所示。11/26/202234预制厂（临时干坞）施工管节制作管节浮运沉管段基槽开挖临时支座及垅设置管节沉放水下对接基础处理回填内部装修及机电设备安装竣工两岸洞口建筑施工岸上段施工洞口建筑及道路工程图4.3一般沉管管隧道的的施工程程序11/26/2022354.2.3沉管隧道道的管节节制作1临时干坞坞矩形钢筋筋混凝土土预制管管段大多多数是在在临时干干坞中制制作的，，因此在在水底沉沉管隧道道开工之之始，就就应在隧隧址附近近建造一一个预制制管段专专用的临临时干坞坞。这种种干坞应应选在地地址条件件较好，，场地土土具有一一定的承承载力，，当预制制管段浇浇筑后不不会产生生过大的的不均匀匀沉降，，并在干干坞附近近的航道道具备浮浮运条件件和浮存存系泊若若干节预预制好管管段的水水域。11/26/202236临时干坞坞一般比比较简单单，不象象造船工工业的船船坞，周周边需要要有永久久性的钢钢筋混凝凝土坞墙墙，很厚厚的钢筋筋混凝土土底板，，临时干干坞它的的周边大大多数是是采用简简单的、、设有护护坡的天天然土坡坡，底板板做得很很薄，只只有在个个别情况况下才采采用钢板板桩围堰堰。因此此临时干干坞实系系一临时时性的工工作土坑坑。临时干坞坞示意图图11/26/20223711/26/202238沉管隧道道正在干干坞中施施工11/26/202239沉管预置置11/26/202240我国上海海外环线线沉管隧隧道的干干坞方案案确定，，经过对对干坞的的坞址确确定、规规模大小小、结构构形式以以及其位位置与隧隧道轴线线的关系系等进行行了反复复论证和和斟酌，，最终确确定分为为两个干干坞、一一次性制制作所有有七节沉管管管段的干干坞方案案。2.临时干坞坞的主要要设备一般都用用普通土土建工程程中常见见的通用用设备。。如混凝凝土搅拌拌站设备备、水平平运输车车辆、起起重设备备、空压压机、电电焊机和和钢筋成成型设备备等。11/26/202241上海外环沉管隧道临时干坞平面图11/26/2022424.3沉管隧道道的管段段制作4.3.1管段制作的材材料要求（1）粗骨料必须须采用自然连连续级配，粒粒级5～25mm，泥块含量＜＜0.5%(水洗)，针片状含量量＜1%和含泥量＜1%。这不仅可提提高混凝土可可泵性，还可可减少砂、水水泥用量，达达到减少混凝凝土自身收缩缩的目的。（2）细骨料采用用级配合理的的中粗砂，细细度模数Mx为2.5～2.8，含泥量＜1.5%，泥块含量＜＜0.5%。这可减少用用水量从而降降低混凝土的的干缩。控制制粗细骨料的的含泥量，可可减少混凝土土的收缩，增增加混凝土的的抗拉强度。。11/26/202243（3）水泥选用水水化热较低的的52.5级普通硅酸盐盐水泥，混凝凝土强度等级级不应小于C30，水泥用量应应控制在300kg/m3，混凝土的重重度一般为23.8KN/m3。（4）粉煤灰磨细细度为二级，，可改善混凝凝土的和易性性和可泵性，，降低水化热热。

（5）必须严格控控制混凝土的的配合比和施施工质量。一一般要求水灰灰比应小于0.5，坍落度控制制在10～14cm，混凝土中应应掺入缓凝减减水剂，同时时还要满足泵泵送混凝土的的要求。材料料计量应符合合现行《钢筋混凝土施施工及验收规规范》标准，即控制制水泥误差小小于1％，砂小于2％，碎石小于于2％，外加剂小小于1％。11/26/2022444.3.2管段制作的防防水要求（1）抗渗等级不不应小于S8，结构防水主主要依靠混凝凝土本身的密密实性达到防防水要求，即即应以自防水水为主，外防防水为辅；（2）施工缝、预预埋件、施工工使用贯穿结结构的管道等等特殊部位，，应加强防水水措施的处理理。一般不宜宜设置贯穿结结构内外的永永久性金属构构件或管道。。（3）施工缝处的的止水带应是是闭合的，由由于沉管隧道道的壁厚较大大，一般要在在施工缝处设设置两道止水水带，其中一一道止水带以以金属止水带带为宜。11/26/20224511/26/20224611/26/202247钢板止水水带11/26/202248（4）混凝土土浇筑时时必须考考虑水泥泥水化热热的影响响，严格格控制混混凝土的的入仓温温度在28℃以内，控控制混凝凝土内外外温差在在25℃以内，以以免由于于混凝土土的内外外温差而而引起混混凝土表表面裂缝缝和混凝凝土收缩缩裂缝。。施工时时，可采采取水化化热低的的水泥，，掺入减减水剂、、缓凝剂剂或粉煤煤灰等掺掺合料，，或在混混凝土中中掺入冰冰块、冰冰水，预预埋循环环冷水管管道等。。4.2.3管段的的预制制管段的的混凝凝土预预制施施工工工艺大大体上上与地地面浇浇筑的的混凝凝土结结构相相同，，但由由于管管段要要采取取浮运运沉设设的施施工方方法，，而且且最终终要埋埋设在在河底底水中中，因因此对对混凝凝土匀匀质性性与防防水性性要求求特别别高，，这是是一般般土建建工程程中所所没有有的。。11/26/202249矩形管管段在在浮运运时的的干舷舷（满载水水线以以上未未被水水浸湿湿的舷舷侧板板，称称为干干舷））只有l0～15cm，仅占占管段段全高高1.2～2％左右右，如如果混混凝土土重度度变化化幅度度稍大大，超超过1％以上上，管管段就就会浮浮不起起来。。此外外，管管段浇浇筑时时各部部分尺尺寸偏偏差过过大，，造成成管段段构件件前后后、左左右的的大小小不一一或混混凝土土重度度不均均匀，，管段段就会会倾侧侧。所以，，在管管段制制作时时要严严格控控制混混合物物的匀匀质性性和模模板的的变形形与走走动，，要求求混凝凝土的的重度度控制制在23.8KN/m3；要求求顶、、底板板、侧侧墙厚厚度精精度误误差小小于1cm。具体体要求求如下下：11/26/202250（1）模板板的选选用模模板要要有足足够的的刚度度，能能整体体移动动，能能保证证混凝凝土的的表面面质量量。如如内模模可采采用专专门设设计的的钢模模台车车，外外模可可采用用木模模或钢钢框竹竹胶板板模板板。钢钢模台台车可可整体体移动动，避避免了了模板板的装装拆工工作，，生产产效率率高。。钢台台模车车管节节预制制模板板系统统如图图4.5所示。图4.5管节预制制模板系系统11/26/202251（2）施工缝缝的留设设施施工缝缝是渗漏漏的主要要途径，，所以，，在构造造上和工工艺上要要采取严严格的防防水措施施，在组组织施工工时，也也要尽量量减少不不必要的的留设。。管段在在干坞预预制时，，一般都都先浇筑筑底板，，隔若干干日后再再浇筑外外壁、内内壁和顶顶板，因因此在管管段的横横断面上上一般都都要留设设施工缝缝，这个个施工缝缝，亦称称作为纵纵向施工工缝。纵纵向施工工缝，一一般留设设在管壁壁上，在在管壁的的上下端端各留一一道，下下端的一一道应高高出底板板面30～50cm。如图4.6所示。图4.6管段的施施工缝与与变形缝缝的位置置1－纵向施施工缝；；2－止水带带；3-变形缝11/26/202252（3）变形缝的留留设管段段制作过程中中，由于混凝凝土浇筑的体体积庞大，由由水泥水化热热、气温和地地基温度变化化等所引起的的混凝土的温温度变形，在在管段施工阶阶段和使用阶阶段会引起一一定的纵向变变形，这个变变形有时会导导致通透性的的横向裂缝。。为了防止发生生这种通透性性的横向裂缝缝,目前在施工的的过程中均采采用设置温度度伸缩缝的方方法控制裂缝缝。伸缩缝的的间距波动很很大，从6m到40m。但是，在许多多情况下，要要求结构不留留伸缩缝，许许多工程(特别是地下工工程)的渗漏经常来来自伸缩缝，，对伸缩缝处处渗漏的治理理难度又高于于对裂缝渗漏漏的治理，所所以在施工条条件及施工技技术均较困难难的条件下，，常采用临时时性变形缝(即后浇带)这一有效控制制裂缝的方法法。11/26/202253施工时，可将将管段分为若若干个节段，，每个节段为为15～20m，可使施工期期间激烈温差差及收缩应力力得到显著的的释放。后浇浇带封闭的时时间与缝两边边混凝土浇筑筑时间的间隔隔越长越好，，间隔时间过过短将失去作作用，一般不不少于40d。见图4.7。后浇带的填充充材料可采用用膨胀混凝土土，也可采用用比缝两边混混凝土高一个个强度等级的的普通混凝土土，后浇带的的宽度为700～1500mm，钢筋可不断断，也可断开开，后者施工工麻烦，但释释放应力程度度略高。11/26/202254后浇缝浇筑混混凝土之前，，应将接缝处处的混凝土表表面凿毛，清清洗干净，并并保持湿润。。后浇缝浇筑筑的施工温度度应低于缝两两侧混凝土施施工时的温度度，且宜选择择气温较低的的季节施工。。后浇缝混凝凝土浇筑后，，其养护时间间不应少于28d。如上海外环线线隧道管段施施工，将每节节管段分为6节，每节13.50m～17.85m长，管节之间间设1.5m长的后浇带将将相邻制作完完成的管节连连接。施工时时，从中间往往两端展开，，如图4.7所示。11/26/202255图4.7后浇带留设及及管段制作总总体流程示意意图（4）混凝土浇筑筑后的养护管管段段混凝土浇筑筑完毕后，要要及时进行养养护，以创造造一定的温湿湿条件和防止止混凝土表面面散热过快。。在冬期施工工的条件下，，混凝土抹压压密实后应及及时覆盖塑料料薄膜，再覆覆盖保温材料料(岩棉被、草帘帘等)。11/26/2022564.3.4管段封门管段浇筑完完毕，模板板拆除之后后，为了使使管段能在在水中浮运运，需要在在管段的两两端离端面面大约50～100cm处，设置临临时封门。。封门一般般有钢端封封门和钢筋筋混凝土封封门两种形形式。钢端端封门制作作时首先焊焊接钢结构构立柱，然然后在立柱柱上焊接封封板，焊接接排水管、、通气管、、安装观察察入孔的水水密门，最最后进行灌灌水试验。。如图4.8所示。图4.8钢端封门的的结构示意意图11/26/202257上海沉管制制作现场管管段封门示示意11/26/202258钢筋混凝土土封门是采采用钢筋混混凝土浇筑筑而成，优优点是变形形小，容易易保证不漏漏，缺点是是拆除比较较麻烦。4.4沉管隧道的的管段沉放放预制管段的的沉设工作作是整个沉沉管式水底底隧道施工工中重要的的一个环节节。它受到到各种条件件的制约，，如气象、、河流自然然条件、航航道自然条条件等。所所以在沉管管隧道施工工中，并没没有一套统统一通用的的管段沉设设方法，一一般要根据据气象、河河流、航道道等综合条条件考虑确确定。目目前世界上上通常使用用的管段沉沉放方法如如下：11/26/20225911/26/2022604.4.1分吊吊法法分吊吊法法就就是是在在管管段段沉沉设设作作业业时时分分别别用用2～4艘起起重重船船或或浮浮箱箱，，吊吊着着预预先先在在管管段段顶顶板板上上埋埋设设吊吊点点（（吊吊点点一一般般在在管管段段预预制制时时埋埋设设）），，逐逐渐渐将将管管段段沉沉没没到到规规定定位位置置上上。。荷荷兰兰Boltek隧道道采采用用双双起起重重船船进进行行管管段段沉沉放放，，其其平平面面布布置置图图和和起起重重船船、、管管节节的的定定位位锚锚固固系系统统如如图图4.9所示示。。起起吊吊沉沉管管节节的的悬悬吊吊系系统统如如图图4.10所示示。。11/26/202261图4.9采用用分分吊吊法法吊吊沉沉管管节节的的平平面面布布置置11/26/202262图4.10采用分吊吊法吊沉沉管节的的悬吊系系统早期的双双车道船船台型管管段，一一般都是是用起重重船按分分吊法来来进行沉沉设的。。后来荷荷兰的柯柯恩（Coen，1966）隧道和和培纳斯斯克斯（（1967）又采用用大型浮浮筒代替替了浮吊吊，并在在工艺上上作了一一些改革革（见图图4.11）。11/26/202263图4.11浮筒吊沉沉法（a）侧面图图；（b）横剖图图其后，比比利时的的斯凯尔尔特(E3——Scheldt，1969年建成)隧道又改改以浮箱箱代替了了浮筒，，形成了了一种新新的沉没没方法。。浮箱吊沉沉法的主主要特点点是设备备简单，，尤适于于宽度特特大的大大型管段段。通常常于管段段顶板上上方用2、4只方形浮浮箱直接接将管段段吊起来来。浮箱箱之间可可用钢桁桁架联系系起来，，并用四四根锚索索定位。。11/26/202264起吊卷扬扬机和浮浮箱的定定位卷扬扬机均安安设在浮浮箱顶上上。管段段本身则则另用六六根锚索索定位(边锚四，，前后锚锚各一)，其定位位卷扬机机则安设设在定位塔顶顶部。使用浮浮箱吊沉沉法，有有的工程程又将浮浮箱组的的定位锚锚索全部部略去，，只用管管段本身身上的六六根定位位锚索来来控制座座标方位位，使水水上作业业大为简简化。图图4.12表示浮箱箱吊沉法法的全过过程。图4.12浮箱吊沉沉法示意意11/26/2022654.4.2扛吊法此法亦称称方驳扛扛吊法。。即用““扛棒””和“方方驳”等等相互连连接来完完成管段段的吊沉沉作业。。扛吊法法按使用用方驳的的多少，，又分““四驳扛扛吊法””和“双双驳扛吊吊法”。。“四四驳扛吊吊法”吊吊沉时用用二副““扛棒””来完成成吊沉作作业，每每副“扛扛棒”的的二个““肩”就就是二艘艘方驳。。左右二二艘方驳驳之间的的“扛棒棒”采用用型钢梁梁或钢板板梁做成成。前后二组组方驳之之间，用用钢桁架架相连接接形成一一个整体体的驳船船组。驳驳船组用用六根锚锚索定位位，管段段本身另另用六根根锚索定定位(均是四边边锚及二二前后锚锚)。所有的的定位卷卷扬机均均安设在在驳船上上。吊索索的吊力力作用在在“扛棒棒”钢梁梁上，通通过“扛扛棒”传传到方驳驳上。起起吊卷扬扬机则可可安设在在方驳上上，亦可可直接安安设在““扛棒””上。11/26/202266“双驳扛扛吊法””吊沉时时只用二二艘方驳驳，左右右两边用用扛棒相相连系，，前后两两边用绷绷索相连连接，将将管段的的定位锚锚索改用用对角方方向张拉拉的斜索索系定于于整体稳稳定性较较好的双双驳船上上。双驳驳扛吊法法的优点点是整体体稳定性性较好，，缺点是是设备费费用较大大（大型型驳船费费用较贵贵）。双双驳扛吊吊法示意意图如图图4.13所示。图4.13双驳扛吊吊法示意意图1-方驳；2-扛棒；3-绷索；4-吊索；5－斜索；；6-方驳定位位索；7-指挥室11/26/2022674.3.3骑吊法骑吊法即即是水上上作业平平台“骑骑”在管管段上方方，完成成管段吊吊放沉没没，如图图4.14所示。图4.14骑吊法管管段沉放放示意图图1-定位杆；；2-拉合千斤斤顶水上作业业台亦称称自升式式作业台台，是海海洋钻探探或开采采石油的的专用设设备。它它的工作作平台实实际上是是个钢浮浮箱(常是方环环形)。11/26/202268就位时时，向向浮箱箱里灌灌水加加载，，使四四条钢钢腿插插入海海底或或河底底，需需要入入土较较深时时，可可反复复灌水水、排排水加加荷压压沉，，直到到钢腿腿插入入深度度达到到设计计要求求为止止。当需要要移位位时，，可排排出箱箱内贮贮水，，使之之上浮浮，将将四条条钢腿腿拔出出。在在外海海沉设设管段段时，，只能能用此此法，，其它它方法法均不不能胜胜任。。在内内河或或港湾湾内沉沉设管管段时时，如如流速速过大大，也也可采采用此此法施施工。。它的的优点点是不不需抛抛设锚锚索，，作业业时对对航道道干扰扰小。。缺点点是设设备费费用较较大，，因此此一般般不用用此法法施工工。11/26/2022694.5沉管隧隧道沉沉设作作业4.5.1沉设前前的准准备在沉没没开始始前的的一、、二天天，应应作好好管节节沉放放点的的基槽槽检查查和基基槽的的清淤淤工作作，同同时还还要检检查临临时支支座的的的安安放位位置、、标高高，岸岸上管管段对对接位位置等等。所所有工工作尽尽量在在岸上上作好好，以以保证证管段段能顺顺利地地沉放放到设设计位位置，，避免免沉没没中途途发生生搁浅浅，临临时延延长沉沉没作作业时时间，，打乱乱港务务计划划。最后向向港务务、港港监等等部门门申请请沉放放时间间。沉沉放时时间确确定后后应及及早通通知有有关方方面。。沉放放前须须做好好水上上交通通管制制，并并须抓抓紧时时间设设置好好封锁锁线标标志，，包括括浮标标、灯灯号、、球号号等。。同时时须埋埋设管管段定定位及及作业业船组组定位位用的的地锚锚。地地锚上上都须须设置置浮标标。11/26/202270为防止止误入入封锁锁线的的船只只于紧紧急抛抛锚后后仍刹刹不住住，有有的工工程施施工中中还沿沿着封封锁线线在河河底上上敷设设勾锚锚链，，以策策安全全。4.5.2管段就就位在高潮潮平潮潮之前前，将将管段段用浮浮箱或或作业业船组组拖运运到指指定位位置上上，并并带好好地锚锚，校校正好好前后后左右右位置置。一一般管管段要要拖运运到中中线与与隧道道轴线线基本本重合合（误误差不不应大大于10cm）,离规定沉设设位置10～20cm之处就位。。同时管段段的纵向坡坡度亦应调调整到设计计坡度。定定位完毕后后，可开始始灌注压载载水，至消消除管段的的全部浮力力为止。11/26/2022714.5.3管段下沉管段下沉的的全过程，，一般需要要2～4小时，因此此应在潮位位退到低潮潮平潮之前前l～2小时开始下下沉。开始始下沉时的的水流速度度，应小于于0.15m／sec，如流速超超过0.5m／sec，应采取一一些辅助措措施。下沉作业一一般分三个个步骤进行行，即初次次下沉，靠靠拢下沉和和着地下沉沉。1.初次下沉先灌注压载载水至规定定下沉力值值的50％，随即进进行对位校校正。校正正完毕后，，再继续灌灌水至规定定下沉力值值的100％。然后开开始按40～50cm／min速度将管段段下沉，直直至下沉到到离设计高高程4～5m为止。11/26/202272●下沉时要随随时校正管管段位置。。当管节顶顶面下沉至至距水面4m时，管节受受力状态最最为复杂，，各种作用用力变化很很大，必须须引起重视视，并要有有足够的安安全保证措措施，以防防万一。2.靠拢下沉将管段向前前节已安设设管段方向向平移，平平移至距已已安设管段段端口2m左右处。随随后再将管管段沉到管管底离设计计高程0.5～1m左右，并校校正好管段段位置。3.着地下沉先将管段继继续前移至至距前节已已安设管段段约0.5m处。经校正正管段位置置后，即开开始着地下下沉。下沉沉时要利用用对接定位位装置不断断减少管节节的横向摆摆幅，并自自然对中，，以提高安安装精度。。11/26/202273一般要求管管节的左右右误差小于于±20mm，高程误差差小于±20mm。在沉放过过程中，要要注意管节节底面下的的河(海)水的重度将将随着管底底与基槽间间隙的减少少而逐渐加加大，尤其其是在泥砂砂含量较高高的江、河河中更为明明显，需及及时调整下下沉力或采采取其他措措施，保证证管节能继继续下沉就就位。11/26/202274沉管组件件箱涵（（沉箱在在干坞中中）11/26/202275沉管出运运11/26/20227611/26/20227711/26/20227811/26/202279沉管沉放11/26/202280水下作业下锚锚碇11/26/202281上海外环线隧隧道出口11/26/202282上海外环线隧隧道出口11/26/202283管段浮运11/26/20228411/26/20228511/26/20228611/26/2022874.6沉管隧隧道的的水下下压接接4.6.1管段接接头管段接接头是是沉管管隧道道的重重要环环节，，其首首先要要满足足水密密性要要求，，即在在施工工阶段段和日日后运运营阶阶段不不渗漏漏；第第二是是具有有抵抗抗各种种外力力的能能力，，这些些外力力包括括地震震力、、浮力力、温温度变变形和和地基基变形形等；；第三三是方方便施施工和和保证证施工工质量量。11/26/2022881.管段接接头的的种类类管段在在水下下完成成对接接时，，无论论连接接时采采用水水下混混凝土土法或或水力力压接接法，，均需需在水水下混混凝土土或胶胶垫的的止水水掩护护下，，在其其内侧侧构筑筑永久久性的的管段段接头头，以以使前前后两两节管管段连连成一一体。。永久久性管管段接接头的的构造造，按按其连连接方方法主主要有有刚性性接头头和柔柔性接接头两两种：：11/26/202289两种种接接头头方方式式中中，，刚刚性性接接头头和和柔柔性性接接头头各各有有利利弊弊，，刚刚性性接接头头的的优优点点抵抵抗抗外外力力的的作作用用较较好好，，但但防防水水密密封封性性较较差差；；柔柔性性接接头头由由于于防防水水密密封封性性较较好好，，但但抵抵抗抗外外力力的的作作用用较较弱弱。。近近几几年年来来，，沉沉管管隧隧道道施施工工中中，，为为了了吸吸取取两两者者接接头头的的利利弊弊，，又又研研制制了了““先先柔柔后后刚刚（（刚刚性性接接头头））””式式接接头头。。2.刚性性接接头头刚性性接接头头指指管管段段于于水水下下完完成成连连接接后后，，在在相相邻邻两两节节管管段段的的接接头头部部位位，，在在两两层层钢钢板板之之间间沿沿管管段段两两侧侧外外墙墙、、底底板板和和顶顶班班之之间间浇浇筑筑一一圈圈钢钢筋筋混混凝凝土土，，形形成成一一个个永永久久性性接接头头。。刚刚性性接接头头要要具具有有抵抵抗抗轴轴力力、、剪剪切切力力和和弯弯矩矩等等外外力力的的强强度度，，因因此此一一般般要要求求其其强强度度要要不不小小于于管管段段本本身身结结构构的的强强度度。。11/26/202290在水水力力压压接接法法出出现现之之前前，，所所有有的的沉沉管管隧隧道道都都采采用用刚刚性性接接头头。。但但其其最最大大的的弱弱点点是是水水密密性性不不可可靠靠，，使使用用不不久久往往往往就就会会因因沉沉降降不不均均、、温温度度变变形形等等因因素素出出现现渗渗漏漏和和滴滴水水现现象象。。自从从水水力力压压接接法法出出现现之之后后，，目目前前许许多多沉沉管管隧隧道道仍仍采采用用刚刚性性接接头头，，但但现现在在的的刚刚性性接接头头与与以以前前的的接接头头有有较较大大的的不不同同，，它它的的外外圈圈采采用用CINA橡胶胶止止水水带带，，内内侧侧采采用用连连接接钢钢板板和和后后封封钢钢筋筋混混凝凝土土。。这种种接接头头方方式式称称为为““先先柔柔后后刚刚””式式。。内内侧侧的的后后封封钢钢筋筋混混凝凝土土一一般般要要等等沉沉降降基基本本结结束束之之后后再再进进行行浇浇筑筑。。如如图图4.15所示。11/26/202291图4.15刚性接头头（先柔柔后刚））“先柔后后刚”式式接头，，按构造造形式又又分为两两种：一一种为““无接圈圈式”。。即水力力压接所所用的胶胶垫直接接安装在在管段端端面上，，接头后后封钢筋筋混凝土土厚度，，比沉管管外壁稍稍小。另另一种为为“接圈圈式”，，即接头头后封钢钢筋混凝凝土厚度度与沉管管外壁相相同。11/26/202292水力压接接时所用用的胶垫垫不直接接安设在在管段端端面上，，而另用用钢筋混混凝土或或钢结构构沿管段段周边外外边沿做做成悬壁壁，用来来安设胶胶垫。“无接圈圈式”刚刚性接头头的优点点是施工工方便，，是目前前在沉管管隧道施施工中采采用最多多的一种种接头方方式。“无接圈圈式”和和“接接圈式””接头的的构造形形式如图图4.16所示。图4.16““先柔后刚刚”式接接头示意意图11/26/2022933.柔性接头头柔性接头头一般是是采用水水力压接接法来形形成初始始密封，，即用GINA橡胶止水水带作为为第一道道防水。。然后在在已经形形成水密密性的沉沉管段内内，在各各接头上上安装OMEGA橡胶止水水带。对于有抗抗震要求求的柔性性接头，，根据其其采用的的纵向弹弹簧构件件的不同同，主要要有两种种形式：：一种是是在管节节之间采采用W型钢板和和型钢板作作为纵向向弹簧构构件的柔柔性接头头；另一一种是在在管节之之间采用用预应力力钢索及及连接装装置作为为纵向弹弹簧构件件的柔性性接头。。如图4.17所示。11/26/202294（a）采用预预应力钢钢索及连连接装置置的柔性性接头（b）采用或W型钢板的柔性性接头图4.17柔性接头的主主要形式11/26/2022954.6.2水下压接水下压接主主要是完成成管段接头头止水带的的压接。止止水带的压压接是管段段沉放过程程中的一个个重要部分分。整个压压接过程可可分为两个个阶段，即即初步压接接和最终止止水压接。。初步压接时时主要进行行GINA止水带的尖尖头压缩，，达到接头头初步止水水的效果；；最终止水水压接是依依靠管段自自由端的水水压力将GINA止水带进一一步压缩，，达到最终终止水的目目的。OMEGA止水带是管管段接头的的第二道防防水线。由由于管段接接头是柔性性接头，所所以要求OMEGA止水带在一一定水压和和变形条件件下，以及及任何可能能的工况条条件下(如沉降、位位移、地震震和温度变变化等)保证接头的的水密性。。如图4.18所示。11/26/202296水下压接具具体施工操操作步骤如如下：管节沉放精精确就位后后，拆除GINA橡胶止水带带保护罩，，派潜水员员检查GINA橡胶止水带带及清除附附着物，然然后用拉合合式千斤顶顶对GINA橡胶止水带带进行预压压。对接拉拉合的速度度应不大于于7cm／min，当两端面面相距210mm时，对管节节进行精细细调整，满满足安装精精度后，再再继续拉合合到初步止止水工况。。图4.18GINA和OMEGA橡胶止水带带示意图11/26/202297初步止水工工况经检查查没问题后后，排除前前后两节沉沉管封墙之之间被胶垫垫所包围的的水，进行行水力压接接(施工人员在在管节内打打开排水阀阀及进气阀阀，开动排排水水泵，，抽掉两管管节间隔舱舱中的水，，形成负压压)，水力压接接速度应不不小于2cm／min。水力压接接完成后，，即进行OMEGA止水带的安安装。为了保证安安全，OMEGA止水带安装装必须在管管段沉放后后和两管段段接头的相相邻封门拆拆除前进行行。先进行行初步安装装，即止水水带就位，，并将压板板基本固定定；然后待待管底基础础处理完成成，管段沉沉降基本稳稳定后，拧拧紧压板螺螺栓，完成成安装。第第二道OMEGA橡胶止水带带安装完毕毕后，可拆拆除接口隔隔舱两侧的的端封墙，，沉放、对对接作业即即告完成。。11/26/2022984.7基础处理基础处理是是沉管隧道道的重要工工序。基础础处理主要要目的是将将基础垫平平，而不是是象地面基基础处理主主要是增加加基础的承承载力。因因为沉管隧隧道主要的的问题不是是怕地基承承载力不够够，而是怕怕沉管段浮浮起。沉管隧道沉沉管段一般般不需构筑筑人工基础础，但施工工时仍须进进行基础处处理。其目目的主要是是解决基槽槽开挖作业业所造成的的槽底不平平整问题，，而不是为为了解决地地基土的固固结沉降。。11/26/202299因为不论使使用任何种种类的挖泥泥船，浚挖挖后的基槽槽底表面，，总留有15～50cm的不平整度度(铲斗挖泥船船可达100cm)，这使基槽槽底表面与与管节底面面之间存在在凹凸不平平的空隙，，导致管节节结构受力力不匀而局局部破坏。。所以沉管管隧道的基基础处理就就是将基础础垫平，以以使管片结结构受力均均匀。基础处理方方法大体上上分为两类类，即先铺铺法和后填填法。先铺铺法是在管管段沉没之之前先铺好好砂、石垫垫层；后铺铺法是先将将管段沉没没在槽底事事先预制好好的临时支支座上，随随后再补填填垫实。两两类方法按按施工工艺艺的不同又又可划分为为：11/26/2022100先铺铺法法———刮砂砂法法、、刮刮石石法法；；后铺铺法法———灌砂砂法法、、喷喷砂砂法法、、灌灌囊囊法法、、压压浆浆法法、、压压混混凝凝土土法法和和压压砂砂法法。。4.7.1先铺铺法法先铺铺法法实实际际上上只只有有刮刮铺铺法法一一种种，，按按铺铺垫垫时时所所采采用用的的材材料料不不同同，，又又分分为为刮刮砂砂法法和和刮刮石石法法两两种种。。两两者者的的操操作作工工艺艺基基本本相相同同。。早早期期的的沉沉管管隧隧道道多多用用刮刮铺铺法法作作基基础础处处理理。。刮铺铺法法按按使使用用机机械械或或人人工工分分为为机机械械刮刮平平和和人人工工刮刮平平。。采采用用简简易易刮刮平平机机刮刮平平，，施施工工步步骤骤如如下下：：11/26/20221011.在基基槽槽开开挖挖时时往往下下超超挖挖60～80cm。2.在基基槽槽底底两两侧侧打打设设二二排排短短桩桩，，安安放放控控制制高高程程及及坡坡度度用用的的导导轨轨。。3.通过过刮刮铺铺机机的的输输料料管管，，投投放放铺铺垫垫材材料料(粗砂砂或或最最大大粒粒径径不不超超过过100mm的碎碎石石和和砾砾石石)，投投放放铺铺垫垫材材料料的的宽宽度度为为管管节节底底宽宽加加1.5～2m，长长度度则则与与一一节节管管节节长长度度相相同同。。4.按导导轨轨调调整整铺铺垫垫料料的的厚厚度度、、高高程程以以及及坡坡度度，，用用简简单单的的钢钢犁犁或或特特制制的的刮刮铺铺机机刮刮平平，，如如图图4.19所示示。。11/26/2022102图4.19刮铺机1-方环形浮箱；；2-砂石喂料管；；3-刮板；4-砂石垫层；5-锚块；6-沟槽底面；7-钢轨；8-移行钢梁刮铺法的表面面平整度，使使用刮砂法时时只能达到±5cm；使用刮石法法时只能达到到±20。为使垫层表表面进一步平平整，可在管管段沉没后加加一“压密””工序，即在在管段内灌足足压力水，进进行加压砂石石料，使之发发生超荷而使使垫层进一步步压实平整。。当采用刮石石法时，可在在管段沉设完完毕后，通过过管段内预先先预埋的压浆浆孔向垫层内内压注水泥膨膨润土（粘土土）混合砂浆浆。11/26/2022103当采用水下人人工刮平工法法，施工步骤骤如下：1.设置水下导轨轨支座。2.铺设行走导轨轨，要求导轨轨面标高误差差不超过±20mm。3.给砂(或石)装置沿导轨行行进，由工程程船舶上的给给料斗不断供供砂(或石)由潜水员在水水下人工刮平平。先铺法的主要要缺点是：(1)须制造专用刮刮铺船舶，费费用昂贵。如如用简单的钢钢犁进行刮平平作业，则精精度较难控制制，作业时间间亦较长。(2)须按设计高程程、坡度、厚厚度要求，在在水底架设导导轨。导轨的的安装精度较较高，否则易易造成基础处处理失败。11/26/20221044.7.2后铺法后铺法基本工工序为：在开开挖基槽时先先超挖100cm；然后在槽底底安设临时支支座；管段沉沉设搁在临时时支座后，往往管底空隙回回填垫料。按按施工工艺不不同具体又分分为：1.灌砂法管节沉放完毕毕后，通过导导管从水面上上向管节底部部灌填粗砂，，构成纵向垫垫层。此法设设备简单，施施工方便，较较适用于底宽宽较小的钢壳壳圆形、八角角形或花篮形形管节，不适适用于管度较较大的管段。。这是一种最最早的后铺法法的基础处理理方式，美国国早期的沉管管隧道沉管段段的基础处理理常用此法，，1969年建成的阿根根廷Parana(Hernandias)隧道，亦用此此法。11/26/20221052.喷砂法法管节宽宽度较较大时时，先先铺法法、灌灌砂法法均不不适用用。喷喷砂法法是在在水面面上用用砂泵泵将砂砂、水水混合合料通通过喷喷管向向管节节底部部喷注注，以以填满满其空空隙。。喷砂砂所筑筑的垫垫层厚厚一般般为1m。喷砂作作业之之前，，需在在沉放放完毕毕的管管节顶顶面上上安设设一套套专用用台架架，台台架顶顶部突突出部部分作作为施施工操操作平平台，，并可可沿管管节顶顶面上上的铺铺设轨轨道作作纵向向前后后移动动。11/26/2022106在台架架的外外侧，，吊着着三根根可深深入管管片底底部呈呈L形的钢钢管，，三根根钢管管中，，中间间的一一根为为喷管管，直直径为为10cm，旁边边二根根为吸吸管，，直径径为8cm。作业业时，，喷砂砂管将将砂、、水的的混合合料喷喷入管管段底底部空空隙中中，同同时经经二根根吸管管抽汲汲回水水，根根据回回水的的含砂砂量断断定喷喷填的的密实实程度度。喷喷砂管管喷射射时应应做扇扇形旋旋移运运动。。喷砂砂法示示意图图如图图4.20所示。图4.20喷砂法示示意图11/26/2022107喷砂时从从管节的的一侧前前端开始始，逐步步喷填到到管节后后端，然然后再从从管节的的另一侧侧后端开开始向前前端喷填填。喷砂砂作业的的施工速速度约为为2000m3／h。喷砂完毕毕后，随随即将支支承在临临时支座座上的千千斤顶卸卸荷，使使管节全全部重量量压到砂砂垫层上上使之压压密，此此时产生生的沉降降量一般般在5mm以内。竣竣工、通通车后的的最终沉沉降量，，一般在在15mm以内。11/26/20221083.灌囊法法灌囊法法就是是用砂砂浆囊囊袋将将砂、、石垫垫层上上的剩剩余空空隙切切实垫垫密。。施工工时首首先将将基槽槽底面面铺设设一层层砂、、石垫垫层，，然后后将底底面系系有空空囊袋袋的管管片沉沉放到到距离离垫层层15～20cm。待管管节沉沉放就就位，，从水水面操操作台台上向向囊袋袋内灌灌入由由