沉管隧道施工技术的发展与应用

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。●●3/14/20231

●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。3/14/20232

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。3/14/20233

●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。3/14/20237

●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。3/14/20238

●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。3/14/20239

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。

3/14/202310●第一座钢壳壳管段沉管管隧道是在在二十世纪纪初在北美美建成的。。钢壳管段段沉管隧道道是钢壳与与混凝土的的组合结构构。钢壳可可作为防水水层并在结结构上有明明显作用。。混凝土主主要承受压压力和作为为镇载物，，并且也有有助于结构构上的需要要。●由于钢壳具具有弹性特特点，因此此，完工的的钢壳管段段沉管隧道道成为一个个具有柔性性的整体结结构。全世世界修建的的钢壳管段段沉管隧道道大多在北北美，日本本也修建了了几座，欧欧洲采用得得不多。3/7/202311●沉管混凝土土隧道最早早出现在欧欧洲。半个个世纪以前前，在荷兰兰的鹿特丹丹建成了第第一座欧洲洲的沉管隧隧道。此后后，这种施施工方法得得到了极大大的简化和和优化。现现今全世界界约建成了了四十多座座混凝土管管段沉管隧隧道。混凝凝土管段沉沉管隧道大大多数在欧欧洲，其中中约有一半半在荷兰。。亚洲的日日本、中国国也修建了了几座混凝凝土管段沉沉管隧道。。●混凝土管段段沉管隧道道的主要特特点是隧道道的管段由由钢筋混凝凝土制成，，钢筋混凝凝土用于结结构构造和和作为镇载载物。尽管管大多数新新近建造的的混凝土管管段沉管隧隧道设有防防水薄膜，，但老的混混凝土管段段的沉管隧隧道一般都都使用了钢钢板或沥青青防水薄膜膜。3/7/202312●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。3/7/202313●例如，对私人人投资的工程程来讲，时间间很重要，可可能导致有更更高的直接投投资。至于成成本，不能简简单说成是混混凝土管段沉沉管隧道比钢钢壳管段沉管管隧道要昂贵贵些。●例如，由于环环境要求，建建造一个专门门制造混凝土土隧道管段的的灌注场地的的费用增高，，这就很可能能改而选择钢钢壳管段沉管管隧道方案。。钢壳管段沉沉管隧道的沉沉埋深度可能能会比混凝土土管段沉管隧隧道的沉埋深深度深一些，，这样就增长长了现场引道道斜坡的长度度。3/7/202314美国和欧洲的的方法不同，，有其科学和和政治发展的的根源。但是是，总的来讲讲，历史已证证明最终结果果——即在质量、防防水性能、寿寿命、可靠性性及维修等方方面的最终结结果并不存在在不同之处。。3/7/202315中国港珠澳大桥工工程中最艰难部分分在海底隧道工程程,其造价占了整个工工程预算的近一半半,初步估计约211亿元人民币。2009年4月14日,接受记者采访的专专家表示,按照“沉管法”的的方式,港珠澳大桥的隧道道将先在隧址以外外的船台上或临时时干坞内制作隧道道管段(管段每节长度一般般在60-100m,目前最长的达268m),并于两端用临时封封端墙封闭起来。。预制完成后用拖拖轮拖运到隧址指指定位置。这时已已于隧位处预先挖挖好了一个水底基基槽。待管段定位位就绪后,向管段内灌水压载载,使之下沉。3/7/202316然后把沉放的管段段在水下连接起来来。经覆土(石)回填后,便筑成隧道。3/7/2023173/7/202318据估算，港珠澳澳大桥总投资为为726亿元。融资方案案已于日前确定定，口岸及连接接线部分由粤港港澳三地政府投投资兴建，总投投资约350亿元；主桥部分分总投资约376亿元，其中，中中央政府和粤港港澳三地政府共共同出资157.3亿元，银行贷款款融资约220亿元。3/7/2023193/7/2023203/7/2023213/7/202322港珠澳大桥2009.12.15开工3/7/2023233/7/2023243/7/2023254.2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。3/7/202326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3/7/202327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。矩形沉沉管断断面管管段，，在同同一管管段断断面内内可以以同时时容纳纳4～8个车道道，一一般多多在临临时干干坞以以钢筋筋混凝凝土浇浇筑而而成。。如上上海的的外环环线越越江隧隧道，，即为为三箱箱八车车道，，其断断面形形式如如图4.2所示。。3/7/202328图4.2(a)城市外围快速速干道的建设设(沉管式隧道)3/7/202329图2.2（b）上海外环环线沉管隧道道入口3/7/202330图4.2（c）上海外外环线越江隧隧道示意图采用矩形沉管管隧道优点是是不占用造船船厂设备，不不妨碍造船工工业的生产；；在隧道横断断面中，没有有过多空余空空间，空间利利用率较高；；所需浚挖的的土方量亦较较少；不用钢钢壳防水，大大量地节约钢钢材。3/7/202331●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。。3/7/202332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3/7/2023334.2.2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。3/7/202334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4.3一般沉管隧道的的施工程序3/7/2023354.2.3沉管隧道的管节节制作1临时干坞矩形钢筋混凝土土预制管段大多多数是在临时干干坞中制作的，，因此在水底沉沉管隧道开工之之始，就应在隧隧址附近建造一一个预制管段专专用的临时干坞坞。这种干坞应应选在地址条件件较好，场地土土具有一定的承承载力，当预制制管段浇筑后不不会产生过大的的不均匀沉降，，并在干坞附近近的航道具备浮浮运条件和浮存存系泊若干节预预制好管段的水水域。3/7/202336临时干坞一般比比较简单，不象象造船工业的船船坞，周边需要要有永久性的钢钢筋混凝土坞墙墙，很厚的钢筋筋混凝土底板，，临时干坞它的的周边大多数是是采用简单的、、设有护坡的天天然土坡，底板板做得很薄，只只有在个别情况况下才采用钢板板桩围堰。因此此临时干坞实系系一临时性的工工作土坑。临时干坞示意图图3/7/2023373/7/202338沉管隧道正在干干坞中施工3/7/202339沉管预置3/7/202340我国上海外环环线沉管隧道道的干坞方案案确定，经过过对干坞的坞坞址确定、规规模大小、结结构形式以及及其位置与隧隧道轴线的关关系等进行了了反复论证和和斟酌，最终终确定分为两两个干坞、一一次性制作所所有七节沉管管段的干坞方方案。2.临时干坞的主主要设备一般都用普通通土建工程中中常见的通用用设备。如混混凝土搅拌站站设备、水平平运输车辆、、起重设备、、空压机、电电焊机和钢筋筋成型设备等等。3/7/202341上海外环沉管隧道临时干坞平面图3/7/2023424.3沉管隧道的管管段制作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。。3/7/202343（3）水泥选选用水化化热较低低的52.5级普通硅硅酸盐水水泥，混混凝土强强度等级级不应小小于C30，水泥用用量应控控制在300kg/m3，混凝土土的重度度一般为为23.8KN/m3。（4）粉煤灰灰磨细度度为二级级，可改改善混凝凝土的和和易性和和可泵性性，降低低水化热热。（（5）必须严严格控制制混凝土土的配合合比和施施工质量量。一般般要求水水灰比应应小于0.5，坍落度度控制在在10～14cm，混凝土土中应掺掺入缓凝凝减水剂剂，同时时还要满满足泵送送混凝土土的要求求。材料料计量应应符合现现行《钢筋混凝凝土施工工及验收收规范》标准，即即控制水水泥误差差小于1％，砂小小于2％，碎石石小于2％，外加加剂小于于1％。3/7/2023444.3.2管段制作作的防水水要求（1）抗渗等等级不应应小于S8，结构防防水主要要依靠混混凝土本本身的密密实性达达到防水水要求，，即应以以自防水水为主，，外防水水为辅；；（2）施工缝缝、预埋埋件、施施工使用用贯穿结结构的管管道等特特殊部位位，应加加强防水水措施的的处理。。一般不不宜设置置贯穿结结构内外外的永久久性金属属构件或或管道。。（3）施工缝缝处的止止水带应应是闭合合的，由由于沉管管隧道的的壁厚较较大，一一般要在在施工缝缝处设置置两道止止水带，，其中一一道止水水带以金金属止水水带为宜宜。3/7/2023453/7/2023463/7/202347钢板止止水带带3/7/202348（4）混凝凝土浇浇筑时时必须须考虑虑水泥泥水化化热的的影响响，严严格控控制混混凝土土的入入仓温温度在在28℃以内，，控制制混凝凝土内内外温温差在在25℃以内，，以免免由于于混凝凝土的的内外外温差差而引引起混混凝土土表面面裂缝缝和混混凝土土收缩缩裂缝缝。施施工时时，可可采取取水化化热低低的水水泥，，掺入入减水水剂、、缓凝凝剂或或粉煤煤灰等等掺合合料，，或在在混凝凝土中中掺入入冰块块、冰冰水，，预埋埋循环环冷水水管道道等。。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。。3/7/202349矩形管段在浮运运时的干舷（满载水线以上未未被水浸湿的舷舷侧板，称为干干舷）只有l0～15cm，仅占管段全高高1.2～2％左右，如果混混凝土重度变化化幅度稍大，超超过1％以上，管段就就会浮不起来。。此外，管段浇浇筑时各部分尺尺寸偏差过大，，造成管段构件件前后、左右的的大小不一或混混凝土重度不均均匀，管段就会会倾侧。所以，在管段制制作时要严格控控制混合物的匀匀质性和模板的的变形与走动，，要求混凝土的的重度控制在23.8KN/m3；要求顶、底板板、侧墙厚度精精度误差小于1cm。具体要求如下下：3/7/202350（1）模板的选用模模板要有足足够的刚度，能能整体移动，能能保证混凝土的的表面质量。如如内模可采用专专门设计的钢模模台车，外模可可采用木模或钢钢框竹胶板模板板。钢模台车可可整体移动，避避免了模板的装装拆工作，生产产效率高。钢台台模车管节预制制模板系统如图图4.5所示。图4.5管节预制模板系系统3/7/202351（2）施工缝的留留设施施工缝是渗漏漏的主要途径径，所以，在在构造上和工工艺上要采取取严格的防水水措施，在组组织施工时，，也要尽量减减少不必要的的留设。管段段在干坞预制制时，一般都都先浇筑底板板，隔若干日日后再浇筑外外壁、内壁和和顶板，因此此在管段的横横断面上一般般都要留设施施工缝，这个个施工缝，亦亦称作为纵向向施工缝。纵纵向施工缝，，一般留设在在管壁上，在在管壁的上下下端各留一道道，下端的一一道应高出底底板面30～50cm。如图4.6所示。图4.6管段的施工缝缝与变形缝的的位置1－纵向施工缝缝；2－止水带；3-变形缝3/7/202352（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。3/7/202353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。3/7/202354后浇缝缝浇筑筑混凝凝土之之前，，应将将接缝缝处的的混凝凝土表表面凿凿毛，，清洗洗干净净，并并保持持湿润润。后后浇缝缝浇筑筑的施施工温温度应应低于于缝两两侧混混凝土土施工工时的的温度度，且且宜选选择气气温较较低的的季节节施工工。后后浇缝缝混凝凝土浇浇筑后后，其其养护护时间间不应应少于于28d。如上海海外环环线隧隧道管管段施施工，，将每每节管管段分分为6节，每每节13.50m～17.85m长，管管节之之间设设1.5m长的后后浇带带将相相邻制制作完完成的的管节节连接接。施施工时时，从从中间间往两两端展展开，，如图图4.7所示。。3/7/202355图4.7后浇带带留设设及管管段制制作总总体流流程示示意图图（4）混凝凝土浇浇筑后后的养养护管管段混混凝土土浇筑筑完毕毕后，，要及及时进进行养养护，，以创创造一一定的的温湿湿条件件和防防止混混凝土土表面面散热热过快快。在在冬期期施工工的条条件下下，混混凝土土抹压压密实实后应应及时时覆盖盖塑料料薄膜膜，再再覆盖盖保温温材料料(岩棉被被、草草帘等等)。3/7/2023564.3.4管段封封门管段浇浇筑完完毕，，模板板拆除除之后后，为为了使使管段段能在在水中中浮运运，需需要在在管段段的两两端离离端面面大约约50～100cm处，设设置临临时封封门。。封门门一般般有钢钢端封封门和和钢筋筋混凝凝土封封门两两种形形式。。钢端端封门门制作作时首首先焊焊接钢钢结构构立柱柱，然然后在在立柱柱上焊焊接封封板，，焊接接排水水管、、通气气管、、安装装观察察入孔孔的水水密门门，最最后进进行灌灌水试试验。。如图图4.8所示。。图4.8钢端封封门的的结构构示意意图3/7/202357上海沉沉管制制作现现场管管段封封门示示意3/7/202358钢筋混混凝土土封门门是采采用钢钢筋混混凝土土浇筑筑而成成，优优点是是变形形小，，容易易保证证不漏漏，缺缺点是是拆除除比较较麻烦烦。4.4沉管隧隧道的的管段段沉放放预制管管段的的沉设设工作作是整整个沉沉管式式水底底隧道道施工工中重重要的的一个个环节节。它它受到到各种种条件件的制制约，，如气气象、、河流流自然然条件件、航航道自自然条条件等等。所所以在在沉管管隧道道施工工中，，并没没有一一套统统一通通用的的管段段沉设设方法法，一一般要要根据据气象象、河河流、、航道道等综综合条条件考考虑确确定。。目目前世世界上上通常常使用用的管管段沉沉放方方法如如下：：3/7/2023593/7/2023604.4.1分吊法分吊法就是在管段段沉设作业时分别别用2～4艘起重船或浮箱，，吊着预先在管段段顶板上埋设吊点点（吊点一般在管管段预制时埋设）），逐渐将管段沉沉没到规定位置上上。荷兰Boltek隧道采用双起重船船进行管段沉放，，其平面布置图和和起重船、管节的的定位锚固系统如如图4.9所示。起吊沉管节节的悬吊系统如图图4.10所示。3/7/202361图4.9采用分吊法吊沉管管节的平面布置3/7/202362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）。3/7/202363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。。3/7/202364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3/7/2023654.4.2扛吊法此法亦称方驳扛扛吊法。即用““扛棒”和“方方驳”等相互连连接来完成管段段的吊沉作业。。扛吊法按使用用方驳的多少，，又分“四驳扛扛吊法”和“双双驳扛吊法”。。“四驳扛吊吊法”吊沉时用用二副“扛棒””来完成吊沉作作业，每副“扛扛棒”的二个““肩”就是二艘艘方驳。左右二二艘方驳之间的的“扛棒”采用用型钢梁或钢板板梁做成。前后二组方驳之之间，用钢桁架架相连接形成一一个整体的驳船船组。驳船组用用六根锚索定位位，管段本身另另用六根锚索定定位(均是四边锚及二二前后锚)。所有的定位卷卷扬机均安设在在驳船上。吊索索的吊力作用在在“扛棒”钢梁梁上，通过“扛扛棒”传到方驳驳上。起吊卷扬扬机则可安设在在方驳上，亦可可直接安设在““扛棒”上。3/7/202366“双驳扛吊法””吊沉时只用二二艘方驳，左右右两边用扛棒相相连系，前后两两边用绷索相连连接，将管段的的定位锚索改用用对角方向张拉拉的斜索系定于于整体稳定性较较好的双驳船上上。双驳扛吊法法的优点是整体体稳定性较好，，缺点是设备费费用较大（大型型驳船费用较贵贵）。双驳扛吊吊法示意图如图图4.13所示。图4.13双驳扛吊法示意意图1-方驳；2-扛棒；3-绷索；4-吊索；5－斜索；6-方驳定位索；7-指挥室3/7/2023674.3.3骑吊法骑吊法即是水上上作业平台“骑骑”在管段上方方，完成管段吊吊放沉没，如图图4.14所示。图4.14骑吊法管段沉放放示意图1-定位杆；2-拉合千斤顶水上作业台亦称称自升式作业台台，是海洋钻探探或开采石油的的专用设备。它它的工作平台实实际上是个钢浮浮箱(常是方环形)。3/7/202368就位时，向浮箱里里灌水加载，使四四条钢腿插入海底底或河底，需要入入土较深时，可反反复灌水、排水加加荷压沉，直到钢钢腿插入深度达到到设计要求为止。。当需要移位时，可可排出箱内贮水，，使之上浮，将四四条钢腿拔出。在在外海沉设管段时时，只能用此法，，其它方法均不能能胜任。在内河或或港湾内沉设管段段时，如流速过大大，也可采用此法法施工。它的优点点是不需抛设锚索索，作业时对航道道干扰小。缺点是是设备费用较大，，因此一般不用此此法施工。3/7/2023694.5沉管隧道沉设作业业4.5.1沉设前的准备在沉没开始前的一一、二天，应作好好管节沉放点的基基槽检查和基槽的的清淤工作，同时时还要检查临时支支座的的安放位置置、标高，岸上管管段对接位置等。。所有工作尽量在在岸上作好，以保保证管段能顺利地地沉放到设计位置置，避免沉没中途途发生搁浅，临时时延长沉没作业时时间，打乱港务计计划。最后向港务、港监监等部门申请沉放放时间。沉放时间间确定后应及早通通知有关方面。沉沉放前须做好水上上交通管制，并须须抓紧时间设置好好封锁线标志，包包括浮标、灯号、、球号等。同时须须埋设管段定位及及作业船组定位用用的地锚。地锚上上都须设置浮标。。3/7/202370为防止误误入封锁锁线的船船只于紧紧急抛锚锚后仍刹刹不住，，有的工工程施工工中还沿沿着封锁锁线在河河底上敷敷设勾锚锚链，以以策安全全。4.5.2管段就位位在高潮平平潮之前前，将管管段用浮浮箱或作作业船组组拖运到到指定位位置上，，并带好好地锚，，校正好好前后左左右位置置。一般般管段要要拖运到到中线与与隧道轴轴线基本本重合（（误差不不应大于于10cm）,离规定沉沉设位置置10～20cm之处就位位。同时时管段的的纵向坡坡度亦应应调整到到设计坡坡度。定定位完毕毕后，可可开始灌灌注压载载水，至至消除管管段的全全部浮力力为止。。3/7/2023714.5.3管段下沉沉管段下沉沉的全过过程，一一般需要要2～4小时，因因此应在在潮位退退到低潮潮平潮之之前l～2小时开始始下沉。。开始下下沉时的的水流速速度，应应小于0.15m／sec，如流速速超过0.5m／sec，应采取取一些辅辅助措施施。下沉作业业一般分分三个步步骤进行行，即初初次下沉沉，靠拢拢下沉和和着地下下沉。1.初次下沉沉先灌注压压载水至至规定下下沉力值值的50％，随即即进行对对位校正正。校正正完毕后后，再继继续灌水水至规定定下沉力力值的100％。然后后开始按按40～50cm／min速度将管管段下沉沉，直至至下沉到到离设计计高程4～5m为止。3/7/202372●下沉时要随时时校正管段位位置。当管节节顶面下沉至至距水面4m时，管节受力力状态最为复复杂，各种作作用力变化很很大，必须引引起重视，并并要有足够的的安全保证措措施，以防万万一。2.靠拢下沉将管段向前节节已安设管段段方向平移，，平移至距已已安设管段端端口2m左右处。随后后再将管段沉沉到管底离设设计高程0.5～1m左右，并校正正好管段位置置。3.着地下沉先将管段继续续前移至距前前节已安设管管段约0.5m处。经校正管管段位置后，，即开始着地地下沉。下沉沉时要利用对对接定位装置置不断减少管管节的横向摆摆幅，并自然然对中，以提提高安装精度度。3/7/202373一般要求管节节的左右误差差小于±20mm，高程误差小小于±20mm。在沉放过程程中，要注意意管节底面下下的河(海)水的重度将随随着管底与基基槽间隙的减减少而逐渐加加大，尤其是是在泥砂含量量较高的江、、河中更为明明显，需及时时调整下沉力力或采取其他他措施，保证证管节能继续续下沉就位。。3/7/202374沉管组件箱涵涵（沉箱在干干坞中）3/7/202375沉管出运3/7/2023763/7/2023773/7/2023783/7/202379沉管沉沉放3/7/202380水下作作业下下锚碇碇3/7/202381上海外环线线隧道出口口3/7/202382上海外环线线隧道出口口3/7/202383管段浮运3/7/2023843/7/2023853/7/2023863/7/2023874.6沉管隧道道的水下下压接4.6.1管段接头头管段接头头是沉管管隧道的的重要环环节，其其首先要要满足水水密性要要求，即即在施工工阶段和和日后运运营阶段段不渗漏漏；第二二是具有有抵抗各各种外力力的能力力，这些些外力包包括地震震力、浮浮力、温温度变形形和地基基变形等等；第三三是方便便施工和和保证施施工质量量。3/7/2023881.管段接头头的种类类管段在水水下完成成对接时时，无论论连接时时采用水水下混凝凝土法或或水力压压接法，，均需在在水下混混凝土或或胶垫的的止水掩掩护下，，在其内内侧构筑筑永久性性的管段段接头，，以使前前后两节节管段连连成一体体。永久久性管段段接头的的构造，，按其连连接方法法主要有有刚性接接头和柔柔性接头头两种：：3/7/202389两种接头方式中中，刚性接头和和柔性接头各有有利弊，刚性接接头的优点抵抗抗外力的作用较较好，但防水密密封性较差；柔柔性接头由于防防水密封性较好好，但抵抗外力力的作用较弱。。近几年来，沉沉管隧道施工中中，为了吸取两两者接头的利弊弊，又研制了““先柔后刚（刚刚性接头）”式式接头。2.刚性接头刚性接头指管段段于水下完成连连接后，在相邻邻两节管段的接接头部位，在两两层钢板之间沿沿管段两侧外墙墙、底板和顶班班之间浇筑一圈圈钢筋混凝土，，形成一个永久久性接头。刚性性接头要具有抵抵抗轴力、剪切切力和弯矩等外外力的强度，因因此一般要求其其强度要不小于于管段本身结构构的强度。3/7/202390在水力力压接接法出出现之之前，，所有有的沉沉管隧隧道都都采用用刚性性接头头。但但其最最大的的弱点点是水水密性性不可可靠，，使用用不久久往往往就会会因沉沉降不不均、、温度度变形形等因因素出出现渗渗漏和和滴水水现象象。自从水水力压压接法法出现现之后后，目目前许许多沉沉管隧隧道仍仍采用用刚性性接头头，但但现在在的刚刚性接接头与与以前前的接接头有有较大大的不不同，，它的的外圈圈采用用CINA橡胶止止水带带，内内侧采采用连连接钢钢板和和后封封钢筋筋混凝凝土。。这种接接头方方式称称为““先柔柔后刚刚”式式。内内侧的的后封封钢筋筋混凝凝土一一般要要等沉沉降基基本结结束之之后再再进行行浇筑筑。如如图4.15所示。。3/7/202391图4.15刚性接接头（（先柔柔后刚刚）“先柔柔后刚刚”式式接头头，按按构造造形式式又分分为两两种：：一种种为““无接接圈式式”。。即水水力压压接所所用的的胶垫垫直接接安装装在管管段端端面上上，接接头后后封钢钢筋混混凝土土厚度度，比比沉管管外壁壁稍小小。另另一种种为““接圈圈式””，即即接头头后封封钢筋筋混凝凝土厚厚度与与沉管管外壁壁相同同。3/7/202392水力压接时所用的的胶垫不直接安设设在管段端面上，，而另用钢筋混凝凝土或钢结构沿管管段周边外边沿做做成悬壁，用来安安设胶垫。“无接圈式”刚性性接头的优点是施施工方便，是目前前在沉管隧道施工工中采用最多的一一种接头方式。“无接圈式”和和“接圈式”接头头的构造形式如图图4.16所示。图4.16“先柔后刚”式接头头示意图3/7/2023933.柔性接头柔性接头一般是采采用水力压接法来来形成初始密封，，即用GINA橡胶止水带作为第第一道防水。然后后在已经形成水密密性的沉管段内，，在各接头上安装装OMEGA橡胶止水带。对于有抗震要求的的柔性接头，根据据其采用的纵向弹弹簧构件的不同，，主要有两种形式式：一种是在管节节之间采用W型钢板和型钢板作为纵向弹弹簧构件的柔性接接头；另一种是在在管节之间采用预预应力钢索及连接接装置作为纵向弹弹簧构件的柔性接接头。如图4.17所示。3/7/202394（a）采用预应力钢索索及连接装置的柔柔性接头（b）采用或W型钢板的柔性接头头图4.17柔性接头的主要形形式3/7/2023954.6.2水下压接水下压接主要是完完成管段接头止水水带的压接。止水水带的压接是管段段沉放过程中的一一个重要部分。整整个压接过程可分分为两个阶段，即即初步压接和最终终止水压接。初步压接时主要进进行GINA止水带的尖头压缩缩，达到接头初步步止水的效果；最最终止水压接是依依靠管段自由端的的水压力将GINA止水带进一步压缩缩，达到最终止水水的目的。OMEGA止水带是管段接头头的第二道防水线线。由于管段接头头是柔性接头，所所以要求OMEGA止水带在一定水压压和变形条件下，，以及任何可能的的工况条件下(如沉降、位移、地地震和温度变化等等)保证接头的水密性性。如图4.18所示。3/7/202396水下压接具体施工工操作步骤如下：：管节沉放精确就位位后，拆除GINA橡胶止水带保护罩罩，派潜水员检查查GINA橡胶止水带及清除除附着物，然后用用拉合式千斤顶对对GINA橡胶止水带进行预预压。对接拉合的的速度应不大于7cm／min，当两端面相距210mm时，对管节进行精精细调整，满足安安装精度后，再继继续拉合到初步止止水工况。图4.18GINA和OMEGA橡胶止水带示意图图3/7/202397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。。3/7/2023984.7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。。3/7/202399因为不论使用任任何种类的挖泥泥船，浚挖后的的基槽底表面，，总留有15～50cm的不平整度(铲斗挖泥船可达达100cm)，这使基槽底表表面与管节底面面之间存在凹凸凸不平的空隙，，导致管节结构构受力不匀而局局部破坏。所以以沉管隧道的基基础处理就是将将基础垫平，以以使管片结构受受力均匀。基础处理方法大大体上分为两类类，即先铺法和和后填法。先铺铺法是在管段沉沉没之前先铺好好砂、石垫层；；后铺法是先将将管段沉没在槽槽底事先预制好好的临时支座上上，随后再补填填垫实。两类方方法按施工工艺艺的不同又可划划分为：3/7/2023100先铺法——刮砂法、刮石法法；后铺法——灌砂法、喷砂法法、灌囊法、压压浆法、压混凝凝土法和压砂法法。4.7.1先铺法先铺法实际上只只有刮铺法一种种，按铺垫时所所采用的材料不不同，又分为刮刮砂法和刮石法法两种。两者的的操作工艺基本本相同。早期的的沉管隧道多用用刮铺法作基础础处理。刮铺法按使用机机械或人工分为为机械刮平和人人工刮平。采用用简易刮平机刮刮平，施工步骤骤如下：3/7/20231011.在基槽开挖时往往下超挖60～80cm。2.在基槽底两侧打打设二排短桩，，安放控制高程程及坡度用的导导轨。3.通过刮铺机的输输料管，投放铺铺垫材料(粗砂或最大粒径径不超过100mm的碎石和砾石)，投放铺垫材料料的宽度为管节节底宽加1.5～2m，长度则与一节节管节长度相同同。4.按导轨调整铺垫垫料的厚度、高高程以及坡度，，用简单的钢犁犁或特制的刮铺铺机刮平，如图图4.19所示。3/7/2023102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。3/7/2023103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。3/7/20231044.7.2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。3/7/20231052.喷砂法管节宽度较大大时，先铺法法、灌砂法均均不适用。喷喷砂法是在水水面上用砂泵泵将砂、水混混合料通过喷喷管向管节底底部喷注，以以填满其空隙隙。喷砂所筑筑的垫层厚一一般为1m。喷砂作业之前前，需在沉放放完毕的管节节顶面上安设设一套专用台台架，台架顶顶部突出部分分作为施工操操作平台，并并可沿管节顶顶面上的铺设设轨道作纵向向前后移动。。3/7/2023106在台架的外侧，吊吊着三根可深入管管片底部呈L形的钢管，三根钢钢管中，中间的一一根为喷管，直径径为10cm，旁边二根为吸管管，直径为8cm。作业时，喷砂管管将砂、水的混合合料喷入管段底部部空隙中，同时经经二根吸管抽汲回回水，根据回水的的含砂量断定喷填填的密实程度。喷喷砂管喷射时应做做扇形旋移运动