沉管法隧道概述结构设计及施工技术

沉管法隧道概述、结构设计及施工技术§10.1概述一、发展史1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。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。3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。§10.1概述二、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，拆除隔墙形成隧道三、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三、优点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三、优点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三、优点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，施工干扰时间短三、优点5沉管隧道造价低水底挖基槽土方量量少，比地下挖土土单价低，管段预预制与盾构相比，，所需费用低。三、优点6施工条件好沉管隧道施工时，，预制和浮运沉放放管段等主要工序序大部分在水上进进行，水下作业极极少，除少数潜水水工外，工人们都都在水上作业，且且不需在气压下工工作三、优点7沉管可作成大断面面多车道一个隧道横断面可可同时容纳4～8条车道。而结构尺尺寸不限。对盾构构受尺寸限制，一一般只能双车道四、沉管隧道类型型按断面形状圆形矩形四、沉管隧道类型型按管段制作方式船台型干坞型浮船坞§10.2沉管结构设计一、沉管结构浮力力计算计算内容干舷浮力计算抗浮安全系数计算算1干舷：能保持管顶顶露出水面的管段段外露高度，对矩矩形截面管段，高高度多为10～15cm。对矩形断面，太小小，制作困难；太大，消除干舷下下沉的压载水容量量太大计算方法：按最大大的砼容重，最大大的砼体积和最小小的河水比重计算算干舷2抗浮安全系数KK＝管段总重／管段段排水重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，应按按最小的混凝土容容重和体积，最大大的河水比重来计计算各阶段的抗浮浮安全系数。二、作用在沉管上上的荷载和结构分分析（一）、作用在沉沉管上的荷载1结构自重管段重量：砼(23.7～24.1)+钢筋(1.6～2.05)KN/m3压载混凝土重量：：22.5KN/m3路面铺装重量二、作用在沉管上上的荷载2水压力主要荷载之一，分分别计算高、低潮潮位和百年一遇的的特大洪水位的水水压力二、作用在沉管上上的荷载3土压力主要荷载，但不一一定是常荷载，表表示河床底面到管管段顶面的土重。。隧道刚建时，可可能很小，以后逐逐渐增加4浮力浮力＝排水重二、作用在沉管上上的荷载5施工荷载：封端墙墙、定位塔、出入入洞、压载水柜、、索具、浮箱等重重量。6波浪力：在浮运时时发生7流水压力：在浮运运时发生二、作用在沉管上上的荷载8负摩阻力：管段横横向外侧覆土沉降降到管段的向下摩摩擦力9车辆荷载：在道路路隧道中，如果路路面铺设在压载混混凝土层上面，则则可略去车辆活载载对管段的影响。。10地基反力二、作用在沉管上上的荷载偶然荷载：11沉船荷载12投锚与拖锚荷载13车行隧管内的爆炸炸力二、作用在沉管上上的荷载其他荷载：砼收缩缩、变温影响、不不均匀沉降、地震震（二）、结构构分析1横断面结构在水底隧道沉沉管结构中，，常采用变截截面或折线形形结构。即使使在同一节管管段（一般长长度为100m左右）中，因因隧道纵坡和和河底标高的的变化，各处处断面所受水水、土压力也也不同（特别别在接近岸边边时），因此此一般不能只只以一个横断断面的结构分分析来进行整整节管段的分分析计算。工工作量大，常常采用电算的的方式进行。。可采用一般般的平面杆系系结构分析的的通用程序进进行计算。纵向结构施工阶段的沉沉管纵向受力力分析，主要要是计算浮运运，沉设时的的施工荷载、、波浪力所引引起的内力。。使用阶段的沉沉管纵向受力力分析，一般般按弹性地基基梁理论进行行计算。配筋因抗剪的需要要，沉管应采采用较高标号号的混凝土，，一般采用28天强度为300～450kg/cm2混凝土。由于沉管结构构不容许出现现任何通透性性的裂缝；非非通透性的裂裂缝开展的宽宽度应控制在在0.15～0.2mm以下。因此不不宜采用Ⅲ级及Ⅲ级以上的钢筋筋。§10.3管段制作一、临时干坞坞：位置应选择距距隧址较近，，地质条件较较好，便于浮浮运的地方（一）干坞规规模：根据工工程规模、管管段长宽尺寸寸和管段数量量，结合坞址址的地形、地地质条件、工工期、土地使使用费和施工工设备综合考考虑。1一次预制管段段时的干坞：：在干坞内一一次完成所有有管段的制作作，它只需放放一次水进干干坞，干坞不不需要闸门，，施工简便，，干坞仅用土土围堰或钢板板围堰作坞首首。管段出坞坞时，拆除坞坞首围堰便可可将管段浮运运出坞。规模模大，占地多多，适用于：：工程量较小小，管段数量量少，土地价价格低和坞址址地质条件较较差的工程。。2分批预制管段段时的干坞分批预制管段段是在干坞内内分批制作管管段，每批管管段预制完成成，就放一次次水进坞，使使之浮运出坞坞，干坞的坞坞门需开启多多次，这种干干坞规模小，，占地少，造造价低，重复复使用率高，，而且有利于于与其它施工工程序配合缩缩短工期。但但这种方式也也有不少缺点点：①若不采用用启闭式坞门门（闸门），，则每次修复复坞门难度大大。若采用闸闸门式坞门，，造价又高。。②先批出坞坞后沉放的管管段，至少有有一端搁置在在基槽中的临临时支座上，，需待几个月月时间才能与与后批管段相相接，这样不不利于先沉放放管段的稳定定，其安全难难于保证。③原已开挖挖的基槽，在在后批管段出出坞时己有回回淤，且难于于清除，将影影响后批管段段基础的质量量。④重复使用干坞坞，反复灌水水、排水，抽抽水时难以保保证干坞边坡坡的稳定性。。重复使用干坞坞还会造成难难以彻底清除除坞底垫层上上的淤泥，必必然影响坞底底的透水性，，削弱坞底防防排水能力与与承载力，从从而影响再次次预制管段的的质量，对管管段上浮也不不利，甚至造造成吸附现象象而使管段平平衡失控。⑤分批预制制管段会增加加坞底施工设设备的拆迁和和再组装工作作，使临时工工程费用增加加。⑥后批管段段浮运时，可可能需要再次次对临时航道道进行疏浚工工作。为克服上述缺缺点，在丹麦麦至瑞典跨海海联络线的厄厄勒海峡水底底沉管隧道的的分批预制管管段干坞中采用了了两级干坞的的型式，即干干坞由浅水槽槽和深水槽组组成。采用船船闸的方式逐逐段发送管段段单元。（二）干坞的构造干坞一般由坞坞墙、坞底、、坞首及坞门门、排水系统统、车道组成成干坞的深度应应保证管段在在制成后能顺顺利地进行安安装工作并浮浮运出坞，要要求坞室深度度能使管段在在低水位时露露出水面，高高水位时有足足够的水深以以安设浮箱，，中水位时能能自由浮升。。此外为确保保安全管段在在浮起时，底底部的富余深深度为1m。管段制作：：注意所设设置施工缝缝和变形缝缝并密封二、管段预预制（一）钢筋筋混凝土结结构保证浮运时时有规定的的干舷高度度由于矩形管管在浮运时时的干舷高高度仅为10～15cm，占管段全全高的1.2～2%，确保管段段的容重变变化控制在在既不使管管段出现下下沉，也不不使管段上上浮过多。。制定严密的的接缝防渗渗漏措施管段的缝隙隙主要有纵纵向施工缝缝和竖向变变形缝。（1）纵向向施工缝纵向施工缝缝由于混凝凝土底板和和上部管段段的不同时时浇注产生生，主要由由于水泥的的水化热作作用而引起起的。防止止措施应从从防止混凝凝土的开裂裂出发。包包括合理组组成混凝土土，降低温温差等。（2）变形缝在垂直于隧隧道轴线方方向设置，，把每一管管段分割成成若干节段段，每一段段节段的长长度一般在在15～20m。用于较长长的混凝土土管段（节节）单元连连接和抵抗抗差异沉降降和由温差差所造成的的变形。接接缝应设在在混凝土结结构的中断断处。变形缝的构构造应满足足三个主要要要求：能能适应一定定幅度的线线变形和角角变形；施施工阶段能能传递弯矩矩，使用阶阶段能传递递剪力；变变形前后均均能防水。。§10.4水底浚挖用改装后的的挖泥船，，沉管基槽槽断面§10.5管段沉设与与水下联接接一、沉设方方法管段浮运：：已完成的的管段自干干坞向预定定沉放位置置的运输坞内浮起－－出坞－系系泊等待－－托运至隧隧址二、沉设作作业（一）沉设设准备完成沟槽清清淤水上管制（二）管段段的沉设方方法有许多多种，归纳纳起来有：：自升式海上上作业平台台（三）管段段下沉：管管段下沉的的全过程，，一般需要要2～4小时，沉设设周期多为为每月一段段初步下