隧道工程沉管法施工技术讲义

第10章沉管隧道

（沉埋法施工隧道）§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，xx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xxxxxxxxx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xxxxxxxx，宽达53.1m，全长336m。单节管段最长的隧道是xxxxxxxxx，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压载混凝土土重量：22.5KN/m3路面铺装重重量二、作用在在沉管上的的荷载2水压力主要荷载之之一，分别别计算高、、低潮位和和百年一遇遇的特大洪洪水位的水水压力二、作用在在沉管上的的荷载3土压力主要荷载，，但不一定定是常荷载载，表示河河床底面到到管段顶面面的土重。。隧道刚建建时，可能能很小，以以后逐渐增增加4浮力浮力＝排水水重二、作用在在沉管上的的荷载5施工荷载：：封端墙、、定位塔、、出入洞、、压载水柜柜、索具、、浮箱等重重量。6波浪力：在在浮运时发发生7流水压力：：在浮运时时发生二、作用在在沉管上的的荷载8负摩阻力力：管段段横向外外侧覆土土沉降到到管段的的向下摩摩擦力9车辆荷载载：在道道路隧道道中，如如果路面面铺设在在压载混混凝土层层上面，，则可略略去车辆辆活载对对管段的的影响。。10地基反力力二、作用用在沉管管上的荷荷载偶然荷载载：11沉船荷载载12投锚与拖拖锚荷载载13车行隧管管内的爆爆炸力二、作用用在沉管管上的荷荷载其他荷载载：砼收收缩、变变温影响响、不均均匀沉降降、地震震（二）、、结构分分析1横断面结结构在水底隧隧道沉管管结构中中，常采采用变截截面或折折线形结结构。即即使在同同一节管管段（一一般长度度为100m左右）中中，因隧隧道纵坡坡和河底底标高的的变化，，各处断断面所受受水、土土压力也也不同（（特别在在接近岸岸边时）），因此此一般不不能只以以一个横横断面的的结构分分析来进进行整节节管段的的分析计计算。工工作量大大，常采采用电算算的方式式进行。。可采用用一般的的平面杆杆系结构构分析的的通用程程序进行行计算。。纵向结构构施工阶段段的沉管管纵向受受力分析析，主要要是计算算浮运，，沉设时时的施工工荷载、、波浪力力所引起起的内力力。使用阶段段的沉管管纵向受受力分析析，一般般按弹性性地基梁梁理论进进行计算算。配筋因抗剪的的需要，，沉管应应采用较较高标号号的混凝凝土，一一般采用用28天强度为为300～450kg/cm2混凝土。。由于沉管管结构不不容许出出现任何何通透性性的裂缝缝；非通通透性的的裂缝开开展的宽宽度应控控制在0.15～0.2mm以下。因因此不宜宜采用Ⅲ级及Ⅲ级以上的的钢筋。。§10.3管段制作作一、临时时干坞：：位置应选选择距隧隧址较近近，地质质条件较较好，便便于浮运运的地方方（一）干干坞规模模：根据据工程规规模、管管段长宽宽尺寸和和管段数数量，结结合坞址址的地形形、地质质条件、、工期、、土地使使用费和和施工设设备综合合考虑。。1一次预制制管段时时的干坞坞：在干干坞内一一次完成成所有管管段的制制作，它它只需放放一次水水进干坞坞，干坞坞不需要要闸门，，施工简简便，干干坞仅用用土围堰堰或钢板板围堰作作坞首。。管段出出坞时，，拆除坞坞首围堰堰便可将将管段浮浮运出坞坞。规模模大，占占地多，，适用于于：工程程量较小小，管段段数量少少，土地地价格低低和坞址址地质条条件较差差的工程程。2分批预制制管段时时的干坞坞分批预制制管段是是在干坞坞内分批批制作管管段，每每批管段段预制完完成，就就放一次次水进坞坞，使之之浮运出出坞，干干坞的坞坞门需开开启多次次，这种种干坞规规模小，，占地少少，造价价低，重重复使用用率高，，而且有有利于与与其它施施工程序序配合缩缩短工期期。但这这种方式式也有不不少缺点点：①若不不采用启启闭式坞坞门（闸闸门），，则每次次修复坞坞门难度度大。若若采用闸闸门式坞坞门，造造价又高高。②先批批出坞后后沉放的的管段，，至少有有一端搁搁置在基基槽中的的临时支支座上，，需待几几个月时时间才能能与后批批管段相相接，这这样不利利于先沉沉放管段段的稳定定，其安安全难于于保证。。③原已已开挖的的基槽，，在后批批管段出出坞时己己有回淤淤，且难难于清除除，将影影响后批批管段基基础的质质量。④重复使用用干坞，，反复灌灌水、排排水，抽抽水时难难以保证证干坞边边坡的稳稳定性。。重复使用用干坞还还会造成成难以彻彻底清除除坞底垫垫层上的的淤泥，，必然影影响坞底底的透水水性，削削弱坞底底防排水水能力与与承载力力，从而而影响再再次预制制管段的的质量，，对管段段上浮也也不利，，甚至造造成吸附附现象而而使管段段平衡失失控。⑤分批批预制管管段会增增加坞底底施工设设备的拆拆迁和再再组装工工作，使使临时工工程费用用增加。。⑥后批批管段浮浮运时，，可能需需要再次次对临时时航道进进行疏浚浚工作。。为克服上上述缺点点，在丹丹麦至瑞瑞典跨海海联络线线的厄勒勒海峡水水底沉管管隧道的的分批预预制管段段干坞中采采用了两两级干坞坞的型式式，即干干坞由浅浅水槽和和深水槽槽组成。。采用船船闸的方方式逐段段发送管管段单元元。（二）干坞的构构造干坞一般般由坞墙墙、坞底底、坞首首及坞门门、排水水系统、、车道组组成干坞的深深度应保保证管段段在制成成后能顺顺利地进进行安装装工作并并浮运出出坞，要要求坞室室深度能能使管段段在低水水位时露露出水面面，高水水位时有有足够的的水深以以安设浮浮箱，中中水位时时能自由由浮升。。此外为为确保安安全管段段在浮起起时，底底部的富富余深度度为1m。管段制作作：注意意所设置置施工缝缝和变形形缝并密密封二、管段段预制（一）钢钢筋混凝凝土结构构保证浮运运时有规规定的干干舷高度度由于矩形形管在浮浮运时的的干舷高高度仅为为10～15cm，占管段段全高的的1.2～2%，确保管管段的容容重变化化控制在在既不使使管段出出现下沉沉，也不不使管段段上浮过过多。制定严密密的接缝缝防渗漏漏措施管段的缝缝隙主要要有纵向向施工缝缝和竖向向变形缝缝。（1）纵纵向施工工缝纵向施工工缝由于于混凝土土底板和和上部管管段的不不同时浇浇注产生生，主要要由于水水泥的水水化热作作用而引引起的。。防止措措施应从从防止混混凝土的的开裂出出发。包包括合理理组成混混凝土，，降低温温差等。。（2）变形缝缝在垂直于于隧道轴轴线方向向设置，，把每一一管段分分割成若若干节段段，每一一段节段段的长度度一般在在15～20m。用于较较长的混混凝土管管段（节节）单元元连接和和抵抗差差异沉降降和由温温差所造造成的变变形。接接缝应设设在混凝凝土结构构的中断断处。变形缝的的构造应应满足三三个主要要要求：：能适应应一定幅幅度的线线变形和和角变形形；施工工阶段能能传递弯弯矩，使使用阶段段能传递递剪力；；变形前前后均能能防水。。§10.4水底浚挖挖用改装后后的挖泥泥船，沉沉管基槽槽断面§10.5管段沉设设与水下下联接一、沉设设方法管段浮运运：已完完成的管管段自干干坞向预预定沉放放位置的的运输坞内浮起起－出坞坞－系泊泊等待－－托运至至隧址二、沉设设作业（一）沉沉设准备备完成沟槽槽清淤水上管制制（二）管管段的沉沉设方法法有许多多种，归归纳起来来有：自升式海海上作业业平台（三）管管段下沉沉：管段段下沉的的全过程程，一般般需要2～4小时，沉沉设周期