沉管法隧道施工基本原理及施工工艺

地震调查：断层位置、地震记录、土层性质或成层状态，特
别注意液化问题
10.3.2 临时干船坞的构造与施工
（1）规模 取决于管段节数、管段宽度与长度、管段预制批量，同事考虑 工期因素。
小型干圬：分批制作 瑞典Tingstad隧道（5节管段，长93.5 m，80 m，宽30 m）：干圬 3500 平米（100×35 m） 大型干圬：一批制作 日本东京港水底隧道（9节管段，长115 m，宽37.4 m）：干圬 81270 平米（645×126 m）
沉管法隧道施工基本原理及施工工艺
10.1 基本原理
沉管法：在隧址附近修建的临时干坞内(或船厂船台)预制
管段，用临时隔墙封闭，然后浮运到隧址规定位置，此 时已于隧址处预先挖好水底基槽。待管段定位后灌水压 载下沉到设计位置，将此管段与相邻管段水下连接，经 基础处理并最后回填覆土即成为水底隧道。
在已修筑好的干坞内预制管段
2. 压浆法：开控基槽时应超挖1m左右，然后摊铺一层厚40~60cm的 碎石。两侧抛堆沙石封闭槛后，通过隧道内预留压浆孔注入由水泥、 膨润土、黄砂和缓凝剂配成的混合砂浆。
3. 压砂法：与压浆法相似，但注浆材料为砂水混合物。
10.4 沉管隧道施工特点
（1）隧道深度与其它隧道相比，因能够设置在只要不妨碍通航的深度 下，故隧道全长可以缩短；
绞吸式挖泥船
耙吸式挖泥船
抓斗式挖泥船
链斗式挖泥船
铲斗式挖泥船
10.3.6 管段沉放
影响因素：管段尺寸、地形、水流条件、气象条件、航运条件
管段下沉全过程一般需要2~4h。下沉作业分为初步下沉、靠拢下 沉与着地下沉3个步骤。 A. 初步下沉
压载至下沉力达50％规定值后校正位置，之后再继续压载至下沉力 达100％规定值，然后20-50cm/min的速度下沉，直到管段底部离设 计高程4~5m为止。 B. 靠拢下沉 将管段向前节既设管段方向平移至距前节管段2~2.5m处，再将管段 下沉到管段底部离设计高程0.5m左右，再次校正管段位置。 C. 着地下沉 先将管段底降至距设计高程10~20cm处，再将管段继续前移至距既 设管段20~50cm处，校正位置后即开始着地下沉。下沉速度缓慢， 随时校正管段位置。
（3）预应力混凝土管段设计 跨度较大时，并且土、水压力较大时，采用管段顶、底 及隔墙预应力设计，改善管段结构的抗裂性能。
10.3 沉管隧道施工工艺
10.3.1 沉管法施工前期调查工作
水力调查：流速、流向、密度差异、潮汐、水位变化、
海浪和波浪影响、水质情况
地质调查：地基承载力、水下障碍物、浚挖技术
气象调查：风、温度、能见度等
10.3.7 水下连接
水下混凝土连接法 应用范围
早期均使用该法，目前只用于最终接头连接。
施工方法
水中安放圆弧形堰板，围成圆形钢围堰，往围堰内灌筑 水下混凝土，形成管段连接。
水力压接法 作用原理
利用作用在管段上的巨大水压力使安装在管段前端面周 边上的一圈胶垫发生压缩变形，形成一个水密性相当可 靠的管段接头。
沉管隧道的组成
一般由敞开段、暗埋段、岸边竖井与沉埋段等组成。
沉埋段两端通常设置竖井作为起讫点，竖井起到通风、 供电、排水和监控等作用。根据两岸地形与地质条件， 也可将沉埋段与暗埋段直接相接而不设竖井。
沉管隧道的横断面结构
整体结构： 水下沉管隧道的整体结构是由管段基槽、基础、管段、
覆盖层等组成，整体坐落于河（海）水底。
（4）坞首、坞门 一批制作时：一般不采用坞门，仅用土围堰、钢板桩围堰； 局部拆除围堰，将管段拖运出坞 分批制作时：双排钢板桩围堰；单排钢板桩作坞门
10.3.3 管段制作
（1）施工缝、变形缝的控制 纵向施工缝：竖墙下端30-50cm处 横向施工缝：垂直缝（水密性难以保证） 设置垂直于隧道轴线方向的变形缝，以防止管段开裂，长短一般为15-20 m
喷砂法 1. 从水面上用砂泵将砂、水混合料通过伸入管段底下的喷
管向管段底喷注、填满空隙。砂垫层厚度1m左右。 2. 可沿着轨道纵向移动的台架外侧挂三根L形钢管，中间为
喷管两侧为吸管。
三． 压砂法
1. 在管段沉放后向管段底面压注水泥砂浆或砂作为管段基础。根据压 注材料不同分成压浆法和压砂法两种。
宁波甬江沉管隧道管段预制
干坞注水与管段检漏调整
管段内部检漏
10.3.5 沟槽浚挖
基槽断面 底宽：大于管段宽度4－10cm 深度：覆盖层厚+管段高度+基础处理所需超挖深度 坡度：土层条件、基槽留置时间、水流情况等
浚挖方式 挖泥船选择 吸扬式挖泥船 生产效率高；成本低；开挖面平整度好 抓扬式挖泥船 造价低；浚挖深度大；可开挖硬土 链斗式挖泥船 生产效率高；成本低；能浚挖硬土；平整度好；占用水面大 铲扬式挖泥船 浚挖费用高；占用水面小
水力压接的步骤：1）对位；2）拉合；3）压接
10.3.8 基础施工
主要是垫平基槽底部，有刮铺、喷砂、压砂法。 一． 刮铺法
1. 在管段沉放前采用专用刮铺船上的刮板在基槽底刮平铺垫材料(粗砂 或碎石或砂砾石)作为管段基础。
2. 采用刮铺法开挖基槽底应超挖60~80cm，在槽底两侧打数排短桩 安设导轨，以便在刮铺时控制高程和坡度。
覆盖层
管段
基槽 基础
10.2 沉管隧道结构
10.2.1 沉管隧道结构分类
按断面形状：
圆形 矩形等
按建筑材料：
钢壳混凝土 钢筋混凝土
按管段的制作方式：
船台型 干圬型
船台型 1）造船厂船台上预制钢壳 2）滑行下水，水上悬浮状态灌注混凝土 3）横断面一般为圆形、八角形、花篮形，多为圆形 优点： 1）圆形，弯矩较小；水深大时，较经济 2）管段底面积小，基础容易处理 3）钢外壳既是外模，又是防水层，同时保护内侧混凝土 缺点： 1）断面空间不能充分利用；车道数少 2）隧道深度增加，基槽土方量增加 3）耗钢量大，造价高，焊接质量无法保证，没完没了的堵漏 4）钢壳防锈问题、防水问题。
管段下沉作业步骤
浮箱分吊法
管段顶板上方用4只浮力1000～1500kN的
1-沉放管段;2-压载水箱;3-浮箱;4-定 方型5-指挥室;6-吊索;7-定位索;8-既 浮箱中心，前后每组两只浮箱用钢桁架连
设管段;9-鼻式托座
接，并用4根锚索定位。起吊卷扬机与浮
a)就位前; b)加载下沉; c)沉放定位
（2）深度 保证管段制作好后能顺利浮运出坞。
（3）坞底与边坡 坞底 20-30 cm无筋混凝土或钢筋混凝土（铺砂砾或碎石层） 或1-2.5 m的黄砂；上覆20-30 cm砂砾或碎石 一般坞底强度不存在问题 边坡 需进行边坡稳定性分析 可采用防渗墙及井点系统 分批制作时，需分析干圬排水时边坡的稳定性
10.2.2 沉管隧道结构设计要点
设计内容主要有： 总体几何设计；结构设计；通风设计；照明设计；内装 设计；给排水设计；供电设计；运行管理设施设计等。
一般管段结构设计
（1）横断面的设计 用干船坞制作的钢筋混凝土管段，从施工的角度看，在 应力方面是不会有问题的。决定横断面时，就是要注意 对浮力的平衡。决定断面尺寸时，一般都按采用平面框 架结构进行应力计算。
（2）底板 地层不均匀沉降可能引起管段裂缝。一般在坞底沙层上铺设一块6mm 厚的钢板，与底板混凝土浇筑在一起，既防水，又防止外力对底板 的破坏。或者用9-10cm的钢筋混凝土板代替钢板，并贴上防水膜。 （3）侧墙与顶板 侧墙外周可用钢板（做外模板和侧防水），应确保焊接质量。也可 用防水膜，并做好防水膜保护。 顶板上通常铺设防水膜，浇筑15-20cm厚的钢筋混凝土保护层，一直 包到侧墙上部，并做成削角，避免被船锚钩住。
（4）临时隔墙 设置于管段两端50-100 cm处 木料、钢材或钢筋混凝土制成 设计时按最大静水压力考虑 封端墙上需设排水阀（下部）、进气阀（上部）、人员出入孔 （5）压载设备 石碴、矿碴或者水，多数用加载水箱 每只管段>4只水箱，均匀布置于四角 水箱容量取决于干舷大小、下沉力、基础压重等 （6）预应力张拉 管段预制完成后，在干船坞内全部预应力一次施加完毕。
沉管法的主要缺点：
需要一个占用较大场地的干坞； 基槽开挖数量较大且需进行清淤，对航运和市区环境
的影响较大，另外，河、海床地形地貌复杂的情况下， 增加施工难度和造价； 管节浮运、沉放作用需考虑水文、气象条件等的影响； 管段底面和基础的施工方法不妥时，会造成沉陷和不 均匀沉降
横断方向的钢壳断面，一般决定于混凝土灌注时的应力。
随着混凝土的灌注，吃水深度增加，而水压增大。设计 断面也随之变化。因此，应对每一施工阶段的混凝土重 量和水压进行应力计算，而后按最危险状态，决定钢壳 断面。
（2）纵断面的设计 施工阶段：主要计算浮运、沉设等阶段时主要由施工荷 载引起的弯矩，浮运管段越长，所受弯矩越大。 使用阶段：弹性地基梁理论计算纵向内力 钢壳作为整体梁分析，保证纵向发生变形而横截面方向 无显著变形，可利用横柱和支柱增强截面的刚度
10.3.4 管段浮运
管段制作完成后开始向干船坞注水，检查管段内部漏水情况，一旦 发现漏水，立即停止注水并修补。 船坞内水位接近干舷量时，向压载水箱内注水，防止管段上浮。完 全淹没后，排出水箱内的水，使管段上浮。浮运时干舷量一般取1015cm左右。调整完后，打开坞门，拽出管段。 一般清晨托运至隧址，以便沉设。提前12h做好水流与气象条件预报 工作，并提前2h复核。一般要求：风力小于5-6级，能见度大于 1000m，气温高于-30C，可进行沉设作业。
浮箱分吊法
箱定位卷扬机均安放在浮箱顶部，管段本 身则另用6根锚索定位，其定位卷扬机则 安设在定位塔顶部。
船组(四驳)杠吊法
1-沉管; 2-铁驳; 3-船组定位索; 4-沉管定位索; 5-杠棒; 6-连接梁; 7-定位塔
每组船体由两只铁驳或两组浮箱构成，将每组钢梁(杠棒)两头担在两 只船体上构成一个船组，再将先后两个船组用钢桁架梁连接成整体船 组(前后两个船组也可不用钢桁架梁连接)。船组与管段各用6根锚索 定位(均为四边锚与前后锚)，所有定位卷扬机均安设在船体上，起吊 卷扬机安设在“杠棒”上，吊索的吊力通过“杠棒”传到船体上。