沉管法隧道施工基本原理及施工工艺

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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
(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。
(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
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。
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。
(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
(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
(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。
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。
干圬型 1)临时干圬中制作钢筋混凝土管段,外涂
防水涂料 2)圬内灌水,管段上浮;拖运到隧址陈设 3)断面多为矩形 优点: 1)管段在干船坞内制造,不需钢壳,节约钢材 2)断面大小不受限制 缺点: 1)必须在合适地点修建干船坞 2)需设置防水层,并加以保护,以保证防水性 3)混凝土工艺要求高,特别是水密性要求 4)底面积大,基础处理麻烦
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。
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。
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)
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。
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;
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
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
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。
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。
(2)隧道管段是预制的,质量好,水密性高; (3)造价较低。水下挖土与管段制作成本较低,短于盾构隧道; (4)工期短,对航运干扰小。管段在干坞中呈长段预制,沉放连接时
间短,对航运干扰次数少、时间短。沉管隧道的主要工序可平行作业, 各工序间干扰少,可缩短工期。 (5)施工条件好。管段预制、托运和沉放等都是陆地或水面完成,水 下作业也很少,也不需要沉箱法和盾构法的压缩空气作业,在相当水 深的条件下,能安全施工; (6)对地质条件的适应性强。基槽开挖浅,开挖和基础处理措施简单, 沉管受浮力作用对地基负荷较小; (7)适用水深范围较大。预制后浮运沉放,简化了水中作业,最大深 度可达70m; (8)可做成大断面多车道。断面形状无特殊限制,可按用途自由选择, 结构基本没有多余空间,一个断面可容纳4-8个车道,利用率高。
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 方型浮箱直接吊起,吊索起吊力作用于各
位塔;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wenku.baidu.com下沉; c)沉放定位
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。
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