沉管隧道发展及关键技术共44页
第一章概述 沉管隧道发展史(与资料内容相差很大,修改书上部分)
第一章概述二、沉管隧道的发展史沉及技术革新一、沉管隧道的发展史世界上最早的沉管法工程是1893-1894年在波士顿港内横过宽96m、深7.6m的航道下面的虹吸下水管道，但最早的正规沉管隧道工程是1910 年美国穿越底特律河修建的水下双线铁路隧道。
其后沉管法以美国为中心逐步发展，有许多水下隧通用沉管法修建而成。
而最具有划时代意义的工程是1964~1969年施工、横过旧金山湾底的海湾地区高速运输系统（BART）地下铁道（复线，延长5820m，沉埋管段58节），它不仅做到使用大型机械高效率施工，而且在设计方面也有许多进展。
美国修建沉管隧道的历史最长，至1980年就已在北美建成23条沉管隧道，这些隧道的突出特点是使用圆形钢壳，美国人所发展的钢壳管段技术，至今仍长期持续使用而无多大变化。
实践也证明，钢壳结构型式的隧道适合美国的情况。
美国海湾修建的隧道较多，海湾的水深一般深于内河。
用圆形或双体圆形钢壳，从受力角度考虑，比矩形有利。
另外，用圆形钢壳与其习惯和经验也有很大关系。
在欧洲，最早的混凝土沉埋管段隧道是1927年完成的德国弗里德里希港隧道，而正规的沉管隧道工程则是荷兰于1937~1942年施工的玛斯（MASS）隧道。
这个隧道是四车道公路隧道，管段为宽24.8m、高8.4m的矩形钢筋混凝土结构，共9节长61.3m的管段。
玛斯隧道的特点是采用矩形断面，以后就成了所谓欧洲方式的原型很蓝人习惯与矩形断面的沉管，他们认为矩形断面的有效空问利用率优于圆形断面。
矩形断面隧道的高度和覆盖层都比圆形断面小和薄，隧道的长度也相应减少。
荷兰的修建技术在世界上保持领先地位，到1980年已修建了22条沉管隧道。
荷兰人在管段制造方面有独特之处，他们使用钢筋混凝土管段，甚至不用防水钢板。
为防混凝土温度应力引起的开裂，他们在混凝上内部安设了供冷却水循环的钢管，以消除裂缝的产生，因而他们的钢筋混凝土节段是防渗漏的。
他们在混凝土作业时一贯坚持高标准，从混凝土原材料的组成、降低温差、收缩补强、模板选择等都采取了相应的措施。
国内外沉管隧道工程发展现状研究
国内外沉管隧道工程发展现状研究摘要：当前国内外沉管隧道工程有不断的发展，我国在这方面的建设正在逐步朝着西方发达国家靠拢。
由于隧道工程在修建过程中过于繁琐，而且结构的材料也非常的复杂，另外，由于混凝土会因为不同的发展情况，造成不同程度的侵蚀现象，在管段制作的过程中也会因为温度的问题导致了对沉管管段抗裂情况、抗渗情况以及工程质量的持久度都有一系列的影响。
所以，本文针对国内外沉管隧道工程的发展情况、结构状况分析当前的国内外隧道工程现状，希望能够对我国的隧道工程发展有一定的参考价值。
关键词：沉管管段；隧道工程；混凝土；持久度；现状一、相关概念（一）施工前期调查首先在沉管隧道工程的实施之前需要做好前期的施工调查，施工前期一般都要进行详细的调查，比如：水力、水质调查、气象调查、航道运输调查以及管段制作场地的调查。
比如：水力的调查主要是指对于水力的流动情况和河水的涨落情况、潮汐的涨落等数据，水质调查是对水质的密度数据差异进行调查。
第二，需要对沉放管段的沉放部分的长度、横截面进行设计，调查浮力数据和抗浮安全系数的数据、结构承载重量的数据。
（二）施工程序在这些数据的基础上，对钢筋混凝土的结构分析进行汇总，才能进行工程的实施。
数据的汇总还需要结合抗震设计、预应力的计算才能进行方案完成，最后进行实施。
在实施上首先是管段的制作和管段的浮运，随后进行管段的水下沉放和水下连接作业的实施，在管段沉放之后需要把沟槽进行砂石材料的回填及覆盖，随后进行管内压载、接缝处理和防水措施的安装。
二、沉管隧道工程发展现状（一）沉管隧道工程的发展规模沉管隧道工程是从1894年开始建设，从美国波士顿开始修建和研究的，随着时代的不断发展，全世界已经修建了120多座沉管隧道，在20世纪初，北美建设了钢壳管段沉管隧道，在防水上有一定的突破作用，另外钢壳拥有一定的弹性，能够帮助混凝土在抗压性上能够将压力分担。
钢壳管段沉管隧道几乎都是建立在北美地区，目前在我国很少采用。
深中通道沉管隧道主要建造技术
收稿日期:2019-01-31;修回日期:2019-12-05第一作者简介:陈越(1965 ),男,广东广州人,1987年毕业于华南工学院,工民建专业,本科,教授级高级工程师,现从事隧道及地下工程技术管理工作㊂E-mail:189****8968@㊂引用格式:陈越,陈伟乐,宋神友,等.深中通道沉管隧道主要建造技术[J].隧道建设(中英文),2020,40(4):603.CHEN Yue,CHEN Weile,SONG Shenyou,et al.Key construction technologies for immersed tunnel of Shenzhen-Zhongshan Link[J].Tunnel Construction,2020,40(4):603.深中通道沉管隧道主要建造技术陈㊀越,陈伟乐,宋神友,刘㊀健,金文良(深中通道管理中心,广东中山㊀528400)摘要:深圳至中山跨江通道是国家高速公路网G2518跨越珠江口的关键性工程,通过多方案比选,确定了桥㊁岛㊁隧组合的设计方案㊂项目线路全长约24km,按双向8车道高速公路设计;其中,线路长度为6845m 的水下隧道采用沉管法建造技术㊂通过试验研究和分析论证,确定矩形钢壳混凝土组合结构㊁先铺法基础碎石垫层㊁水下深层水泥搅拌桩的基础处理等关键技术的技术要求和施工工艺,并研发管节浮运安装一体船等施工专用设备㊂关键词:深中通道;沉管隧道;钢-混凝土复合结构;基础处理;专用施工设备DOI :10.3973/j.issn.2096-4498.2020.04.019文章编号:2096-4498(2020)04-0603-08中图分类号:U 45㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID ):Key Construction Technologies for Immersed Tunnel ofShenzhen-Zhongshan LinkCHEN Yue,CHEN Weile,SONG Shenyou,LIU Jian,JIN Wenliang(Shenzhen-Zhongshan Link Administration Center ,Zhongshan 528400,Guangdong ,China )Abstract :Shenzhen-Zhongshan Crossing-river Link (Shen-Zhong Link )is the key project in G2518of NationalExpressway Network,across the Pearl River Estuary.Shen-Zhong Link is a mega project integrating bridges,artificialislands,tunnel,and underwater interchanges,which is built according to the standard for bi-direction eight-laneexpressways.The total length of the project is 24km,of which the tunnel is 6845m long,constructed by immersed tube method.Through experimental researches,analysis and demonstration,the technological requirements andconstruction process for the steel-concrete-steel composite structure of the rectangular immersed tube,the pre-laid gravel cushion and the underwater deep cement mixing (DCM)pile foundation treatment.In addition,a series of special construction equipment,such as the self-propelled huge barge integrated with the floating,towing,immersion andinstallation functions is developed.Keywords :Shenzhen-Zhongshan Link;immersed tunnel;steel-concrete-steel composite structure;foundationtreatment;special construction equipment0㊀引言改革开放40年,中国的交通基础设施获得巨大的发展,跨江海通道遍布大江南北㊂多数跨江海工程首选桥梁工程,其次是隧道工程,在跨度巨大和建设条件复杂的情况下,采用桥岛隧组合的工程方案㊂文献[1-2]介绍了丹麦至瑞典的厄勒通道工程的公铁两用隧道建设(中英文)第40卷㊀沉管隧道,其首次采用工厂化预制管节,开发了自平衡铺设基础垫层碎石系统专用设备;文献[3]介绍了韩国巨济通道工程的公路沉管隧道,其根据项目的建设条件和需求进行技术创新,研发了遥控水下顶升模板微型潜水艇式海上运输车等;文献[4-6]介绍了港珠澳大桥的高速公路沉管隧道,开发了第三代沉管隧道管节工厂化生产技术,创新性地实现了钢圆筒打设围蔽的人工岛快速成岛技术㊁推出式V 型沉管隧道最终接头等㊂目前世界上已建成的沉管隧道约150座,只有日本建成并通车了3座钢-混凝土复合的三明治结构沉管隧道,还有1座尚在建造中㊂深圳至中山跨江通道(简称 深中通道 )是世界上首例集超宽超长海底隧道㊁超大跨海中桥梁㊁深水人工岛㊁水下互通 四位 一体的集群工程,为国内首次采用钢-混凝土复合沉管隧道方案[5]㊂钢-混凝土复合沉管结构能解决大跨度隧道的结构受力,提高过江通道资源集约化,大型专用施工装备的研发能提升土木工程的建造能力,相关技术和工艺的突破和改进使得隧道技术不断进步㊂本文结合工程的建设条件和结构特点,介绍深中通道沉管隧道的主要建造技术㊂1㊀项目概况深中通道地处珠江口核心区域,位于港珠澳大桥上游40km,距离虎门大桥下游30km,直接连接深圳市和中山市㊁江门市㊂项目东接深圳的机荷高速,西至中山市的马鞍岛,与规划的中开㊁东部外环高速对接,项目全长约24km,其中跨海段长约22.4km [7]㊂深中通道规模空前㊁建设条件复杂㊁综合技术难度大,是我国继港珠澳大桥之后又一项难度更大的重大跨海交通工程[8]㊂㊀㊀从2002年启动项目的前期工作以来,通过多方案比选,确定了桥㊁岛㊁隧组合的设计方案,2015年国家发改委批复项目㊂按照 东隧西桥 方案,采用桥隧组合方案,共设2处通航孔;穿越深圳机场支航道与矾石水道处采用海底沉管隧道,隧道总长6845m,两侧分别设置1座人工岛;伶仃西水道采用桥梁跨越,推荐采用主跨为1666m 的悬索桥,横门东水道桥推荐采用双塔钢箱梁斜拉桥;其余段均为非通航孔桥,总长约11km㊂工程地理位置如图1所示㊂图1㊀工程地理位置示意图Fig.1㊀Geographical location of the project沉管隧道起于深圳市机场互通的东人工岛,与广深沿江高速二期工程对接;隧道终点在西人工岛,与非通航孔桥连接㊂隧道全长6845m,其中沉管段长度为5035m㊂沉管段由26个标准管节㊁6个非标管节和1个水中最终接头组成,标准管节长度为165m,非标管节长度为123.8m,水中最终接头设置在E22/E23之间㊂沉管隧道纵断面及管节布置如图2所示㊂图2㊀沉管隧道纵断面及管节布置图(单位:m)Fig.2㊀Longitudinal layout and element arrangement of the immersed tunnel (unit:m)406㊀第4期㊀陈㊀越,等:㊀深中通道沉管隧道主要建造技术㊀㊀㊀沉管段采用钢-混凝土复合的三明治结构,沉管隧道标准管节横断面外包尺寸为46.00m ˑ10.60m(宽ˑ高),行车孔净高度为7.60m,结构板厚度为1.50m㊂标准管节横断面如图3所示㊂变宽管节横断面外包尺寸为(46.00~55.46)m ˑ10.60m(宽ˑ高),行车孔净高度为7.60m,结构板厚度为1.50m㊂图3㊀标准管节横断面图(单位:cm)Fig.3㊀Cross-section of standard tunnel element (unit:cm)2㊀建设目标和建设理念深中通道建设目标:建世界一流可持续跨海通道,创珠江口百年门户工程,安全舒适,优质耐久,经济环保,和谐美观㊂深中通道建设理念: 系统集成工程观 的建设理念㊁可持续工程建设理念㊁需求引领设计理念㊁创新驱动理念㊁智慧建造理念㊂3㊀主要技术标准公路等级:双向8车道高速公路㊂设计速度:100km /h㊂汽车荷载:JTG D60 2015‘公路桥涵设计通用规范“规定的公路-Ⅰ级汽车荷载㊂主体结构设计使用年限:100年㊂主体结构安全等级:一级㊂4㊀主要建造技术由于深中通道沉管隧道的建设条件和工程特殊性,沉管段采用钢-混凝土复合结构,隧道的软弱地基采用水泥深层搅拌桩(DCM)进行基础处理,研发钢壳沉管隧道专用施工装备等,为适应本项目的需求开展了一系列的技术研究工作,并已将主要的研究成果应用于工程实践㊂4.1㊀沉管段的钢-混凝土复合结构从1896年美国首次利用沉管法建造穿越波士顿港Shirley Gut 的输水隧道开始[9],各国已建成具有交通功能的沉管隧道约150座[10]㊂英国最早开展沉管隧道钢-混凝土复合三明治结构的研究并进行了1ʒ3模型试验,也编制了设计规则㊂但钢-混凝土复合结构应用于沉管隧道主要是在日本,其主要结构由2块钢板与钢板之间的混凝土夹层构成㊂一般来说,钢板通过剪力钉与混凝土相连,混凝土被设置在钢板之间,因此需要配制的混凝土流动性很强并且能够自密实㊂混凝土浇筑以及保证混凝土具有足够的密实度以完全填充钢板之间的空隙,是这种施工工法的主要挑战㊂日本神户港港岛沉管隧道采用钢混夹层结构存在的主要问题:一是结构设计相关问题,包括剪力连接件的设计方法㊁拐角部的加固构造㊁施工时的应力处理和设计上的技术可靠性确认;二是高流动混凝土的相关问题,包括高填充性混凝土配合比㊁施工管理方法;三是进行填充性能检测的非破坏性检验方法问题㊂本项目是我国首次采用钢-混凝土复合的三明治结构建造沉管隧道,对于急需解决的技术问题,开展了‘沉管隧道钢壳混凝土组合结构设计施工关键506隧道建设(中英文)第40卷㊀技术“专项研究,对钢-混凝土复合结构的受力机制及设计方法开展了系统的试验研究,揭示了钢-混凝土复合结构抗弯和抗剪受力机制,提出了相应的计算方法,定量分析了钢壳内混凝土脱空对承载能力的影响,提出了混凝土浇筑质量控制标准,研究成果已经应用于施工图设计;并开展了‘高强自密实混凝土配制㊁浇筑工艺及质量检测关键技术“专项研究,针对自密实混凝土开展了系统试验研究,形成了‘深中通道钢壳沉管自密实混凝土配制及施工关键技术指南“㊂深中通道沉管隧道钢-混凝土复合结构大样如图4所示㊂图4㊀钢-混凝土复合结构大样Fig.4㊀Schematic diagram of SCS composite structure目前正开展‘钢壳混凝土沉管隧道足尺模型试验施工工艺“专项研究,其中一个足尺模型的外轮廓尺寸为18m ˑ46m ˑ10.6m(长ˑ宽ˑ高),如图5所示㊂模型的材料规格㊁等级㊁分舱设计及细部构造与施工图中钢壳构造要求完全一致㊂图5㊀足尺模型Fig.5㊀Full-scale model沉管隧道足尺模型试验研究的主要成果如下:1)通过足尺模型及小模型试验对混凝土配合比进一步优化,容重控制在2300~2370kg /m 3,其扩展度㊁V 漏斗㊁L 槽㊁含气量㊁强度等指标也均能满足设计要求㊂2)混凝土浇筑系统能较为稳定地实现自动寻孔,在一个舱格浇筑结束后自动寻址到下一个预设的舱格,满足正式浇筑的寻孔精度要求;浇筑设备与拖泵联动,利用无线模块实现双向信息互通,能自动开始浇筑,根据液面反馈信息及时精准调整所需的速度,自动停止浇筑;根据液面信息自动提升泵管,保证混凝土下落高度不超过1m,且避免了埋管现象㊂3)浇筑工艺㊂在混凝土距离顶板20cm 以下时采用30~40m 3/h 的速度进行浇筑,根据检测结果初步判断前期采用30~40m 3/h 的浇筑速度对舱格内混凝土的浇筑和排气效果基本无影响㊂4)中子法脱空检测可以较准确地确定脱空位置及平均脱空高度,但检测效率过低,且脱空高度与测点范围面积关系较大㊂4.2㊀沉管段基础处理隧道地基刚度的确定是沉管结构设计计算的关键[11],基础处理方案的确定需根据工程的建设条件和工期要求㊂沉管段采用先铺法的碎石基础垫层㊂对于软弱地层的基础处理,在考虑工程地质条件以及国内土建施工装备的情况下,西岛斜坡段(E1 E5)软弱淤泥层厚达30m,受采砂坑扰动影响严重,经多方案比选,采用水泥深层搅拌桩(DCM)作为沉管隧道基础;另有E13 E21管节槽底为软弱层,也采用DCM 基础方案,其他均采用天然地基;基础上设置约110cm 厚块石振平层及100cm 厚级配碎石垄垫层,平整精度为ʃ3cm [12]㊂沉管段碎石垫层的结构形式和技术标准与港珠澳大桥沉管隧道基本一致㊂全线基础分布如图6所示㊂606㊀第4期㊀陈㊀越,等:㊀深中通道沉管隧道主要建造技术㊀位置东岛上段㊁堰筑段㊀机场支航道及东侧管节E23 E32㊀浅埋中间段E14 E22㊀矾石水道两侧E5 E13㊀西岛斜坡段E1 E4㊀西岛暗埋段地质情况㊀全强风化花岗岩㊁残积土㊀全强风化花岗岩㊁残积土㊀淤泥质土㊁粉质黏土㊁砂层㊀全强风化花岗岩㊁中风化花岗岩淤泥质土㊀岛内堆载预压淤泥质土㊀基础处理方式㊀素混凝土垫层30cm,局部换填/搅拌桩㊀1m 厚碎石垫层,1.1m 厚振密块石㊀1m 厚碎石垫层,1.1m 厚振密块石或2~3m 夯平块石㊀1m 厚碎石垫层,局部夯平块石㊀1m 厚碎石垫层,1.1m 厚振密块石(局部夯平块石),深层水泥搅拌桩㊀直径0.6m,PHC桩复合地基图6㊀全线基础分布图Fig.6㊀Distribution of tunnel foundation㊀㊀沉管段软弱地层的加固处理采用深层水泥搅拌法,是以水泥浆为固化材料,采用深层搅拌机,将水泥浆注入地基中并与地基土就地强制搅拌均匀形成水泥土,利用水泥的水化及其与土粒的化学反应使原地基土的强度得到较大提高的软土地基加固方法[13]㊂深层水泥搅拌桩(DCM)工艺在韩国釜山 巨济通道获得应用,施工装备是深层水泥搅拌船(DCM 船),其工作原理是:1)切土下贯,当DCM 钻机旋转叶片进入海床之后,开启钻杆旋转,钻杆底部的旋转叶片旋转切割土层;2)下贯喷浆,钻杆上拔至设计位置前,需提前喷浆将管路中的水挤出,确保在下贯过程中水泥浆的稳定;3)桩底加固,下贯喷浆完成后,管路及底部喷浆口存在大量泥浆,后续阶段使用中心杆上拔喷浆,下贯喷浆快到桩底时,启动底部喷水管路中的浆液挤至桩底并清洗下部喷浆口;4)上拔喷浆,上拔喷浆采用中心杆喷浆,此时管路中存在较多的水,需提前启动浆液挤水,确保中心杆达到距桩底设计位置的喷浆量稳定;5)在成桩过程中,施工管理系统会自动记录各种施工数据,包括喷浆量㊁处理机运动速度㊁转速㊁电流值㊁喷浆压力等,作业结束后,通过软件系统导出数据并生成数据报表㊂为研究深层水泥搅拌桩与管节之下的块石+碎石垫层形成的复合地基受力模式,分析沉降㊁荷载分配等对整体管节结构沉降变位和承载性能的影响,开展了DCM 复合地基载荷试验㊂通过4m ˑ3m㊁3m ˑ3m 布置DCM 桩间距的2种载荷等级试验可知,2组试验在不同荷载下,DCM 复合地基沉降呈迅速发生㊁快速收敛的特性,变形及承载性能均呈稳定状态,满足设计全回淤工况最大使用荷载(210kPa)要求㊂桩间距4m ˑ3m 复合地基施加158.3kPa 的荷载,分3级加载;桩间距3m ˑ3m 复合地基施加211.1kPa 的荷载,分4级加载,通过全过程监测获得第1级荷载瞬时沉降量约占总沉降量的60%㊂桩顶应力在加载过程中出现显著的应力集中,在各级维持荷载下未出现明显消散,说明桩身承载性能良好,DCM 桩体可有效发挥复合地基承载能力㊂706隧道建设(中英文)第40卷㊀4.3㊀管节运输安装的专用施工装备本项目沉管段共32个管节和1个水下最终接头㊂在工程管理上将管节钢壳的制造划分为2个施工标段,管节的混凝土浇筑㊁浮运安装等土建工程也划分为2个施工标段㊂每个管节的钢壳在厂内加工制造完成后,通过大型船舶运输至管节的混凝土浇筑场区,进行混凝土浇筑和一次㊁二次舾装施工,达到具备管节水上浮运和沉放安装的条件㊂其中一个土建标段负责E1 E22管节和水下最终接头范围的土建工程,管节的混凝土浇筑地点设置在珠海市的牛头岛(原港珠澳大桥沉管隧道的管节预制场);另一个土建标段负责E23 E32管节的土建工程,其中管节的混凝土浇筑地点拟定在船厂的船坞内㊂牛头岛管节预制场距隧址较远,通过拟定管节浮运航道计算的浮运距离达到50km㊂管节浮运航道一部分可利用港珠澳大桥沉管隧道的临时浮运航道,但大部分的临时浮运航道利用现有的航道进行适度改造㊂标准管节在水中为165mˑ46mˑ10.60m(干舷高度为150~300mm)的钝体,迎水面积较大,管节浮运㊁安装受气象㊁水文条件影响较敏感;最大限度控制管节浮运㊁沉放安装的总时间,才能选择更多的气象㊁水文作业窗口,提高抗风险能力㊂对于每天约有4000艘船舶在珠江口航行的繁忙水域,争取做到不封航状况下进行管节施工,减少对珠江后航运的影响,研发专用施工装备势在必行㊂经多方案的比选,确定了管节浮运㊁沉放安装整合为一体,并具备自航功能的专用施工装备㊂管节浮运安装专用施工装备方案如图7所示㊂由于该装备还处于建造阶段,尚未获得工程实际案例的验证,本文暂不详细介绍㊂4.4㊀BIM信息技术深中通道BIM技术应用总体上由2部分组成:一是BIM模型技术应用,包括建模和用模技术,发挥BIM技术可视性㊁可计算性和可交互性,实现设计各专业协同和施工关键方案4D模拟;二是BIM集成管理应用,以BIM模型为载体集成工程各阶段和各业务的数据,实现智能建造㊁搭建BIM协同管理平台和智慧工地系统,达到信息共享㊁管理协同㊁提质增效的目的㊂图7㊀管节浮运安装专用施工装备方案图Fig.7㊀Special equipment for element transportation,immersion& installation㊀㊀BIM模型技术应用以建模和用模为主,包括设计㊁施工和运维3个阶段㊂目前BIM模型技术应用覆盖设计㊁施工阶段的工作内容,运维阶段需要基于运营养护需求的数字化模型深化和建管养数据衔接等内容,待工程建设后期进行开发㊂BIM集成管理技术主要包括:设计阶段的联合设计㊁数字化生产设计;施工阶段的智能制造㊁协同管理和智慧工地;运维阶段基于BIM的可视化管养㊁资产管理和应急管理㊂本工程采用了钢壳混凝土结构的沉管隧道结构,标准管节的钢结构质量约为12000t,需要进行大量的钢结构焊接㊂标准管节有2500个隔舱㊁浮运安装的各类预留预埋和交通工程(包括机电工程)的预留预埋约4万个㊂为保证工程的整体耐久性和最大限度减少管节安装后的洞内焊接和补涂装,要求钢结构的焊接在钢壳制造期间完成,在焊接成大块体后进行喷砂除锈㊁涂装㊂每个管节的钢构件众多,还需兼顾钢壳内浇筑混凝土的充满度,必须通过设计阶段由各设计单位建立BIM模型,在模型中进行设计;建造期间由制造单位建立BIM模型,通过模型检查各构件的碰撞情况和施工的可操作性,达到整个管节制造过程的连续性和可控性㊂管节钢壳模型如图8所示㊂806㊀第4期㊀陈㊀越,等:㊀深中通道沉管隧道主要建造技术㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(a)参数驱动模型及二维图纸同时修改㊀㊀(b)剖切模型生成二维图纸图8㊀管节钢壳模型Fig.8㊀Steel structure BIM model5㊀结论与建议1)已建成的钢-混凝土复合结构沉管隧道案例不多,采用该结构形式可合理解决大跨度结构的受力问题,在确定建设目标和建设理念的基础上,通过建立BIM模型和足尺模型试验研究,平衡和协调每个管节的12000t钢结构与4万个预留预埋的相互关系和钢结构制造工艺;开发专用混凝土浇筑设备,有效实现每个管节2400个隔舱混凝土浇筑过程控制,使每个隔舱的混凝土达到预期的充满度㊂2)沉管隧道的基础处理是决定使用寿命的关键,结合隧址的地质情况和上部荷载,分段采用不同的基础处理方式,实现约6.8km隧道的纵向地基刚度过渡较为平顺;采用DCM桩进行软弱地层的基础处理,通过试验研究,获取了DCM桩布置方式㊁荷载与沉降关系,支撑了沉管隧道的设计和施工㊂3)研发专用施工大型装备是建设目标和建设理念的保障㊂土木工程的技术进步需要依托专用施工装备研发的技术进步,不但能提高工效,还可以提高工程的质量和品质,将设想转变为现实㊂4)BIM信息技术在深中通道管节设计与施工中得到应用,较好地解决了众多构件组合的相互关系,提高了设计质量和施工精度,有效提高了工程品质㊂深中通道再度推进了沉管隧道的建造技术,但技术进步是无止境的,目前国内每座沉管隧道的建设均需设置一个管节预制干坞,投资规模大㊁土地不能集约利用,建议研究适合我国国情的浮态浇筑钢壳管节内的混凝土建造技术;对于控制隧道差异沉降的基础处理㊁研发通用施工装备㊁精细化管理的BIM信息系统应用还需拓展思路,进一步减低沉管隧道的投资和节约社会资源,为沉管隧道持续发展提供新的生命力㊂参考文献(References):[1]㊀杨文武.沉管隧道工程技术的发展[J].隧道建设,2009,29(4):297.YANG Wenwu.Development of immersed tube tunnelingtechnology[J].Tunnel Construction,2009,29(4):297.[2]㊀RUSSELL Helena.伙伴关系:厄勒海峡通道项目管理成功之道[M].北京:人民交通出版社,2017.RUSSELL Helena.Partnership pays:Project management the Oresund way[M].Beijing:China Communications 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沉管隧道结构的设计与施工105页
9.2.3 沉管结构荷载
❖结构自重 ❖水压力（主要） ❖高、低潮位；若干年一遇的特大洪水水位等 ❖土压力（主要） ❖浮力 ❖施工荷载：定位塔、封端墙、出入筒、压载水柜、
索具浮箱等重量；吊索拉力、支座反力等 ❖波浪力 （一般不大）：波长等于管段全长，波高
件等。
Underground Structure Engineering Chapter 13
9.2.2 沉管的浮力设计
1.干弦的计算 ❖管段浮运时，露出水面的高度，称为干舷。 ❖作用：产生反倾力矩保持管段稳定。 ❖尺寸：矩形断面干舷10－15 cm（不宜太
小或太大）圆形40～50 cm。 ❖个别情况用浮筒助浮。
计算； ❖超静定结构： 弯矩分配法，矩阵位移法（杆系
有限元）、连续体有限元。
Underground Structure Engineering Chapter 13
2. 纵向内力分析 ❖施工阶段的沉管纵向受力分析，主要是计
算浮运、沉设时施工荷载（定位塔、端封 墙等）所引起的内力。 ❖使用阶段的纵向受力分析，一般按弹性地 基梁理论进行计算。 ❖沉管隧道纵断面设计需要考虑温度荷载和 地基不均匀沉降以及其他各种荷载，根据 隧道性能要求进行合理组合。
管段的制作
❖ 沉管隧道有圆形和矩形两类，其设计、施工及所 用材料有所不同。
❖ （1）圆形沉管隧道：这类沉管内边均为圆形、外 边则为圆形、八角形或花篮形，多半用钢壳作为 防水层；
❖ （2）矩形沉管隧道：在每个断面内可以同时容纳 2－8个车道，矩形断面的空间利用率较高，
圆形沉管、矩形沉管
广州市第二条过江沉管隧道仑头—生物岛 隧道，首段55米长的沉管箱体成型
沉管隧道坞内舾装与水密性检验施工技术
沉管隧道坞内舾装与水密性检验施工技术任鸿【摘要】随着工程技术的发展,沉管隧道施工工艺以其便捷、经济、安全的优越性能,将在跨海、跨河交通工程建设中得以广泛应用.基于天津市滨海新区中央大道海河隧道工程施工,对沉管隧道浮运、沉放阶段其前期重要准备工作——坞内舾装与水密性检验施工,进行重点介绍,主要包括压载水箱、垂直千斤顶、管段接头GINA 止水带的安装以及管段水密性检验等施工技术,从而确保后续浮运沉放阶段施工质量安全,同时也为今后类似工程施工提供参考经验.【期刊名称】《国防交通工程与技术》【年(卷),期】2015(013)004【总页数】5页(P40-44)【关键词】沉管隧道;坞内舾装;压载水箱;垂直千斤顶;GINA止水带;水密性检验【作者】任鸿【作者单位】天津市成套设备工程监理有限公司,天津300222【正文语种】中文【中图分类】U455.46海河隧道工程位于天津市滨海新区塘沽，靠近天津港，是滨海新区中央大道穿越海河的一个重要节点工程。
工程全长4.2 km，隧道长3.38 km，其中穿越海河部分采用沉管法施工工艺。
工程施工主要包括：沉管段、岸上隧道段，立交桥、隧道综合配套等内容。
沉管段长255 m，由3节预制管段组成[1]，管段长85 m、85 m、(80+5)m。
采用双向6车道断面，沉管尺寸，宽36.6 m，截面高度为9.65 m。
设计使用年限100 a，按八度抗震性能设防。
沉管段和两侧连接段为两孔三管廊结构(见图1)，两孔为车行道范围，三管廊为综合管廊，用于放置过境的电力、热力、给水、通讯等管线。
沉管隧道舾装，相当于轮船建造完成后机械设备的安装。
沉管隧道的浮运沉放之前 [2]，需进行管段坞内舾装，然后进行管段的水密性检验。
管段坞内舾装主要工作包括：GINA止水带、端封门、压载水箱、管内垂直千斤顶以及管段吊点与系揽柱等构件安装。
沉管隧道坞内舾装件较多，也非常复杂。
其中管段接头GINA止水带，称为柔性接头，主要起到管段间防水作用，该产品由荷兰生产，目前全球只有3家生产厂家，国内暂不能生产；管段内压载水箱，每节管段4个大水箱、12个小水箱主要起到下沉、起浮的作用；管内的垂直千斤顶，每节管段设置2个，在沉管沉放就位后，主要起到调节高程的作用。
沉管隧道技术发展现状与分析
沉管隧道技术发展现状与分析摘要：近年来，沉管隧道技术在我国取得了长足发展，为了更好的了解我国沉管隧道技术的发展情况，从而进一步提高现有技术的应用能力，文章对国内外沉管隧道技术的现状进行了分析总结，并对港珠澳大桥沉管隧道工程、南昌红谷沉管隧道工程中关键沉管隧道技术的发展与创新进行了分析和论述，这将对沉管隧道的施工有一定的借鉴意义；最后，对我国沉管隧道技术的发展前景进行了展望。
关键词：沉管隧道；现状分析；技术；发展1.引言沉管法[1]是指在大型驳船上或干坞内先预制管段，再浮运至指定位置下沉对接固定，从而建成水下构筑物或过江隧道的施工工法。
沉管法自1910年在美国首次应用以来，工程届相继开展了大量研究，对所取得的成果进行了系统总结，使沉管隧道的设计方法、施工工艺及配套工程技术取得了长足进步[2]。
本文结合国内外已完工的沉管隧道工程，分析和论述沉管隧道技术的发展与创新，更好的了解国内外沉管隧道技术的发展现状，对进一步提高我国沉管技术的应用能力具有重要意义。
1.沉管隧道技术现状分析1.1.沉管隧道长度2017年之前，美国的旧金山海湾地铁隧道是世界上最长的沉管隧道，全长5825m，由111节管段组成；公路沉管隧道最长的是瑞典的厄勒海峡隧道，全长3560m，由20节管段组成。
至此之后，中国的港珠澳大桥沉管隧道便打破了已有公路沉管隧道长度不到4km的极限，沉管段长约5664m，由33节管段组成。
此外，在建的深中通道沉管段长度为5035m，由32节管段组成，建成后将成为国内长度排名第二的沉管隧道工程。
1.1.沉管隧道结构形式沉管隧道主要分为钢结构和混凝土结构沉管隧道，其中混凝土沉管隧道纵向结构可分为整体式和节段式两种基本形式。
节段式沉管隧道管节的长度一般为100m～200m之间，一个管节由若干个节段组成，每个节段长度约20～30m，节段与节段之间完全断开，通过柔性止水带相连，这种型式在欧洲采用广泛；整体式沉管隧道管节的长度一般在80m～120m，一个管节以若干施工缝划分并分批浇筑，最后形成混凝土结构整体，相邻施工缝之间的长度约20～30m，这种型式在亚洲采用较多。
沉管法
8.1.4 沉管法评述
适应性： 沉管隧道在施工时，将受气象、水文条件的制约，一定程度 上影响航运。 选择沉管隧道要考虑以下原则： 与城市总体规划要求的两岸交通疏解方案相协调。要保证隧 道与两岸所需衔接的道路具有良好的连接。 具有较为合适的河（海）航道、水文及河（海）床条件。沉 管隧道多在江河的下游修建，因下游河床较平坦，水流缓。水流 急或不稳定，河床有深沟、陡壁，都会给管节的沉放与对接造成 困难。 施工条件满足要求。如航道能否有足够的水深和宽度实施浮 运、转向和储放；隧址附近有无合适的干坞修建地带等。
8.1.1 沉管隧道的基本结构
8.1.1.1 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。
覆盖层 管段
基槽 基础
沉管隧道的管段断面结构
沉管隧道的管段断面结构形式按制作材料分， 主要有钢壳混凝土管段和钢筋混凝土管段两种； 按断面形状分有圆形、矩形和混合形；按断面 布局有单孔式和多孔组合式。
8.1 概述 沉管法：即按照隧道的设计形状和尺寸，先在隧 址以外的干坞中或船台上预制隧道管段，并在两端 用临时隔墙封闭，然后舾装好拖运、定位、沉放等 设备，将其拖运至隧址位置，沉放到江河中预先浚 挖好的沟槽中，并连接起来，最后充填基础和回填 砂石将管段埋入原河床中。用这种方法修建的隧道 又称水下隧道或沉管隧道。
上海外环沉管隧道隧道断面图
8.2 干坞
干坞是坞底低于水面的水池式建筑物，是修建矩形沉 管隧道的必需场所。通常是在隧址附近开挖一块低洼 场地用于预制隧道管段。干坞是一项临时性工程，隧 道施工结束后便完成其使命。
8.2.1 干坞的设计
干坞设计包括干坞形式、位置的选择，深度、面积等规模 大小的确定，坞坡、坞底、坞首、坞门结构的设计等。 干坞的形式： 干坞形式按其活动性有固定干坞和移动干坞两种。 干坞的位置： 固定干坞位置的选择方案有两种，一种是位于隧道设计轴 线上，该方案仅一个工程使用；另一种是位于隧道设计轴线外， 该方案有利于多个工程使用。 干坞的规模与尺寸 ： 干坞规模分大型干坞和小型干坞。大型干坞又叫一次性预 制管段干坞，小型干坞又叫分次完成管段干坞。
上海外环沉管隧道关键施工技术概述
上海外环沉管隧道关键施工技术概述朱家祥 陈 彬 刘千伟 白 云 在我国,采用沉管法修建大型水底交通隧道的历史不长,工程也较少。
上海外环隧道于1999年12月28日动工,2003年6月21日正式建成通车。
工程建设中涉及的干坞施工、管段制作、基槽浚挖和回填覆盖、岸壁保护工程、管段基础处理、管段接头和管段拖运沉放等一系列关键技术,直接关系到整个工程的成败,其中的经验对今后大型沉管隧道的施工也有借鉴价值。
1 工程规模上海城市外环线是上海市“三环、十射”快速道路系统的重要一环。
越江沉管工程是外环线北环中连接浦东、浦西的一个重要节点,是外环线的咽喉工程。
上海外环越江沉管隧道工程位于距吴淞口约2km 的吴淞公园附近,工程西起浦西同泰北路西侧,东至浦东三岔港,为双向八车道公路沉管隧道。
越江地点江面宽度为780m ,工程全长2882.8m ,包括江中沉管段736m (2节100m 、1节104m 和4节108m ,并内含一段长为2.5m 的最终接头)、浦西暗埋段457m 、浦西引道段282.7m 、浦东暗埋段177m 、浦东引道段207.3m 、接线道路1022.8m 。
浦东设有隧道管理中心大楼;浦西设有风塔1座。
全线设2座降压变电所、2座雨水泵房、2座消防泵房、2座江中泵房。
由于工程区段河床断面深潭位置紧逼浦西侧凹岸,所以隧道江中段最低点偏向西侧,江中线路设1个变坡点,竖曲线半径为3000m 。
为减少结构埋深以及江中基槽浚挖、回填覆盖等工作量,隧道平面采用半径为1200m 的曲线从深潭中心下游穿越过江,同时在河床断面深潭处将隧道顶抬高出河床底3.61m ,如图1。
图1 隧道纵剖面图 管段断面宽43m 、高9.55m (风机壁龛处高为10.15m ),为3孔2管廊8车道形式,结构底板厚1.5m ,顶板厚1.45m ,外侧墙厚1m ,内隔墙厚0.55m (图2)。
图2 管段横断面图2 工程地质和水文条件工程浦西段主要地层为:①1填土、②1褐黄色粉质粘土、②2灰黄色粉质粘土、③2灰色砂质粉土、③3灰色淤泥质粉质粘土、④灰色淤泥质粘土、⑤灰色粘土、⑥2草黄色粉质粘土、⑦1灰色砂质粉土;其中,③2层易产生流砂;④层含水量高、孔隙比大、强度低。
沉管隧道施工技术
目录第一部分沉管隧道的发展第二部分沉管隧道的主要分项工程第三部分海河沉管隧道施工技术第四部分国内其他沉管隧道简介第一部分沉管隧道的发展1.1 前言随着内河及远洋航运事业的发展，在江河下游、海湾（峡）通行轮船的吨位和密度越来越大，要求桥下通行的净空越来越高，跨度越来越大，使修建桥梁的造价及难度大增。
因此，人们寻求另一种跨江河及海湾的新方式，即水下隧道的方式来实现。
主要有如下几种方式：（1）矿山法。
（2）盾构法。
（3）围堰明挖法。
（4）沉埋管段法（简称沉管法）。
1.2 沉管隧道的优越性（1）隧道顶的覆土层厚度可达到零覆盖，使隧址两岸的经济高速发展、社会活动频繁地区的交通疏解能得到最大限度的优化；（2）施工功能的多元化和隧道宽度的增大，达到大容量机动车的通行与轨道交通高速通行的目的；（3）建设期间可实现多工作面作业的工程策划，施工工期较短；（4）沉管隧道水中段结构考虑抗浮设计，因此对地基承载力无特殊要求，有利于该工法在软弱地层中的应用，特别在江河下游地区。
1.3 沉管隧道的适用条件沉管隧道在施工时，将受气象、水文条件的制约，一定程度上影响航运。
选择沉管隧道要考虑以下原则：（1）与城市总体规划要求的两岸交通疏解方案相协调。
要保证隧道与两岸所需衔接的道路具有良好的连接。
（2）具有较为合适的河（海）航道、水文及河（海）床条件。
沉管隧道多在江河的下游修建，因下游河床较平坦，水流缓。
水流急或不稳定，河床有深沟、陡壁，都会给管节的沉放与对接造成困难。
（3）施工条件满足要求。
如航道能否有足够的水深和宽度实施浮运、转向和储放；隧址附近有无合适的干坞修建地带等。
1.4沉管隧道的发展历史自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150余座沉管隧道。
其中，长度在1400m以上的有13座，大于2000m的5座。
各国修建的沉管隧道长度情况我国早在20世纪60年代初在上海展开过此类工法理论研究。
1976年在杭州湾的上海金山石化工程中首次应用建成一座排污水下隧道；1972年我国香港地区建成跨维多利亚港沉管隧道；1984年我国台湾地区建成高雄港沉管隧道；1993年建成珠江沉管隧道，成为我国大陆首次采用沉管法的隧道工程。
沉管隧道的施工技术及质量控制
沉管隧道的施工技术及质量控制沉管隧道是一种在水下或地下运输系统中常用的隧道类型，它具有一定的施工技术和质量控制要求。
本文将以沉管隧道的施工技术及质量控制为主题，对其进行探讨和分析。
一、沉管隧道的施工技术1. 地质勘察：在施工之前，要进行详细的地质勘察，确保了解施工地点的地质情况，包括土壤类型、地下水位等，以便为后续的施工工作提供参考和依据。
2. 沉管制作：沉管的制作是沉管隧道施工的首要步骤。
一般采用钢筋混凝土预制构件的方式进行制作，制作过程中要严格按照设计要求进行施工，保证沉管的质量和稳定性。
3. 沉管下沉：下沉是沉管隧道施工的关键环节，采用船舶和浮吊等设备将已制作好的沉管放置到隧道预定位置，并逐渐下沉至设计要求的深度，同时要保证沉管的稳定性和垂直度。
4. 沉管连接：沉管下沉到位后，进行沉管的连接工作，包括密封胶的填充、钢筋的连接等。
连接工作要保证连接点的刚度和密封性，以确保沉管隧道的完整和稳定。
5. 沉管固定：为了保证沉管隧道的稳定性，还需要对沉管进行固定。
一般采用沉箱固定和土工固定的方式，通过对沉管周围的土体进行填充或施加沉箱来增加沉管的稳定性。
二、沉管隧道的质量控制1. 制作质量控制：沉管的制作过程中要进行严格的质量控制，包括原材料的选用、制作工艺的控制、强度试验等。
制作质量的控制对隧道的使用寿命和安全性有着重要的影响。
2. 下沉质量控制：沉管下沉过程中要进行监测和控制，包括下沉速度、沉管位置等。
通过监测，可以及时发现和处理下沉过程中可能出现的问题，确保下沉质量。
3. 连接质量控制：沉管连接过程中要进行质量控制，包括连接点的密封性和刚度控制。
连接质量的控制对隧道的密封性和稳定性有着重要的影响。
4. 固定质量控制：沉管固定过程中要进行质量控制，包括固定方式的选择和土工固定的监测。
固定质量的控制对隧道的稳定性和安全性具有重要作用。
综上所述，沉管隧道的施工技术及质量控制是确保沉管隧道工程质量和安全的关键。
沉管隧道设计简介PPT课件
结构设计
(4)管段基础处理 ➢目的：使管段沟槽底面平整
由于浮力的存在，沉管隧道对基础承载力要求不高，但由于开挖后的基槽非常 不平整，如不处理，会产生导致结构破坏的不均匀沉降 ➢处理方法：灌砂法、喷砂法等 ➢技术标准：灌砂基础压缩量和抗压强度
防水设计
➢包括管段结构自身防水与管段接头密封防水，本培训仅简单介绍管段接头密封防 水
6
工况描述 管段浮运阶段 管段临时支撑阶段
考虑永久荷载 考虑车辆荷载 考虑地基不均匀 考虑沉船荷载
荷载
自重、施工荷载、水压力
自重（含压重）、施工荷载、水压力、支 撑力
自重、设备荷载、水土压力、基础抗力、 混凝土收缩
工况3荷载+车辆荷载
自重、设备荷载、水土压力、混凝土收缩、 不均匀基础抗力
工况4荷载+沉船荷载
施工步序
沉管隧道施工大致包括以下八个步骤： ✓第一步：干坞开挖（用于制作预制管段） ✓第二步：预制管段制作 ✓第三步：干坞进水，打开坞门
施工步序
✓第四步：沉放基槽开挖及清淤 ✓第五步：将预制管段浮运至基槽指定位置 ✓第六步：管段沉放及接头安装
施工步序
✓第七步：基础处理 ✓第八步：基槽回填覆盖
结构设计
沉管隧道类型
分类标准 隧道种类
用途
（1）铁路隧道 （2）道路隧道 （3）人行隧道 （4）水工隧道 等
断面形状
（1）圆形 （2）八角形 （3）矩形等
材料
（1）钢材 （2）钢筋混凝土
发展历史
第一条沉管隧道：美国波士顿的雪莉排水管隧洞于1894年建成，直径2.6米，长96 米，由6节钢壳圆管加砖砌的管段连接而成(第一代沉管隧道)
Any Questions?
隧道施工第十三章 沉管施工PPT课件
一、钢筋混凝土沉管的结构设计
2、结构分析与配筋 （1）横断面结构分析
为避免采用剪力钢筋，改善结构受力性能，减少裂缝出现，在水底 隧道沉管结构中，常采用变截面或折拱形结构。
图9-4沉沉管折管拱折型拱结型构结构
一、钢筋混凝土沉管的结构设计
（2）纵向结构分析
施工阶段的沉管纵向受力分析，主要是计算浮运、沉 设时、施工荷载、波浪力所引起的内力。
使用阶段的沉管纵向受力分析，一般按弹性地基梁理 论进行计算。
一、钢筋混凝土沉管的结构设计
（3）配筋
因抗剪的需要，沉管应采用较高标号的混凝土，一般 采用28天强度为30～45Mpa的混凝土。
沉管结构不容许出现任何通透性（即管壁内、外穿透 的）裂缝；非通透性裂缝开展宽度应控制在0.15～ 0.2mm以下，因此，不宜采用Ⅲ级及Ⅲ级以上的钢筋。
设计时，混凝土与钢筋的容许应力可参照《铁路隧道 设计规范》。
二、浮力设计
干舷
管段在浮运时为了保持稳定，必须使管顶面露出水面， 其露出高度称为干舷。具有一定干舷的管段遇风浪发生 倾侧后，会自动产生一个反倾力矩，使管段恢复平衡。
一般矩形断面的管段干舷多为10～15cm，而圆形、八 角形或花篮形断面的管段则多为40～50cm。干舷高度 不宜过小，否则稳定性差；但也不宜过大，干舷越大， 所需压载水箱（或水罐）的容量就越大，不经济。我国 广州珠江隧道沉管干舷为14.22cm，而宁波甬江隧道则 采用10.14cm。
三、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ管隧道的分类
2、矩形沉管 荷兰的玛斯隧道（Mass，1942年建成）首创矩形沉管以 来，目前世界各国（除美国外）大都采用矩形沉管。
矩图形9-折2 拱矩形形折结拱构形结构
(a）六车道六矩车形道矩沉形管沉管 (b)八八车车道道矩矩形形沉管沉管
外海沉管隧道项目工期策划研究
外海沉管隧道项目工期策划研究
李一勇;宁进进;董辉;高衡;赵浩波
【期刊名称】《中国港湾建设》
【年(卷),期】2024(44)5
【摘要】港珠澳大桥通车后,沉管隧道目前已成为实现海上通途的工程方案选择之一,对于投资方和社会效益方面,工期是比较受关注的因素。
通过收集港珠澳大桥、深中通道等项目的施工信息,结合外海沉管隧道施工关键线路梳理,以沉管浮运安装为主线,从人工岛止推段、沉管预制和最终接头等方面提出了快速完成外海沉管隧道施工的工期策划相关建议,可为后续外海沉管隧道施工提供参考。
【总页数】6页(P22-26)
【作者】李一勇;宁进进;董辉;高衡;赵浩波
【作者单位】中交第一航务工程局有限公司;中交集团海岸工程水动力重点实验室;中交一航局第二工程有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U655.1;U455.46
【相关文献】
1.外海沉管隧道计价体系研究与应用——以港珠澳大桥为例
2.外海沉管隧道节段接头剪力键受力研究
3.外海沉管隧道浮运安装施工的风险管理研究
4.城市地铁隧道施工期间地层隆沉预测方法研究
5.外海超长沉管隧道设计关键技术研究
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