沉管隧道施工技术

弯矩MⅠ 导入轴压力No
中性轴 σb=No/A-M/W=0
接头张开后状态（中性轴位于断面内）
弯矩MⅡ
导入轴压力No
弯矩MⅡ
中性轴
导入轴压力
MⅠ=(W/A)×No 其中、 MⅠ：接头张开极限状态弯矩,kN・m W：截面系数,m3
A：断面面积,m2
张开角θ＝0 转动刚度 KθⅠ＝∞
接头张开后极限平衡状态（中性轴位于断面上缘）
·过去绝大部分的沉管隧道敷设于河床或海床面上，除了人工回填覆盖提供 保护外，覆土几乎没有或很小，结构分析主要考虑抗浮问题。
·当隧道穿越航道时，沉管隧道需要敷设于航道以下，航道以外区域在隧道 建成后将逐渐回淤至河床或海床面而产生较大的覆土（或回淤）荷载，使得结构 分析既要考虑抗浮，又要考虑处理结构与地基基础沉降相协调问题。
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2.1 地质勘察
·以往的沉管隧道一般位于河床表面上，对地基承载力要求不高，有时怕 浮不怕沉，因此对勘察要求也不高，随着通航要求和回淤问题的出现，现代沉 管隧道工程对地质勘察工作要求也越来越高，需要精细化的勘察分析。
·勘察布孔应与沉管隧道的结构设计计算理论相结合，利用用岩土工程理 论解决地层分层、土地分类、物理力学指标和地基土的工程特性如承载能力、 抗剪强度、固结系数和渗透系数等，并对地层反力系数K值进行评估。
筹建中的费马恩海底沉管隧道，长达19km，车之时欧洲的汽车排放已达到欧Ⅴ标准）。
·考虑我国国情，若汽车排放标准不能提高，随着公路隧道长度的进一步 增加，隧道通风能力将成为制约隧道长度的瓶颈，在技术上需要进一步的突破。
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·当隧道发生火灾，纵向通风方式的防火排烟效果较差，会将大量烟气吹 向火区下游，同时也未必能阻止烟气回流，严重影响车辆疏散和人员逃生，因 此在采用纵向通风方式的同时应该采用重点排烟技术方案，通过开启火灾点附 近的排烟阀就近排除烟气，及时控制烟气蔓延。
·对于隧道的纵向分析，沉管隧道有以下特点： （1）对于钢筋混凝土箱式矩形结构的管节接头，采用水力压接，由GINA止 水带形成第一道止水，Ω止水带作为第二道止水，形成了柔性接头。若接头其余 部分采用混凝土浇筑连接，则形成刚性接头 （2）对于管节接头，GINA止水带受压而储存着压缩能量，接头抗弯刚度与 其橡胶材料性能和压缩情况有关； （3）对于节段接头，钢边止水带和OMEGA止水带对两侧混凝土结构作用力 相对较小，接头抗弯刚度则与混凝土接触状态有关，接触状态也与轴向压力有 关。
·纵向通风方案的土建工程量小，设备运营费用相对较低，方式相对灵活 多样，但洞内的环境状况和防火排烟效果稍差，需与重点排烟相结合。
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·从国内外的发展历程看，都基本经历了从全横向通风、半横向通风向纵 向通风逐渐过渡的过程。
韩国釜山-巨济沉管隧道和港珠澳大桥沉管隧道，均采用纵向通风方式；欧 洲各国近几年的通风理念也逐渐有所改变，对于双洞单向运营的公路隧道，纵 向通风也逐渐成为主流。
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·一般采用以CPTU为主，并与钻探相结合的勘察方法。 ·主要适用于海、陆相交替的冲积层和沉积层，可快速判别粘性土、粉性土 和砂性土地层。 CPTU 间接指标 经验公式 计算变形参数 计算沉降量 ·需在原位或同类土质地层应用静载压板试验或螺旋压板试验进行对比或修 正，还需结合鉴别孔和技术孔进行分析。 ·现代的沉管隧道设计还需要考虑施工存在不确定性的影响，例如地基刚度 的不确定性（包括勘察不确定性、基槽超欠挖和基础不平整等因素引起）对隧道 结构内力和变形也会有明显影响。
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横断面结构型式对比：
（1）圆形钢壳结构特点： ①水密性好；②预制容易；③浮运航道条件要求不高；④钢材用量大，造价昂贵； ⑤断面利用率不高；⑥浮态浇筑内衬钢筋混凝土；⑦一般需采用外部永久压重。 （2）钢筋混凝土矩形箱式结构特点： ① 对于采用纵向通风+重点排烟的道路隧道，可大大压缩了竖向尺寸，提高了路 面标高，减少基槽开挖量，有利于与两岸（人工岛）道路衔接，缩短了隧道段长 度，使人工岛体量得到控制，减小阻水率； ② 不受横向尺寸限制，特别适用于多条车道或公铁合建，横断面利用率高； ③ 有利于横向联络通道的布设； ④ 浮运时干舷较小，对浮运航道条件要求高。 ·可见，钢筋混凝土箱式矩形结构是目前沉管隧道建设的主流型式。 对于覆土：
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1.3 服务功能
·过去修建的沉管隧道，大部分为城市道路或公路隧道，对于圆形钢壳型 式，多数为单孔双向双车道。
·在矩形钢筋混凝土结构出现之后，普遍为双向四车道，部分根据交通量 需求采用双向六车道。
·目前高速公路普遍要求达到双向六车道标准： 港珠澳大桥沉管隧道，100km/h双向六车道，单孔三车道，成为单孔跨度
·土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道（沉管段长约1387m）标准管节长135m。 ·厄勒海峡沉管隧道（沉管段长约3.5km）标准管节长176m。 ·韩国釜山-巨济沉管隧道（沉管段长约3.3km）标准管节长180m。 ·在建中的港珠澳大桥沉管隧道（沉管段长约5.7km）标准管节长180m。 ·1980年建成的荷兰的海姆斯普尔（Hemspoor）隧道标准管节长268m，目 前仍保持着最长钢筋混凝土矩形管节的纪录。 ·拟建的费马恩海湾沉管隧道（沉管段长17.6km）标准管节采用了长217m 的节段式钢筋混凝土矩形结构（招标方案）。
弯矩MⅢ
工
导入轴压力No
况
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h/2
h/2
弯矩MⅢ
导入轴压力No
中性轴
θ
M 状态Ⅲ KθⅢ=0 MⅢ＝(h/2)×No MⅠ=(W/A)×No 状态Ⅱ
C 弯矩Mco
导入轴压力
MⅢ=(h/2)×No 其中、 MⅢ：最大抵抗弯矩,kN・m h：断面高,m
转动刚度 KθⅢ＝０
M MⅢ＝(h/2)×No
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欧洲的经验主要是以一定的偏差波动（一般取15~20%）和根据管节长度 计算最不利的偏差波长进行计算，并以此进一步确定CPTU的布孔间距，
地基刚度变化示意曲线
原位测试孔布孔原则： 考虑管节长度和最不利偏差波长； 鉴别孔； 消散孔（孔压消散试验）。
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2.2 结构力学分析
·沉管隧道由于存在接头而在结构力学行为上变得比较复杂。结构横断面 分析和设计需要解决其行车孔跨度随车道数增加而增加所带来的弯矩内力急剧 增加，随着水深和回淤的增加，则需要考虑对断面进行优化。
最大（14.25m）的沉管隧道。
·部分工程需要双向八车道： 美国采用钢壳结构的Fort McHenry隧道、荷兰采用矩形钢筋混凝土结构的 Drecht隧道（这两座隧道断面形式相同），为目前世界上仅有的两座双向八车 道水下道路隧道（四孔，每孔两车道）。 我国规划中的深中（深圳-中山）通道，要求达到双向八车道的高速公路建 设标准，若不能降低通行能力（两车道每孔），需进一步解决单孔四车道的大 跨混凝土矩形结构的受力问题（单孔跨度达19.25m）。
刚性接头
柔性接头
管节接头构造
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节段接头构造
可以看出，节段接头刚度与管节纵向轴力（或者说与环境水压）有关。
接头张开极限状态（全断面压缩、中性轴位于断面下缘）
工 况 1 导入轴压力No
弯矩MⅠ
h/2 h/2
θ=0
弯矩MⅡ
工
况
导入轴压力No
2
h/2 h/2
θ
弯矩MⅠ 导入轴压力No
σt=No/A+MⅠ/W
状态Ⅲ KθⅢ=0
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·沉管隧道的纵向分析的本质是通过对接头刚度的量化分析，考虑隧道在 荷载、地基、管节温度应力、混凝土收缩和徐变、GINA止水带松弛和劣化、地 震等各种作用下，计算纵向结构的变形与内力，然后对接头剪力键受力和止水 带水密性进行验算与设计。
·现代隧道设计理论将结构与围岩视作整体进行分析考虑，其原理也适用 于沉管隧道的纵向分析。传统上，由于受计算工具的制约往往将结构受力与地 基沉降的分析分开进行。现代的纵向分析方法应能将沉管隧道地基设计和结构 设计两个子系统集成起来，通过相互迭代分析，同时计算出纵向沉降、结构变 形与内力、接头张开量、剪力键受力等结果。因此，纵向分析需与地基处理方 法相结合。
结构使用性能
老化（劣化）过程
使用年限
（性能）极限状态
o
时间 A
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考察沉管隧道的发展历史及近期的几座典型沉管隧道： ·丹麦-瑞典厄勒松海峡沉管隧道 ·土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道 ·韩国釜山-巨济沉管隧道 ·港珠澳大桥沉管隧道
发展趋势： 1. 钢筋混凝土箱式矩形结构逐渐取代圆形钢壳结构； 2. 长度从2km以内发展到>3km； 3. 水深从20m左右发展到>40m； 4. 单孔跨度越来越大； 5. 从江河海湾发展。
现代沉管隧道工法和技术
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主要内容
一、现代沉管隧道的发展与技术需求 二、现代沉管隧道的设计理论与方法 三、现代沉管隧道的施工、装备与产品 四、结束语
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1.1 断面型式
采用圆形断面的钢壳结构型式，在北美得到推广。 采用矩形钢筋混凝土结构的沉管隧道出现在欧洲 日本采用了美式的单层钢壳结构。 1980年大马隧道采用了钢筋混凝土结构型式，断面型式逐渐被矩形所取代 土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道采用了钢筋混凝土矩形结构。 韩国釜山-巨济海底沉管隧道也采用钢筋混凝土箱式矩形结构 香港红磡道路海底隧道采用双圆形钢壳钢筋混凝土复合结构沉管隧道 我国境内建成的沉管隧道有广州珠江1座、宁波甬江2座和上海黄浦江1座， 以及正在建设的广州市仑头—生物岛、生物岛—大学城和洲头咀三条越江沉管 隧道、佛山市东平河沉管隧道、天津市海河沉管隧道、港珠澳大桥海中沉管隧 道、南昌赣江红谷沉管隧道，也均采用钢筋混凝土箱式矩形结构。
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1.4 隧道长度与管节长度
·1910年在美国底特律河下修建的沉管隧道全长只有782m，每节管长78.2m， 共有10节。
·后来修建的美国旧金山湾区快速轨道运输系统（BART）沉管隧道，长 5825m，每节管长102.2m，目前仍保持为世界最长的沉管隧道。
·在上个世纪，世界上修建的沉管隧道长度一般在2km以内，每节管节一般 在100~130m的范围内，目前，沉管隧道的长度已增加至3km以上，管节长度也进 一步增大。
·传统的钻探获取的土样不可避免的受到扰动而难以获取较为准确的参数， 而且在隧道沿线及周边需布设一定密度的勘探孔，传统的钻探工作将大量增加 海上作业的时间和成本，而且与航道运营相互干扰，海事协调难度大。
·在欧洲普遍采用静力触探（CPT、CPTU）和钻探相结合的手段进行沉管隧 道工程的地质勘察。
·港珠澳大桥沉管隧道建设也引入了CPTU，研究解决CPTU与国家勘察标准 规范取值之间的相应关系。
·节段接头刚度、管节接头刚度和地基刚度得以量化和合理匹配，是现代 沉管隧道工法纵向计算与设计的关键技术。
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·还需考虑适合沉管隧道的抗震分析方法。
・接头（管节间，节段间，非线性） ・沉埋隧道（梁单元，线弹性）
・隧道～地基相互作用弹簧 （隧道轴向，横方向，铅直方向）
地震位移响应
・多点非一致地震位移波激励 （隧道轴向，横方向）
·同时还需配备火灾报警系统和灭火系统（泡沫水喷淋）。 ·为了更快更及时地对火灾进行控制，缩短人为反应时间，应进一步研发 火灾自动监测和定位系统，实现排烟风阀、灭火装置、射流风机和疏散指引信 息的自动响应与控制。
·应针对主体结构和接头进行不同防火处理。接头要考虑橡胶工作温度不 大于70℃。
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2.4 耐久性设计
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2.3 通风与消防
·长大隧道的通风方案有三大类方式：全横向通风、半横向通风和纵向通 风。
·如果采用全横向和半横向通风，隧道内的卫生状况和防火排烟效果好， 在同一隧道内双向运营的更为合适，但是其同样需要较大的风道面积，对风阀 开度调节的技术要求较高，初期的土建费用、设备费用以及后期的通风运营费 用很大。
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·随着隧道长度的增加和建设工期的要求，管节长度需要进一步增大，同 时由于混凝土温度应力和收缩徐变等因素的影响，长管节结构需以节段式取代 整体式：
·这将使结构受力矛盾转嫁为管节（沉管段）水密性矛盾。
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1.5 腐蚀环境与设计使用寿命
·以往修建的沉管隧道，大部分处于江河下游，耐久性矛盾并不突出。 ·从20世纪90年代以后，沉管隧道工程从江河环境逐渐向江河入海口、海湾 环境甚至跨海峡环境发展，暴露在海洋环境中混凝土结构耐久性又面临进一步挑 战，传统的耐久性设计理论和方法不能满足复杂腐蚀环境和设计使用寿命的需求。