沉管法与盾构法在水下修建隧道的技术优劣比较

沉管法与盾构法在水下修建隧道的技术比较以及隧

道口的基坑支护

中国在城市化进程中，各大城市必然会不断扩张，与周边城市逐渐靠拢，形成城市群，这就要求城市之间的交通联系必须紧密。我们河南境内有黄河、淮河两条大河，在这两条河边的城市将来在于周边城市交流的时候必然面临着跨越河流这个交通问题。虽然现在河南在处理河流上的交通时还是采用架桥的方式，但将来肯定会修建水底隧道，所以提前比较一下沉管法与盾构法在水下修建隧道的技术优劣还是有必要的。

俗话说：逢山开路遇水架桥，但是随着科学技术的进步,人们已经意识到“遇水架桥”不再是唯一选择。而且从安全和环保方面考虑,修建水底隧道比建桥更为优越。目前，国内外隧道施工采用的施工方法主要有盾构法、沉管法、明挖法和暗挖法等4种，近年来被广泛使用的是盾构法和沉管法。

盾构法修建隧道开始于1818年，当时法国工程师布鲁诺尔研究并取得专利权，1825年在英国泰晤式河首次建造成功。沉管法修建隧道是在19世纪末，美国首先建成波士顿的下水道工程，又于1928年建成了第一条沉管道路隧道。

盾构是一种钢制的活动防护装置或活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市中心区修建的一种隧道。其构造通常由盾构壳体、推进系统、拼装系统、出土系统等4大部分组成。在盾构的掩护下，头部可以安全的开挖地层，一次掘进相当于装配式衬砌一环的宽度。尾部可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌，并将衬砌与土层之间的空隙用水泥压浆填实，防止周围的地层继续变形和围岩压力的增长。盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶，用千斤顶将拼成的衬砌环推进到已挖好的空间内，然后缩回活塞杆，为下一环衬砌拼装创造条件。盾构形状大致可分为圆形、半圆形、矩形、马蹄形4种，圆形因其抵抗水压力较理想，衬砌拼装简便，构造可以互换，在工程中运用较为普遍。

沉管法亦称预制管段法或沉放法。先在隧址以外的船台上或临时干坞内制作隧道管段（管段每节长度一般在60-100m，目前最长的达268m），并于两端用临时封端墙封闭起来。预制完成后用拖轮拖运到隧址指定位置。这时已于隧位处预先挖好了一个水底基槽。待管段定位就绪后，向管段内灌水压载，使之下沉。然后把沉放的管段在水下联接起来。经覆土（石）回填后，便筑成隧道。沉管隧道的断面开关可分为圆形和矩形。圆形隧道管一般只能设两个车道，建设多车道时，则需两管或多管并列。矩形断面适于建造多车道。

沉管法在19世纪末已用于排水管道工程；20世纪初叶，开始用于交通隧道；50年代以后，由于水下连接技术的突破──采用水力压接法，并应用橡胶垫圈作止水接头，沉管法被广泛采用，并随之较快地发展。60年代后期，又出现了不设通风道，又无通风机房的第三代沉管隧道。

沉管法的技术优点在于：首先，从地层条件来看，沉管隧道在地基上不受地质条件的限制，对地基允许承载力的要求也很低，一般5N/cm2左右。第二，沉管隧道的埋深很浅，并且适用水深范围较大，因大多作业在水上操作，水下作业极少，故几乎不受水深限制，如以潜水作业实用深度范围，则可达70米。第三，断面形状、大小可自由选择，断面空间可充分利用。大型的矩形断面的管段可容纳4～8车道，而盾构法施工的圆形断面利用率不高，且只能设双车道。第四，沉管隧道工期短，施工质量高，易于做好防水措施；管段较长，接缝很少，漏水机会大为减少，而且采用水力压接法可以实现接缝不漏水。第五，工程造价较低。因水下挖土单价比河底下挖土低；管段的整体制作，浮运费用比制造、运送大量的管片低得多；又因接缝少而使隧道每米单价降低；再因隧道顶部覆盖层厚度可以很小，隧道长度可缩短很多，工程总价大为降低。第六，具有很强的抵抗战争破坏和抗自然灾害的能力。在战争条件下，一颗精确制导炸弹或巡航导弹就能摧毁一座坚固的大桥，不仅桥梁自身的交通中断，并且阻塞江河海港航道。而水下隧道却能安然无恙。第七，国内外的沉管隧道技术比较成熟。沉管法的适用范围：水道河床稳定和水流并不过急。前者不仅便于顺利开挖沟槽，并能减少土方量；后者便于管段浮运、定位和沉放。

盾构法修建隧道已有 150余年的历史。在1818年开始研究盾构法施工，并于1825年在英国伦敦泰晤

士河下，用一个矩形盾构建造世界上第一条水底隧道（宽11.4米、高6.8米）。从1897～1980年，在世界范围内用盾构法修建的水底道路隧道已有21条。德、日、法、苏等国把盾构法广泛使用于地下铁道和各种大型地下管道的施工。

盾构法的技术优点有：1、安全开挖和衬砌，掘进速度快；2、盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。3、不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；4、穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动；5、在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。盾构法的施工范围：在松软含水地层，或地下线路等设施埋深达到10m或更深时，可以采用盾构法，即，1、线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井；2、隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m且不小于盾构直径；[2]3、相对均质的地质条件；4、如果是单洞则要有足够的线间距，洞与洞及洞与其它建（构）筑物之间所夹土（岩）体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m,竖直方向1.5m；5、从经济角度讲，连续的施工长度不小于300m。

综合考虑黄河流域的地质和水文条件，盾构法比沉管法有一定的优越性。在地质条件上，黄河下游地质为第四系近代沉积层，基岩埋置很深，一般在地面以下50m。土层以粉砂、粘砂土和砂粘土为主，夹有粘土和中细砂层，局部土层含有姜石，最上层为粘砂土或粉砂，易被冲刷，其下层为较密实的粘砂土或软塑－硬塑砂粘土，厚度约15m～17m，距河床面约12m，抗冲能力较强。由于河底泥沙易被冲刷，就要求沉管法的开挖深度比较深，所以地质条件比较适合盾构法施工。在水文条件上，考虑到黄河每年汛期突发性洪水较大，还有上游水库的调水调沙影响，不适合沉管法施工。而盾构法却不受季节影响，也不会影响航运，所以盾构法比沉管法更优越。此外，郑州市在建造地铁过程中已经使用了盾构技术，对盾构技术比较熟悉，具有技术优势。

对于隧道的防水问题，水下隧道经过含水丰富的地层必将受到地下水的侵害。如果没有可靠的防水、堵漏措施，地下水就会侵入隧道，影响其内部结构与附属设备，乃至危害到地下交通的运营和降低隧道使用寿命。盾构法施工隧道的防水包括盾构推进过程中的施工防水和隧道本身的防水。前者根据不同类型的盾构有不同的施工方法及采用冻结、气压、加泥水、背后注浆等辅助工法来解决施工防水问题。盾构法施工隧道的防水，必须采取“以防为主，多道防线，综合治理，标本兼治”的原则。所谓“综合处理”，即不但要从防水设计、施工着手，还要从衬砌结构设计、管片拼装质量、控制隧道的后期不均匀沉降等方面进行综合处理。合理正确的设计，精心科学的施工，可靠的质量保证体系，三者缺一不可。

对于水下隧道出入口的基坑支护，可以采用液氮冻结土层达到临时支护和防水的作用。由于水下隧道口靠近水源，地下水丰富，不能采用深井降水的方法达到降水的目的。可以先在要施工的范围里钻孔后伸入通有液氮的管道，对周围含水土体进行冻结。冻土帷幕达到设计厚度及强度后,开始隧道开挖，隧道开挖采用交叉中隔壁(CRD)法分6部进行。开挖进尺控制在10m,开挖后及时支护。初期支护采用钢格架喷射，二次衬砌采用钢筋混凝土支护，具有挡土、止水的双重功能，并且施工中具有无振动、无噪音、无污染挤土轻微的优点。