第十講沉管法施工技術(shù)

1、地下工程施工技術(shù)東華理工大學(xué)建筑工程學(xué)院巖土與地下工程教研室第三講第三講 沉管隧道施工沉管隧道施工 一、概述一、概述二、二、水下沉管隧道施工技術(shù)一、概述一、概述 水底隧道的施工方法：圍堤明挖法、礦山法、氣壓沉箱法、盾構(gòu)法以及沉管法。 世界上第一條沉管鐵路隧道建于1904年，穿越美國Michigan州和加拿大Ontario省之間的Detroit河； 沉管法是十九世紀(jì)五十年代起普遍應(yīng)用,如今共有100多座沉管隧道 。沉管法定義 沉管法亦曾稱作預(yù)制管段沉放法 先在船塢中或船臺(tái)上預(yù)制鋼殼混凝土或鋼筋混凝土的隧道管段；然后兩端用臨時(shí)封墻密閉，浮放在水中，用拖輪運(yùn)至預(yù)先挖好溝槽、整好地基的隧道設(shè)計(jì)位置上，

2、接著往管段內(nèi)灌水，使之下沉至預(yù)定的標(biāo)高。在各管段沉放就為后，在水中將各管段連接起來，再在隧道上面覆土回填，最后抽出隧道內(nèi)的水，并拆除管段內(nèi)的封閉墻，完成內(nèi)部裝修后即構(gòu)成隧道。 歷史與現(xiàn)狀 二十世紀(jì)50年代解決了兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)水力壓接法和基礎(chǔ)處理，沉管法已經(jīng)成為水底隧道最主要的施工方法，尤其在荷蘭。 我國現(xiàn)有6條沉管法隧道：上海金山供水隧道，寧波（寧波甬江水底隧道）、廣州（廣州珠江水底隧道）、香港（香港西區(qū)沉管隧道、香港東區(qū)沉管隧道）和臺(tái)灣。沉管法沉管法世界沉管隧道的技術(shù)發(fā)展趨勢有以下幾點(diǎn)： （）每節(jié)管節(jié)的長度越來越長，每節(jié)管節(jié)中的車道數(shù)越來越多。管節(jié)長度由原來的發(fā)展到了現(xiàn)在的，單節(jié)重量達(dá)到了萬萬

3、。車道數(shù)過去多為車道，目前已達(dá)到車道。 （）從單一用途向多用途發(fā)展。過去多為城市公路或鐵路水下隧道，現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了道路、地鐵、公路的共同設(shè)置，甚至可同時(shí)設(shè)置公共管廊。 （）對(duì)地基的適應(yīng)性越來越廣。不僅可建造在較堅(jiān)硬河、海基床上，現(xiàn)在也可修建在軟弱地基上。 （）制造管節(jié)的材料逐步由鋼筋混凝土代替。由于過去用的鋼殼混凝土管存在車道少、用鋼量大、造價(jià)高、易銹蝕等諸多缺點(diǎn)，現(xiàn)已較多地采用鋼筋混凝土。 （）管節(jié)的預(yù)制工藝方法得到了改進(jìn)。廣州在建的兩座新隧道改變了傳統(tǒng)的陸地固定干塢制作方式，國內(nèi)首次使用“船上移動(dòng)干塢法”預(yù)制管節(jié)的新工藝。 （）隧道的斷面形式經(jīng)歷了從圓形到矩形的發(fā)展過程。全世界修建的圓形鋼殼管

4、段沉管隧道大多在北美，歐洲采用得不多。年，荷蘭首次采用矩形鋼筋混凝土管節(jié)。日本的沉管隧道有采用圓形鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，采用矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。現(xiàn)多用矩形斷面，高，寬度十幾米到數(shù)十米不等?？讛?shù)由單孔向雙孔、三孔發(fā)展。沉管法評(píng)述 沉管法的優(yōu)點(diǎn) （）對(duì)地質(zhì)水文條件適應(yīng)性強(qiáng)（軟弱地層），施工方法簡單。 （）施工工期短，對(duì)航運(yùn)干擾小，施工質(zhì)量容易保證。 （）工程造價(jià)較低。 （）有利于多車道和大斷面布置。 （）接頭少、密實(shí)度高、隧道防滲效果好。 （）具有很強(qiáng)的抵抗戰(zhàn)爭破壞和抗自然災(zāi)害的能力。沉管隧道的橫斷面結(jié)構(gòu) 沉管隧道有圓形和矩形兩類，其設(shè)計(jì)、施工及所用材料有所不同。 （1）圓形沉管隧道：）圓形沉管隧道：這

5、類沉管內(nèi)邊均為圓形、外邊則為圓形、八角形或花籃形，多半用鋼殼作為防水層； （2）矩形沉管隧道：在每個(gè)斷面內(nèi)可以同）矩形沉管隧道：在每個(gè)斷面內(nèi)可以同時(shí)容納時(shí)容納28個(gè)車道，矩形斷面的空間利用個(gè)車道，矩形斷面的空間利用率較高。率較高。 整體結(jié)構(gòu) 水下沉管隧道的是由管段基槽、基礎(chǔ)、管段、覆蓋層等組成，整體坐落于河（海）水底，如圖所示 沉管隧道橫斷面圖（臺(tái)灣高雄）沉管隧道的縱斷面結(jié)構(gòu) 沉管隧道在縱斷面上一般由敞開段、暗埋段、沉埋段以及岸邊豎井等部分組成，如下圖所示。 豎井通常作為沉埋段的起訖點(diǎn)以及通風(fēng)、供電、排水、運(yùn)料和監(jiān)控等的通道，但是，根據(jù)具體的地形、地貌和地質(zhì)情況，也可將沉埋段和暗埋段直接相連而

6、不設(shè)豎井二、水下沉管隧道施工技術(shù) 1.干塢 2.管段制作 3.沉管隧道的浚挖 4.管段沉放與連接 5.基礎(chǔ)處理及回填沉管法施工工藝流程沉管法施工的一般工藝流程中管段制作、基槽浚挖、管段的沉放與水下連接、管段基礎(chǔ)處理、回填覆蓋是施工的主體。1.干塢 干塢是塢底低于水面的水池式建筑物，是修建矩形沉管隧道的必需場所。通常是在隧址附近開挖一塊低洼場地用于預(yù)制隧道管段，干塢是一項(xiàng)臨時(shí)性工程，隧道施工結(jié)束后便完成其使命。干塢的設(shè)計(jì) 干塢設(shè)計(jì)包括干塢形式、位置的選擇，深度、面積等規(guī)模大小的確定，塢坡、塢底、塢首、塢門結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。 干塢形式 按其活動(dòng)性有固定干塢和移動(dòng)干塢兩種 干塢的位置 固定干塢位置的選擇

7、方案有兩種，一種是位于隧道設(shè)計(jì)軸線上，該方案僅一個(gè)工程使用；另一種是位于隧道設(shè)計(jì)軸線外，該方案有利于多個(gè)工程使用。 固定干塢位置應(yīng)根據(jù)以下原則選擇： （）應(yīng)距隧址較近，附近的航道具備浮運(yùn)條件，以便管節(jié)浮運(yùn)和縮短運(yùn)距。 （）干塢附近應(yīng)有可浮存若干節(jié)預(yù)制好的管節(jié)的水域。 （）具有適合建造干塢的地質(zhì)條件，場地土應(yīng)具有一定的承載能力，同時(shí)也有利于干塢擋土圍閉及防滲工程實(shí)施。 （）交通運(yùn)輸方便，具有良好的外部施工條件。 （）征地拆遷費(fèi)用低，具有可重復(fù)利用的開發(fā)價(jià)值。 干塢的規(guī)模與尺寸 塢底 邊坡（塢墻） 運(yùn)料車道塢首圍堰干塢內(nèi)的設(shè)備設(shè)施 臨時(shí)干塢的機(jī)具設(shè)備，一般都是普通土建工程的通用設(shè)備。包括混凝土攪拌

8、站設(shè)備、水平運(yùn)輸車輛、起重設(shè)備和鋼筋成型設(shè)備、各種材料的堆放和儲(chǔ)存?zhèn)}庫、各種加工車間以及交通、供電、防洪等設(shè)施。 干塢中用以起吊模板、鋼筋、混凝土等的起重設(shè)備，通常為軌行門式起重機(jī)或塔式起重機(jī)。 一次制作所有管段的干塢常用軌行門式起重機(jī)； 分批制作管段時(shí)用塔式起重機(jī)較為方便，可省去因干塢反復(fù)進(jìn)水排水多次拆裝軌行門式起重機(jī)的麻煩。干塢的施工 干塢施工一般采用“干法”進(jìn)行干塢內(nèi)的土方開挖，具體步驟為：先沿干塢的四周做混凝土防滲墻，隔斷地下水，然后用推土機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)從里面向塢口開挖，挖出的一部分土用來回填作塢堤，大部分土運(yùn)至棄土場。塢底和塢外設(shè)排水溝、截水溝和集水井。坡面用塑料薄膜滿鋪并壓砂袋，以防雨

9、水沖刷。塢底鋪砂、碎石，再用壓路機(jī)壓實(shí)并平整，塢內(nèi)修筑車道。2.管段制作 沉管管段是在地面預(yù)制的，所以其基本工藝與地上制作其他大型鋼筋混凝土構(gòu)件類似。由于沉管預(yù)制管段采用浮運(yùn)沉放的施工方式，而且最終是埋設(shè)在河底水中，因此對(duì)預(yù)制管段的對(duì)稱均勻性和水密性要求很高。為保證浮運(yùn)和下沉，管段上還要設(shè)置端封墻和壓載設(shè)施。 管段的水密性控制 水密性控制的目的是為了確保管段的防水性能，使隧道投入使用后無滲漏。 管段的防水按材料分有剛性防水、柔性防水； 按防水部位分有外防水、結(jié)構(gòu)自防水和接縫防水。 端封墻 在管段澆注完成、模板拆除后，為了便于水中浮運(yùn)，需在管段的兩端離端面處設(shè)置封墻，通常叫端封墻。 封墻可用木材

10、（已很少采用）、鋼材或鋼筋混凝土制成，也有的采用鋼梁與鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)。采用鋼筋混凝土封墻的好處是變形小、易于防滲漏，但拆除時(shí)比較麻煩，而鋼封墻采用防水涂料解決了密封問題后，裝、拆均比鋼筋混凝土封墻方便得多。 端封墻上設(shè)有鼻式托座（簡稱鼻托）、排水閥、進(jìn)氣閥、出入人孔以及拉合結(jié)構(gòu)。排水閥設(shè)在下面，進(jìn)氣閥設(shè)在上面，人員出入孔應(yīng)設(shè)置防水密閉門并應(yīng)向外開啟。3.沉管隧道的浚挖 沉管隧道的浚挖工作一般有沉管的基槽浚挖、航道臨時(shí)改線浚挖、出塢航道浚挖、浮運(yùn)管段線路浚挖、舾裝泊位浚挖。開挖基開挖基槽槽4.管段沉放與連接 管段在干塢中預(yù)制好、沉管基槽開挖及基礎(chǔ)處理好后便可進(jìn)行管段的出塢、浮運(yùn)、沉放與水下連

11、接工作。這是沉管隧道難度最大的一道工序，管段起運(yùn)前必須做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，編制一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕そM織設(shè)計(jì)，各項(xiàng)工作做到目標(biāo)明確、技術(shù)措施可行，人員、設(shè)備、物資落實(shí)到位。管段的沉放作業(yè) 管段沉放與對(duì)接作業(yè)受海上的自然條件影響很大，因此對(duì)其有一定的要求。一般要求風(fēng)速小于，波高小于.；水的流速小于.，空氣的能見度大于。為此，進(jìn)行施工前需對(duì)沉放階段的水位、流速、氣溫、風(fēng)力等水文氣象條件進(jìn)行資料收集分析，選擇最佳時(shí)機(jī)。 沉放作業(yè)的步驟一般可分初次下沉、靠攏下沉和著地下沉三個(gè)步驟進(jìn)行管段的水下連接 管段沉放就位后，還要與已連接好的管段連成一個(gè)整體。該項(xiàng)工作在水下進(jìn)行，故又稱水下連接。水下連接技術(shù)的關(guān)鍵是要保證管

12、段接頭不漏水。 水下連接有混凝土連接和水力壓接兩種方法。 混凝土連接法作業(yè)工藝復(fù)雜，潛水工作量大，密封的可靠性差，故目前一般不再采用。水力壓接法是世紀(jì)年代由丹麥工程師在加拿大開發(fā)應(yīng)用，它工藝簡單，施工方便，施工速度快，水密性好，基本上不用潛水工作，目前普遍采用。 用水力壓接法進(jìn)行連接的主要工序是：對(duì)位拉合壓接。5.基礎(chǔ)處理及回填 沉管隧道基礎(chǔ)處理的方法很多，主要分先鋪法和后填法兩大類。 在管段沉放前進(jìn)行的處理方法稱先鋪法，又叫刮鋪法，包括刮砂法和刮石法；后填法是先將管段沉沒在溝槽底的臨時(shí)支座上，隨后再補(bǔ)填墊實(shí)，它包括噴砂法、灌砂法、灌囊法、壓砂法、壓漿法等。 后填法的優(yōu)點(diǎn)是在處理過程中基本上不

13、干擾航運(yùn)，不需特殊的專用設(shè)備，不受氣象條件的影響，不需大量潛水作業(yè)，便于日夜連續(xù)施工，操作簡易，省工省費(fèi)用，全過程進(jìn)行信息化控制。所以，目前大型沉管隧道的基礎(chǔ)處理多用后填法，如噴砂法、壓砂法、壓漿法。序號(hào)施工方法環(huán)境場地要求優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)發(fā)展方向1明挖蓋挖市郊施工場地開闊，軟巖和土體，如北京和天津地鐵（地鐵車站）進(jìn)度快，工作面大，便于機(jī)械和大量勞動(dòng)力投入破壞環(huán)境生態(tài)，影響交通，帶來塵土和噪聲污染有效井點(diǎn)降水；可靠支撐系統(tǒng)；大型機(jī)械2礦山巖石和堅(jiān)硬土體，如青島和重慶地鐵地面干擾小，造價(jià)低進(jìn)度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度高，風(fēng)險(xiǎn)大多臂鉆孔臺(tái)車，自動(dòng)裝藥引爆裝置；光面爆破，錨噴支護(hù)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)反饋指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工3暗挖埋深淺對(duì)土體進(jìn)行凍結(jié)、注漿、深層攪拌樁加固地基，管棚法加固，淺埋車站，如北京、哈爾濱等城市地鐵地面干擾小，造價(jià)低機(jī)械化程度低，勞動(dòng)強(qiáng)度高，環(huán)境惡劣，風(fēng)險(xiǎn)大淺層地基處理技術(shù)；小型靈活的地下開挖機(jī)械；可靠的臨時(shí)支護(hù)升旗和機(jī)具地鐵隧道施工方法序號(hào)施工方法環(huán)境場地要求優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)發(fā)展方向4盾構(gòu) 城市軟地層、深埋隧道，如上海、廣州、北京等城市地鐵地面影響小，機(jī)械化程度高，安全，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，進(jìn)度快機(jī)械設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格昂貴，施工工藝繁，專業(yè)施工隊(duì)伍開發(fā)適用不同地質(zhì)條件、自動(dòng)更換刀盤的氣壓、土壓泥水平衡盾構(gòu)和頂管，超前探測排障技術(shù)；鋼纖維擠壓混凝土襯砌；三維住址計(jì)算機(jī)管理系