沉埋管段隧道修建技術(shù)（PPT43頁）

1、沉埋管段隧道修建技術(shù)8.1概述8.2干塢工程8.3沉埋管段設(shè)計(jì)8.4管節(jié)制作8.5基槽開挖8.6管節(jié)浮運(yùn)、沉放與對(duì)接8.7沉管段基礎(chǔ)處理與基槽回填8.8岸上工程8.1概述8.1.1沉管隧道發(fā)展史1 根據(jù)國(guó)際隧道協(xié)會(huì)沉管與懸浮式隧道到1994年的統(tǒng)計(jì)資料，世界各國(guó)已建、在建或擬建的沉管隧道共有93條，就管段制作而言，混凝土隧道59條，鋼殼隧道34條；從使用功能上來看，公路隧道61條，鐵路隧道26條（包括地鐵隧道），公路、鐵路兩用隧道4條，人行隧道2條；就管段橫截面形狀來說，矩形截面隧道73條，圓形（含花籃形、八角形、馬蹄形、橢圓形）截面隧道20條；從規(guī)模上看，早期的沉管多為雙車道或四車道，從60

2、年代中期，陸續(xù)建成一些六車道隧道，到目前世界已建的68車道共有19條。2 19世紀(jì)末，美國(guó)首先用沉管法建成波士頓的下水道工程，之后，于1910年用此法建成底特律河水底鐵路隧道，這是世界上第一條沉管建造的鐵路隧道。日本是東亞第一個(gè)建成沉管隧道的國(guó)家。自1944年第一條沉管道路隧道庵治河隧道通車以來，已建成鐵路和公路隧道18條。目前世界上最長(zhǎng)的沉管隧道是美國(guó)舊金山海灣地區(qū)快速交通隧道，全長(zhǎng)5825米，由58節(jié)管段組成。管段最寬的隧道是比利時(shí)亞珀?duì)査淼?，寬達(dá)53.1m，全長(zhǎng)336m。單節(jié)管段最長(zhǎng)的隧道是荷蘭海姆斯普爾隧道，最長(zhǎng)一節(jié)管段長(zhǎng)268m，寬21.5m重50000KN。3 在我國(guó)，香港和臺(tái)灣借

3、助國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)共建成四條沉管隧道，中國(guó)大陸第一條沉管道路隧道廣州珠江隧道于1993年底通車，已建成寧波甬江隧道。我國(guó)目前的沉管隧道設(shè)計(jì)及施工技術(shù)還處在積累經(jīng)驗(yàn)階段，但我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展為其進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。如上海外環(huán)線吳淞口越江隧道確定采用沉管法隧道。由于多車道沉管隧道明顯節(jié)約投資，因此沉管隧道在我國(guó)具有廣闊的前景。8.1.2沉管隧道的分類、斷面形式與選擇1. 沉管隧道的分類目前來說，沉管隧道的分類主要有以下幾個(gè)方面：（1）依據(jù)功能分為公路、地鐵、鐵路和市政。（2）依據(jù)結(jié)構(gòu)分為鋼筋混凝土、鋼與混凝土符合結(jié)構(gòu)（3）依據(jù)斷面形式分為矩形沉管隧道與圓形沉管隧道目前，通常按照沉管隧道的斷面

4、與結(jié)構(gòu)形式將其分為兩種類型:鋼筋混凝土矩形沉管隧道和鋼殼圓形沉管隧道。2. 沉管隧道的斷面形式（1）矩形斷面 鋼筋混凝土矩形管節(jié)一般在臨時(shí)干塢中或半駁船上制作，管節(jié)預(yù)制好將之托運(yùn)至隧道沉放。一般來說，一個(gè)矩形斷面可以同時(shí)容納4-8個(gè)車道，選用矩形管節(jié)比圓形管節(jié)經(jīng)濟(jì)，且適合于多車道隧道，故成為最常用的斷面形式。（2）圓形斷面 圓形管節(jié)橫斷面的內(nèi)輪廓為圓形，外輪廓有圓形、八角形和花籃形。通常，圓形沉管隧道是鋼殼和混凝土的組合結(jié)構(gòu)，鋼殼既是防水層，又是結(jié)構(gòu)，但混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)主要的荷載壓力。圓形管節(jié)內(nèi)一般只能設(shè)兩個(gè)車道，在建造4車道時(shí)就需制作兩節(jié)管并列的管節(jié)。8.2 干塢工程 干塢是預(yù)制管節(jié)的場(chǎng)地，通

5、常塢內(nèi)設(shè)有混凝土攪拌站，集料、水泥、鋼材等各種原材料的堆放場(chǎng)地與倉庫，各種機(jī)械加工車間以及完善的交通、供電、防火、與防洪等設(shè)備與機(jī)械。干塢主要包括固定干塢和移動(dòng)干塢兩大類。干塢通常選擇在陸地上合適的位置進(jìn)行建造，此為固定干塢，又稱為岸上干塢。固定干塢根據(jù)與遂址的關(guān)系又分為軸線干塢和異地干塢。8.2.1干塢的類型和設(shè)計(jì)移動(dòng)干塢固定干塢軸線干塢異地干塢干塢（一）干塢位置的選擇原則 （1）干塢至隧址的航道的應(yīng)具備足夠的水深和寬度，確保管節(jié)的良好的起浮與托運(yùn)條件。 （2）干塢附近應(yīng)具備浮、存、系泊若干節(jié)預(yù)制管節(jié)的水域。 （3）干塢所在場(chǎng)地的地質(zhì)條件要好 （4）交通運(yùn)輸及材料來源要方便 （5）能盡量縮短

6、工期和降低造價(jià) （6）干塢周邊應(yīng)有足夠的場(chǎng)地 （一）干塢的設(shè)計(jì)原則 （1）干塢的設(shè)計(jì)與施工，必須確?；雍蛢?nèi)管節(jié)制作的安全，并保證臨近結(jié)構(gòu)的施工安全 （2）干塢設(shè)計(jì)應(yīng)與管節(jié)制作要求、施工工藝流程密切配合，保證管節(jié)制作質(zhì)量 （3）干塢設(shè)計(jì)以安全可靠、確保質(zhì)量、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理為原則 （4）塢底平整度、均勻性和承載力滿足設(shè)計(jì)要求 （5）干塢邊坡穩(wěn)定，塢內(nèi)排水通暢，塢底干燥無水 8.2.2固定干塢的修建 干塢通常由塢基、車道、排水系統(tǒng)、塢口、圍堰或塢門等組成，通常沿坡面設(shè)置兩條施工便道以聯(lián)絡(luò)塢底到坡頂 （一）固定干塢的設(shè)計(jì) 1.干塢規(guī)模的選擇 從占地多少、干塢的重量利用率狀況和投資情況，進(jìn)行綜合分

7、析，并使干塢與其他工序相配套，以縮短工期。 2. 干塢的底面尺寸 臨時(shí)干塢的塢底平面尺寸由預(yù)制管節(jié)的尺寸、施工必需的車道、配套設(shè)備所需空間及施工作業(yè)是否方便來決定。 3.干塢深度 干塢的深度是由塢頂面設(shè)計(jì)高程和塢底設(shè)計(jì)高程確定。塢門設(shè)計(jì)高程一般高于其水域的重現(xiàn)期最高水位高程，塢底設(shè)計(jì)高程應(yīng)根據(jù)管節(jié)高度、管節(jié)浮態(tài)時(shí)的干舷高度、管節(jié)浮態(tài)時(shí)管節(jié)底面至塢底要求保持的最小距離、管節(jié)趁高潮位出塢在所需時(shí)間內(nèi)要求的潮位高度等浮態(tài)條件加以確定。 4.干塢邊坡 在確定干塢邊坡時(shí)，要進(jìn)行抗滑移穩(wěn)定性的詳細(xì)驗(yàn)算。 5.干塢塢底 管節(jié)位置的塢底設(shè)計(jì)多采用多層結(jié)構(gòu)，一般來說，自下而上依次為厚巖渣層、PVC盲溝管、厚中粗

8、砂倒濾層、混凝土墊層、厚中等級(jí)配碎石，厚膠木板。塢內(nèi)道路自下而上依次為PVC盲溝管、厚中粗砂倒濾層、鋼筋混凝土路面厚中等級(jí)配碎石層。（三）固定干塢施工 干塢施工的基本流程 8.3 沉管段設(shè)計(jì)8.3.1管節(jié)長(zhǎng)度設(shè)計(jì) 沉管段一般由兩岸上段或人工島段、沉埋管段組成。 沉管段由許多管節(jié)組成，管節(jié)在預(yù)制好之后被一節(jié)一節(jié)的運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)并沉放。剛性管節(jié)長(zhǎng)度多為100-150m，而柔性管節(jié)長(zhǎng)度可達(dá)180m。影響管節(jié)長(zhǎng)度的關(guān)鍵因素： （1）運(yùn)輸和沉放費(fèi)用。這取決于澆筑現(xiàn)場(chǎng)位置、運(yùn)輸線路、波浪大小、海運(yùn)設(shè)備的大小、工作和后勤條件。 （2）管節(jié)施工費(fèi)用。 （3）管節(jié)接頭費(fèi)用。管節(jié)接頭的費(fèi)用隨管節(jié)長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而減小，接頭數(shù)

9、與之成反比。 （4）臨時(shí)預(yù)應(yīng)力 （5）混凝土澆筑規(guī)模。每個(gè)施工段常分為一次或兩次澆筑。 （6）溫度應(yīng)力8.3.2管段橫斷面形式的選擇 沉管隧道的橫斷面形式的選擇與其使用功能和結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系，對(duì)于多條車道的道路隧道或道路與軌道交通和建的隧道，多為鋼筋混凝土矩形箱式結(jié)構(gòu)形式，而雙向4車道的道路隧道兩條軌道交通合建的隧道，則可選用圓形的鋼殼與鋼筋混凝土復(fù)合的結(jié)構(gòu)形式。因此，考慮以下因素： 抗浮處理通風(fēng)方式風(fēng)道及管線廓結(jié)構(gòu)和防水接頭形式通行界限8.3.3結(jié)構(gòu)荷載確定荷載時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1）作用在管節(jié)上的壓力是主要荷載之一。在設(shè)計(jì)時(shí)必須在進(jìn)行洪水水位或普通正常的高、低潮水位等充分調(diào)查之后，在決

10、定用于設(shè)計(jì)的最高水位。 （2）土壓力是作用在管節(jié)的另一主要荷載，但它不是常量。作用管節(jié)上的垂直土壓力是管節(jié)上的全部覆蓋土產(chǎn)生的，由于頂面覆蓋土的厚度經(jīng)常變化，故取最大垂直土壓力。 （3）沉降摩擦是咋回填土之后由于溝槽底部受不均勻荷載、沉降不均勻引起的。其兩側(cè)因受大面積覆土的影響，產(chǎn)生的沉降大于管底部。因此，在管節(jié)兩側(cè)受到向下的摩擦力作用，對(duì)管節(jié)的抗浮較為有利。 （4）沉船荷載是船只失事后恰好沉在隧道頂部時(shí)所產(chǎn)生的特殊荷載。在設(shè)計(jì)時(shí)只能對(duì)該項(xiàng)荷載進(jìn)行假設(shè)。由于其發(fā)生的幾率很小，因此該項(xiàng)荷載考慮的必要性及計(jì)算視區(qū)域而定。 （5）對(duì)于落錨荷載，錨錠有可能做水中自由下落，撞擊沉管頂板 的混凝土保護(hù)層，

11、這是一般不必增加額外的鋼筋，另種可能是，錨錠鉤住沉管的邊緣或兩側(cè)墻，而船還在拖動(dòng)，此時(shí)對(duì)管節(jié)產(chǎn)生側(cè)向拉力。 （6）地基反力的分布規(guī)律，有各種不同的假定：直線分布假定；反力強(qiáng)度和各點(diǎn)地基沉降成正比；地基是半無限彈性體假定。 （7）溫度應(yīng)力主要是由于沉管四壁的內(nèi)外溫差所引起的，而此溫差隨外界溫度的變化而變化。8.3.4鋼筋混凝土管節(jié)結(jié)構(gòu)受力分析和配筋 （一）橫斷面分析 橫斷面分析時(shí)，可把混凝土管節(jié)看成是平面框架。當(dāng)作用在管節(jié)上的荷載和地基反力沿縱向不變或只是逐漸變化，該框架可按均布荷載進(jìn)行分析。然而，在巨大的超載區(qū)域，尤其是不連續(xù)的超載時(shí)，作用在平面框架上的外部垂直荷載是不均衡的。在這種情況下，相

12、鄰框架就受到剪力，可有彈性地基梁的分析方法求得地基反力沿縱向的分布情況然后把這些荷載當(dāng)做框架上的垂直荷載進(jìn)行橫截面分析。在數(shù)學(xué)分析上，可以用一個(gè)基底有彈簧常數(shù)的彈性基礎(chǔ)模型來計(jì)算。對(duì)于軟土情況，橫向彎矩分配的效果實(shí)際上是與均勻的地層壓力一樣分配一樣。對(duì)于硬的天然地基情況，調(diào)查與研究彈簧系數(shù)的敏感性是可取的，因?yàn)閺椈上禂?shù)不能精確地確定，可能隨時(shí)間而變化。 （二）縱斷面分析 施工階段的管節(jié)縱向受力分析主要是計(jì)算浮運(yùn)、沉放時(shí)施工荷載所引起的彎矩。在海河上浮運(yùn)的管節(jié)，長(zhǎng)度越大所受的縱向彎矩也越大。在使用階段，管節(jié)縱向受力分析一般按彈性地基梁理論進(jìn)行運(yùn)算。通?？v向配筋為0.2-0.3. （三）配筋 在管

13、節(jié)結(jié)構(gòu)中，任何貫穿性裂縫的出現(xiàn)都是不允許的。非貫穿性裂縫的展開寬度應(yīng)控制在0.15-0.2mm。因此，不宜采用HRB400及HRB500以上的鋼筋。8.3.5浮力設(shè)計(jì) 沉管段管節(jié)的設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是管節(jié)不但要浮在水面上，而且要沉入河底。因此要在管節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有一個(gè)與其他工程部同的特點(diǎn)，即必須進(jìn)行浮力設(shè)計(jì)，處理好重力和浮力的關(guān)系。浮力設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括干舷的選定和抗浮安全系數(shù)的驗(yàn)算。通過浮力設(shè)計(jì)，可以確定管節(jié)結(jié)構(gòu)的高度和外輪廓尺寸。 （一）干舷高度 為了保持管段穩(wěn)定，管段頂面必須露出水面，其露出高度稱為干舷。100150mm400500mm確定合理的干舷高度過小管段不穩(wěn)定；過大則管段不容易沉放確定浮力計(jì)

14、算干舷高度計(jì)算浮力時(shí)，根據(jù)混凝土的最大容重和水的最小容重進(jìn)行對(duì)矩形截面的管節(jié)，根據(jù)浮力平衡的原則： F管節(jié)總排水量G管節(jié)重力管節(jié)全寬L管節(jié)全長(zhǎng)f干舷高度-水的重度（二）.抗浮安全系數(shù) 抗浮安全系數(shù)： 浮運(yùn)時(shí)浮力大小與其自身重力之比。 在施工階段，臨時(shí)施工設(shè)備的重量可以不計(jì)，抗浮系數(shù)在1.05-1.1之間。 在使用階段取.，計(jì)算是可以考慮兩側(cè)填土對(duì)管壁的摩擦力。 浮力計(jì)算：混凝土最小密度和水的最大密度計(jì)算。8.3.6管節(jié)接頭組成及防水設(shè)計(jì) 目前，一般采用GINA橡膠止水帶作為第一道止水帶，然后用OMEGA橡膠止水帶緊靠作為第二道止水防線。8.4沉管制作8.4.1混凝土管節(jié)制作精度與精度控制技術(shù)

15、在管節(jié)制作過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格要求與控制 1.混凝土重度控制 主要對(duì)混凝土配合比、計(jì)量誤差、原材料與施工質(zhì)量管理等工藝進(jìn)行控制。 2.管節(jié)施工精度控制 對(duì)管節(jié)的精度控制主要是采用高精度儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，應(yīng)完善監(jiān)控措施及高剛度模板與支模精確定位。模板必須有足夠的剛度、強(qiáng)度，保證管節(jié)的外形幾何尺寸誤差不超過容許范圍，并對(duì)模板設(shè)計(jì)、加工及安裝等方面進(jìn)行方案優(yōu)化，選擇最合適的模板體系，精心施工，嚴(yán)格管理。8.4.2混凝土工程施工流程及過程控制1.施工流程 2.過程控制 1）配合比設(shè)計(jì) 2）澆筑時(shí)間的選擇 8.4.3管節(jié)防裂技術(shù) 1.混凝土管節(jié)裂縫類型 （1）干縮裂縫。在混凝土凝結(jié)硬化的過程中，隨著強(qiáng)度的增長(zhǎng)

16、，其體積隨著環(huán)境的不同而變化，當(dāng)應(yīng)力值超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)干縮裂縫。 （2）溫度裂縫。水泥水化過程產(chǎn)生大量的熱量，在混凝土內(nèi)部和表面之間形成溫度梯度而產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土內(nèi)外的約束力，就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。（3）荷載變形裂縫（4）施工不連續(xù)面裂縫。由于混凝土澆筑的不連續(xù)性，中斷時(shí)間超過混凝土的初凝時(shí)間，繼續(xù)澆筑混凝土?xí)r，原有的混凝土基礎(chǔ)表面沒有進(jìn)行相應(yīng)的處理，在原有混凝土表面澆筑混凝土，致使新舊混凝土界面出現(xiàn)裂縫，對(duì)防水產(chǎn)生一定影響。 2.混凝土管節(jié)防裂控制措施 （1）降低粗集料的入倉溫度。一般控制入倉溫度不超過28-30 （2）出機(jī)溫度控制 （3）澆筑溫度控制。在澆筑過程中

17、盡可能加大澆筑速度，縮短澆筑時(shí)間，并合理分層。 （4）灌注工藝控制8.5基槽開挖8.5.1土類地層基槽開挖 對(duì)于土類多采用挖泥機(jī)進(jìn)行施工： （1）對(duì)待挖表面的清理。主要是在測(cè)量好的待挖范圍內(nèi)清理石塊、雜物等障礙物，用抓斗式挖泥船比較適合。 （2）基槽切灘。這一階段要借助定位測(cè)量?jī)x器挖除高于水底自然輪廓的淺灘。 （3）基槽粗挖。粗挖是指分層開挖基槽時(shí)，每層的開挖深度較大，但精度較低的開挖。 （4）基槽精挖?；劬陔A段采用分層開挖，每層的開挖深度較小，速度較慢，通常需要借助定位測(cè)量?jī)x器和電子計(jì)算機(jī)的配合。8.5.1巖石類地層基槽開挖水下巖石根據(jù)其分布范圍大小可分為： （1）水下孤石。水下孤石爆破

18、多采用水下裸露爆破法。 （2）大面積水下礁石。大體分三個(gè)步驟： 1）借助定位測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確定出待開挖范圍，并設(shè)立標(biāo)志，用挖泥船對(duì)待挖基巖表面進(jìn)行清理。 2)利用炸礁船按設(shè)計(jì)要求在基巖上鉆孔，裝填炸藥，將基槽范圍的巖石炸開。然后，用抓斗式挖泥船將炸碎的砂石清除。 3）用探桿配合經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)深儀進(jìn)行平面和水深測(cè)量，以最后確認(rèn)基槽開挖是否符合設(shè)計(jì)要求。8.6管節(jié)浮運(yùn)、沉放與對(duì)接8.6.1浮運(yùn) 管節(jié)浮運(yùn)施工工藝流程：8.6.2沉放與對(duì)接 管節(jié)沉放對(duì)接的基本步驟：8.7沉管段基礎(chǔ)處理與基槽回填8.7.1基礎(chǔ)處理方法 施工工藝分： 1.灌砂法 。管節(jié)沉放完畢后，從工程船上通過導(dǎo)管沿著管節(jié)側(cè)面向管節(jié)底部

19、灌填粗砂，構(gòu)成縱向墊層。 2.灌囊法。首先在開挖好的基槽底面先鋪一層砂、石墊層，然后于管節(jié)沉放前，在管節(jié)底部事先系扣空囊袋并一并下沉，先鋪墊層與管節(jié)底面之間留出15-20cm空間。待管節(jié)沉放完畢后，從工程船舶上向囊袋內(nèi)灌注由粘土、水泥和黃砂配成的混合砂漿，直至管節(jié)底面以下的空隙全部充填滿為止。 3.壓漿法。從隧道內(nèi)部經(jīng)預(yù)埋在管節(jié)地板上的單向閥壓漿孔向管底空隙壓注混合砂漿。 4.刮鋪法?；劭Ｍ诤?，在沉管沉放前，鋪以碎石墊層，采用專用設(shè)備將碎石層刮平到設(shè)計(jì)要求，然后將沉管沉放到碎石墊層基礎(chǔ)上。 5.噴砂法。噴砂法基礎(chǔ)也稱C&N法基礎(chǔ)。利用與隧道管段上方滾動(dòng)移動(dòng)的鋼門架相連的3根管子，將砂、水混合

20、物泵送到隧道管段下面，另外兩個(gè)管子又將水吸回去，從而形成一種流動(dòng)作用，使砂在隧道管段下面以一種良好限定和控制的型樣沉淀下來。 6.壓砂法。通過隧道管節(jié)底部的預(yù)留孔，將砂、水混合物泵出，填充隧道管節(jié)下的空間，直到“砂堆”接觸到管節(jié)的底部為止。這樣就在隧道管節(jié)下面形成一個(gè)過大的砂餅，直到砂餅的內(nèi)部水壓超過預(yù)定制定的最大值。然后打開下一個(gè)孔口，同時(shí)關(guān)閉前一個(gè)孔口。 7.樁基法。當(dāng)?shù)鼗撂貏e軟弱，土層軟硬不一時(shí)，為防止不均勻沉降，采用樁基法。當(dāng)基槽底部用礫石鋪平后，將長(zhǎng)約22m的樁打進(jìn)粘土中，然后泵送灰漿填滿管節(jié)下面的大尼龍袋。 8.7.2回填施工 沉管隧道的基槽回填施工就是水下沉管段施工的最后一道工序，是對(duì)已就位的管節(jié)兩側(cè)及