《城市地下工程施工技術(shù)與工程實例》第六講水底沉管隧道施工技術(shù)與工程實例

1、城市地下工程施工技術(shù)與工程實例第六講水底沉管隧道施工技術(shù)與工程實例第六講 水底沉管隧道施工技術(shù)與 工程實例6.1 沉管隧道施工技術(shù)簡介6.2 上海外環(huán)越江沉管隧道工程施工技術(shù) 把預(yù)制好的鋼管或混凝土管段，一段段浮運并沉放在水中事先開挖好的溝槽中，在水中拼裝連成一體，形成沉管隧道6.1 沉管隧道施工技術(shù)簡介一、沉管隧道類型分類標(biāo)準(zhǔn)用 途斷面形狀材 料隧道種類（1）鐵路隧道（2）道路隧道（3）人行隧道（4）水工隧道等（1）圓形（2）八角形（3）矩形等（1）鋼材（2）鋼筋混凝土二、沉管隧道優(yōu)點容易保證隧道施工質(zhì)量。管段為預(yù)制 工程造價較低。 在隧道現(xiàn)場的施工期短。操作條件好、施工安全。斷面形狀、大小

2、可自由選擇，斷面空間可充分利用。容易與周邊道路和立交相連接。三、沉管隧道的適用條件水道河床穩(wěn)定-便于順利開挖溝槽，減少土方量水流不能過急-便于管段浮運、定位和沉放 四、典型沉管隧道布置沉管隧道施工大致包括以下八個步驟：第一步：干塢開挖（用于制作預(yù)制管段）第二步：預(yù)制管段制作第三步：干塢進(jìn)水，打開塢門五、沉管隧道施工步驟第四步：沉放基槽開挖及清淤第五步：將預(yù)制管段浮運至基槽指定位置第六步：管段沉放及接頭安裝五、沉管隧道施工步驟第七步：基礎(chǔ)處理第八步：基槽回填覆蓋五、沉管隧道施工步驟 上海外環(huán)越江沉管隧道工程施工技術(shù)一、工程概況二、干塢施工三、管段制作四、基槽浚挖和清淤五、管段浮運與沉放六、管段基

3、礎(chǔ)施工 七、沉管連接 八、管段的回填與覆蓋九、岸壁保護(hù)結(jié)構(gòu)一、工程概況 越江沉管工程是外環(huán)線北環(huán)中連接浦東、浦西的一個重要節(jié)點，是外環(huán)線的咽喉工程。工程為雙向八車道公路沉管隧道。越江地點江面寬度為 780 m,工程全長2882.8 m。江中線路設(shè)1個變坡點, 豎曲線半徑為3000m。隧道平面采用半徑為1200m的曲線從深潭中心下游穿越過江,同時在河床斷面深潭處將隧道頂抬高出河床底3.61m。 一、工程概況 管段橫斷面 一、工程概況 工程浦西段主要地層為: 1填土、1褐黃色粉質(zhì)粘土、2 灰黃色粉質(zhì)粘土、2灰色砂質(zhì)粉土、3灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、灰色淤泥質(zhì)粘土、灰色粘土、2草黃色粉質(zhì)粘土、1灰色砂質(zhì)粉

4、土；其中, 2層易產(chǎn)生流砂；層含水量高、孔隙比大、強度低。 江中段主要土層為: 2-2灰色粉砂、草黃色粉質(zhì)粘土、1灰色砂質(zhì)粉土； 除灰色淤泥質(zhì)粘土、1灰色黏土層含水量高、孔隙比大、強度低外, 其余土層為低含水量、孔隙比小, 強度高。一、工程概況 浦東段主要土層為: 2淤泥、3灰色砂質(zhì)粉土、1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、2-1灰色砂質(zhì)粉土、2-2灰色粉砂; 其中,3、2-1、2-2層滲透性大, 極易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。 場區(qū)為多層孔隙含水層結(jié)構(gòu)。場地淺部地下水位受黃浦江水位變化控制,含水介質(zhì)為砂質(zhì)粉土及粉細(xì)砂,水平向滲透性較大,豎向滲透性小。 浦西層為區(qū)域承壓含水層, 實測承壓水位標(biāo)高-6.35m;浦東段、2

5、層實測承壓水位標(biāo)高-4.90m。二、干塢施工干塢是沉管管段的預(yù)制場地，在規(guī)模、地址、技術(shù)條件及經(jīng)濟(jì)性上需滿足沉管管段的制作以及總體工程的要求。該工程在隧道軸線兩側(cè)建造兩個可同時制作工程所需的所有(7節(jié))管段的干塢。二、干塢施工(1)干塢加固:為提高干塢邊坡的穩(wěn)定性,達(dá)到基坑隔水的目的,在干塢東、南、北三側(cè)坡頂處設(shè)置2 排700mm深層攪拌樁,西側(cè)臨江處設(shè)4排攪拌樁。 干塢基坑的邊坡穩(wěn)定(2)干塢開挖及邊坡處理: 根據(jù)分析計算結(jié)果干塢分四級放坡, 綜合坡度為1B3.5(迎江側(cè)綜合邊坡為1B4)，中設(shè)3級1.5m寬平臺。邊坡采用混凝土護(hù)坡方式, 并設(shè)置縱橫向鋼筋混凝土梗格，邊坡坡面每級平臺上設(shè)橫向

6、截水溝, 與順坡向排水溝構(gòu)成坡面排水系統(tǒng)，確保邊坡的安全。二、干塢施工(3)井點降水:由于干塢基坑開挖面積大,深度大,且又處透水地層中,所以除在周邊設(shè)置隔水帷幕外,還在邊坡和塢底設(shè)置降水井點, 以保證開挖和使用期間的工程安全。(4)坡腳處理:邊坡坡腳處采用漿砌塊石結(jié)構(gòu),由人工分段開挖砌筑。為避免坡腳處開挖過深, 將塢底周邊的排水溝設(shè)于距坡腳3.0 m處，施工時分段從坡腳處按12 的坡度放坡開挖, 并立模澆筑排水邊溝。(5)施工跟蹤監(jiān)測:干塢施工過程中加強對干塢地表和各平臺處的沉降和位移的監(jiān)測, 并建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對干塢邊坡變形進(jìn)行分析預(yù)測,判斷基坑的穩(wěn)定性。二、干塢施工(1)塢底處理方法:

7、 為了避免管段制作因干塢地基變形產(chǎn)生裂縫,干塢施工時對干塢的塢底基礎(chǔ)作了換填處理,換填厚度為1.0 m。 由于塢底基礎(chǔ)不但要滿足承載變形要求,而且要能消除管段起浮時的吸附力,因此管段下?lián)Q填基礎(chǔ)的上層為42cm的碎石起浮層。 干塢塢底處理二、干塢施工 管段下基底剖面二、干塢施工 道路下基底剖面二、干塢施工(2) 塢底換填基礎(chǔ)施工:塢底基礎(chǔ)換填施工分區(qū)分塊進(jìn)行，塢底最后30cm土體采用人工修挖；塊石拋填后采用壓路機充分碾壓, 以達(dá)到相當(dāng)密實度；盲溝管排設(shè)保持暢通,以確保基底地下水及時排除；上部42cm厚起浮層選用顆粒級配均勻的材料,以保證起浮效果。(3) 塢底排水:塢底排水系統(tǒng)分為地下排水系統(tǒng)和塢

8、底明排水系統(tǒng)。地下排水系統(tǒng)采用100 PVC打孔排水管,雙向坡度為3, 并與縱向排水明溝相接, 將塢底地下水收集后排入排水明溝, 最后流入集水井里。塢底明排水系統(tǒng)由順管段方向的明溝和周邊邊溝以及設(shè)于干塢轉(zhuǎn)角處的集水井組成。三、管段制作江中段的混凝土管段采用自防水結(jié)構(gòu), 管段制作時的裂縫控制和干舷控制是管段制作的關(guān)鍵。 管段混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制(1)混凝土的配合比的設(shè)計中應(yīng)用了摻加粉煤灰和外加劑的雙摻技術(shù),以減少水泥用量,降低水化熱,提高混凝土工作性和抗?jié)B性,并可補償收縮, 從而最終達(dá)到減少裂縫 產(chǎn)生、提高混凝土抗裂和抗?jié)B性的目的。525P.O.水泥水砂石子粉煤灰外加劑29618573910211

9、0417.4三、管段制作(2) 管段施工流程:根據(jù)地基沉降分析結(jié)果, 管段制作采用由中間向兩端推進(jìn)的分節(jié)澆筑流程，以減少管段因溫度應(yīng)力及縱向差異沉降而產(chǎn)生的裂縫。(3) 支模體系優(yōu)化:為了減少混凝土結(jié)構(gòu)的滲水路徑, 在模板設(shè)計中取消了外側(cè)墻模板的對拉螺栓, 而改為采用具有大剛度的側(cè)墻靠模系統(tǒng), 且模板采用具有低熱傳導(dǎo)的竹夾板。(4) 混凝土冷卻措施:采用的混凝土的絕熱溫升較高,裂縫比較容易產(chǎn)生,所以必須采取冷卻措施。根據(jù)理論計算, 底板和頂板的溫度應(yīng)力遠(yuǎn)小于同期混凝土的抗拉強度, 所以冷卻管的布置范圍僅為外側(cè)墻內(nèi)。經(jīng)實測數(shù)據(jù)分析,采用冷卻措施后,混凝土溫度應(yīng)力可降低50%以上。二、干塢施工 冷

10、卻管布置 冷卻管雙排布置,排間距為500 mm。底層冷卻管布置在底板與側(cè)墻的施工縫 以上200mm 處,共布置2列20根冷卻管三、管段制作(5) 混凝土澆搗及養(yǎng)護(hù): 管段混凝土采用泵送。外側(cè)墻與頂板一次澆搗完成,以減少施工縫的形成。管段養(yǎng)護(hù)時,底板和頂板采用蓄水養(yǎng)護(hù)；中隔墻采用噴水保濕養(yǎng)護(hù)；外側(cè)墻外側(cè)采用帶模和覆蓋的保溫保濕養(yǎng)護(hù)方法,內(nèi)側(cè)則采用懸掛帆布封閉兩端孔口后保濕養(yǎng)護(hù)的辦法。(6) 后澆帶施工: 后澆帶是為控制混凝土收縮和地基差異沉降引起的裂縫而設(shè),其必須在相鄰管節(jié)的混凝土達(dá)到設(shè)計強度、相鄰管節(jié)的沉降基本穩(wěn)定、外側(cè)模板拆除后進(jìn)行施工, 一般控制后澆帶施工和管節(jié)施工的間隔時間不少于40天。

11、后澆帶施工同樣分3次制作。三、管段制作 管段干舷控制(1)支模工藝: 制作管段的底模采用1.8cm厚的九夾板,鋪筑在經(jīng)碾壓密實的碎石起浮層上。管段頂板模板采用九夾板,支架采用可移動支架形式，支模的剛度均需保證在52 kNm- 2垂直施工荷載作用下變形小于3mm的要求。 側(cè)墻支模系統(tǒng)采用2.4m1.2m的鋼框竹夾板,除模板需達(dá)到保溫、保濕和平整度要求外，整個系統(tǒng)還需在70kNm- 2的側(cè)向施工荷載作用下變形不大于3mm。 管段干舷控制的關(guān)鍵是保證管段制作的尺寸精度、管段混凝土的重度和均勻性。三、管段制作(2) 混凝土重度控制: 混凝土生產(chǎn)中除對原材料的采購進(jìn)行管理外,還必須對計量系統(tǒng)經(jīng)常校準(zhǔn),保

12、證每班、每次混凝土的稱量精度。 此外,混凝土的澆筑嚴(yán)格按規(guī)范分層澆搗密實，每次混凝土澆搗完成后需將方量、試塊重度等仔細(xì)統(tǒng)計并匯總,實行材料總量控制,以提供管段干舷計算分析。四、基槽浚挖和清淤 基槽浚挖(1) 高精度定位定深監(jiān)控系統(tǒng):解決挖泥精度問題的關(guān)鍵是定位。雙 GPS - RTK 定位定深系統(tǒng)可對船舶進(jìn)行三維精確定位, 其平面定位精度為23 cm，高程精度46 cm。系統(tǒng)能以平面和剖面的圖形數(shù)據(jù)形式將泥斗位置和深度顯示在監(jiān)控屏幕上指導(dǎo)操作者挖泥。(2) 浚挖工藝:基槽浚挖分普挖與精挖兩步進(jìn)行。普挖為基槽底面以上3m至河床頂面的部分, 剩余部分為精挖。挖泥采用由定位定深監(jiān)控系統(tǒng)控制的8m3抓

13、斗挖泥船施工?；劭Ｍ跁r江中采用逆流施工；兩岸淺灘處則采取頂灘展布作業(yè)。施工時分條分層作業(yè),每條寬16m,每層挖深3m。四、基槽浚挖和清淤 基槽清淤技術(shù)基槽清淤采用由 10001600 m3/h 的絞吸船和拋錨船聯(lián)合組船的方案,利用拋錨船的移位控制絞吸船的船位和清淤點的進(jìn)點，清淤點的平面位置采用高精度的DGPS儀器控制。清淤采用定點、分層施工。施工過程中采用回聲測深儀檢測,吸完一遍檢測一次,往復(fù)清淤多遍，直至要求的水樣比重和水深度。清淤吸出的泥漿由水上排泥浮管輸送到基槽下游200m的江中水面下排放。五、管段浮運與沉放 管段浮運沉放的技術(shù)關(guān)鍵是管段水平和垂直控制的方法,以及管段水下沉放對接的姿態(tài)

14、監(jiān)控和管段沉放后的穩(wěn)定。 管段出塢采用塢內(nèi)絞車和拖輪結(jié)合的方法,過江浮運采用4艘3400匹全回轉(zhuǎn)拖輪拖帶管段的方法，另用2艘拖輪輔助克服管段在江中浮運受到的水流阻力。管段沉放采用雙三角錨的錨纜系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大的特點是對航道的影響小，理論上僅為管段的長度。五、管段浮運與沉放 管段沉放采用雙浮箱吊沉法。鋼浮箱按1%的管段負(fù)浮力設(shè)計，管內(nèi)水箱的儲水量按1.04的管段抗浮安全系數(shù)設(shè)計,可為管段在沉放的各個階段提供相應(yīng)的負(fù)浮力。 管段支承采用四點支承方式,前端擱置在2個鼻托上,后端兩個垂直千斤頂擱置于臨時支承上，臨時支承采用鋼管樁。3.管段浮運、沉放作業(yè)(1)作業(yè)計劃：管段過江浮運和沉放一般選定在每月中

15、潮差最小、流速最緩的一天中進(jìn)行。五、管段浮運與沉放 (2)管段浮運:管段塢內(nèi)抽水起浮后即由塢內(nèi)絞車和拖輪配合將管段移至位于塢口出塢航道處的系泊位置,管段浮運當(dāng)天,逐步解除系泊纜繩,并由4條拖輪帶纜趁上午高平潮時間將管段沿臨時航道浮運至隧道軸線處,再沿隧道軸線浮運至江中沉放位置,然后連接沉放定位纜繩,解除浮運拖纜,拆除保護(hù)措施,安裝拉合千斤頂,管段沉放準(zhǔn)備就緒。(3)管段沉放:管段浮運至距已沉管段10m位置處,即停頓調(diào)整系纜布置,進(jìn)入沉放狀態(tài)。下沉開始時,先按沉放設(shè)計坡度調(diào)整管段姿態(tài),然后以3m為一下沉幅度,不斷測量和調(diào)整管段姿態(tài)。最后通過水平定位系統(tǒng)和臨時千斤頂對管段的平面位置和縱坡進(jìn)行調(diào)整,

16、準(zhǔn)備拉合對接。五、管段浮運與沉放 (4)管段拉合、對接:待沉管段調(diào)整到設(shè)計的姿態(tài)后,即從岸上絞拉滑輪組拉合管段, 然后再打開封門上的100進(jìn)氣閥和150排水閥排除隔腔內(nèi)水進(jìn)行水力壓接。4.管段浮運、沉放三維姿態(tài)測量 管段浮運、沉放采用坐標(biāo)測量方法。整個測量系統(tǒng)具有人工對準(zhǔn)、自動采集、數(shù)據(jù)通信(有線或無線) 傳輸、計算機處理并實時顯示管段三維姿態(tài)的功能,可滿足管段沉放定位精度的要求；系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集頻率可達(dá)5秒一組,滿足了管段沉放的定位操作要求。五、管段浮運與沉放 沉放完成后需在管段外側(cè)齊腰部進(jìn)行鎖定回填,以確保管段的穩(wěn)定?；靥钍┕げ捎镁W(wǎng)兜法,施工拋石分段、分層、對稱進(jìn)行,由距自由端30m處向壓接

17、端拋填,剩余部分待下節(jié)管段沉放后完成,以防拋石滾落到下節(jié)管段基槽影響沉放。為提高定位精度,將定位定深系統(tǒng)應(yīng)用于鎖定拋石。 由于管段需過江浮運才能到達(dá)沉放位置,所以管段浮運期間須實行3小時封航；而管段沉放作業(yè)時可保持航道通行,但需限速3節(jié)。六、管段基礎(chǔ)施工 管段基礎(chǔ)施工的關(guān)鍵是管底灌砂基礎(chǔ)的密實。管段沉放到位后,須對管底約50cm的空隙進(jìn)行灌砂。為了提高管段結(jié)構(gòu)的水密性,底板下的灌砂孔通過隔墻從頂板引出,灌砂施工由潛水員將灌砂管接入設(shè)于頂板上的灌砂口,然后從停泊于江面上的灌砂船將砂壓入管底。為防止灌砂基礎(chǔ)的震動液化,灌砂料中摻入了5%的水泥熟料。每節(jié)管段橫向每排布置4個灌砂孔,孔間距為10.25

18、11m,排間距為10m。 灌砂按由壓接端向自由端,每排先中孔后邊孔的順序施工,但每節(jié)管段都將最后一排孔留至下節(jié)管段沉放后灌注。灌砂過程中,對灌砂量、灌砂壓力進(jìn)行監(jiān)測,并采取潛水員水下探摸和管內(nèi)測量等手段了解砂積盤的形成和管段抬升情況。七、沉管連接 管段間采用柔性接頭形式。其中GINA橡膠止水帶和OMEGA橡膠止水帶構(gòu)成管段接頭的兩道防水屏障，同時接頭處還設(shè)置了水平和垂直剪切鍵。七、沉管連接 最終接頭為位于E6和E5之間的水下接頭，最終接頭采用防水板方式施工。為了保證頂板混凝土的澆筑質(zhì)量,采用了免振混凝土的施工工藝。最終接頭結(jié)構(gòu)構(gòu)筑完成后,再次拉緊接頭拉索,使E6管段與E5管段之間形成柔性聯(lián)接。七、沉管連接 3.管段與浦西、浦東岸邊隧道的連接 與江中沉管段水力壓接連接的岸邊隧道結(jié)構(gòu)部分稱為沉管隧道的連接結(jié)構(gòu)(井)。由于外環(huán)隧道江中管段的最終接頭設(shè)于江中,所以浦西和浦東側(cè)的岸邊隧道都設(shè)有連接結(jié)構(gòu),連接結(jié)構(gòu)的端面設(shè)計成管段端面形式,寬度為43m,沉管管段擱置在連接結(jié)構(gòu)的底板上,并與其水力壓接連接。 連接結(jié)構(gòu)是岸邊隧道暗埋結(jié)構(gòu)的一部分,所以連接結(jié)構(gòu)的施工隨岸邊暗埋隧道一同完成。開挖施工時兩側(cè)采用鋼板接頭地下墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),端部采用鋼管樁墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。連接結(jié)構(gòu)施工完成及岸邊的臨時防