沉管法施工系列講義（PPT58頁）

1、第十三章 沉管法施工本章學習的內容：掌握隧道沉管沉設的方法，沉放作業(yè)的步驟；了解沉管的種類；熟悉基礎處理的方式。重難點：重點：沉管沉設的方法和步驟；難點：沉管下沉的步驟。1 概述2 沉管隧道設計3 沉管施工4 基礎處理目錄第一節(jié) 概述1.1幾種修建水下隧道方法評述目前，在世界各國水底隧道的建設中，就是采用盾構法和沉管法施工。用作水下隧道施工的盾構，一般外徑尺寸為10m左右，可容納雙車道通過。如需建造四車道的水底隧道，則需平行地建造二條盾構隧道。如需建造六車道的水底隧道，則往往需建三條盾構隧道。沉管法則不受上述尺寸限制。沉管法（亦稱預制管段沉放法）。先在隧址以外的預制場（多為臨時干塢或船塢）制作

2、隧道管段（每節(jié)長60140m，多數(shù)為100m左右，最長達268m），管段兩端用臨時封墻密封，制成后運到指定位置上，在已預先挖好的基槽上沉放下去，通過水力壓接進行水下連接，再覆土回填，完成隧道。用這種沉管法修建的水下隧道，稱之為沉管隧道。采用沉管法修筑水下隧道最早于1810年在倫敦進行了施工試驗，到1894年采用此法在美國波士頓建成一條城市下水道工程和1904年建成底特律水底鐵路隧道才宣告沉管法的成果誕生。自1959年加拿大迪斯（Deas）隧道成功采用水力壓接法進行管段水下連接后，很快為世界各國普遍采用，使得沉管法變得更加優(yōu)越。1.2沉管法的優(yōu)越性1、隧道埋深淺，隧道較短，總工程量小。2、管段比

3、重小，對地質適應性強，能在流砂層中施工。3、管段在干塢中制作，能保證施工質量，結構水密性良好。4、沉管隧道段施工可與岸坡隧道平行或交叉作業(yè)，工期短。5、各種拖航設備的現(xiàn)代化，能夠施做大斷面多管隧道。6、管段接縫遠少于其它方法修建的隧道，防水性能遠比盾構好。1.3沉管隧道的分類1、圓形沉管施工時多利用船廠的船塢制作鋼殼，制成后滑行下水，并系泊于碼頭邊上，進行水上鋼筋混凝土作業(yè)。這類沉管的橫斷面，內部均為圓形，外表有圓形、八角形或花籃形。 各種圓形沉管 (a)圓形 (b)八角形 (c)花籃形圓形沉管的優(yōu)點（1）圓形斷面，受力合理襯砌彎矩較小，在水深較大時，比較經濟有利；（2）沉管的底寬較小，基礎處

4、理比較容易；（3）鋼殼既是澆筑混凝土的外模，又是澆筑隧道的外防水層，這種防水層不會在浮運過程中被碰損；（4）當具備利用船廠設備的條件時，工期較短，在管段需要量較大時，更為明顯。2.矩形沉管荷蘭的瑪斯隧道（Mass，1942年建成）首創(chuàng)矩形沉管以來，目前世界各國（除美國外）大都采用矩形沉管。矩形折拱形結構(a）六車道矩形沉管 (b)八車道矩形沉管1.4沉管隧道組成沉管隧道一般由敞開段、暗埋段、岸邊豎井及沉埋段等部分組成。第二節(jié) 沉管隧道設計沉管隧道設計的主要內容有：斷面幾何形狀、結構類型、結構設計及計算、起浮抗浮設計、管節(jié)長度的選定、接頭設計、防水設計、通風、照明供電、給排水設計、內裝設計、運營

5、與安全設施設計、抗震設計、基礎處理及回填設計等。其設計質量直接影響隧道的施工與使用，應做到設計思想明確，綜合考慮到先進性、合理性、安全性和經濟性。 2.1鋼筋混凝土沉管的結構設計1沉管結構所受的荷載與組合荷載作用組合應遵循以下原則：1、應按施工階段和運營階段分別進行作用組合，施工階段的安全系數(shù)可比運營階段酌情降低。2、作用組合除常規(guī)辦法進行外，高溫作用應與最高水位作用組合，低溫作用應與最低水位組合。3、地震作用、沉船荷載、拋錨力、拖錨力等偶然荷載在施工階段不考慮，在運營階段亦不同時組合。偶然荷載中任一個作用與其它作用組合時，應按規(guī)范酌情降低安全系數(shù)。2結構分析與配筋為避免采用剪力鋼筋，改善結構

6、受力性能，減少裂縫出現(xiàn)，在水底隧道沉管結構中，常采用變截面或折拱形結構。沉管折拱型結構1)橫斷面結構分析2)縱向結構分析施工階段的沉管縱向受力分析，主要是計算浮運、沉設時、施工荷載、波浪力所引起的內力。使用階段的沉管縱向受力分析，一般按彈性地基梁理論進行計算。3)配筋因抗剪的需要，沉管應采用較高標號的混凝土，一般采用28天強度為3045Mpa的混凝土。沉管結構不容許出現(xiàn)任何通透性（即管壁內、外穿透的）裂縫；非通透性裂縫開展寬度應控制在0.150.2mm以下，因此，不宜采用級及級以上的鋼筋。設計時，混凝土與鋼筋的容許應力可參照鐵路隧道設計規(guī)范。2.2浮力設計1.干舷管段在浮運時為了保持穩(wěn)定，必須

7、使管頂面露出水面，其露出高度稱為干舷。具有一定干舷的管段遇風浪發(fā)生傾側后，會自動產生一個反傾力矩，使管段恢復平衡。一般矩形斷面的管段干舷多為1015cm，而圓形、八角形或花籃形斷面的管段則多為4050cm。干舷高度不宜過小，否則穩(wěn)定性差；但也不宜過大，干舷越大，所需壓載水箱（或水罐）的容量就越大，不經濟。我國廣州珠江隧道沉管干舷為14.22cm，而寧波甬江隧道則采用10.14cm。2.3管段制作1).管段的制作管段制作在干塢中進行，其工藝與一般混凝土結構基本相同。但考慮到浮運沉設對勻質性與水密性的特殊要求，應注意以下幾點：1、要保證混凝土的防水性及抗?jié)B性；2、要嚴格控制混凝土的重度，若重度超過

8、1%以上，管段將浮不起來，則不能滿足浮運要求；3、必須嚴格控制模板的變形，以保證對混凝土均質性的要求，否則，若出現(xiàn)管段板、壁厚度的局部較大偏差，或前后、左右混凝土重度不均勻，浮運中會發(fā)生管段傾側；4、必須慎重處理施工縫及變形縫。縱向施工縫（橫斷面上的施工留縫），對于管段下端，靠近底板面一道留縫，應高于底板面以上3050cm；橫向施工縫（沿管段長度方向上分段施工時的留縫）需采取慎重的防水措施，為防止發(fā)生橫向通透性裂縫，通常可把橫向施工縫做成變形縫，每節(jié)管段由變形縫分成若干節(jié)段，每節(jié)段1520m左右長。 管段側壁上的設造裂縫 管段的節(jié)段與變形縫2) 封端墻管段浮運前必須于管段的兩端離端面50100

9、cm處設置封端墻。封端墻可用木料、鋼材或鋼筋混凝土制成。封端墻設計按最大靜水壓力計算。封墻上須設排水閥、進氣閥以及入水孔。排水閥設于下部，進氣閥設于頂部，口徑100mm左右。入水孔應設置防水密閉門。3)壓載設施管段下沉由壓載設施加壓實現(xiàn)，容納壓載水的容器稱為壓載設施，一般采用水箱形式，須在管段封墻安設之前就位，每一管段至少設置四只水箱，對稱布置于管段四角位置。水箱容量與下沉力要求、干舷大小、基礎處理時“壓密”工序所需壓重大小等有關。4)檢漏與干舷調整管段制作完成后，須作一次檢漏。如有滲漏，可在浮運出塢前作好處理。一般在干塢灌水之前，先往壓載水箱里注水壓載，然后再往干塢塢室里灌水，灌水2448h

10、后，工作人員進入管段內對管段進行水底檢漏。2.4管段防水1)管段自身防水早期采用外包鋼板防水，后來發(fā)展到卷材防水。七十年代以來，歐洲沉管隧道取消了外防水層，為保證管段不滲漏，除嚴格控制混凝土級配、振搗密實、加強養(yǎng)護外，還采取了許多防裂措施：1、分段澆注，設后澆帶2、采用低水化熱水泥3、設置水冷散熱系統(tǒng)4、采用預應力混凝土5、外表使用防水涂料第三節(jié) 沉管施工沉管管節(jié)在干塢中預制好之后，必須浮運到隧址指定位置上進行沉放就位，并進行水下連接。這是沉管隧道施工中至關重要的工序，必須精心組織方能確保萬無一失。1沉設方法11分吊法管段制作時，預先埋設34個吊點，分吊法沉設作業(yè)時分別用24艘100200t浮

11、吊（即起重船）或浮箱提著各個吊點，逐漸將管段沉放到規(guī)定位置。1.2扛吊法 亦稱方駁扛吊法。方駁扛吊法是以四艘方駁，分前后兩組，每組方駁肩負一副“杠棒”，即這兩副“杠棒”由位于沉管中心線左右的兩艘方駁作為各自的兩個支點；前后兩組方駁用鋼杵架聯(lián)接起來，構成一個整體駁船組，“杠棒”實際上是一種型鋼梁或是鋼板組合梁，其上的吊索一端系于卷揚機上，另一端用來吊放沉管；駁船組由六根錨索定位，沉管管段另用六根錨索定位。 起重船吊沉法 1沉管 2壓載水箱 3起重船 4吊點浮箱吊沉法 1.3騎吊法采用水上作業(yè)平臺“騎”于管段上方，將管段慢慢地吊放沉設自升式平臺吊沉法 1 沉管 2自升式平臺吊沉法（SEP）1.4拉

12、沉法利用預先設置在溝槽底面上的水下樁墩作為地壟，依靠安設在管段上面的鋼桁架上的卷揚機，通過扣在地壟上的鋼索，將管段緩慢地“拉下水”，沉設于樁墩上，而后進行水下連接。 拉沉法 1 沉管 2樁墩 3拉索2管段沉放作業(yè)管段沉放作業(yè)全過程可按以下三階段進行：（一）沉放前的準備沉放前必須完成航道疏浚清淤，設置臨時支座，以保證管段順利沉放到規(guī)定位置。應事先與港務、港監(jiān)等有關部門商定航道管理事項，并及早通知有關方面。作好水上交通管制準備，需抓緊時間做好封鎖線標志（浮標、燈號、球號等）。暫短封鎖的范圍：上下游方向各100200m，沿隧道中線方向的封鎖距離視定位錨索的布置方式而定。（二）管段就位在高潮平潮之前，

13、將管段浮運到指定位置，此時可距規(guī)定沉設位置10m20m處，并掛好地錨，校正好方向，使管段中線與隧道軸線基本重合，誤差不應大于10cm。管段縱向坡度調至設計坡度。定位完畢后，既可開始灌水壓載，至消除管段的全部浮力為止。（三）管段下沉下沉時的水流速度，宜小于0.15m/s，如流速超過0.5m/s，需采取措施。每段下沉分三步進行：即初次下沉、靠攏下沉和著地下沉.管段下沉作業(yè)步驟 1初步下沉 2靠攏下沉 3著地下沉 3水下連接 （一）水力壓接法的發(fā)展早期沉管隧道管段之間的連接，都是待管段沉設完畢后，再灌注水下混凝土。如荷蘭的瑪斯（Maas，1942）隧道，古巴的阿爾曼德斯（Almendaras，195

14、3）隧道和哈瓦那港（Havana Bay，1958）水底隧道，這種方法水下潛水工作量大，工藝復雜，且不能適應隧道變形，易開裂漏水。60年代，荷蘭鹿特丹地下鐵道沉管隧道，將其改進成為尖肋型（荷文原名Gina，目前，各國普遍采用尖肋型膠墊。 尖肋型膠墊 二、水力壓接法施工水力壓接系利用作用在管段后端（亦稱自由端）端面上的巨大水壓力，使安裝在管段前端（即靠近已設管段或管節(jié)的一端）端面周邊上的一圈橡膠墊環(huán)（Gina帶，在制作管段時安設于管段端面上）發(fā)生壓縮變形，并構成一個水密性良好，且相當可靠的管段間接頭。水力壓接法用水力壓接法進行水下連接的主要工序是：對位拉合壓接拆除端封墻1）對位著地下沉時必須結合

15、管段連接工作進行對位。對位精度一般要求，見表13-3。自采用鼻托后，對位精度很容易控制。上海金山沉管工程中曾用一種卡式托座，只要前端的“卡鉗”套上，定位精度就自然控制在水平方向為1cm之內。金山沉管工程的卡式托座2）拉合拉合工序是用較小的機械力量，將剛沉設的管段拉向前節(jié)既設管段，使膠墊的尖肋部產生初步變形，起到初步止水作用。拉合時所需機械拉力不大，一般為每延米膠墊長度1030N，通常用安裝于管段豎壁（可為外壁或內壁）上帶有錘形拉鉤的拉合千斤頂進行拉合。拉合千斤頂總拉力一般為10003000KN，行程為1000mm左右。一個管段可設一具或二具拉合千斤頂，其位置應對稱于管段的中軸線。通常采用2個1

16、0001500KN拉力的拉合千斤頂設于管段兩側，以便調整管段。 3）壓接拉合完成之后，打開既設管段后端封墻下部的排水閥，排出前后二節(jié)沉管封墻之間被膠墊所包圍封閉的水。排水完畢后，作用到整環(huán)膠墊上的壓力，等于作用于新設管段后端封墻和管段周壁端面上的全部水壓力。在此壓力作用下，膠墊必然進一步壓縮，其壓縮量一般為膠墊本體高度的1/3左右。 4）拆除封端墻壓接完畢后，即可拆除前后二節(jié)管段間的封端墻。三、水力壓接法的優(yōu)點1）工藝簡單，施工方便；2）水密性切實可靠；3）基本上不用潛水工作；4）成本低，施工速度快第四節(jié)基礎處理沉管的基礎處理方法大體上可歸納為二類先鋪法的基本程序是：1、在浚挖溝槽時超挖608

17、0cm；2、在溝槽二側打數(shù)排短樁，安設導軌以控制高程、坡度；3、向溝底投放鋪墊材料粗砂，或粒徑不超過100mm的碎石，鋪寬比管段底寬1.52.0m,鋪長為一節(jié)管段長度,在地震區(qū)應避免用黃砂作鋪墊材料；一、先鋪法4、按導軌所規(guī)定的厚度、高度以及坡度，用刮鋪機刮平，刮平后的表面平整度，對于用刮砂法，可在5cm左右；用刮石法，約在20cm左右；5、為使管底和墊層密貼,管段沉設完畢后，可進行“壓密”工序?！皦好堋笨刹捎霉鄩狠d水，或加壓砂石料的辦法，使墊層壓緊密貼。刮鋪法費工費時，平整度不高，逐漸被后填法所取代。刮鋪機1 方環(huán)形浮箱 2 砂石喂料管 3 刮板 4砂石墊層（厚0.6-0.9m）5 錨塊 6

18、 溝槽底面 7鋼軌 8移行剛梁二、后填法1、后填法的基本工序（1）在浚挖溝槽時，先超挖100cm左右；（2）在溝底安設臨時支座；（3）管段沉設完畢（在臨時支座上擱妥）后，往管底空間回填墊料。金預制支承板1預制支承板 2 吊環(huán) 3 吊桿 4 垂直千斤頂5 垂直頂桿 6水平定位千斤頂 7水平頂桿二、后填法施工（1）噴砂法 噴砂法原理 噴砂臺架1噴砂管 2回吸管 1噴砂臺支架 2噴管及吸管 3 臨時支座 4 噴入砂架 （2）灌囊法灌囊法系在砂、石墊層面上用砂漿囊袋將剩余空隙墊密。沉設管段之前需先鋪設一層砂、石墊層。管段沉設時，帶著事先系緊扣在管段底面下的空囊袋一起下沉。待管段沉設完畢后，從水面上向囊袋里灌注由粘土、水泥和黃砂配成的混合砂漿，以使管底空隙全部消除。 （3）壓漿法 壓漿法沉管 壓漿法 1碎石墊層 2 砂、石封閉 3壓漿孔 4壓入砂漿（4）壓砂法 壓砂法 1駁船 2 吸管 3浮鉑 4壓砂法 壓砂孔1壓砂管 2 閥門 3球閥二、基礎加固1加固方法1）以粗砂置換軟弱土層；2）打砂樁并加載預壓；3）減輕沉管重量；4）采