沉管基礎(chǔ)處理工藝作業(yè)指導(dǎo)書

1、沉管基礎(chǔ)處理工藝作業(yè)指導(dǎo)書5.5.1工藝概述 一、基礎(chǔ)處理方法的選擇的影響因素采用基礎(chǔ)的類型應(yīng)根據(jù)沉管沉放環(huán)境，水力條件（流速、流向、水深、波浪、潮汐等）、氣 候條件、沉積及地基情況、地震，隧道用途以及航運條件等來進行綜合考慮。其中主要的四個影 響因素是：淤積、地震、潮汐和航運。淤積和潮汐對基礎(chǔ)處理的作業(yè)時間要求比較嚴(yán)格，時間上 稍有耽誤，便會形成新的沉積，需要重新清淤。同時它們也對具體采用何種埋藏深度（是半埋、 全埋還是裸置于河床）有著重要的影響。如英國北威爾土康維隧道(1991) ，因在何時才能夠開 始噴砂等一些限制問題耽誤了時間造成了隧道管段下面產(chǎn)生沉積物，后采用壓氣提升泵清除。對 于地

2、震要求，尤以日本沉管隧道為甚，它要求沉管基礎(chǔ)必須滿足抗震要求（一般按地震烈度 10 度設(shè)計），否則后果難以預(yù)料。也正因為如此，即使在多震的日本，也尚未出現(xiàn)過任何因地震而 引起的沉管隧道破壞的事故。至于航運條件，它直接影響著水上施工作業(yè)。因此在確定沉管隧道基礎(chǔ)前，必須詳細調(diào)查了解影響施工作業(yè)的因素，然后才能選擇合理的沉管基礎(chǔ)。選用何種基礎(chǔ)處理方法的主要依據(jù)有：沉管段基槽底的工程地質(zhì)條件；抗震設(shè)計要求、航道 通航及封航要求、管段尺寸(主要是管段底寬尺寸)、沉管隧道所在地區(qū)充填料供應(yīng)條件、沉管隧 道所在地區(qū)現(xiàn)有可供施工選擇的工程船舶配備條件、河(海)水深，工期及經(jīng)濟性要求等多方面。二、基礎(chǔ)處理方法

3、綜合國內(nèi)外的施工實踐，世界沉管隧道基礎(chǔ)處理方法就充填與處理時間先后來看可大體上分為先鋪法和后填法兩大類；就施工工藝來看，主要有以下幾種方法：刮鋪法、噴砂法、灌砂法、 注壓漿法、樁基法、沉箱橋臺式基礎(chǔ)和導(dǎo)管法水下灌注砂基床等方法。1. 灌砂法 管段沉放完畢后，從工程船舶上通過導(dǎo)管沿著管段側(cè)面向管段底部灌填粗砂，構(gòu)成縱向墊層。此法不需專用設(shè)備，施工方便，較適用于底寬較小的鋼殼圓形、八角形或花籃形管段。這是一種 最早的后填法的基礎(chǔ)處理方式，美國早期的沉管隧道沉管段的基礎(chǔ)處理常用此法，1969 年建成 的阿根廷 Farana(Hernandias)隧道，亦用此法。該工法是在管段底板中等距離預(yù)埋灌砂管，

4、通過灌砂管向管段底下預(yù)留基礎(chǔ)空間進行灌砂， 生物島大學(xué)城沉管隧道工程、侖頭生物島沉管隧道及珠江沉管隧道都是采用該方法進行基礎(chǔ)。 灌砂法施工原理見圖 5.5.1-1。- 479 -圖 5.5.1-1 灌砂工法基礎(chǔ)處理2. 灌囊法 首先在開挖好的基槽底面先鋪一層砂、石墊層，然后于管段沉放前在管段底面下事先系扣上空囊袋一并下沉，先鋪墊層與管段底面之間留出 1520cm 的空間。 待管段沉放完畢后，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，直至管段底面以下的空隙全部充填滿為止，見圖 5.5.1-2圖 5.5.1-4。25cm30cm40cm沉管管段縱斷面60cml=42m垂直千斤頂10

5、cm20cm30cml=21.0m圖 5.5.1-2 灌囊法縱斷面圖橫斷面管節(jié)底寬37.4m42.0m21.0m圖 5.5.1-3 灌囊法橫斷面圖平臺船沉管管段第二層砂囊- 480 -第一層砂囊圖 5.5.1-4 灌囊法基礎(chǔ)施工囊袋的尺度按一次灌注量而定，一般不宜過大，以能容納 56m3為度。制造囊袋的材料要有 一定牢度，并有較好的透水性和透氣性，以便灌注砂漿時順利地排出囊袋中的水和空氣?；旌仙皾{的強度(標(biāo)號)要求不高，只須略高于基槽原狀土即可，但其流動度應(yīng)較大。灌漿時， 從水面通過 100mm 直徑的消防軟管，靠砂漿自重自行灌注，而不加壓(所以不稱為“壓漿”)。 灌注時必須密切觀測管段是否被

6、頂起，一般可采取間隔(跳擋)輪灌等措施來避免管段被頂起。此法最初用于瑞典 Tingstad 隧道(1968)，以后亦用于日本的衣浦港水底隧道。3. 壓漿法 壓漿法是從隧道內(nèi)部，經(jīng)預(yù)埋在管段底板上的單向閥壓漿孔向管底空隙壓注混合砂漿。該法- 481 -最早是在日本東京港第一航道水底道路隧道（1976）使用。其具體作法是，向在管段下面超過0.7m 厚的砂巖碎石層泵送了 0.5m 厚的膨潤土砂漿層，管段的邊緣用砂碎石過濾層來密封以防止 砂漿漏失，對于終端的管段采用鋼樁基礎(chǔ)。我國甬江沉管隧道采用的就是壓漿法基礎(chǔ)。壓漿法是在灌囊法基礎(chǔ)上進一步改進和發(fā)展而來，可省去較貴的囊袋、繁復(fù)的安裝工藝、水 上作業(yè)和

7、潛水作業(yè)。壓漿所用混合砂漿是由水泥、蒙脫土、砂和適量緩凝劑配成。蒙脫土亦可用粘土代替，其摻 用目的是為了增加砂漿的流動性，同時又節(jié)約水泥?；旌仙皾{的強度只需 5MPa 左右，只要不低 于地基原狀土體的強度便可。因管段作用在基槽底面上的壓力很小，一般只有 12MPa，最大亦 僅 3MPa 左右。每立方米混合砂漿的配比為：水泥 150kg、蒙脫土 2530kg、砂 6001000kg。壓 漿時所用壓力不宜過高，以防頂起管段，一般比水壓力大 0.10.2MPa 即可。采用此法時，沉管段基槽亦須向下超挖 lm 左右，然后攤鋪一層碎石(厚約 4050cm)，但不 必刮平，再堆設(shè)一層作為臨時支座的碎石(道

8、碴)堆。管段沉放對接結(jié)束后，沿著管段二側(cè)邊及后 端底邊拋堆砂、石混合料至離管段底面標(biāo)高以上 1m 左右，以封閉管段周邊。然后從管段內(nèi)部， 用通常的壓漿設(shè)備，經(jīng)預(yù)埋在管段底板上帶單向閥的壓漿孔(直徑 80mm)，向管段底部空隙壓注 混合砂漿。日本東京港第一航道沉管隧道(1976 年)首先成功試驗此工法，同時解決了地震區(qū)砂墊層液化 問題。自從壓漿法試驗成功后，1975 年底日本又在另一工程成功試驗壓混凝土法，其基本概念 與壓漿法相同，只是以低標(biāo)號、高流動性細石混凝土代替砂漿。4. 刮鋪法刮鋪法一般用于鋼殼管段隧道，屬于先鋪法中的一種。刮鋪法的過程是，基槽浚挖后，在沉 管沉放前，鋪以碎石墊層，采用專

9、用設(shè)備將碎石層刮平到設(shè)計要求（一般厚約 0.7m ，刮平精度3cm ) ，然后將沉管沉放到碎石墊層基礎(chǔ)上。如美國加利福尼亞舊金山海灣地區(qū)快速交通鐵路沉 管隧道（1970）。該隧道是世界上最長的沉管隧道（總長 5825m ) ，也是水深最大的沉管隧道（底 深 40.5m )，其隧道結(jié)構(gòu)為單層鋼殼、雙管孔，每孔單軌，地基巖性為泥砂層，采用銑刀式真空 吸泥機和蛤斗式挖泥機清除軟基，然后進行樣板刮平基礎(chǔ)處理。又如日本大馬河（臺場）鐵路沉 管隧道（1980），位于地震活躍地帶，地基巖性主要為軟粘土和粉砂層，采用的是樣板刮平碎石 基礎(chǔ)，基礎(chǔ)為 70cm 厚、12.4m 寬的碎石（粒徑 3040mm）層，它

10、能適應(yīng)較大的沉陷，并能經(jīng) 受強烈地震。圖 5.5.1-5 基礎(chǔ)處理及管段沉放專用工程船舶圖 5.5.1-6 刮平箱刮平示意圖- 482 -圖 5.5.1-7 通過伸縮管輸送石料5. 噴砂法噴砂法也稱 C&N 法基礎(chǔ)。它利用在隧道管段上方滾動移動的鋼門架，與鋼門架相連的是 三根管子。其中最大的管子在中間，將砂、水混合物（成分要良好的控制）泵送到隧道管段下面， 另外兩根管子又將水吸回去，從而形成一種流動作用，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。如荷蘭斯派克尼瑟地鐵隧道（1984 )，首先采用噴射空氣攪動和借助河流水 作用清除淤泥，在某一端頭通過超挖清除不適用的泥土層，用砂取代，

11、然后將其振動搗實。又如 荷蘭阿姆斯特丹的科恩隧道（1966），它在通過水力浚挖清除軟基后，將沉管放置在 4 個樣板刮 平的礫石堆上，然后用千斤頂調(diào)整其高程，再在管段下面噴砂。當(dāng)管段寬度較大時，先鋪法、灌砂法均不適用。此時可以采用噴砂法，該工法主要是在水面 上用砂泵將砂、水混合料通過伸入管段底面的噴管向管段底部噴注，以填滿其空隙。噴砂所筑的 墊層厚一般為 1m。噴砂作業(yè)之前，需在沉放完畢的管段頂面上安設(shè)一套專用臺架。臺架在水面以上的部分作為 施工工作平臺，臺架可沿鋪設(shè)在管段頂面上的軌道作縱向前后移動。在臺架的外側(cè)，吊著一組由三根鋼管組成的管組。管組下端彎成 L 形，以伸入管段底下的空隙中去。管組

12、中間的一根為噴 管，直徑為 10cm。其旁為二根吸管，直徑為 8cm，在噴砂、水混合料的同時，經(jīng)二根吸管抽汲 回水。根據(jù)回水的含砂量斷定噴填的密實程度。圖 5.5.1-8 噴砂法圖 5.5.1-9 新噴砂法 噴砂作業(yè)時，先從管段的前端開始，逐步噴填到管段后端，然后用浮吊將臺架吊移到管段的另一側(cè)，再從后端向前端噴填。噴砂作業(yè)的施工速度，約為 200m3/h。 在噴砂開始前，可利用吸砂設(shè)備將基槽底面上的回淤土或松散的土塊清除干凈。此亦為噴砂法的特點。 噴砂完畢后，隨即將支承在臨時支座上的千斤頂卸荷，使管段全部(包括壓重層)重量壓到砂墊層上使之壓密，此時產(chǎn)生的沉降量一般在 5mm 以內(nèi)?？⒐ぁ⑼ㄜ嚭?/p>

13、的最終沉降量，一般在 15mm以內(nèi)。- 483 -此法在歐洲用得較多。一些管段寬度較大的沉管隧道，如比利時安特衛(wèi)普市的 Scheldt E3(J.F.K.Tunnel)隧道(管段底寬 47.85m)，德國的 Elba 河隧道(管段底寬 41.5m)等，均用此法作基 礎(chǔ)處理。該工法到了 20 世紀(jì) 80 年代，己發(fā)展到在管段底面下的空隙中設(shè)置一套能縱向(沿管段縱向) 移動的導(dǎo)架，導(dǎo)架上放置橫向往復(fù)移動的噴砂機械手，由水面工程船舶通過輸砂管輸砂，導(dǎo)架由 水面工程船舶拖拽縱向移動。采用水下閉路電視監(jiān)視噴砂充填空隙的效果。6. 壓砂法 壓砂法基礎(chǔ)，也稱砂流法基礎(chǔ)。首先在荷蘭弗拉克公路沉管隧道（1975

14、）采用。它通過隧道管段底部的預(yù)留孔將砂、水混合物泵出，填充隧道管段下的空間直到“砂堆”接觸到管段的底部 為止。這祥就在隧道管段下面形成一個擴大的砂餅，直到砂餅的內(nèi)部水壓超過了預(yù)先制定的最大 值。然后才打開下一個孔口，同時將前一個孔口關(guān)閉。如中國廣州珠江沉管隧道（1994）即采用 該種基礎(chǔ)處理方法，該隧道主要用于公路和鐵路，受河流潮汐作用影響較大。地基主要分四個帶： 松散土層帶、土狀帶、塊狀帶和完整帶，沉管主要放在塊狀帶和完整帶由主要為白堊紀(jì)紅色砂巖， 地質(zhì)條件較好，屬于類圍巖，通過清淤泥及爆破法基槽開挖，待管段沉放好后，從管底頂 留的單向壓注孔從隧道內(nèi)向基底壓砂，從而形成壓砂法基礎(chǔ)。至于基礎(chǔ)密

15、實度和砂盤半徑，依據(jù) 模型試驗結(jié)果，通過箱體兩側(cè)返砂 1m 高度來進行控制。7. 樁基礎(chǔ)法 樁基法在某些早期沉管隧道中有所應(yīng)用。當(dāng)?shù)鼗撂貏e軟弱，土層軟硬不一時，為了防止不均勻沉降，有時采用樁基。如瑞典廷斯泰德隧道（1968），由于河流底部淤泥影響較大，主要為后冰川期粘土，其基礎(chǔ)采用了樁基法。當(dāng)基槽底部用礫石鋪平后，將長約 22m 的樁打進粘土中（粘土層位于 80100m 深處），然后泵送灰漿填滿管段下面的大尼龍袋，這些尼龍袋就分擔(dān)樁基 之間的管段的部分受力。8. 導(dǎo)管法水下灌注砂基床 主要應(yīng)用在美國早期沉管隧道中。在清基之后，管段就位到臨時支座上，將導(dǎo)管伸到管段下澆注混凝土或砂，填滿管段與地

16、基之間的空間。9. 沉箱橋臺式基礎(chǔ) 該種基礎(chǔ)主要為兩個氣壓沉箱，將管段兩端沉放在沉箱之上，然后在管段下面與河床的孔隙間進行充填。如德國弗萊德里奇薩芬隧道（1927）。5.5.2作業(yè)內(nèi)容 沉管基礎(chǔ)必須進行處理，目前國內(nèi)最常用的是砂流法（也稱灌砂基礎(chǔ)）。即在管段預(yù)制時預(yù)埋壓砂管，在基槽開挖成型后，先施工水下臨時墊塊，將管段的一端沉放在已沉放管段（或暗埋 段）的鼻托梁上，另一端通過管段底部預(yù)埋的千斤頂支撐在臨時墊塊上。管段對接完成后，由拖 輪將壓砂工作船拖至現(xiàn)場拋錨定位，壓砂工作船橫向布置于管段上。潛水員在水下將膠管與壓砂 預(yù)留孔連接起來，砂漏斗的砂通過輸送帶送至攪拌器進行攪拌，由砂泵壓送至管段基礎(chǔ)

17、，砂料逐 步堆積形成密實的沙盤。壓砂過程中要不間斷的監(jiān)測管段姿態(tài)及壓砂壓力，在壓力明顯增大或管 段高程變化時，停止壓砂并由潛水員探摸。5.5.3工藝流程圖- 484 -管段對接完成灌砂船就位連接灌砂管下料、攪拌開始壓砂潛水員探摸單孔灌砂結(jié)束移管圖 5.5.3-1灌砂基礎(chǔ)施工流程圖5.5.4工藝步驟一、灌砂試驗 施工前，提前進行灌砂法施工的各種試驗，以便掌握必要的施工參數(shù)，來控制基礎(chǔ)回填施工，使沉管隧道最終符合設(shè)計要求。1.明確試驗內(nèi)容2. 合理進行灌砂試驗設(shè)計3. 規(guī)劃與確定試驗方法4.通過試驗得出合理科學(xué)試驗結(jié)論，為施工提供參考與指導(dǎo)。圖 5.5.4-1灌砂法示意圖 二、灌砂施工管段沉放后通

18、過預(yù)埋在管段底部的垂直千斤頂支撐在已經(jīng)施工完畢的臨時墊塊上，滿足管段 的沉放對接要求，待管段對接施工完畢后，再通過預(yù)埋在管段中、邊墻內(nèi)的灌砂管進行灌砂基礎(chǔ) 施工，待灌砂施工完畢后，臨時千斤頂可以收回，所采用的灌砂設(shè)備較簡單，便宜，容易制造。 在管段預(yù)制時預(yù)埋壓砂管。管段沉放對接后，由拖輪將壓砂工作船拖至現(xiàn)場拋錨定位，壓砂工作 船橫向布置于管段上。潛水員在水下將膠管與壓砂預(yù)留孔連接起來，砂漏斗的砂通過輸送帶送至 攪拌器進行攪拌，由砂泵壓送至管段基礎(chǔ)，砂料逐步堆積形成密實的沙盤。壓砂過程中要不間斷- 485 -的監(jiān)測管段姿態(tài)及壓砂壓力，在壓力明顯增大或管段高程變化時，停止壓砂并由潛水員探摸。壓 砂

19、順序為先中間后兩側(cè)，最后兩排孔不壓砂，等到后一節(jié)管段對接后才能由該排孔進行壓砂施工， 這樣可以避免砂料流至未沉放管段的基槽上去。三、砂盤監(jiān)測 砂盤形成的監(jiān)測手段主要采用灌砂量控制、灌砂壓力控制、潛水員探摸等手段。1.灌砂量控制 由測量的實際水深，計算出每一灌砂孔需要的灌砂量，當(dāng)實際灌砂量達到該數(shù)值時，即應(yīng)注意其他灌砂參數(shù)。2.灌砂壓力 砂盤形成過程中，灌砂壓力一般都在變化，趨勢是逐漸升高的。在砂泵出口處安裝一個壓力表，用以監(jiān)測壓力變化，當(dāng)壓力表讀數(shù)有較為顯著升高時即應(yīng)引起注意。3.潛水員水下探摸 當(dāng)灌砂量達到計算量或灌砂過程中出現(xiàn)其他異動，如壓力顯著升高，則應(yīng)由潛水員下水探摸砂盤形成情況（擴散半徑與整體性）。 四、灌漿封孔 基礎(chǔ)灌砂時會留下砂流槽、沖擊坑，為填充該部分空隙及灌砂預(yù)留孔，采用壓力灌漿方式，壓注細石混凝土。細石混凝土應(yīng)采用無收縮、易流動的材料，細石粒徑在 25 mm 之間，材料 的抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值不低于 C35；細石混凝土灌注壓力應(yīng)控制在 0.30.5MPa。灌漿設(shè)備布置在灌砂工作船上，管段基礎(chǔ)灌砂工作完成后，即可進行灌漿。灌漿過程中，派潛水員下水探摸預(yù)留孔注漿情況，如發(fā)現(xiàn)未填充滿，則應(yīng)進行補填。檢驗合 格后，利用封板封住預(yù)留孔。5.5.5質(zhì)量控制說