1、沉管法隧道施工基本原理及施工工艺沉管法隧道施工基本原理及施工工艺1 沉管法：沉管法：在隧址附近修建的在隧址附近修建的临时干坞临时干坞内内(或船厂船台或船厂船台)预制预制管段管段，用，用临时隔墙临时隔墙封闭，然后封闭，然后浮运浮运到隧址规定位置，此到隧址规定位置，此时已于隧址处预先挖好时已于隧址处预先挖好水底基槽水底基槽。待管段定位后。待管段定位后灌水压灌水压载下沉载下沉到设计位置，将此管段与相邻管段到设计位置，将此管段与相邻管段水下连接水下连接，经，经基础处理基础处理并最后并最后回填覆土回填覆土即成为水底隧道。即成为水底隧道。2在已修筑好的干坞内在已修筑好的干坞内预制管段预制管段34一般由一般
2、由敞开段、暗埋段、岸边竖井与沉埋段敞开段、暗埋段、岸边竖井与沉埋段等组成。等组成。沉埋段两端沉埋段两端通常设置通常设置竖井竖井作为起讫点，竖井起到通风、作为起讫点，竖井起到通风、供电、排水和监控等作用。根据两岸地形与地质条件，供电、排水和监控等作用。根据两岸地形与地质条件，也可将沉埋段与暗埋段直接相接而不设竖井。也可将沉埋段与暗埋段直接相接而不设竖井。沉管隧道的组成沉管隧道的组成5整体结构整体结构： 水下沉管隧道的整体结构是由管段基槽、基础、管段、水下沉管隧道的整体结构是由管段基槽、基础、管段、覆盖层等组成，整体坐落于河（海）水底。覆盖层等组成，整体坐落于河（海）水底。 沉管隧道的横断面结构沉
3、管隧道的横断面结构覆盖层覆盖层管段管段基础基础基槽基槽610.2.1 沉管隧道结构分类沉管隧道结构分类按断面形状：n圆形n矩形等按建筑材料： 钢壳混凝土 钢筋混凝土按管段的制作方式：n船台型n干圬型7n船台型1）造船厂船台上预制钢壳2）滑行下水，水上悬浮状态灌注混凝土3）横断面一般为圆形、八角形、花篮形，多为圆形优点：1）圆形，弯矩较小；水深大时，较经济2）管段底面积小，基础容易处理3）钢外壳既是外模，又是防水层，同时保护内侧混凝土缺点：1）断面空间不能充分利用；车道数少2）隧道深度增加，基槽土方量增加3）耗钢量大，造价高，焊接质量无法保证，没完没了的堵漏4）钢壳防锈问题、防水问题。89n干圬
4、型1）临时干圬中制作钢筋混凝土管段，外涂 防水涂料2）圬内灌水，管段上浮；拖运到隧址陈设3）断面多为矩形优点：1）管段在干船坞内制造，不需钢壳，节约钢材2）断面大小不受限制缺点：1）必须在合适地点修建干船坞2）需设置防水层，并加以保护，以保证防水性3）混凝土工艺要求高，特别是水密性要求4）底面积大，基础处理麻烦1010.2.2 沉管隧道结构设计要点沉管隧道结构设计要点设计内容主要有：总体几何设计；结构设计；通风设计；照明设计；内装设计；给排水设计；供电设计；运行管理设施设计等。11（1）横断面的设计）横断面的设计用干船坞制作的钢筋混凝土管段，从施工的角度看，在用干船坞制作的钢筋混凝土管段，从施
5、工的角度看，在应力方面是不会有问题的。决定横断面时，就是要应力方面是不会有问题的。决定横断面时，就是要注意注意对浮力的平衡对浮力的平衡。决定断面尺寸时，一般都按采用。决定断面尺寸时，一般都按采用平面框平面框架结构架结构进行应力计算。进行应力计算。n一般管段结构设计一般管段结构设计横断方向的钢壳断面，一般决定于横断方向的钢壳断面，一般决定于混凝土灌注时的应力混凝土灌注时的应力。随着混凝土的灌注，吃水深度增加，而水压增大。设计随着混凝土的灌注，吃水深度增加，而水压增大。设计断面也随之变化。因此，应对断面也随之变化。因此，应对每一施工阶段的混凝土重每一施工阶段的混凝土重量和水压进行应力计算量和水压进
6、行应力计算，而后按最危险状态，决定钢壳，而后按最危险状态，决定钢壳断面。断面。12（2）纵断面的设计）纵断面的设计施工阶段：主要计算浮运、沉设等阶段时主要由施工荷施工阶段：主要计算浮运、沉设等阶段时主要由施工荷载引起的弯矩，浮运管段越长，所受弯矩越大。载引起的弯矩，浮运管段越长，所受弯矩越大。使用阶段：弹性地基梁理论计算纵向内力使用阶段：弹性地基梁理论计算纵向内力钢壳作为整体梁分析，保证纵向发生变形而横截面方向钢壳作为整体梁分析，保证纵向发生变形而横截面方向无显著变形，可利用横柱和支柱增强截面的刚度无显著变形，可利用横柱和支柱增强截面的刚度（3）预应力混凝土管段设计）预应力混凝土管段设计跨度较
7、大时，并且土、水压力较大时，采用管段顶、底跨度较大时，并且土、水压力较大时，采用管段顶、底及隔墙预应力设计，改善管段结构的抗裂性能。及隔墙预应力设计，改善管段结构的抗裂性能。1310.3.1 沉管法施工前期调查工作沉管法施工前期调查工作水力调查：水力调查：流速、流向、密度差异、潮汐、水位变化、流速、流向、密度差异、潮汐、水位变化、 海浪和波浪影响、水质情况海浪和波浪影响、水质情况地质调查：地质调查：地基承载力、水下障碍物、浚挖技术地基承载力、水下障碍物、浚挖技术气象调查：气象调查：风、温度、能见度等风、温度、能见度等地震调查：地震调查：断层位置、地震记录、土层性质或成层状态，特断层位置、地震记
8、录、土层性质或成层状态，特别注意液化问题别注意液化问题1410.3.2 临时干船坞的构造与施工临时干船坞的构造与施工（1）规模取决于管段节数、管段宽度与长度、管段预制批量，同事考虑工期因素。小型干圬小型干圬：分批制作：分批制作瑞典瑞典TingstadTingstad隧道（隧道（5 5节管段，长节管段，长93.5 m93.5 m，80 m80 m，宽，宽30 m30 m）：干圬）：干圬3500 3500 平米（平米（10010035 m35 m）大型干圬大型干圬：一批制作：一批制作日本东京港水底隧道（日本东京港水底隧道（9 9节管段，长节管段，长115 m115 m，宽，宽37.4 m37.4
9、m）：干圬）：干圬81270 81270 平米（平米（645645126 m126 m）（2）深度）深度保证管段制作好后能顺利浮运出坞。保证管段制作好后能顺利浮运出坞。15（3 3）坞底与边坡）坞底与边坡n坞底坞底20-30 cm20-30 cm无筋混凝土或钢筋混凝土（铺砂砾或碎石层）无筋混凝土或钢筋混凝土（铺砂砾或碎石层）或或1-2.5 m1-2.5 m的黄砂；上覆的黄砂；上覆20-30 cm20-30 cm砂砾或碎石砂砾或碎石一般坞底强度不存在问题一般坞底强度不存在问题n边坡边坡需进行边坡稳定性分析需进行边坡稳定性分析可采用防渗墙及井点系统可采用防渗墙及井点系统分批制作时，需分析干圬排水时
10、边坡的稳定性分批制作时，需分析干圬排水时边坡的稳定性16（4 4）坞首、坞门）坞首、坞门一批制作时：一般不采用坞门，仅用土围堰、钢板桩围堰；一批制作时：一般不采用坞门，仅用土围堰、钢板桩围堰；局部拆除围堰，将管段拖运出坞局部拆除围堰，将管段拖运出坞分批制作时：双排钢板桩围堰；单排钢板桩作分批制作时：双排钢板桩围堰；单排钢板桩作坞坞门门1710.3.3 管段制作管段制作（1 1）施工缝、变形缝的控制）施工缝、变形缝的控制纵向施工缝：竖墙下端纵向施工缝：竖墙下端30-50cm30-50cm处处横向施工缝：垂直缝（水密性难以保证）横向施工缝：垂直缝（水密性难以保证）设置垂直于隧道轴线方向的变形缝，以
11、防止管段开裂，长短一般为设置垂直于隧道轴线方向的变形缝，以防止管段开裂，长短一般为15-20 m15-20 m18（2 2）底板）底板地层不均匀沉降可能引起管段裂缝。一般在坞底沙层上铺设一块地层不均匀沉降可能引起管段裂缝。一般在坞底沙层上铺设一块6mm6mm厚的钢板，与底板混凝土浇筑在一起，既防水，又防止外力对底板的厚的钢板，与底板混凝土浇筑在一起，既防水，又防止外力对底板的破坏。或者用破坏。或者用9-10cm9-10cm的钢筋混凝土板代替钢板，并贴上防水膜。的钢筋混凝土板代替钢板，并贴上防水膜。（3 3）侧墙与顶板）侧墙与顶板侧墙外周可用钢板（做外模板和侧防水），应确保焊接质量。也可用侧墙外
12、周可用钢板（做外模板和侧防水），应确保焊接质量。也可用防水膜，并做好防水膜保护。防水膜，并做好防水膜保护。顶板上通常铺设防水膜，浇筑顶板上通常铺设防水膜，浇筑15-20cm15-20cm厚的钢筋混凝土保护层，一直厚的钢筋混凝土保护层，一直包到侧墙上部，并做成削角，避免被船锚钩住。包到侧墙上部，并做成削角，避免被船锚钩住。19n（4 4）临时隔墙）临时隔墙设置于管段两端设置于管段两端50-100 cm50-100 cm处处木料、钢材或钢筋混凝土制成木料、钢材或钢筋混凝土制成设计时按最大静水压力考虑设计时按最大静水压力考虑封端墙上需设排水阀（下部）、进气阀（上部）、人员出入孔封端墙上需设排水阀（下
13、部）、进气阀（上部）、人员出入孔n（5 5）压载设备）压载设备石碴、矿碴或者水，多数用加载水箱石碴、矿碴或者水，多数用加载水箱每只管段每只管段44只水箱，均匀布置于四角只水箱，均匀布置于四角水箱容量取决于干舷大小、下沉力、基础压重等水箱容量取决于干舷大小、下沉力、基础压重等n（6 6）预应力张拉）预应力张拉管段预制完成后，在干船坞内全部预应力一次施加完毕。管段预制完成后，在干船坞内全部预应力一次施加完毕。2010.3.4 管段浮运管段浮运管段制作完成后开始向干船坞注水，检查管段内部漏水情况，一旦发管段制作完成后开始向干船坞注水，检查管段内部漏水情况，一旦发现漏水，立即停止注水并修补。现漏水，立
14、即停止注水并修补。船坞内水位接近干舷量时，向压载水箱内注水，防止管段上浮。完全船坞内水位接近干舷量时，向压载水箱内注水，防止管段上浮。完全淹没后，排出水箱内的水，使管段上浮。浮运时干舷量一般取淹没后，排出水箱内的水，使管段上浮。浮运时干舷量一般取10-10-15cm15cm左右。调整完后，打开坞门，拽出管段。左右。调整完后，打开坞门，拽出管段。一般清晨托运至隧址，以便沉设。提前一般清晨托运至隧址，以便沉设。提前12h12h做好水流与气象条件预报做好水流与气象条件预报工作，并提前工作，并提前2h2h复核。一般要求：风力小于复核。一般要求：风力小于5-65-6级，能见度大于级，能见度大于1000m
15、1000m，气温高于气温高于-3-30 0C C，可进行沉设作业。，可进行沉设作业。21宁波甬江沉管隧道管段预制宁波甬江沉管隧道管段预制22干坞注水与管段检漏调整干坞注水与管段检漏调整23管段内部检漏管段内部检漏2410.3.5 沟槽浚挖沟槽浚挖基槽断面底宽：大于管段宽度410cm深度：覆盖层厚+管段高度+基础处理所需超挖深度坡度：土层条件、基槽留置时间、水流情况等25浚挖方式挖泥船选择n吸扬式挖泥船生产效率高；成本低；开挖面平整度好n抓扬式挖泥船造价低；浚挖深度大；可开挖硬土n链斗式挖泥船生产效率高；成本低；能浚挖硬土；平整度好；占用水面大n铲扬式挖泥船浚挖费用高；占用水面小26耙吸式挖泥船
16、耙吸式挖泥船绞吸式挖泥船绞吸式挖泥船27链斗式挖泥船链斗式挖泥船抓斗式挖泥船抓斗式挖泥船28铲斗式挖泥船铲斗式挖泥船2910.3.6 管段沉放管段沉放影响因素：管段尺寸、地形、水流条件、气象条件、航运条件管段下沉全过程一般需要管段下沉全过程一般需要24h。下沉作业分为。下沉作业分为初步下沉、靠拢下沉与着地下沉3个步骤。A. 初步下沉初步下沉压载至下沉力达压载至下沉力达50规定值后校正位置，之后再继续压载至下沉力规定值后校正位置，之后再继续压载至下沉力达达100规定值，然后规定值，然后20-50cm/min的速度下沉，的速度下沉，直到管段底部离设直到管段底部离设计高程计高程45m为止为止。B.
17、靠拢下沉靠拢下沉将管段向前节既设管段方向平移至距前节管段将管段向前节既设管段方向平移至距前节管段22.5m处，再将管段处，再将管段下沉到管段底部离设计高程下沉到管段底部离设计高程0.5m左右，再次校正管段位置。左右，再次校正管段位置。C. 着地下沉着地下沉先将管段底降至距设计高程先将管段底降至距设计高程1020cm处，再将管段继续前移至距既处，再将管段继续前移至距既设管段设管段2050cm处，校正位置后即开始着地下沉。下沉速度缓慢，处，校正位置后即开始着地下沉。下沉速度缓慢，随时校正管段位置。随时校正管段位置。30管段下沉作业步骤管段下沉作业步骤 31浮箱分吊法浮箱分吊法1-1-沉放管段沉放管
18、段;2-;2-压载水箱压载水箱;3-;3-浮箱浮箱;4-;4-定定位塔位塔;5-;5-指挥室指挥室;6-;6-吊索吊索;7-;7-定位索定位索;8-;8-既既设管段设管段;9-;9-鼻式托座鼻式托座a)就位前就位前; b)加载下沉加载下沉; c)沉放定位沉放定位 浮箱分吊法浮箱分吊法管段顶板上方用管段顶板上方用4只浮力只浮力10001500kN的的方型浮箱方型浮箱直接吊起，吊索起吊力作用于各直接吊起，吊索起吊力作用于各浮箱中心，前后每组两只浮箱用浮箱中心，前后每组两只浮箱用钢桁架钢桁架连连接，并用接，并用4根锚索定位。起吊卷扬机与浮根锚索定位。起吊卷扬机与浮箱定位卷扬机均安放在浮箱顶部，管段本
19、箱定位卷扬机均安放在浮箱顶部，管段本身则另用身则另用6根锚索定位，其定位卷扬机则根锚索定位，其定位卷扬机则安设在定位塔顶部。安设在定位塔顶部。 32船组船组(四驳四驳)杠吊法杠吊法每组船体由两只铁驳或两组浮箱构成，将每组钢梁每组船体由两只铁驳或两组浮箱构成，将每组钢梁( (杠棒杠棒) )两头担在两两头担在两只船体上构成一个船组，再将先后两个船组用钢桁架梁连接成整体船只船体上构成一个船组，再将先后两个船组用钢桁架梁连接成整体船组组( (前后两个船组也可不用钢桁架梁连接前后两个船组也可不用钢桁架梁连接) )。船组与管段各用。船组与管段各用6 6根锚索根锚索定位定位( (均为四边锚与前后锚均为四边锚
20、与前后锚) )，所有定位卷扬机均安设在船体上，起吊，所有定位卷扬机均安设在船体上，起吊卷扬机安设在卷扬机安设在“杠棒杠棒”上，吊索的吊力通过上，吊索的吊力通过“杠棒杠棒”传到船体上。传到船体上。 1-沉管沉管;2-铁驳铁驳;3-船组定位索船组定位索;4-沉管定位索沉管定位索;5-杠棒杠棒;6-连接梁连接梁;7-定位塔定位塔3310.3.7 水下连接水下连接n水下混凝土连接法水下混凝土连接法 应用范围应用范围 早期均使用该法，目前只用于最终接头连接。早期均使用该法，目前只用于最终接头连接。 施工方法施工方法 水中安放圆弧形堰板，围成圆形钢围堰，往围堰内灌筑水中安放圆弧形堰板，围成圆形钢围堰，往围
21、堰内灌筑水下混凝土，形成管段连接。水下混凝土，形成管段连接。n水力压接法水力压接法 作用原理作用原理利用作用在管段上的巨大水压力使安装在管段前端面周利用作用在管段上的巨大水压力使安装在管段前端面周边上的一圈胶垫发生压缩变形，形成一个水密性相当可边上的一圈胶垫发生压缩变形，形成一个水密性相当可靠的管段接头。靠的管段接头。34水力压接的步骤：水力压接的步骤：1）对位；）对位；2）拉合；）拉合；3）压接）压接35主要是垫平基槽底部，有刮铺、喷砂、压砂法。主要是垫平基槽底部，有刮铺、喷砂、压砂法。 一一 刮铺法刮铺法1.在管段在管段沉放前采用专用刮铺船上的刮板在基槽底刮平铺垫材料沉放前采用专用刮铺船上
22、的刮板在基槽底刮平铺垫材料( (粗砂粗砂或碎石或砂砾石或碎石或砂砾石) )作为管段基础。作为管段基础。2.采用刮铺法开挖基槽底应超挖采用刮铺法开挖基槽底应超挖6080cm，在槽底两侧打数排短桩，在槽底两侧打数排短桩安设导轨，以便在刮铺时控制高程和坡度。安设导轨，以便在刮铺时控制高程和坡度。10.3.8 基础施工基础施工36n喷砂法喷砂法1.从水面从水面上用砂泵将砂、水混合料通过伸入管段底下的喷上用砂泵将砂、水混合料通过伸入管段底下的喷管向管段底喷注、填满空隙。砂垫层厚度管向管段底喷注、填满空隙。砂垫层厚度1m左右。左右。2.可沿着轨道纵向移动的台架外侧挂三根可沿着轨道纵向移动的台架外侧挂三根L
23、形钢管，中间为形钢管，中间为喷管两侧为吸管。喷管两侧为吸管。37三三 压砂法压砂法1.在管段沉放后向管段底面压注水泥砂浆或砂作为管段基础。根据压在管段沉放后向管段底面压注水泥砂浆或砂作为管段基础。根据压注材料不同分成注材料不同分成压浆法压浆法和和压砂法压砂法两种两种。2.压浆法压浆法：开控基槽时应超挖：开控基槽时应超挖1m左右，然后摊铺一层厚左右，然后摊铺一层厚4060cm的的碎石。两侧抛堆沙石封闭槛后，通过隧道内预留压浆孔注入由水泥、碎石。两侧抛堆沙石封闭槛后，通过隧道内预留压浆孔注入由水泥、膨润土、黄砂和缓凝剂配成的混合砂浆。膨润土、黄砂和缓凝剂配成的混合砂浆。3.压砂法压砂法：与压浆法相
24、似，但注浆材料为砂水混合物。：与压浆法相似，但注浆材料为砂水混合物。38n（1）隧道深度与其它隧道相比，因能够设置在只要不妨碍通航的深度下，故隧道全长可以缩短；n（2）隧道管段是预制的，质量好，水密性高；n（3）造价较低。水下挖土与管段制作成本较低，短于盾构隧道；n（4）工期短，对航运干扰小。管段在干坞中呈长段预制，沉放连接时间短，对航运干扰次数少、时间短。沉管隧道的主要工序可平行作业，各工序间干扰少，可缩短工期。n（5）施工条件好。管段预制、托运和沉放等都是陆地或水面完成，水下作业也很少，也不需要沉箱法和盾构法的压缩空气作业，在相当水深的条件下，能安全施工；n（6）对地质条件的适应性强。基槽开挖浅，开挖和基础处理措施简单，沉管受浮力作用对地基负荷较小；n（7）适用水深范围较大。预制后浮运沉放，简化了水中作业，最大深度可达70m；n（8）可做成大断面多车道。断面形状无特殊限制，可按用途自由选择，结构基本没有多余空间，一个断面可容纳4-8个车道，利用率高。39沉管法的主要缺点：p 需要一个占用较大场地的干坞；p 基槽开挖数量较大且需进行清淤，对航运和市区环境的影响较大，另外，河、海床地形地貌复杂的情况下，增加施工难度和造价；p 管节浮运、沉放作用需考虑水文、气象条件等的影响；p 管段底面和基础的施工方法不妥时，会造成沉陷和不均匀沉降40
