1、沉管隧道技术沉管隧道技术第四组：欧阳俊峰、孔翎旭、苏冠宇、朱振杰、鄢然、赵腾飞汇报提纲1234沉管技术及其发展沉管技术及其发展实例与展望实例与展望沉管隧道的关键技术沉管隧道的关键技术桥隧方案比选桥隧方案比选沉管技术及其发展沉管技术及其发展 u 沉管法是预制管段沉放法的简称，是在水底建筑隧道的一种施工方法。其施工顺序是先在船台上或干坞中制作隧道管段（用钢板和混凝土或钢筋混凝土），管段两端用临时封墙密封后滑移下水（或在坞内放水），使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。定位后，向管段内加载，使其下沉至预先挖好的水底沟槽内。管段逐节沉放，并用水力压接法将相邻管段连接。最后拆除封墙，使各节管段连通成为整体
2、的隧道。在其顶部和外侧用块石覆盖，以保安全。u 水底隧道的水下段，采用沉管法施工具有较多的优点。50年代起，由于水下连接等关键性技术的突破而普遍采用，现已成为水底隧道的主要施工方法。用这种方法建成的隧道称为沉管隧道。沉管技术及其发展沉管技术及其发展u 沉管技术具体施工沉管技术及其发展沉管技术及其发展u 沉管技术具体施工 沉管技术及其发展沉管技术及其发展u 世界沉管隧道的历史世界沉管技术的研究始于1810年首次在伦敦进行的沉管隧道试验,但试验未能解决防水问题。直到1896年美国首次利用沉管法建成穿越波士顿港的输水隧洞和1910年在美国建成底特律水底铁路隧道才宣告沉管法的成功诞生。荷兰于1942年
3、首次建成位于鹿特丹的Mass隧道,即世界上首次采用矩形钢筋混凝土管段建成的沉管隧道。1959年加拿大成功采用水力压接法建成Deas隧道。沉管隧道关键技术的突破,使得沉管法很快被世界各国普遍采用。美国的FortMcHenry隧道、荷兰的Drecht隧道和中国上海外环隧道为目前世界上车道数最多的沉管隧道,均为8车道。美国BayAreaRapidTransit隧道全长5 825m,由58节管段组成,是世界上最长的沉管隧道之一。目前世界上建造沉管隧道最多的国家为美国、荷兰和日本。据统计,现在全世界已有约150座沉管隧道。u 沉管隧道技术的发展沉管技术自问世以来,就不断被工程界改进和完善。从英国人最初的
4、试验,到美国人修建实际的沉管隧道,直到荷兰人引进后又进行了新的创新,使沉管隧道技术得到了不断的发展。荷兰于20世纪60年代发明了Gina止水带,日本在此基础上又进行了新的研发。基础处理技术方面,丹麦于40年代发明喷砂法,瑞典于60年代首先采用灌囊法,荷兰在70年代发明了压砂法,日本在70年代推出压注混凝土法和压浆法。日本在抗震方面也开展了大量研究,并编写了沉管隧道抗震设计规范。这些技术上的重大革新,对沉管隧道的发展和应用具有重要意义。水中悬浮隧道(SFT),在意大利又称阿基米德桥,是在沉管技术基础上发展起来的一种跨越水域的新概念。其基本结构包括悬浮在水面以下一定深度的管状结构、锚固在水下基础的
5、锚索装置、桥体管节之间的连接装置和隧道与两岸相连的构筑物等四个部分。水中悬浮隧道已经被欧洲、美国和日本等国科技界和政府所关注,但迄今世界上还没有建成一座水中悬浮隧道,这方面仍处于理论和试验研究阶段。沉管技术及其发展沉管技术及其发展(1)有大吨位船舶通过江河港湾时,桥梁需要一定的垂直净空和引桥长度;而隧道运营期间不侵占航道净空,不影响水路航运和港口船舶的进出,能有效避免航运和桥梁之间的矛盾。(2)在繁华区域建造越江工程,桥梁方案因引桥的建设会涉及大量拆迁和土地占用,进而增加工程造价和工程建造难度。(3)城市越江工程型式的选择应兼顾考虑保障城市安全。水下隧道交通不受恶劣天气影响,无论刮风下雨,均能
6、确保隧道交通安全,使车辆畅通无阻地全天候运行。(4)水下隧道可以一洞多用,能安全稳定地安排各种市政管道穿越水域。沉管隧道与桥梁的比较沉管法与盾构法是两种重要的隧道施工方法沉管法与盾构法是两种重要的隧道施工方法,而沉管法而沉管法在大型越江工程中呈现许多明显特点。在大型越江工程中呈现许多明显特点。(1)大断面多车道的大型隧道,沉管法明显优于盾构法。沉管隧道断面形式可多样,截面尺寸自由度大;而盾构隧道断面受盾构机半径影响,尺寸有限,且断面多为圆形,空间利用率低。(2)防水性能好使得沉管隧道在越江工程中优势突出;而沉管节段长,接缝数量少,相对减少了渗漏水的机会。(3)沉管隧道主要施工工序可平行进行,速
7、度快,施工建设工期短。不同施工方法隧道与隧道的比较大型沉管管段的制作成为沉管法隧道中技术含量很高大型沉管管段的制作成为沉管法隧道中技术含量很高,质量要求很严的项目质量要求很严的项目,是沉管隧道建设中的关键技术之一。是沉管隧道建设中的关键技术之一。(1)管段制作精度高。主要体现在对管段总重量、总体积、干坞高度、沉放对接精度的要求上。(2)管段防水要求高。主要体现在管段结构不允许出现贯穿裂缝,尽量避免和控制表层裂缝。(3)由于沉管管段混凝土体积大、导温系数低、早期的绝热温升和表面散热等各种因素的影响,会在混凝土内部产生温度应力;同时由于混凝土的抗拉强度低,而产生稳定裂缝。因此对沉管隧道混凝土的研究
8、,则主要集中在温度场及由之产生的应力场的研究上。通过检验积累和科学计算结果表明,管段侧墙内存在较大的拉应力,需要采取合理的措施,以防止裂缝的发展。1、管段预制沉管隧道在浚挖基槽前沉管隧道在浚挖基槽前,应根据河床泥沙以及水流速度应根据河床泥沙以及水流速度等情况确定基槽的形状、浚挖方法及基槽边坡稳定性。常等情况确定基槽的形状、浚挖方法及基槽边坡稳定性。常用的挖泥船有靶吸、链吸、链斗、抓斗、铲斗和射流等形用的挖泥船有靶吸、链吸、链斗、抓斗、铲斗和射流等形式式,选用时应结合当地情况尽量使用技术成熟、生产率高、选用时应结合当地情况尽量使用技术成熟、生产率高、费用低的浚挖方式。隧道施工时还应密切关注基槽淤
9、泥的费用低的浚挖方式。隧道施工时还应密切关注基槽淤泥的沉积问题沉积问题,应采取必要的防范和清淤措施。应采取必要的防范和清淤措施。2、基槽浚挖沉管隧道的基础处理主要是解决开挖引起的槽底不平整、地基土软硬不均和基槽回淤与流砂管涌等问题。管段基础处理方法大致可分为先铺法和后铺法。先铺法又可分为刮铺法(刮砂法和刮石法)和桩基法两种;后铺法则有喷砂法、压砂法、灌砂法、灌囊法和注浆法(灌浆法)之分。沉管隧道在基槽开挖、管段沉放、基础处理和最后回填覆土后,抗浮系数仅 1.11.2,作用在沟槽底面的荷载不会因设置沉管而增加,相反却有减小。沉管隧道基槽开挖时,无论采取何种挖泥设备,开挖后沟槽底面总留有 1550
10、cm的不平整度。沟槽底面与管段表面之间存在众多不规则的空隙,导致地基土受力不均匀,引起不均匀沉降,同时地基受力不均也会使管段结构受到较高的局部应力,以至开裂。而且,地震或列车通过时的振动会使砂性基础产生液化的不良后果。因此必须进行适当的基础处理,以消除这些有害空隙。3、地基处理管段接头有柔性接头和刚性接头之分,根据位置不同,又分为中间接头、岸边接头和合龙接头几种。接头设计应坚持具有可靠的水密性、适当的强度与变形性能以及施工可操作性等几条原则。管段防水应坚持以混凝土自防水为根本、以接头防水为重点的多道防水、综合治理的设计原则。（1）、对钢壳管段,由于钢壳管段被钢壳完全封闭,其防水问题主要是管段之
11、间的接缝防水。防水方法主要是接缝对准后使用钢销扣紧,在接缝两侧安装模板后,用导管法灌注密实的混凝土,将接缝完全包围住。（2）、对钢筋混凝土管段,管段长度一般在 70120m,管段之间接头处是一漏水间隙。施工缝也是一漏水点,混凝土本身也会产生裂缝,这些裂缝能造成管段的渗漏,使钢筋锈蚀,甚至危及管段本身,所以管段的防水至关重要。管段的接头防水是沉管隧道防水的关键部位,沉管管段接头的设计不仅要满足接头部位在各工况下的防水要求,还要满足管段沉放对接施工中接头的水力压接功能以及管段间接头的柔性功能,例如 GINA橡胶止水带。4、防水与接头问题预制管段浮运到现场并沉放安装的整个施工过程分为五个工况:管段起
12、浮、出坞与浮运、管段沉放与水力压接、基础构筑及覆土。其中,隧道管段的出坞与浮运、沉放定位与水下对接是沉管隧道施工中关键的阶段,是沉放隧道施工过程中的一项重要技术。沉放是沉管施工过程中最危险的阶段,原因是沉放在水下施工,难度较大,同时为避免对船舶航行的影响等,要求作业时间短。管段沉放施工需要综合考虑管段尺寸、水流速度和方向、深浅以及以往的施工经验等,同时,潮汐对管段施工也有很大的影响。5、浮运、沉放与水下压接 1、工程概况岛隧工程包括长625m的东、西人工岛和5 664m长的海中沉管隧道。沉管隧道隧址沿线的最大水下深度超过45m。考虑到远期30万t规划航道疏浚的要求,沉管顶部最大埋深超过20m。
13、预制沉管节共分33节管节,最终接头设置于E 29和E 30之间,长度为2.5m,采用水下止水板方式施工。港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道施工实例2、沉管隧道管节工厂化生产横断面采用2孔1管廊形式,宽37.95m、高11.40m;标准管节由8个长22.5m的节段组成。2、沉管隧道管节工厂化生产1)生产厂房用于将预制钢筋网片的拼装和管节浇筑、养护。(2)管节滑行区用于将已制作完成的节段推进滑行。节段下方设置滑行梁,上部采用多点千斤顶系统和减摩垫层,控制差异沉降量,减少摩擦阻力,确保节段滑行时结构不产生有害裂缝。(3)管节临时寄放区用于临时寄放已经完成养护并完成一次舾装的管节。该区域可建于干坞出海口,减少
14、干坞开挖工作量。2、沉管隧道管节工厂化生产3、基槽开挖基槽开挖包括粗挖、精挖及清淤。1)粗挖是开挖自然泥面至离设计底标高约2m间的泥层,选用1万m 3以上耙吸船承担粗挖施工。2)精挖是开挖粗挖完成后至设计底标高间的泥层,选用具有定深和平挖功能的大型抓斗挖泥船，可减少底部扰动和浮泥产生。3)清淤是清除粗挖结束后至精挖前基槽淤积的泥沙,以及精挖后基槽底和基床面回淤的浮泥层。选用专用清淤船进行清淤,确保沉放时水容重的变化控制在要求范围之内。4、碎石刮铺基础沉管隧道的基础处理方法,以消灭不规则空隙为目的,可分为先铺法(在管段沉设之前,先铺好砂、石垫层)和后填法(先将管段沉设在预置在沟槽底上的临时支座上
15、,随后再补填垫实)。为减少外海沉放作业时间,隧道基础的处理方法拟采用碎石刮铺法的基础垫层。采用碎石刮铺船。该设备固定于打入海底的4根管桩,凭借船上的桁车移动和填料刮铺筒进行碎石刮铺施工。填料刮铺筒出料口前后设有超声波探测装置,可详细了解到碎石刮铺状态及偏差,并实时反映到中控室。刮铺筒的填料口可以根据船体标高灵活调整，其深度也可根据不同需要灵活调整。5、管节体外定位系统当隧道管节放置到基础上后,体外定位系统将投入使用。当移动隧道管节时,接头端和尾端两侧体外定位系统底座将提供支撑,并确保管节不会因为水流和波浪产生侧向位移。在轻微提升管节时,体外定位系统底座将依靠下部的碎石基础提供地基反力。当管节被提升后,可以在减少管节底部摩擦的情况下调整管节,管节向前移动则由安装在管节顶部的拉合千斤顶控制管节尾端横向位置由安装在底座上的横向千斤顶调整。6、管节浮运及沉放安装1)管节的浮运将采用拖轮拖带的方式,结合工程实际情况,采用纵拖和横拖相结合的浮运方案。2)选用稳定性和可控性较好的双驳扛吊法进行管节沉放安装。使用管节外部定位系统及选用沉管水下测量定位系统可以实现管节水下高精度测量定位。
