第十讲沉管法施工技术

《地下工程施工技术》东华理工大学建筑工程学院岩土与地下工程教研室第三讲沉管隧道施工一、概述二、水下沉管隧道施工技术一、概述•水底隧道的施工方法：围堤明挖法、矿山法、气压沉箱法、盾构法以及沉管法。•世界上第一条沉管铁路隧道建于1904年，穿越美国Michigan州和加拿大Ontario省之间的Detroit河；•沉管法是十九世纪五十年代起普遍应用,如今共有100多座沉管隧道。沉管法定义•沉管法亦曾称作预制管段沉放法•先在船坞中或船台上预制钢壳混凝土或钢筋混凝土的隧道管段；然后两端用临时封墙密闭，浮放在水中，用拖轮运至预先挖好沟槽、整好地基的隧道设计位置上，接着往管段内灌水，使之下沉至预定的标高。在各管段沉放就为后，在水中将各管段连接起来，再在隧道上面覆土回填，最后抽出隧道内的水，并拆除管段内的封闭墙，完成内部装修后即构成隧道。历史与现状•二十世纪50年代解决了两项关键技术——水力压接法和基础处理，沉管法已经成为水底隧道最主要的施工方法，尤其在荷兰。•我国现有6条沉管法隧道：上海金山供水隧道，宁波（宁波甬江水底隧道）、广州（广州珠江水底隧道）、香港（香港西区沉管隧道、香港东区沉管隧道）和台湾。世界沉管隧道的技术发展趋势有以下几点：•（１）每节管节的长度越来越长，每节管节中的车道数越来越多。管节长度由原来的７０～１００ｍ发展到了现在的１００～１３０ｍ，单节重量达到了３万～５万ｔ。车道数过去多为２车道，目前已达到８车道。•（２）从单一用途向多用途发展。过去多为城市公路或铁路水下隧道，现在实现了道路、地铁、公路的共同设置，甚至可同时设置公共管廊。•（３）对地基的适应性越来越广。不仅可建造在较坚硬河、海基床上，现在也可修建在软弱地基上。•（４）制造管节的材料逐步由钢筋混凝土代替。由于过去用的钢壳混凝土管存在车道少、用钢量大、造价高、易锈蚀等诸多缺点，现已较多地采用钢筋混凝土。•（５）管节的预制工艺方法得到了改进。广州在建的两座新隧道改变了传统的陆地固定干坞制作方式，国内首次使用“船上移动干坞法”预制管节的新工艺。•（６）隧道的断面形式经历了从圆形到矩形的发展过程。全世界修建的圆形钢壳管段沉管隧道大多在北美，欧洲采用得不多。１９４２年，荷兰首次采用矩形钢筋混凝土管节。日本的沉管隧道有４０％采用圆形钢壳混凝土结构，６０％采用矩形钢筋混凝土结构。现多用矩形断面，高６～１０ｍ，宽度十几米到数十米不等。孔数由单孔向双孔、三孔发展。沉管法评述•沉管法的优点•（１）对地质水文条件适应性强（软弱地层），施工方法简单。•（２）施工工期短，对航运干扰小，施工质量容易保证。•（３）工程造价较低。•（４）有利于多车道和大断面布置。•（５）接头少、密实度高、隧道防渗效果好。•（６）具有很强的抵抗战争破坏和抗自然灾害的能力。沉管隧道的横断面结构•沉管隧道有圆形和矩形两类，其设计、施工及所用材料有所不同。•（1）圆形沉管隧道：这类沉管内边均为圆形、外边则为圆形、八角形或花篮形，多半用钢壳作为防水层；•（2）矩形沉管隧道：在每个断面内可以同时容纳2－8个车道，矩形断面的空间利用率较高。整体结构•水下沉管隧道的是由管段基槽、基础、管段、覆盖层等组成，整体坐落于河（海）水底，如图所示•沉管隧道横断面图（台湾高雄）沉管隧道的纵断面结构•沉管隧道在纵断面上一般由敞开段、暗埋段、沉埋段以及岸边竖井等部分组成，如下图所示。•竖井通常作为沉埋段的起讫点以及通风、供电、排水、运料和监控等的通道，但是，根据具体的地形、地貌和地质情况，也可将沉埋段和暗埋段直接相连而不设竖井二、水下沉管隧道施工技术•1.干坞•2.管段制作•3.沉管隧道的浚挖•4.管段沉放与连接•5.基础处理及回填沉管法施工工艺流程•沉管法施工的一般工艺流程中管段制作、基槽浚挖、管段的沉放与水下连接、管段基础处理、回填覆盖是施工的主体。1.干坞•干坞是坞底低于水面的水池式建筑物，是修建矩形沉管隧道的必需场所。通常是在隧址附近开挖一块低洼场地用于预制隧道管段，干坞是一项临时性工程，隧道施工结束后便完成其使命。干坞的设计•干坞设计包括干坞形式、位置的选择，深度、面积等规模大小的确定，坞坡、坞底、坞首、坞门结构的设计等。•干坞形式–按其活动性有固定干坞和移动干坞两种•干坞的位置•固定干坞位置的选择方案有两种，一种是位于隧道设计轴线上，该方案仅一个工程使用；另一种是位于隧道设计轴线外，该方案有利于多个工程使用。•固定干坞位置应根据以下原则选择：•（１）应距隧址较近，附近的航道具备浮运条件，以便管节浮运和缩短运距。•（２）干坞附近应有可浮存若干节预制好的管节的水域。•（３）具有适合建造干坞的地质条件，场地土应具有一定的承载能力，同时也有利于干坞挡土围闭及防渗工程实施。•（４）交通运输方便，具有良好的外部施工条件。•（５）征地拆迁费用低，具有可重复利用的开发价值。•干坞的规模与尺寸•１—坞底２—边坡（坞墙）•３—运料车道４—坞首围堰干坞内的设备设施•临时干坞的机具设备，一般都是普通土建工程的通用设备。包括混凝土搅拌站设备、水平运输车辆、起重设备和钢筋成型设备、各种材料的堆放和储存仓库、各种加工车间以及交通、供电、防洪等设施。•干坞中用以起吊模板、钢筋、混凝土等的起重设备，通常为轨行门式起重机或塔式起重机。•一次制作所有管段的干坞常用轨行门式起重机；•分批制作管段时用塔式起重机较为方便，可省去因干坞反复进水排水多次拆装轨行门式起重机的麻烦。干坞的施工•干坞施工一般采用“干法”进行干坞内的土方开挖，具体步骤为：先沿干坞的四周做混凝土防渗墙，隔断地下水，然后用推土机、铲运机从里面向坞口开挖，挖出的一部分土用来回填作坞堤，大部分土运至弃土场。坞底和坞外设排水沟、截水沟和集水井。坡面用塑料薄膜满铺并压砂袋，以防雨水冲刷。坞底铺砂、碎石，再用压路机压实并平整，坞内修筑车道。2.管段制作•沉管管段是在地面预制的，所以其基本工艺与地上制作其他大型钢筋混凝土构件类似。由于沉管预制管段采用浮运沉放的施工方式，而且最终是埋设在河底水中，因此对预制管段的对称均匀性和水密性要求很高。为保证浮运和下沉，管段上还要设置端封墙和压载设施。•管段的水密性控制•水密性控制的目的是为了确保管段的防水性能，使隧道投入使用后无渗漏。•管段的防水按材料分有刚性防水、柔性防水；•按防水部位分有外防水、结构自防水和接缝防水。•端封墙•在管段浇注完成、模板拆除后，为了便于水中浮运，需在管段的两端离端面５０～１００ｃｍ处设置封墙，通常叫端封墙。•封墙可用木材（已很少采用）、钢材或钢筋混凝土制成，也有的采用钢梁与钢筋混凝土复合结构。采用钢筋混凝土封墙的好处是变形小、易于防渗漏，但拆除时比较麻烦，而钢封墙采用防水涂料解决了密封问题后，装、拆均比钢筋混凝土封墙方便得多。•端封墙上设有鼻式托座（简称鼻托）、排水阀、进气阀、出入人孔以及拉合结构。排水阀设在下面，进气阀设在上面，人员出入孔应设置防水密闭门并应向外开启。3.沉管隧道的浚挖•沉管隧道的浚挖工作一般有沉管的基槽浚挖、航道临时改线浚挖、出坞航道浚挖、浮运管段线路浚挖、舾装泊位浚挖。开挖基槽4.管段沉放与连接•管段在干坞中预制好、沉管基槽开挖及基础处理好后便可进行管段的出坞、浮运、沉放与水下连接工作。这是沉管隧道难度最大的一道工序，管段起运前必须做好各项准备工作，编制一套严谨的施工组织设计，各项工作做到目标明确、技术措施可行，人员、设备、物资落实到位。管段的沉放作业•管段沉放与对接作业受海上的自然条件影响很大，因此对其有一定的要求。一般要求风速小于１０ｍ／ｓ，波高小于０.５ｍ；水的流速小于０.６～０.８ｍ／ｓ，空气的能见度大于１０００ｍ。为此，进行施工前需对沉放阶段的水位、流速、气温、风力等水文气象条件进行资料收集分析，选择最佳时机。•沉放作业的步骤一般可分初次下沉、靠拢下沉和着地下沉三个步骤进行管段的水下连接•管段沉放就位后，还要与已连接好的管段连成一个整体。该项工作在水下进行，故又称水下连接。水下连接技术的关键是要保证管段接头不漏水。•水下连接有混凝土连接和水力压接两种方法。•混凝土连接法作业工艺复杂，潜水工作量大，密封的可靠性差，故目前一般不再采用。水力压接法是２０世纪５０年代由丹麦工程师在加拿大开发应用，它工艺简单，施工方便，施工速度快，水密性好，基本上不用潜水工作，目前普遍采用。•用水力压接法进行连接的主要工序是：对位—拉合—压接。5.基础处理及回填•沉管隧道基础处理的方法很多，主要分先铺法和后填法两大类。•在管段沉放前进行的处理方法称先铺法，又叫刮铺法，包括刮砂法和刮石法；后填法是先将管段沉没在沟槽底的临时支座上，随后再补填垫实，它包括喷砂法、灌砂法、灌囊法、压砂法、压浆法等。•后填法的优点是在处理过程中基本上不干扰航运，不需特殊的专用设备，不受气象条件的影响，不需大量潜水作业，便于日夜连续施工，操作简易，省工省费用，全过程进行信息化控制。所以，目前大型沉管隧道的基础处理多用后填法，如喷砂法、压砂法、压浆法。序号施工方法环境场地要求优点缺点发展方向1明挖盖挖市郊施工场地开阔，软岩和土体，如北京和天津地铁（地铁车站）进度快，工作面大，便于机械和大量劳动力投入破坏环境生态，影响交通，带来尘土和噪声污染有效井点降水；可靠支撑系统；大型机械2矿山岩石和坚硬土体，如青岛和重庆地铁地面干扰小，造价低进度慢，劳动强度高，风险大多臂钻孔台车，自动装药引爆装置；光面爆破，锚喷支护，监控数据反馈指导设计和施工3暗挖埋深浅对土体进行冻结、注浆、深层搅拌桩加固地基，管棚法加固，浅埋车站，如北京、哈尔滨等城市地铁地面干扰小，造价低机械化程度低，劳动强度高，环境恶劣，风险大浅层地基处理技术；小型灵活的地下开挖机械；可靠的临时支护升旗和机具地铁隧道施工方法序号施工方法环境场地要求优点缺点发展方向4盾构城市软地层、深埋隧道，如上海、广州、北京等城市地铁地面影响小，机械化程度高，安全，工人劳动强度低，进度快机械设备复杂，价格昂贵，施工工艺繁，专业施工队伍开发适用不同地质条件、自动更换刀盘的气压、土压泥水平衡盾构和顶管，超前探测排障技术；钢纤维挤压混凝土衬砌；三维住址计算机管理系统，管理信息化，自动化；自动导向，中途对接异型盾构5沉管跨越江河湖海，软地基，如广州、宁波、上海过江隧道造价省，速度快，隧道断面大封锁江河水面，专门的驳运、下沉、对接机具，水下作业风险大大型涵管制作及驳运技术；地下定位对接、防水技术6TBM坚硬岩石地质，如广州地铁（很少）速度快，机械化程度高，安全，地面无干扰造价高，使用掌握复杂，刀具易磨损开发国产高性能凿岩机；改进高强合金刀具；完善后配套系统；超前不良地质探测系统地铁区间隧道施工方法