沉管法施工技术

1、2021/3/23110.10.沉管法施工技术沉管法施工技术2021/3/232 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封闭,然后然后浮运浮运到隧址规定位置到隧址规定位置,此时已此时已于隧址处预先挖好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载下灌水压载下沉沉到设计位置到设计位置,将此管段与相邻管段将此管段与相邻管段水下连接水下连接,经经基础处基础处理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。2021/3/233在已修筑好的干坞内在已修筑好的干坞内预制管段预

2、制管段2021/3/2342021/3/235一般由一般由敞开段、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作为起讫点,竖井起到通风、供竖井起到通风、供电、排水和监控等作用。根据两岸地形与地质条件电、排水和监控等作用。根据两岸地形与地质条件,也可也可将沉埋段与暗埋段直接相接而不设竖井。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2021/3/236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、覆盖层等组成覆盖层等组成,

3、 ,整体坐落于河（海）水底。整体坐落于河（海）水底。 沉管隧道的横断面结构沉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2021/3/23710.2.1 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2021/3/238n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

4、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。2021/3/2392021/3/2310n干圬型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2021/3/231110.2.2 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

5、装设计;给排水设计;供电设计;运行管理设施设计等。2021/3/2312（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用干船坞制作的钢筋混凝土管段,从施工的角度看从施工的角度看,在应在应力方面是不会有问题的。决定横断面时力方面是不会有问题的。决定横断面时,就是要就是要注意对注意对浮力的平衡浮力的平衡。决定断面尺寸时。决定断面尺寸时,一般都按采用一般都按采用平面框架平面框架结构结构进行应力计算。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横断方向的钢壳断面,一般决定于一般决定于混凝土灌注时的应力混凝土灌注时的应力。随着混凝土的灌注随着混凝土的灌注,吃水深度增加

6、吃水深度增加,而水压增大。设计断而水压增大。设计断面也随之变化。因此面也随之变化。因此,应对应对每一施工阶段的混凝土重量每一施工阶段的混凝土重量和水压进行应力计算和水压进行应力计算,而后按最危险状态而后按最危险状态,决定钢壳断面。决定钢壳断面。2021/3/2313（2）纵断面的设计）纵断面的设计施工阶段施工阶段:主要计算浮运、沉设等阶段时主要由施工荷主要计算浮运、沉设等阶段时主要由施工荷载引起的弯矩载引起的弯矩,浮运管段越长浮运管段越长,所受弯矩越大。所受弯矩越大。使用阶段使用阶段:弹性地基梁理论计算纵向内力弹性地基梁理论计算纵向内力钢壳作为整体梁分析钢壳作为整体梁分析,保证纵向发生变形而横

7、截面方向保证纵向发生变形而横截面方向无显著变形无显著变形,可利用横柱和支柱增强截面的刚度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大时跨度较大时,并且土、水压力较大时并且土、水压力较大时,采用管段顶、底及采用管段顶、底及隔墙预应力设计隔墙预应力设计,改善管段结构的抗裂性能。改善管段结构的抗裂性能。2021/3/231410.3.1 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

8、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断层位置、地震记录、土层性质或成层状态,特别特别注意液化问题注意液化问题2021/3/231510.3.2 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节管段节管段, ,长长93.5 m93.5 m, ,80 m80 m, ,宽宽30 m30 m）: :干圬干圬3500 3

9、500 平平米（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节管段节管段, ,长长115 m115 m, ,宽宽37.4 m37.4 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。2021/3/2316（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的黄砂的黄砂; ;

10、上覆上覆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分批制作时, ,需分析干圬排水时边坡的稳定性需分析干圬排水时边坡的稳定性2021/3/2317（4 4）坞首、坞门）坞首、坞门一批制作时一批制作时: :一般不采用坞门一般不采用坞门, ,仅用土围堰、钢板桩围堰仅用土围堰、钢板桩围堰; ;局局部拆除围堰部拆除围堰, ,将管段拖运出坞将管段拖运出坞分批制作时分批制作时: :双排钢板桩围堰双排钢板桩围堰; ;单排钢板桩作单排钢板桩作坞坞门门202

11、1/3/231810.3.3 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纵向施工缝: :竖墙下端竖墙下端30-50cm30-50cm处处横向施工缝横向施工缝: :垂直缝（水密性难以保证）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设置垂直于隧道轴线方向的变形缝, ,以防止管段开裂以防止管段开裂, ,长短一般为长短一般为15-20 m15-20 m2021/3/2319（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厚的钢板厚的钢板, ,与底板混凝土浇筑在

12、一起与底板混凝土浇筑在一起, ,既防水既防水, ,又防止外力对底板的破又防止外力对底板的破坏。或者用坏。或者用9-10cm9-10cm的钢筋混凝土板代替钢板的钢筋混凝土板代替钢板, ,并贴上防水膜。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）侧墙外周可用钢板（做外模板和侧防水）, ,应确保焊接质量。也可用应确保焊接质量。也可用防水膜防水膜, ,并做好防水膜保护。并做好防水膜保护。顶板上通常铺设防水膜顶板上通常铺设防水膜, ,浇筑浇筑15-20cm15-20cm厚的钢筋混凝土保护层厚的钢筋混凝土保护层, ,一直包一直包到侧墙上部到侧墙上部, ,并做成削角并做

13、成削角, ,避免被船锚钩住。避免被船锚钩住。2021/3/2320n（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、矿碴或者水石碴、矿碴或者水, ,多数用加载水箱多数用加载水箱每只管段每只管段44只水箱只水箱, ,均匀布置于四角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、

14、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管段预制完成后, ,在干船坞内全部预应力一次施加完毕。在干船坞内全部预应力一次施加完毕。2021/3/232110.3.4 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检查管段内部漏水情况, ,一旦发现一旦发现漏水漏水, ,立即停止注水并修补。立即停止注水并修补。船坞内水位接近干舷量时船坞内水位接近干舷量时, ,向压载水箱内注水向压载水箱内注水, ,防止管段上浮。完全淹防止管段上浮。完全淹没后没后, ,排出水箱内的水排出水箱内的水, ,使管段上浮。浮运时干舷量一般取使管段

15、上浮。浮运时干舷量一般取10-15cm10-15cm左左右。调整完后右。调整完后, ,打开坞门打开坞门, ,拽出管段。拽出管段。一般清晨托运至隧址一般清晨托运至隧址, ,以便沉设。提前以便沉设。提前12h12h做好水流与气象条件预报工做好水流与气象条件预报工作作, ,并提前并提前2h2h复核。一般要求复核。一般要求: :风力小于风力小于5-65-6级级, ,能见度大于能见度大于1000m1000m, ,气温气温高于高于-3-30 0C C, ,可进行沉设作业。可进行沉设作业。2021/3/2322宁波甬江沉管隧道管段预制宁波甬江沉管隧道管段预制2021/3/2323干坞注水与管段检漏调整干坞注

16、水与管段检漏调整2021/3/2324管段内部检漏管段内部检漏2021/3/232510.3.5 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2021/3/2326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2021/3/2327耙吸式挖泥船耙吸式挖泥船绞吸式挖泥船绞吸式挖泥船2021/3/2328链斗式挖泥船链斗式挖泥船抓斗式挖泥船抓

17、斗式挖泥船2021/3/2329铲斗式挖泥船铲斗式挖泥船2021/3/233010.3.6 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规定值后校正位置规定值后校正位置,之后再继续压载至下沉力达之后再继续压载至下沉力达100规定值规定值,然后然后20-50cm/min的速度下沉的速度下沉,直到管段底部离设计高直到管段底部离设计高程程45m为止为止。B. 靠拢下沉靠拢下沉将管段向前节既设管段方向平移至距

18、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处处, ,再将管段下再将管段下沉到管段底部离设计高程沉到管段底部离设计高程0.5m左右左右, ,再次校正管段位置。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处处, ,再将管段继续前移至距既设再将管段继续前移至距既设管段管段2050cm处处, ,校正位置后即开始着地下沉。下沉速度缓慢校正位置后即开始着地下沉。下沉速度缓慢, ,随时随时校正管段位置。校正管段位置。2021/3/2331管段下沉作业步骤管段下沉作业步骤 2021/3/2332浮箱分吊法浮箱分吊法1-1-沉放管段沉放管段

19、;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直接吊起, ,吊索起吊力作用于各吊索起吊力作用于各浮箱中心浮箱中心, ,前后每组两只浮箱用前后每组两只浮箱用钢桁架钢桁架连连接接, ,并用并用4根锚索定位。起吊卷扬机与浮箱根锚索定位。起吊卷扬机与浮箱定位卷扬机均安放在浮箱顶部定

20、位卷扬机均安放在浮箱顶部, ,管段本身管段本身则另用则另用6根锚索定位根锚索定位, ,其定位卷扬机则安设其定位卷扬机则安设在定位塔顶部。在定位塔顶部。 2021/3/2333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每组船体由两只铁驳或两组浮箱构成, ,将每组钢梁将每组钢梁( (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(

21、(均为四边锚与前后锚均为四边锚与前后锚) ), ,所有定位卷扬机均安设在船体上所有定位卷扬机均安设在船体上, ,起吊卷起吊卷扬机安设在扬机安设在“杠棒杠棒”上上, ,吊索的吊力通过吊索的吊力通过“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2021/3/233410.3.7 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 早期均使用该法早期均使用该法,目前只用于最终接头连接。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水中安放圆弧形堰板

22、,围成圆形钢围堰围成圆形钢围堰,往围堰内灌筑水下往围堰内灌筑水下混凝土混凝土,形成管段连接。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边上的一圈胶垫发生压缩变形,形成一个水密性相当可靠形成一个水密性相当可靠的管段接头。的管段接头。2021/3/2335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2021/3/2336主要是垫平基槽底部主要是垫平基槽底部,有刮铺、喷砂、压砂法。有刮铺、喷砂、压砂法。 一一刮铺法刮铺法1.在管段在管段

23、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安在槽底两侧打数排短桩安设导轨设导轨,以便在刮铺时控制高程和坡度。以便在刮铺时控制高程和坡度。10.3.8 基础施工基础施工2021/3/2337n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形钢管形钢管,中间为中间为喷管两侧为吸管。喷管两侧为吸管。2021/3/2338三三压砂法压砂法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