沉管法施工系列讲义（PPT58页）

1、第十三章 沉管法施工本章学习的内容：掌握隧道沉管沉设的方法，沉放作业的步骤；了解沉管的种类；熟悉基础处理的方式。重难点：重点：沉管沉设的方法和步骤；难点：沉管下沉的步骤。1 概述2 沉管隧道设计3 沉管施工4 基础处理目录第一节 概述1.1几种修建水下隧道方法评述目前，在世界各国水底隧道的建设中，就是采用盾构法和沉管法施工。用作水下隧道施工的盾构，一般外径尺寸为10m左右，可容纳双车道通过。如需建造四车道的水底隧道，则需平行地建造二条盾构隧道。如需建造六车道的水底隧道，则往往需建三条盾构隧道。沉管法则不受上述尺寸限制。沉管法（亦称预制管段沉放法）。先在隧址以外的预制场（多为临时干坞或船坞）制作

2、隧道管段（每节长60140m，多数为100m左右，最长达268m），管段两端用临时封墙密封，制成后运到指定位置上，在已预先挖好的基槽上沉放下去，通过水力压接进行水下连接，再覆土回填，完成隧道。用这种沉管法修建的水下隧道，称之为沉管隧道。采用沉管法修筑水下隧道最早于1810年在伦敦进行了施工试验，到1894年采用此法在美国波士顿建成一条城市下水道工程和1904年建成底特律水底铁路隧道才宣告沉管法的成果诞生。自1959年加拿大迪斯（Deas）隧道成功采用水力压接法进行管段水下连接后，很快为世界各国普遍采用，使得沉管法变得更加优越。1.2沉管法的优越性1、隧道埋深浅，隧道较短，总工程量小。2、管段比

3、重小，对地质适应性强，能在流砂层中施工。3、管段在干坞中制作，能保证施工质量，结构水密性良好。4、沉管隧道段施工可与岸坡隧道平行或交叉作业，工期短。5、各种拖航设备的现代化，能够施做大断面多管隧道。6、管段接缝远少于其它方法修建的隧道，防水性能远比盾构好。1.3沉管隧道的分类1、圆形沉管施工时多利用船厂的船坞制作钢壳，制成后滑行下水，并系泊于码头边上，进行水上钢筋混凝土作业。这类沉管的横断面，内部均为圆形，外表有圆形、八角形或花篮形。 各种圆形沉管 (a)圆形 (b)八角形 (c)花篮形圆形沉管的优点（1）圆形断面，受力合理衬砌弯矩较小，在水深较大时，比较经济有利；（2）沉管的底宽较小，基础处

4、理比较容易；（3）钢壳既是浇筑混凝土的外模，又是浇筑隧道的外防水层，这种防水层不会在浮运过程中被碰损；（4）当具备利用船厂设备的条件时，工期较短，在管段需要量较大时，更为明显。2.矩形沉管荷兰的玛斯隧道（Mass，1942年建成）首创矩形沉管以来，目前世界各国（除美国外）大都采用矩形沉管。矩形折拱形结构(a）六车道矩形沉管 (b)八车道矩形沉管1.4沉管隧道组成沉管隧道一般由敞开段、暗埋段、岸边竖井及沉埋段等部分组成。第二节 沉管隧道设计沉管隧道设计的主要内容有：断面几何形状、结构类型、结构设计及计算、起浮抗浮设计、管节长度的选定、接头设计、防水设计、通风、照明供电、给排水设计、内装设计、运营

5、与安全设施设计、抗震设计、基础处理及回填设计等。其设计质量直接影响隧道的施工与使用，应做到设计思想明确，综合考虑到先进性、合理性、安全性和经济性。 2.1钢筋混凝土沉管的结构设计1沉管结构所受的荷载与组合荷载作用组合应遵循以下原则：1、应按施工阶段和运营阶段分别进行作用组合，施工阶段的安全系数可比运营阶段酌情降低。2、作用组合除常规办法进行外，高温作用应与最高水位作用组合，低温作用应与最低水位组合。3、地震作用、沉船荷载、抛锚力、拖锚力等偶然荷载在施工阶段不考虑，在运营阶段亦不同时组合。偶然荷载中任一个作用与其它作用组合时，应按规范酌情降低安全系数。2结构分析与配筋为避免采用剪力钢筋，改善结构

6、受力性能，减少裂缝出现，在水底隧道沉管结构中，常采用变截面或折拱形结构。沉管折拱型结构1)横断面结构分析2)纵向结构分析施工阶段的沉管纵向受力分析，主要是计算浮运、沉设时、施工荷载、波浪力所引起的内力。使用阶段的沉管纵向受力分析，一般按弹性地基梁理论进行计算。3)配筋因抗剪的需要，沉管应采用较高标号的混凝土，一般采用28天强度为3045Mpa的混凝土。沉管结构不容许出现任何通透性（即管壁内、外穿透的）裂缝；非通透性裂缝开展宽度应控制在0.150.2mm以下，因此，不宜采用级及级以上的钢筋。设计时，混凝土与钢筋的容许应力可参照铁路隧道设计规范。2.2浮力设计1.干舷管段在浮运时为了保持稳定，必须

7、使管顶面露出水面，其露出高度称为干舷。具有一定干舷的管段遇风浪发生倾侧后，会自动产生一个反倾力矩，使管段恢复平衡。一般矩形断面的管段干舷多为1015cm，而圆形、八角形或花篮形断面的管段则多为4050cm。干舷高度不宜过小，否则稳定性差；但也不宜过大，干舷越大，所需压载水箱（或水罐）的容量就越大，不经济。我国广州珠江隧道沉管干舷为14.22cm，而宁波甬江隧道则采用10.14cm。2.3管段制作1).管段的制作管段制作在干坞中进行，其工艺与一般混凝土结构基本相同。但考虑到浮运沉设对匀质性与水密性的特殊要求，应注意以下几点：1、要保证混凝土的防水性及抗渗性；2、要严格控制混凝土的重度，若重度超过

8、1%以上，管段将浮不起来，则不能满足浮运要求；3、必须严格控制模板的变形，以保证对混凝土均质性的要求，否则，若出现管段板、壁厚度的局部较大偏差，或前后、左右混凝土重度不均匀，浮运中会发生管段倾侧；4、必须慎重处理施工缝及变形缝。纵向施工缝（横断面上的施工留缝），对于管段下端，靠近底板面一道留缝，应高于底板面以上3050cm；横向施工缝（沿管段长度方向上分段施工时的留缝）需采取慎重的防水措施，为防止发生横向通透性裂缝，通常可把横向施工缝做成变形缝，每节管段由变形缝分成若干节段，每节段1520m左右长。 管段侧壁上的设造裂缝 管段的节段与变形缝2) 封端墙管段浮运前必须于管段的两端离端面50100

9、cm处设置封端墙。封端墙可用木料、钢材或钢筋混凝土制成。封端墙设计按最大静水压力计算。封墙上须设排水阀、进气阀以及入水孔。排水阀设于下部，进气阀设于顶部，口径100mm左右。入水孔应设置防水密闭门。3)压载设施管段下沉由压载设施加压实现，容纳压载水的容器称为压载设施，一般采用水箱形式，须在管段封墙安设之前就位，每一管段至少设置四只水箱，对称布置于管段四角位置。水箱容量与下沉力要求、干舷大小、基础处理时“压密”工序所需压重大小等有关。4)检漏与干舷调整管段制作完成后，须作一次检漏。如有渗漏，可在浮运出坞前作好处理。一般在干坞灌水之前，先往压载水箱里注水压载，然后再往干坞坞室里灌水，灌水2448h

10、后，工作人员进入管段内对管段进行水底检漏。2.4管段防水1)管段自身防水早期采用外包钢板防水，后来发展到卷材防水。七十年代以来，欧洲沉管隧道取消了外防水层，为保证管段不渗漏，除严格控制混凝土级配、振捣密实、加强养护外，还采取了许多防裂措施：1、分段浇注，设后浇带2、采用低水化热水泥3、设置水冷散热系统4、采用预应力混凝土5、外表使用防水涂料第三节 沉管施工沉管管节在干坞中预制好之后，必须浮运到隧址指定位置上进行沉放就位，并进行水下连接。这是沉管隧道施工中至关重要的工序，必须精心组织方能确保万无一失。1沉设方法11分吊法管段制作时，预先埋设34个吊点，分吊法沉设作业时分别用24艘100200t浮

11、吊（即起重船）或浮箱提着各个吊点，逐渐将管段沉放到规定位置。1.2扛吊法 亦称方驳扛吊法。方驳扛吊法是以四艘方驳，分前后两组，每组方驳肩负一副“杠棒”，即这两副“杠棒”由位于沉管中心线左右的两艘方驳作为各自的两个支点；前后两组方驳用钢杵架联接起来，构成一个整体驳船组，“杠棒”实际上是一种型钢梁或是钢板组合梁，其上的吊索一端系于卷扬机上，另一端用来吊放沉管；驳船组由六根锚索定位，沉管管段另用六根锚索定位。 起重船吊沉法 1沉管 2压载水箱 3起重船 4吊点浮箱吊沉法 1.3骑吊法采用水上作业平台“骑”于管段上方，将管段慢慢地吊放沉设自升式平台吊沉法 1 沉管 2自升式平台吊沉法（SEP）1.4拉

12、沉法利用预先设置在沟槽底面上的水下桩墩作为地垄，依靠安设在管段上面的钢桁架上的卷扬机，通过扣在地垄上的钢索，将管段缓慢地“拉下水”，沉设于桩墩上，而后进行水下连接。 拉沉法 1 沉管 2桩墩 3拉索2管段沉放作业管段沉放作业全过程可按以下三阶段进行：（一）沉放前的准备沉放前必须完成航道疏浚清淤，设置临时支座，以保证管段顺利沉放到规定位置。应事先与港务、港监等有关部门商定航道管理事项，并及早通知有关方面。作好水上交通管制准备，需抓紧时间做好封锁线标志（浮标、灯号、球号等）。暂短封锁的范围：上下游方向各100200m，沿隧道中线方向的封锁距离视定位锚索的布置方式而定。（二）管段就位在高潮平潮之前，

13、将管段浮运到指定位置，此时可距规定沉设位置10m20m处，并挂好地锚，校正好方向，使管段中线与隧道轴线基本重合，误差不应大于10cm。管段纵向坡度调至设计坡度。定位完毕后，既可开始灌水压载，至消除管段的全部浮力为止。（三）管段下沉下沉时的水流速度，宜小于0.15m/s，如流速超过0.5m/s，需采取措施。每段下沉分三步进行：即初次下沉、靠拢下沉和着地下沉.管段下沉作业步骤 1初步下沉 2靠拢下沉 3着地下沉 3水下连接 （一）水力压接法的发展早期沉管隧道管段之间的连接，都是待管段沉设完毕后，再灌注水下混凝土。如荷兰的玛斯（Maas，1942）隧道，古巴的阿尔曼德斯（Almendaras，195

14、3）隧道和哈瓦那港（Havana Bay，1958）水底隧道，这种方法水下潜水工作量大，工艺复杂，且不能适应隧道变形，易开裂漏水。60年代，荷兰鹿特丹地下铁道沉管隧道，将其改进成为尖肋型（荷文原名Gina，目前，各国普遍采用尖肋型胶垫。 尖肋型胶垫 二、水力压接法施工水力压接系利用作用在管段后端（亦称自由端）端面上的巨大水压力，使安装在管段前端（即靠近已设管段或管节的一端）端面周边上的一圈橡胶垫环（Gina带，在制作管段时安设于管段端面上）发生压缩变形，并构成一个水密性良好，且相当可靠的管段间接头。水力压接法用水力压接法进行水下连接的主要工序是：对位拉合压接拆除端封墙1）对位着地下沉时必须结合

15、管段连接工作进行对位。对位精度一般要求，见表13-3。自采用鼻托后，对位精度很容易控制。上海金山沉管工程中曾用一种卡式托座，只要前端的“卡钳”套上，定位精度就自然控制在水平方向为1cm之内。金山沉管工程的卡式托座2）拉合拉合工序是用较小的机械力量，将刚沉设的管段拉向前节既设管段，使胶垫的尖肋部产生初步变形，起到初步止水作用。拉合时所需机械拉力不大，一般为每延米胶垫长度1030N，通常用安装于管段竖壁（可为外壁或内壁）上带有锤形拉钩的拉合千斤顶进行拉合。拉合千斤顶总拉力一般为10003000KN，行程为1000mm左右。一个管段可设一具或二具拉合千斤顶，其位置应对称于管段的中轴线。通常采用2个1

16、0001500KN拉力的拉合千斤顶设于管段两侧，以便调整管段。 3）压接拉合完成之后，打开既设管段后端封墙下部的排水阀，排出前后二节沉管封墙之间被胶垫所包围封闭的水。排水完毕后，作用到整环胶垫上的压力，等于作用于新设管段后端封墙和管段周壁端面上的全部水压力。在此压力作用下，胶垫必然进一步压缩，其压缩量一般为胶垫本体高度的1/3左右。 4）拆除封端墙压接完毕后，即可拆除前后二节管段间的封端墙。三、水力压接法的优点1）工艺简单，施工方便；2）水密性切实可靠；3）基本上不用潜水工作；4）成本低，施工速度快第四节基础处理沉管的基础处理方法大体上可归纳为二类先铺法的基本程序是：1、在浚挖沟槽时超挖608

17、0cm；2、在沟槽二侧打数排短桩，安设导轨以控制高程、坡度；3、向沟底投放铺垫材料粗砂，或粒径不超过100mm的碎石，铺宽比管段底宽1.52.0m,铺长为一节管段长度,在地震区应避免用黄砂作铺垫材料；一、先铺法4、按导轨所规定的厚度、高度以及坡度，用刮铺机刮平，刮平后的表面平整度，对于用刮砂法，可在5cm左右；用刮石法，约在20cm左右；5、为使管底和垫层密贴,管段沉设完毕后，可进行“压密”工序。“压密”可采用灌压载水，或加压砂石料的办法，使垫层压紧密贴。刮铺法费工费时，平整度不高，逐渐被后填法所取代。刮铺机1 方环形浮箱 2 砂石喂料管 3 刮板 4砂石垫层（厚0.6-0.9m）5 锚块 6

18、 沟槽底面 7钢轨 8移行刚梁二、后填法1、后填法的基本工序（1）在浚挖沟槽时，先超挖100cm左右；（2）在沟底安设临时支座；（3）管段沉设完毕（在临时支座上搁妥）后，往管底空间回填垫料。金预制支承板1预制支承板 2 吊环 3 吊杆 4 垂直千斤顶5 垂直顶杆 6水平定位千斤顶 7水平顶杆二、后填法施工（1）喷砂法 喷砂法原理 喷砂台架1喷砂管 2回吸管 1喷砂台支架 2喷管及吸管 3 临时支座 4 喷入砂架 （2）灌囊法灌囊法系在砂、石垫层面上用砂浆囊袋将剩余空隙垫密。沉设管段之前需先铺设一层砂、石垫层。管段沉设时，带着事先系紧扣在管段底面下的空囊袋一起下沉。待管段沉设完毕后，从水面上向囊袋里灌注由粘土、水泥和黄砂配成的混合砂浆，以使管底空隙全部消除。 （3）压浆法 压浆法沉管 压浆法 1碎石垫层 2 砂、石封闭 3压浆孔 4压入砂浆（4）压砂法 压砂法 1驳船 2 吸管 3浮铂 4压砂法 压砂孔1压砂管 2 阀门 3球阀二、基础加固1加固方法1）以粗砂置换软弱土层；2）打砂桩并加载预压；3）减轻沉管重量；4）采