地下工程第二篇第五章

第二篇明挖法修建的地下工程第一章基本概念第二章明挖浅埋式地下工程第三章深基坑工程第四章

地下连续墙第五章沉管工程第五章沉管工程第一节概述

沉管工程是指利用沉管法施工修建的隧道工程。沉管法是越江湖、跨海峡等穿越水域隧道的常用施工方法，它是先在隧道址以外的预制场地制作沉放管段，管段两端用临时封墙（板）密封，然后拖运到隧道址位置而下沉就位并连接成隧道的施工方法。沉管法也可用于陆地隧道的建设，这时需开凿出一条临时性运河拖运管段至隧道址处沉放。1.1沉管工程

沉管隧道按其管段制作方式可分为两类：一类是船台型，即先在造船厂的船台上预制钢壳，制成后沿滑道滑行下水，然后在漂浮状态下进行钢筋混凝土施工；另一类是干坞型，它是在临时干坞中制作钢筋混凝土管段，制成后往坞内灌水使之浮起并拖到隧道址沉没。沉管法施工隧道的断面形状分为圆形钢壳类和矩形两种，如图2-5-1所示。圆形断面特点是：受力合理，隧道壁内弯矩较小，在水深度较大时，比较经济有利；沉管底部宽度小，基础处理比较容易，但是圆形断面空间不能充分利用，且其制作相对较复杂。矩形断面的特点是：空间利用率高，一般采用钢筋混凝土建成，较节省钢材，但须修建临时干坞，且浮运中要有相应的控制措施。

沉管隧道的设计涉及面较广，主要内容包括：总体几何设计（如沉管的断面形状、几何尺寸等），沉管结构计算，浮运和沉埋设计，通风照明系统，给排水系统，安全监控系统，内装修设计及运行管理系统等。第二节沉管的结构设计2.1沉管的断面形状和尺寸

隧道截面尺寸首先取决于使用要求，隧道的横断面应该考虑车流量，车辆通过量应和道路相匹配，也应考虑其他的使用要求和辅助设施；同时还取决于施工条件和施工要求，即管段的浮运和沉放要求。一般来说，首先根据使用要求来确定管段内的净空尺寸，而沉管结构的外轮廓尺寸，则应按满足浮运要求，同时还应满足截面的强度要求。在考虑以上综合条件的情况下，才能确定管段横断面的几何尺寸和形状。管段的长度则需要考虑经济条件，航道条件，管段纵、横断面形状，施工及技术条件等。

根据交通隧道的有关规定，对于双向行车隧道，每个方向行车道应有各自的管道，一般来说，车行道宽度为3.5m，车行道边缘距侧墙的间距为0.8-1.0m，车行道净空高度为4.5m。车行道与侧墙的空间能通常做成人行道，空间高度可低于车行道高度，它供隧道管理人员或抛锚的汽车驾驶员使用。根据以上所述，可推算出一条双车行道宽度为B＝2×3.5m＋2×1.0m≥9m。在隧道顶部，按规定应有0.35m留作照明和信号设备的空间，如果使用纵向通风系统，则附加净空应增加到0.85m2.2沉管的浮力计算

通过浮力设计可以确定沉管结构的外廓尺寸，从而确定沉管结构的横断面尺寸。

浮力设计的内容就是确定干舷和抗浮安全系数，这里干舷是指管段在浮运时，为了保持管段稳定必须使管顶露出水面的高度，具有一定干舷的管段，遇到风浪而发生侧倾后，它就自动产生一个倾力矩Mt，如图2-5-4所示。

沉管结构的外部尺寸经浮力计算以及多次试算，可初步确定并为结构强度验算提供条件。2.3作用在沉管上的荷载

作用在沉管结构上的荷载有结构自重、水压力、土压力、浮力、施工荷载、波浪和水流压力、沉降摩擦力、车辆荷载、地基反力、混凝土收缩影响、变温影响、不均匀沉陷影响及地震影响等。作用在管段上的水压力是主要荷载之一，在覆土厚度较小的区段中，水压力常是作用在管段上的最大荷载，设计时应按各种荷载组合情况分别计算正常的高低潮水位的水压力，或若干年一遇的特大洪水的水压力。

土压力是作用在管段上的另一主要荷载，且常不是恒载，例如作用在管段顶面上的垂直土压力，一般为河床底面到管段顶面之间的土体重量，在河床不稳定的场合下，要考虑河床变迁所产后的附加荷载。作用在管段上的水平土压力，也不是一个常量，在隧道刚建成时，侧向土压力往往较小，以后逐渐增大，最终可达静止土压力，设计时应按不利组合分别取其最小和最大值。作用在管段上的浮力，也不是一个常量，一般来说，浮力应等于排水量，但作用于沉没在粘性土层中的管段的上浮力，有时也会由于“滞后现象”的作用而大于排水量。

施工荷载主要是端封墙、定位塔、压载等重量，在进行浮力设计时，应考虑施工荷载。如果施工荷载所引起的纵向负弯矩过大，则可调整压载水箱（或水柜）的位置来抵消一部分负弯矩。波浪力一般不大，不致影响配筋。水流压力对结构设计的影响亦不大，但必须进行水工模型试验予以确定，以便据以设计沉埋工艺及设备。沉降摩擦力是覆土回填后，沟槽底部受荷载不均匀，沉降也不均匀的情况下发生的，沉管底下的荷载比较小，沉降也小，而其两侧荷载较大，沉降也大，因而在沉管的侧壁外侧就会受到这种摩擦力的作用，如图2-5-6所示。如果在沉管侧壁防水层外再堆一层软沥青，则可使沉降摩擦减小。

车辆荷载在进行横断面结构分析时，一般是略去不计的，在进行道路隧道纵断面结构分析时有时也可忽略。

沉船荷载是船只失事后恰巧沉在隧道顶上时所产生的特殊荷载，这种荷载的大小应视船只类型、吨位、装载情况，沉没方式，覆土厚度，隧道顶部土面是否突出于两侧河床底面等许多因素而定。因而在设计时只能假定估值，而不作统一规定，在以往的沉管设计中，常假定为50-130kN/m3。但人们对计算这项荷载的看法并不一致。地基反力，其分布规律有以下几点假定：①反力按直线分布。②反力强度与各点地基沉降成正比（文克尔假定）。③设地基为粘弹性体，按弹性理论计算反力。在按文克尔理论计算时，根据具体地基条件来采用不同的地基参数，既有采用单一地基系数的，也有采用不同组合的多地基系数的。混凝土收缩影响是由施工缝两侧不同龄期混凝土的剩余收缩所引起，因此应按初步的施工计划规定龄期并设定收缩差。变温影响主要由沉管外壁的内外侧温差所引起的，设计时可按持续5-7d的最高气温或最低气温计算，计算时可采用日平均气温，不必按昼夜最高或最低气温计算2.4沉管的结构计算1.横截面分析（１）钢筋混凝土管段横截面设计横向截面设计时，可把混凝土管段当作是平面封闭框架，当作用于管段上的荷载和地基反力沿纵向不变化或只是逐渐变化时，该框架可按均布荷载进行分析。沉管的横截面结构形式一般是多孔箱形框架，由于荷载组合的种类较多，而多孔框架的结构分析必须经过“假定构件—内力分析—修订尺寸—复算内力”几次循环，计算工作量很大。但为了避免采用剪力钢筋，并改善结构受力性能，减少裂缝，沉管隧道常采用变截面或折拱形结构，如图2-5-7所示。而且即使同一节管段（一般为100m长）中因隧道纵坡和河床标高变化的关系，各断面所受水、土压力不同，不能只按一个横断面的结构分析结果进行整节管段直至整个水底隧道的横向配筋。图2-5-8所示为德国埃姆斯河隧道的管段在最深点处横截面的弯矩及配筋。（２）钢壳管段的横截面设计钢壳在混凝土衬砌施工中作为外模与支撑，外面抵抗水压力，内面承受混凝土的重量，因此，必须有充分的强度和刚度及防水性。其横截面的强度计算，是将每一处的横助作为独立的闭合框架来处理，其强度一般是由混凝土衬砌施工时的应力控制的，在混凝土的浇筑过程中，随着吃水深度的加大，作用于钢壳上的水压力也增加。在施工时的混凝土重量与浮力对钢壳整体来说是平衡的，但对局部来说是不平衡的。在某些横截面上有可能发生浮力大于混凝土重量的情况，其差值即为剪力，一般来说，处于这种状态的钢壳其受力条件为最不利。在使用阶段，横截面分析应考虑隧道在完全回填后所承受的各种荷载组合，通常这些荷载组合产生的弯矩在中心墙附近的顶部和底部以及外墙的中心部位外侧受拉，在其间的区域为内侧受拉2.纵截面分析施工阶段的沉管纵向受力分析，主要计算浮运、沉放时施工荷载（定位塔、端封墙等）所引起的内力。使用阶段的纵向分析，一般按弹性地基梁理论进行计算。沉管结构的截面和配筋设计，一般按照交通部枟公路桥涵设计通用规范枠（JTGD60—2004）进行，沉管结构的混凝土通常采用较高的强度指标，主要为了满足抗剪的需要。沉管结构应满足防渗要求，一般应按限裂条件验算，水层保护下最大容许裂纹宽度为0.15-0.2mm。因此，钢筋的设计强度通常在fy＝135-160MPa，其纵向配筋率一般不应少于0.25％。第三节管段的制作及浮运3.1沉管的制作

管段作为隧道的主体工程，其制作基本要求是：本身不漏水，承受最大水压力时，也不漏水；管段本身是均质的，重量对称，以保证浮运时稳定（不倾）、结构牢固。

沉管管段制作方式大致分两种情形：一是船台方式；另一是干坞方式。1.船台方式

船台方式就是先在船厂船台上制成钢壳，然后将钢壳沿滑道送下水，在水上桡桥固定，在悬浮条件下浇筑内部钢筋混凝土。这种船台型管段的横断面，一般为圆形、八角形或花篮形，隧道内通常只能设两个车道，如图2-5-9所示。

钢壳由外侧钢板、横向桁架、纵向桁架、舱壁、衬垫组成，钢壳的制作就近在造船厂的船台上完成。制造方法大体与船体的制造相同，通常采用分块拼接。

钢壳制作完需进行质量检查，如尺寸、材料、焊缝等，特别是焊接部分的防水性。钢壳制作完成后即可下水，下水方式可与船同样的方法经滑道下水，也可用起重机下吊入水。钢壳的浮运由船拖拉或推进，直到将其浮运到隧道址水面。在随后的混凝土衬砌施工中，通常要在钢壳面上预留两个材料出入口，由此送入衬砌的混凝土材料及钢筋等。一般采用混凝土泵，并严格控制每一次浇筑量和浇筑顺序，做到对称施工，待浇筑完毕，搬出各种临时性材料后，封闭顶面上的预留出入口，这样，管段制作完毕。钢壳管段的制作步骤如图2-5-10所示2.干坞方式干坞方式制造管段的方法是在特定的场地（临时船坞）以固定状态的方式把沉管管段制作完，并用临时隔墙封闭管段两端，然后向制作场地（临时船坞）灌注水，使管段浮起并运出制作场地，如图2-5-11所示为甬江隧道干坞平面图。

干坞灌水前必须将管段两端离端面500-100cm处设置临时封墙，临时封墙可用木料、钢材或钢筋混凝制成，封墙设计按静水压力计算。

制造沉管除了从构造方面采取措施外，必须在混凝土选材、温控、模板等方面采取特殊措施，为了保证管段的水密性，在制作中管段混凝土的防密裂问题非常突出，因此对施工缝、变形缝的布置须慎重安排。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，应在底板面以上30-50cm；横向施工缝（沿管段长度方向上分段施工时的留缝）需采取防水措施。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段，每段长15-20m左右。2.4管段的浮运

管段制作完成后，开始向船坞内注水，这时，需派检查人员从管段预留出入口进入沉管内部，检查管段是否漏水。一旦发现漏水现象应立即停止向坞内注水，查明管段漏水原因并做修补。当船坞内水位接近干舷量时，应向压载水箱内注水，以防止管段上浮失稳。当管段完全被水淹没后，再排出压载水箱内的水，使管段上浮至浮运时的干舷量（一般为10-15cm）。在调整好各节管段后，可打开船坞的坞门，用拖船将管段拖（或推）出，浮运到隧道址。第四节管段的沉没与水下连接4.1管段的沉没作业

在沉管隧道施工中，关于管段的沉埋并没有统一套用的方法，大体上可分为吊沉法和拉沉法两种形式，沉埋作业的主要环节可概括如下：①拖运管段到沉没现场（隧址）。②用缆绳定位管段，以便精确沉放。③施加下沉力（如重物、水底拉沉等）

吊沉法中根据施工方法和起重设备的不同又分为分吊法、扛吊法和骑吊法及托吊法等。1.分吊法在管段预制时，预埋3-4个吊点，在沉设作业中用2-4艘起重船或浮箱提着各个吊点，将管段沉放到设计的隧址位置上。2.扛吊法这种方法又称方驳扛吊法，有双驳扛吊和四驳扛吊两种，具体做法是驳分布在管段左右，左右驳之间加设两根“杠棒”，“杠棒”下吊沉管，然后沉放。3.骑吊法骑吊法是用水上作业平台骑于管段上方，将它慢慢吊下完成沉没作业，这种方法适用于水面宽阔，而不易于用缆索固定管段的水面，其平台部分实际上是个矩形钢浮箱。就位时，可以向浮箱内注水加荷压载，使平台的四条钢腿插入水底；移位时，只需排水让浮箱上浮将四条钢腿从水底河床（湖或海滩）拔出。其优点在于不需抛锚，作业时对航道影响较小，但设备费用大，故较少利用。4.拉沉法这种沉放法的主要特点是既不用浮吊、方驳也不用浮箱、浮筒，管段沉放时，不是向管段内灌注水，即不是采用载水的办法来取得下沉力，而是利用预先设置在水底沟槽底板上的水下桩墩，通过它设在管段顶面的钢橇架上的卷扬机和扣在水下桩墩上的钢索，将管段慢慢拉下水，沉放到桩墩上。使用此法必须设置水底桩墩，因此费用较大而较少使用。4.2管段的水下连接

管段的水下连接方法有两种：一种方法是在管段接头处用水下混凝土加以固结，使接头与外部水隔绝，这叫做水下混凝土法；另一种方法是使用橡胶垫，借助水压使其压缩的方法，这种方法叫做水力压接法。1.水下混凝土法早期船台型圆形沉管隧道的管段间的接头，都采用水下混凝土进行连接。在进行水下连接时，先在管段的两端安装矩形堰板，在管段沉放就位、接缝对准拼合、安放底部罩板后，在前后两块平堰板的两侧安设圆弧形堰板，然后把封闭模板插入堰板两侧边，这样就形成了一个由堰板、封闭模板、上下罩板所围成的空间，随后在这个空间内灌注水下混凝土从而形成管段间的接头。等到水下混凝土充分硬化后，抽掉隔墙内的水，再进行管段内部接头处混凝土衬砌的施工。2.水力压接法水力压接法就是利用作用在管段上的巨大水压力使安装在管段端部周边上的橡胶垫圈发生压缩变形，而形成一个水密性良好而又可靠的管段接头。主要工序包括对位、拉合、压接及拆除隔墙。第五节沉管隧道的地基处理

为使管段沉放在具有可靠支承力的基础上，地基必须进行处理，沉管隧道的基础形式很多，按照管段和河床底接触形式可分为两大类，一类是连续支承式，另一类是独立支承式。5.1连续支承式1.先铺法这种方法就是在已开挖好的沟槽底面上，按规定均匀铺上粒径为50-80mm以下的砂砾或碎石，沉放管段可直接搁置在它上面。这种方法也称为刮铺法。修建中国香港维多利亚湾的地铁隧道时，即采用先铺法进行基础处理，所用材料为卵砾石。2.后填法根据三点确定平面的原理，在沟槽底面，按沉放管段的埋置深度，设置临时支座，把管段暂时搁置在它上面，在管段沉放并对接完成后，再用适当的材料在管段底部与沟槽面之间进行充填，从而形成永久性的均匀连续基础。后填法有不同的施工方法可供选择，如灌砂法、喷砂法、灌囊法、压浆法及压砂法等。5.2独立支承式1.桥台方式

将沉放管段的两端搁置在预先建造在水底的沉箱基础上，管段相当于水中简支梁，并把沉放管段两侧相连的隧道部分与沉箱基础做成整体，由于管段长度即为简支梁跨度，因此管段不宜做得过长，而且相当于桥台的沉箱部分需要做得相当大，在日本早期的沉管隧道工程中曾使用过这种方法。2.桥墩方式在沟底纵向设置支承在桩基础上的钢筋混凝土梁，把沉放管段安放在这种梁上，这也是一种水中桥梁的方式。对于这种方法，如果将管段沿纵向与各梁刚性连接，就成为多跨连续支承形式。因此，只要某处发生了不均匀下沉，就会影响到隧道整体。这种方法施工精度要求很高，且成本较高。3.独立桩基础在较弱土层上的沉管，常采用独立桩基础支承。为了管段沉放完毕后，各支承桩能均匀受力，常采用活动桩顶法顶升桩顶，使各桩达到受力均匀。5.3地基处理1.沟槽开挖沟槽对沉放管段和其下基础设置有特殊的用途，沟槽底部应相对平坦。沟槽开挖常采用疏浚法施工。在沟槽开挖前进行必要的土质调查，对于设计的沟槽断面，为证实实际路线上它的正确性，应进行多次喷注钻孔和标准贯入度试验，必要时进行试挖2.沟槽回填一旦沉管管段的沉放和连接作业完毕，需在沉放管段的外围进行砂土的回填工作，将沟槽予以回填，一是防止流水对沉放管段的冲刷，二是防护过往船只和抛锚等对管段的冲击。在管段的顶部一般设一层15cm左右的混凝土保护层。回填材料通常是砂或碎石，也可部分采用从沟槽中挖出的材料。2、沉管隧道技术 沉管法也称预制管段沉放法，即先在隧址以外的预制场制作隧道管段，管段两端用临时封墙密封，待达到设计强度后拖运至隧址位置，此时，在设计位置上已预先进行了沟槽开挖，设置了临时支座；然后沉放管段，待沉管段在水下连接，处理管段接头及基础，而后回填，再进行内部装修与设备安装，以完成隧道。这种方法一般用于过江、过海隧道建设，建成后的隧道也称沉管隧道。

根据各国的实践经验，在水底隧道建设中，盾构法与沉管法各有优缺点。一般而言，常采用比较经济、合理的沉管法。 沉管隧道的类型（船台型、干坞型）、沉管隧道