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淺埋式地下工程第三章深基坑工程第四章

地下連續(xù)墻第五章沉管工程第五章沉管工程第一節(jié)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、跨海峽等穿越水域隧道的常用施工方法，它是先在隧道址以外的預(yù)制場地制作沉放管段，管段兩端用臨時封墻（板）密封，然后拖運到隧道址位置而下沉就位并連接成隧道的施工方法。沉管法也可用于陸地隧道的建設(shè)，這時需開鑿出一條臨時性運河拖運管段至隧道址處沉放。1.1沉管工程

沉管隧道按其管段制作方式可分為兩類：一類是船臺型，即先在造船廠的船臺上預(yù)制鋼殼，制成后沿滑道滑行下水，然后在漂浮狀態(tài)下進行鋼筋混凝土施工；另一類是干塢型，它是在臨時干塢中制作鋼筋混凝土管段，制成后往塢內(nèi)灌水使之浮起并拖到隧道址沉沒。沉管法施工隧道的斷面形狀分為圓形鋼殼類和矩形兩種，如圖2-5-1所示。圓形斷面特點是：受力合理，隧道壁內(nèi)彎矩較小，在水深度較大時，比較經(jīng)濟有利；沉管底部寬度小，基礎(chǔ)處理比較容易，但是圓形斷面空間不能充分利用，且其制作相對較復(fù)雜。矩形斷面的特點是：空間利用率高，一般采用鋼筋混凝土建成，較節(jié)省鋼材，但須修建臨時干塢，且浮運中要有相應(yīng)的控制措施。

沉管隧道的設(shè)計涉及面較廣，主要內(nèi)容包括：總體幾何設(shè)計（如沉管的斷面形狀、幾何尺寸等），沉管結(jié)構(gòu)計算，浮運和沉埋設(shè)計，通風照明系統(tǒng)，給排水系統(tǒng)，安全監(jiān)控系統(tǒng)，內(nèi)裝修設(shè)計及運行管理系統(tǒng)等。第二節(jié)沉管的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1沉管的斷面形狀和尺寸

隧道截面尺寸首先取決于使用要求，隧道的橫斷面應(yīng)該考慮車流量，車輛通過量應(yīng)和道路相匹配，也應(yīng)考慮其他的使用要求和輔助設(shè)施；同時還取決于施工條件和施工要求，即管段的浮運和沉放要求。一般來說，首先根據(jù)使用要求來確定管段內(nèi)的凈空尺寸，而沉管結(jié)構(gòu)的外輪廓尺寸，則應(yīng)按滿足浮運要求，同時還應(yīng)滿足截面的強度要求。在考慮以上綜合條件的情況下，才能確定管段橫斷面的幾何尺寸和形狀。管段的長度則需要考慮經(jīng)濟條件，航道條件，管段縱、橫斷面形狀，施工及技術(shù)條件等。

根據(jù)交通隧道的有關(guān)規(guī)定，對于雙向行車隧道，每個方向行車道應(yīng)有各自的管道，一般來說，車行道寬度為3.5m，車行道邊緣距側(cè)墻的間距為0.8-1.0m，車行道凈空高度為4.5m。車行道與側(cè)墻的空間能通常做成人行道，空間高度可低于車行道高度，它供隧道管理人員或拋錨的汽車駕駛員使用。根據(jù)以上所述，可推算出一條雙車行道寬度為B＝2×3.5m＋2×1.0m≥9m。在隧道頂部，按規(guī)定應(yīng)有0.35m留作照明和信號設(shè)備的空間，如果使用縱向通風系統(tǒng)，則附加凈空應(yīng)增加到0.85m2.2沉管的浮力計算

通過浮力設(shè)計可以確定沉管結(jié)構(gòu)的外廓尺寸，從而確定沉管結(jié)構(gòu)的橫斷面尺寸。

浮力設(shè)計的內(nèi)容就是確定干舷和抗浮安全系數(shù)，這里干舷是指管段在浮運時，為了保持管段穩(wěn)定必須使管頂露出水面的高度，具有一定干舷的管段，遇到風浪而發(fā)生側(cè)傾后，它就自動產(chǎn)生一個傾力矩Mt，如圖2-5-4所示。

沉管結(jié)構(gòu)的外部尺寸經(jīng)浮力計算以及多次試算，可初步確定并為結(jié)構(gòu)強度驗算提供條件。2.3作用在沉管上的荷載

作用在沉管結(jié)構(gòu)上的荷載有結(jié)構(gòu)自重、水壓力、土壓力、浮力、施工荷載、波浪和水流壓力、沉降摩擦力、車輛荷載、地基反力、混凝土收縮影響、變溫影響、不均勻沉陷影響及地震影響等。作用在管段上的水壓力是主要荷載之一，在覆土厚度較小的區(qū)段中，水壓力常是作用在管段上的最大荷載，設(shè)計時應(yīng)按各種荷載組合情況分別計算正常的高低潮水位的水壓力，或若干年一遇的特大洪水的水壓力。

土壓力是作用在管段上的另一主要荷載，且常不是恒載，例如作用在管段頂面上的垂直土壓力，一般為河床底面到管段頂面之間的土體重量，在河床不穩(wěn)定的場合下，要考慮河床變遷所產(chǎn)后的附加荷載。作用在管段上的水平土壓力，也不是一個常量，在隧道剛建成時，側(cè)向土壓力往往較小，以后逐漸增大，最終可達靜止土壓力，設(shè)計時應(yīng)按不利組合分別取其最小和最大值。作用在管段上的浮力，也不是一個常量，一般來說，浮力應(yīng)等于排水量，但作用于沉沒在粘性土層中的管段的上浮力，有時也會由于“滯后現(xiàn)象”的作用而大于排水量。

施工荷載主要是端封墻、定位塔、壓載等重量，在進行浮力設(shè)計時，應(yīng)考慮施工荷載。如果施工荷載所引起的縱向負彎矩過大，則可調(diào)整壓載水箱（或水柜）的位置來抵消一部分負彎矩。波浪力一般不大，不致影響配筋。水流壓力對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響亦不大，但必須進行水工模型試驗予以確定，以便據(jù)以設(shè)計沉埋工藝及設(shè)備。沉降摩擦力是覆土回填后，溝槽底部受荷載不均勻，沉降也不均勻的情況下發(fā)生的，沉管底下的荷載比較小，沉降也小，而其兩側(cè)荷載較大，沉降也大，因而在沉管的側(cè)壁外側(cè)就會受到這種摩擦力的作用，如圖2-5-6所示。如果在沉管側(cè)壁防水層外再堆一層軟瀝青，則可使沉降摩擦減小。

車輛荷載在進行橫斷面結(jié)構(gòu)分析時，一般是略去不計的，在進行道路隧道縱斷面結(jié)構(gòu)分析時有時也可忽略。

沉船荷載是船只失事后恰巧沉在隧道頂上時所產(chǎn)生的特殊荷載，這種荷載的大小應(yīng)視船只類型、噸位、裝載情況，沉沒方式，覆土厚度，隧道頂部土面是否突出于兩側(cè)河床底面等許多因素而定。因而在設(shè)計時只能假定估值，而不作統(tǒng)一規(guī)定，在以往的沉管設(shè)計中，常假定為50-130kN/m3。但人們對計算這項荷載的看法并不一致。地基反力，其分布規(guī)律有以下幾點假定：①反力按直線分布。②反力強度與各點地基沉降成正比（文克爾假定）。③設(shè)地基為粘彈性體，按彈性理論計算反力。在按文克爾理論計算時，根據(jù)具體地基條件來采用不同的地基參數(shù)，既有采用單一地基系數(shù)的，也有采用不同組合的多地基系數(shù)的?；炷潦湛s影響是由施工縫兩側(cè)不同齡期混凝土的剩余收縮所引起，因此應(yīng)按初步的施工計劃規(guī)定齡期并設(shè)定收縮差。變溫影響主要由沉管外壁的內(nèi)外側(cè)溫差所引起的，設(shè)計時可按持續(xù)5-7d的最高氣溫或最低氣溫計算，計算時可采用日平均氣溫，不必按晝夜最高或最低氣溫計算2.4沉管的結(jié)構(gòu)計算1.橫截面分析（１）鋼筋混凝土管段橫截面設(shè)計橫向截面設(shè)計時，可把混凝土管段當作是平面封閉框架，當作用于管段上的荷載和地基反力沿縱向不變化或只是逐漸變化時，該框架可按均布荷載進行分析。沉管的橫截面結(jié)構(gòu)形式一般是多孔箱形框架，由于荷載組合的種類較多，而多孔框架的結(jié)構(gòu)分析必須經(jīng)過“假定構(gòu)件—內(nèi)力分析—修訂尺寸—復(fù)算內(nèi)力”幾次循環(huán)，計算工作量很大。但為了避免采用剪力鋼筋，并改善結(jié)構(gòu)受力性能，減少裂縫，沉管隧道常采用變截面或折拱形結(jié)構(gòu)，如圖2-5-7所示。而且即使同一節(jié)管段（一般為100m長）中因隧道縱坡和河床標高變化的關(guān)系，各斷面所受水、土壓力不同，不能只按一個橫斷面的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進行整節(jié)管段直至整個水底隧道的橫向配筋。圖2-5-8所示為德國埃姆斯河隧道的管段在最深點處橫截面的彎矩及配筋。（２）鋼殼管段的橫截面設(shè)計鋼殼在混凝土襯砌施工中作為外模與支撐，外面抵抗水壓力，內(nèi)面承受混凝土的重量，因此，必須有充分的強度和剛度及防水性。其橫截面的強度計算，是將每一處的橫助作為獨立的閉合框架來處理，其強度一般是由混凝土襯砌施工時的應(yīng)力控制的，在混凝土的澆筑過程中，隨著吃水深度的加大，作用于鋼殼上的水壓力也增加。在施工時的混凝土重量與浮力對鋼殼整體來說是平衡的，但對局部來說是不平衡的。在某些橫截面上有可能發(fā)生浮力大于混凝土重量的情況，其差值即為剪力，一般來說，處于這種狀態(tài)的鋼殼其受力條件為最不利。在使用階段，橫截面分析應(yīng)考慮隧道在完全回填后所承受的各種荷載組合，通常這些荷載組合產(chǎn)生的彎矩在中心墻附近的頂部和底部以及外墻的中心部位外側(cè)受拉，在其間的區(qū)域為內(nèi)側(cè)受拉2.縱截面分析施工階段的沉管縱向受力分析，主要計算浮運、沉放時施工荷載（定位塔、端封墻等）所引起的內(nèi)力。使用階段的縱向分析，一般按彈性地基梁理論進行計算。沉管結(jié)構(gòu)的截面和配筋設(shè)計，一般按照交通部枟公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范枠（JTGD60—2004）進行，沉管結(jié)構(gòu)的混凝土通常采用較高的強度指標，主要為了滿足抗剪的需要。沉管結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足防滲要求，一般應(yīng)按限裂條件驗算，水層保護下最大容許裂紋寬度為0.15-0.2mm。因此，鋼筋的設(shè)計強度通常在fy＝135-160MPa，其縱向配筋率一般不應(yīng)少于0.25％。第三節(jié)管段的制作及浮運3.1沉管的制作

管段作為隧道的主體工程，其制作基本要求是：本身不漏水，承受最大水壓力時，也不漏水；管段本身是均質(zhì)的，重量對稱，以保證浮運時穩(wěn)定（不傾）、結(jié)構(gòu)牢固。

沉管管段制作方式大致分兩種情形：一是船臺方式；另一是干塢方式。1.船臺方式

船臺方式就是先在船廠船臺上制成鋼殼，然后將鋼殼沿滑道送下水，在水上橈橋固定，在懸浮條件下澆筑內(nèi)部鋼筋混凝土。這種船臺型管段的橫斷面，一般為圓形、八角形或花籃形，隧道內(nèi)通常只能設(shè)兩個車道，如圖2-5-9所示。

鋼殼由外側(cè)鋼板、橫向桁架、縱向桁架、艙壁、襯墊組成，鋼殼的制作就近在造船廠的船臺上完成。制造方法大體與船體的制造相同，通常采用分塊拼接。

鋼殼制作完需進行質(zhì)量檢查，如尺寸、材料、焊縫等，特別是焊接部分的防水性。鋼殼制作完成后即可下水，下水方式可與船同樣的方法經(jīng)滑道下水，也可用起重機下吊入水。鋼殼的浮運由船拖拉或推進，直到將其浮運到隧道址水面。在隨后的混凝土襯砌施工中，通常要在鋼殼面上預(yù)留兩個材料出入口，由此送入襯砌的混凝土材料及鋼筋等。一般采用混凝土泵，并嚴格控制每一次澆筑量和澆筑順序，做到對稱施工，待澆筑完畢，搬出各種臨時性材料后，封閉頂面上的預(yù)留出入口，這樣，管段制作完畢。鋼殼管段的制作步驟如圖2-5-10所示2.干塢方式干塢方式制造管段的方法是在特定的場地（臨時船塢）以固定狀態(tài)的方式把沉管管段制作完，并用臨時隔墻封閉管段兩端，然后向制作場地（臨時船塢）灌注水，使管段浮起并運出制作場地，如圖2-5-11所示為甬江隧道干塢平面圖。

干塢灌水前必須將管段兩端離端面500-100cm處設(shè)置臨時封墻，臨時封墻可用木料、鋼材或鋼筋混凝制成，封墻設(shè)計按靜水壓力計算。

制造沉管除了從構(gòu)造方面采取措施外，必須在混凝土選材、溫控、模板等方面采取特殊措施，為了保證管段的水密性，在制作中管段混凝土的防密裂問題非常突出，因此對施工縫、變形縫的布置須慎重安排?？v向施工縫（橫斷面上的施工留縫），對于管段下端，靠近底板面一道留縫，應(yīng)在底板面以上30-50cm；橫向施工縫（沿管段長度方向上分段施工時的留縫）需采取防水措施。為防止發(fā)生橫向通透性裂縫，通?？砂褭M向施工縫做成變形縫，每節(jié)管段由變形縫分成若干段，每段長15-20m左右。2.4管段的浮運

管段制作完成后，開始向船塢內(nèi)注水，這時，需派檢查人員從管段預(yù)留出入口進入沉管內(nèi)部，檢查管段是否漏水。一旦發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象應(yīng)立即停止向塢內(nèi)注水，查明管段漏水原因并做修補。當船塢內(nèi)水位接近干舷量時，應(yīng)向壓載水箱內(nèi)注水，以防止管段上浮失穩(wěn)。當管段完全被水淹沒后，再排出壓載水箱內(nèi)的水，使管段上浮至浮運時的干舷量（一般為10-15cm）。在調(diào)整好各節(jié)管段后，可打開船塢的塢門，用拖船將管段拖（或推）出，浮運到隧道址。第四節(jié)管段的沉沒與水下連接4.1管段的沉沒作業(yè)

在沉管隧道施工中，關(guān)于管段的沉埋并沒有統(tǒng)一套用的方法，大體上可分為吊沉法和拉沉法兩種形式，沉埋作業(yè)的主要環(huán)節(jié)可概括如下：①拖運管段到沉沒現(xiàn)場（隧址）。②用纜繩定位管段，以便精確沉放。③施加下沉力（如重物、水底拉沉等）

吊沉法中根據(jù)施工方法和起重設(shè)備的不同又分為分吊法、扛吊法和騎吊法及托吊法等。1.分吊法在管段預(yù)制時，預(yù)埋3-4個吊點，在沉設(shè)作業(yè)中用2-4艘起重船或浮箱提著各個吊點，將管段沉放到設(shè)計的隧址位置上。2.扛吊法這種方法又稱方駁扛吊法，有雙駁扛吊和四駁扛吊兩種，具體做法是駁分布在管段左右，左右駁之間加設(shè)兩根“杠棒”，“杠棒”下吊沉管，然后沉放。3.騎吊法騎吊法是用水上作業(yè)平臺騎于管段上方，將它慢慢吊下完成沉沒作業(yè)，這種方法適用于水面寬闊，而不易于用纜索固定管段的水面，其平臺部分實際上是個矩形鋼浮箱。就位時，可以向浮箱內(nèi)注水加荷壓載，使平臺的四條鋼腿插入水底；移位時，只需排水讓浮箱上浮將四條鋼腿從水底河床（湖或海灘）拔出。其優(yōu)點在于不需拋錨，作業(yè)時對航道影響較小，但設(shè)備費用大，故較少利用。4.拉沉法這種沉放法的主要特點是既不用浮吊、方駁也不用浮箱、浮筒，管段沉放時，不是向管段內(nèi)灌注水，即不是采用載水的辦法來取得下沉力，而是利用預(yù)先設(shè)置在水底溝槽底板上的水下樁墩，通過它設(shè)在管段頂面的鋼橇架上的卷揚機和扣在水下樁墩上的鋼索，將管段慢慢拉下水，沉放到樁墩上。使用此法必須設(shè)置水底樁墩，因此費用較大而較少使用。4.2管段的水下連接

管段的水下連接方法有兩種：一種方法是在管段接頭處用水下混凝土加以固結(jié)，使接頭與外部水隔絕，這叫做水下混凝土法；另一種方法是使用橡膠墊，借助水壓使其壓縮的方法，這種方法叫做水力壓接法。1.水下混凝土法早期船臺型圓形沉管隧道的管段間的接頭，都采用水下混凝土進行連接。在進行水下連接時，先在管段的兩端安裝矩形堰板，在管段沉放就位、接縫對準拼合、安放底部罩板后，在前后兩塊平堰板的兩側(cè)安設(shè)圓弧形堰板，然后把封閉模板插入堰板兩側(cè)邊，這樣就形成了一個由堰板、封閉模板、上下罩板所圍成的空間，隨后在這個空間內(nèi)灌注水下混凝土從而形成管段間的接頭。等到水下混凝土充分硬化后，抽掉隔墻內(nèi)的水，再進行管段內(nèi)部接頭處混凝土襯砌的施工。2.水力壓接法水力壓接法就是利用作用在管段上的巨大水壓力使安裝在管段端部周邊上的橡膠墊圈發(fā)生壓縮變形，而形成一個水密性良好而又可靠的管段接頭。主要工序包括對位、拉合、壓接及拆除隔墻。第五節(jié)沉管隧道的地基處理

為使管段沉放在具有可靠支承力的基礎(chǔ)上，地基必須進行處理，沉管隧道的基礎(chǔ)形式很多，按照管段和河床底接觸形式可分為兩大類，一類是連續(xù)支承式，另一類是獨立支承式。5.1連續(xù)支承式1.先鋪法這種方法就是在已開挖好的溝槽底面上，按規(guī)定均勻鋪上粒徑為50-80mm以下的砂礫或碎石，沉放管段可直接擱置在它上面。這種方法也稱為刮鋪法。修建中國香港維多利亞灣的地鐵隧道時，即采用先鋪法進行基礎(chǔ)處理，所用材料為卵礫石。2.后填法根據(jù)三點確定平面的原理，在溝槽底面，按沉放管段的埋置深度，設(shè)置臨時支座，把管段暫時擱置在它上面，在管段沉放并對接完成后，再用適當?shù)牟牧显诠芏蔚撞颗c溝槽面之間進行充填，從而形成永久性的均勻連續(xù)基礎(chǔ)。后填法有不同的施工方法可供選擇，如灌砂法、噴砂法、灌囊法、壓漿法及壓砂法等。5.2獨立支承式1.橋臺方式

將沉放管段的兩端擱置在預(yù)先建造在水底的沉箱基礎(chǔ)上，管段相當于水中簡支梁，并把沉放管段兩側(cè)相連的隧道部分與沉箱基礎(chǔ)做成整體，由于管段長度即為簡支梁跨度，因此管段不宜做得過長，而且相當于橋臺的沉箱部分需要做得相當大，在日本早期的沉管隧道工程中曾使用過這種方法。2.橋墩方式在溝底縱向設(shè)置支承在樁基礎(chǔ)上的鋼筋混凝土梁，把沉放管段安放在這種梁上，這也是一種水中橋梁的方式。對于這種方法，如果將管段沿縱向與各梁剛性連接，就成為多跨連續(xù)支承形式。因此，只要某處發(fā)生了不均勻下沉，就會影響到隧道整體。這種方法施工精度要求很高，且成本較高。3.獨立樁基礎(chǔ)在較弱土層上的沉管，常采用獨立樁基礎(chǔ)支承。為了管段沉放完畢后，各支承樁能均勻受力，常采用活動樁頂法頂升樁頂，使各樁達到受力均勻。5.3地基處理1.溝槽開挖溝槽對沉放管段和其下基礎(chǔ)設(shè)置有特殊的用途，溝槽底部應(yīng)相對平坦。溝槽開挖常采用疏浚法施工。在溝槽開挖前進行必要的土質(zhì)調(diào)查，對于設(shè)計的溝槽斷面，為證實實際路線上它的正確性，應(yīng)進行多次噴注鉆孔和標準貫入度試驗，必要時進行試挖2.溝槽回填一旦沉管管段的沉放和連接作業(yè)完畢，需在沉放管段的外圍進行砂土的回填工作，將溝槽予以回填，一是防止流水對沉放管段的沖刷，二是防護過往船只和拋錨等對管段的沖擊。在管段的頂部一般設(shè)一層15cm左右的混凝土保護層?；靥畈牧贤ǔＪ巧盎蛩槭?，也可部分采用從溝槽中挖出的材料。2、沉管隧道技術(shù) 沉管法也稱預(yù)制管段沉放法，即先在隧址以外的預(yù)制場制作隧道管段，管段兩端用臨時封墻密封，待達到設(shè)計強度后拖運至隧址位置，此時，在設(shè)計位置上已預(yù)先進行了溝槽開挖，設(shè)置了臨時支座；然后沉放管段，待沉管段在水下連接，處理管段接頭及基礎(chǔ)，而后回填，再進行內(nèi)部裝修與設(shè)備安裝，以完成隧道。這種方法一般用于過江、過海隧道建設(shè)，建成后的隧道也稱沉管隧道。

根據(jù)各國的實踐經(jīng)驗，在水底隧道建設(shè)中，盾構(gòu)法與沉管法各有優(yōu)缺點。一般而言，常采用比較經(jīng)濟、合理的沉管法。 沉管隧道的類型（船臺型、干塢型）、沉管隧道