地下工程施工(沉管隧道施工).ppt

沉管隧道施工,第一节 概述,沉管法修筑隧道，就是在水底预先挖好沟槽，把在陆地上特殊场地预制的适当长度的管段，浮运到沉放现场，顺序地沉放到沟槽中并进行连接，然后回填覆盖成的隧道。,第一节 概述,一沉管隧道的特点沉管隧道与其他横断水路的隧道相比，主要有如下特点：1.能够设置在只要不妨碍通航的深度下，隧道全长可以缩短；2.管段是预制的，质量好，水密性高；3.固有浮力作用在隧道上，视比重小，要求地层承载力不大；4.断面形状无特殊限制，可按用途选择，适应较宽断面形式；5.沉管的沉放，可在13日内完成，对航运的限制较小；6.不需要压缩空气作业，在相当水深的条件下，能安全施工；7.采用预制方式施工，效率高，工期短。,第一节 概述,二、沉管隧道的分类 按施工方式分类:钢壳方式:不需修建特殊的船坞，用浮在水上的钢壳箱体作为模板制造管段.干船坞方式:在干船坞内制造箱体，而后浮运、沉放的 方式.,第一节 概述,钢壳方式与干船坞方式的比较,第一节 概述,三、按断面形状分类 断面形式有圆形、矩形、其它形状等。一般说，圆形多为钢壳方式，矩形多为干船坞方式。按材料分类 有铸铁、钢材、混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土等。,第一节 概述,圆形断面沉管隧道,第一节 概述,矩形断面沉管隧道,第一节 概述,四、沉管隧道的环境问题对水道的影响：所有的沉管隧道要穿过水道，特别是河口或狭窄的海峡。这种水道通常有复杂的自然特点，如水流、潮汐、海洋生物分布、平面形状、沉积物的迁移，冲刷和沉积的特点。对地下水状况的影响：两个目的引道开挖和建造隧道管段的干坞，沉管隧道施工一般包括大规模地降低地下水。对开挖材料的处理：施工总是大量的挖泥作业，一般需要大型的干燥坑道作引道结构。在工程中一直重复使用挖泥和开挖材料时，需要处理大量材料。沉管隧道的修建应考虑到土地利用和水上通航的问题，尽量少占用土地和在施工过程中最小的妨碍水上交通。,第二节 沉管隧道调查规划,在规划沉管隧道时，首先要充分调查建设现场的地理、物理、以及人为等各种条件，并与桥梁及其他水底隧道方案进行比较；在充分调查的基础上，进行利用规划、选址、交通量和交通组成规划、线形和横断面选择、沉管的结构和长度、设备布置等规划。一、横断水路方案比选1.沉管隧道与桥梁方案比选 在横断水路的方式中，如既可采用桥梁，又可采用隧道时，应从工费、施工、结构上的得失、运营的利弊等，对两种方式进行比较。,第二节 沉管隧道调查规划,沉管隧道与平面桥的比较,第二节 沉管隧道调查规划,沉管隧道与高架桥的比较,第二节 沉管隧道调查规划,2.沉管隧道与其它隧道方案比选 水底隧道的施工方法有盾构法、沉箱法、明挖法等。其中沉箱法、明挖法可在较浅的河道中采用。因此，能够与沉管法进行实质性比较的只有盾构法。盾构法的最大不同之点是，如何确保隧道上浮的稳定性以及为保证掘进的安全，要有比沉管隧道更大的埋深。所以，隧道长度要长些。,第二节 沉管隧道调查规划,沉管隧道与盾构隧道埋深的比较,第二节 沉管隧道调查规划,二、前期问题和调查工作沉管隧道的规划时，应先大概研究平面、纵剖面、断面形状、沉管区段长度、管段长度、通风塔位置、引道、沉管隧道预制场、基础处理等问题。首先，为获得经济的线形，要进行线路方案比选。根据水深和覆盖层厚度，初步决定纵断面的大致情况。在规划线路和纵断面线形时，要掌握包括隧道的总长和引道长度的施工区段的全长。其次，视隧道用途，研究隧道净空断面和布置，设定沉管横断面的大概形状。对公路隧道、铁路隧道，除满足建筑限界的要求外，还要配置管理通道、通风道、照明、标志信号、排水设施等，选择构造上、空间利用上、力学上都有利的横断面形状。,第二节 沉管隧道调查规划,研究了上述问题后，进行详细地质调查，其中包括：（1）基础的报告包括：水路条件调查、周边土地利用、开发计划、制造码头等调查。（2）测量调查包括：水深测量、引道范围的路线测量等。（3）水文及水质调查包括：水的比重、流速、波浪、水温等。（4）地质及土质调查包括：基础承载力、地层构成、土质常数等。采用各种手段调查。（5）地震调查沉管隧道，地震调查异常重要。要进行该区域的地震调查及用于设计的各种动态土质常数等的调查。（6）其它调查包括：用地调查、渔业补偿、水质污染、弃土等调查,第二节 沉管隧道调查规划,三、沉管隧道规划1、线形规划 决定位置时，首先找出几个比较线路，根据用途，在容许的线形条件下，设定隧道的平面、纵剖面，其中选择最经济、合理、在构造上易于制造预制管段的方案。要注意以下几点：平面形状，沉管区段不进入平面曲线之内是最好的，管段的纵剖面，一般管段都制成直线，多为折线构成。在设计时，要考虑接头位置、净空高度、最小埋深等来决定；在平面和纵断面曲线重合地段，管段制造复杂，尽量避免这种重合。2、构造规划 构造规划应确定断面形状、管段的划分及基本构造等。管段划分(管段长度)，要考虑上述的线形、沉设方法、沉放时对航道的干扰等来决定。对铁道、公路隧道来说，管段长通常取100m左右。,第二节 沉管隧道调查规划,3、管段制造干船坞方式，根据使用的用地规模来决定配置管段数和使用次数。干船坞构造，应视土质条件、使用次数而定，采用明挖法最经济。钢壳方式，应虑工地和制造地点距离、拖航航道条件等决定制造码头。4、基础 沉管视比重较小。一般基础承载力不会有问题，但要求均匀的反力传递到地层，目前采用的工法有：在沟槽底面上铺设均匀底层的方式；临时支承，向管段底和壕沟底空隙充填砂和砂浆基础的方式。5、沉放沉放方式有：固定脚手架方式，浮桥方式和沉放作业船方式。各有利弊，应考虑管段规模、现场作业条件等选择。6、进度根据上述各点，最后研究整个工程的大概进度规划。,第三节 沉管隧道设计,沉管隧道技术综合了土木、建筑、机械、电气等各专业领域。因此在设计时应从总体观点出发慎重的进行研究，以便能满足其目的和功能。不要各专业单独考虑，而应以建成后的隧道状态为中心综合的设计。沉管隧道的设计，因没有强制性的技术规范，这是沉管隧道的修建在过去、将来都并不那么多的缘故。因此，在修建沉管隧道时要参考桥梁技术规范，但要根据沉管隧道的特点来进行设计。特点是：结构重量和浮力的平衡；具有水密性构造；施工用的临时隔壁及水中接合构造等。因沉管隧道埋深浅，应特别注意抗震性的设计。,第三节 沉管隧道设计,一、设计内容与设计流程 沉管隧道的设计内容主要包括荷载组合、管段结构、临时端隔墙、管段接头、防水设计、基础设计、抗震设计、竖井和引道设计等。,第三节 沉管隧道设计,第三节 沉管隧道设计,二、设计荷载及受力分析考虑施工中和施工后可能作用的全部荷载组合。一般有下述荷载组合。（1）自重在沉管法中，在计算重量时，要特别注意各材料的单位容重和水的单位容重。特别是在牵引拖运时，浮力和重量差只有1%左右。（2）水压通常采用HWL（平均满潮位）和HHWL(历史最高潮位)，或采用由概率决定的以后出现的异常潮位，（3）土压主要由回填土产生。垂直土压除考虑上覆土重外，还要考虑淤泥的堆积厚度等。水平土压按作用在刚性壁的土压考虑。土压系数取0.5。（4）地震影响 这一部分参考有关专著。（5）不均匀下沉的影响一般都埋设在河底或海底的软弱层中，视比重也比既有地层的重量轻。基础地层受到的先行荷载有所减少。一般不会出现对设计有影响的下沉。,第三节 沉管隧道设计,（6）温度变化的影响沿隧道纵向，年间温度变化量对轴向应力、轴向应变、可挠性接头会产生影响。要研究其伸缩量。沿隧道横向，要检查隧道壁面的里外温差，管段中壁的温度变化等的影响。年间温度的变化量，公路隧道的实测值在5度左右。是较厚构件的地上温度变化量的1/2左右。（7）施工荷载施工荷载，因管段的制造方式而异。（8）其它荷载船舶沉没、投锚、走锚的影响；沉船荷载（丹麦沉管隧道规定是100kPa力作用在250m2的面积上）；隧道火灾的影响；爆发荷载(瓦斯管设置时)等。,第三节 沉管隧道设计,沉管隧道的荷载,第三节 沉管隧道设计,2.容许应力沉管隧道的混凝土的容许应力，基本上可按钢筋混凝土结构同样考虑。3.荷载组合荷载的组合和容许应力的增幅，要按各种设计状态设定。一般情况的荷载组合和容许应力的增幅见下表。,第三节 沉管隧道设计,荷载组合与容许应力的增幅,第三节 沉管隧道设计,4.浮力的影响 管段在施工中进行拖航和沉放后都要受到浮力，因此要研究管段作为浮体的稳定性。要确保拖航时的干舷高度以及上浮的安全度。这是确定断面的主要因素。干舷高度，从既有实例看是3050cm左右。这相当于视重量为总浮力的1%左右，拖航时，作为浮体的稳定性是没有问题的。因此，各国对拖航时的浮力都规定在上述的1%的数值。,第三节 沉管隧道设计,三、管段结构设计（1）钢壳方式的管段设计 横断面设计设计特征是钢壳同时要作为混凝土灌筑时的模板，钢壳要与混凝土成为一体，作为永久构件存在。钢壳存在腐蚀、残留应力和与混凝土为一体等问题，很难视其承载是一个有效的构件。目前多按临时构件来设计。也曾试行按钢和混凝土的组合构件来设计，目前正在研究和试验。钢壳断面，一般决定于混凝土灌筑时的应力。随着混凝土的灌筑，吃水深度增加，水压增大,设计断面也应随之变化。因此，应对每一施工阶段的混凝土重量和水压进行应力计算，而后按最危险状态，决定钢壳断面。,第三节 沉管隧道设计,纵断面方向的设计把整个钢壳视为纵断方向的梁，按施工荷载研究强度和变形。设计状态可分为：进水时，混凝土灌筑时，拖航停泊时等状态。钢壳在船台上制作，纵向进水时的状态，会产生比较大的应力,故多由此状态决定断面尺寸,但也应研究其它状态下的应力和变形。混凝土灌筑时的应力，视一次混凝土灌筑量、灌筑地点、灌筑顺序有根大的变化。因此，一次灌筑混凝土的区段和灌筑顺序，要按使断面力最小的原则决定。,第三节 沉管隧道设计,（2）钢筋混凝土管段的设计 横断面的设计用干船坞制作的钢筋混凝土管段，从施工角度看，在应力方面是不会有问题的。决定横断面时，就是要注意对浮力的平衡。如干船坞的基础软弱时，要进行地层改良或采用桩基，以防止在制作中的管段产生有害的应力。决定断面尺寸时，一般都按采用平面骨架结构进行应力计算。此时，作为结构系的支承条件，要设定地基的反力系数。但其值的采用，要考虑地层的性质、基础宽度等。横断面构件的厚度，一般按钢筋混凝土构件的计算即可。但因沉管隧道主要是受水压、土压的作用，设计荷载的大半是永久荷载，同时，在水下维修也是困难的。因此，混凝土和钢筋的应力，要根据开裂宽度、混凝土的流变影响等，加以充分研究后选定设计的目标值。,第三节 沉管隧道设计,纵断面方向的设计管段的纵向设计，除考虑混凝土灌筑时、牵引时、沉放时的状态外，还要考虑完成后的地震影响、地层下沉影响、温度变化的影响等。,第三节 沉管隧道设计,四、临时端隔墙的设计沉管段的两端部，因牵引、沉放的要求，需设临时隔壁(端隔墙)。端隔墙的结构，因是承受施工中的水压，最好使之重量小，而且易于拆除。为此，其结构形式多是由止水板、桁架、加强肋等构成的钢结构。但也有钢筋混凝土的和钢筋混凝土板与支持钢桁架构成的。选择时，应考虑止水性、经济性、施工性等。设计端隔墙时的荷载，主要是沉放时的水压。,第三节 沉管隧道设计,五、管段接头的设计1.接头方法沉管段在水中接合的方法，在沉管法的应用初期，多采用水中混凝土的方法。但从橡胶密封垫的水压压接法开发后，此法目前是采用最多的。接头的构造有：与管段同样强度、刚性的连续构造形式和管段能够相互伸缩、转动的柔性构造的可挠性接头形式。,第三节 沉管隧道设计,（1）连续构造接头的设计此种接头在美国、加拿大等国采用较多。日本初期的沉管隧道也多采用这种接头。,连续构造接头,第三节 沉管隧道设计,(2)可挠性接头（柔性接头）的设计柔性接头是能使管段接头处产生伸缩、转动的结构。但不容许无限制的位移，要根据止水性及交通功能等，规定出容许的位移值，使接头的位移在容许范围之内。,柔性接头构造,第三节 沉管隧道设计,2.止水构造在管段的接头处，不管是那种接头形式，都要进行止水构造的设计。一般说，橡胶密封垫的一次止水构造是最基本的构造。决定橡胶密封垫的材质、形状尺寸时，要满足以下条件：止水构件材质的长期稳定性和耐久性；管段接合时，就要具有所规定的止水性；水压压接时具有合适的荷栽-压缩变形特性；有永久的止水性能等。,第三节 沉管隧道设计,橡胶止水带形状,第三节 沉管隧道设计,新型橡胶止水带,第三节 沉管隧道设计,二次止水装置(有时还有三次止水装置)是唯恐一次止水发生故障时，而设的具有止水构造的安全阀，要能承受外水压。,二次止水带,第三节 沉管隧道设计,3.最后接头沉管隧道的接头，一般分为中间接头、与竖井的接头及最后接头三类。其结构型式有些差异。其中，最后接头是最后一节管段与前设管段等的接头,与管段一般段的接头不完全相同。最后接头的位置，一般设在管段与竖井处。最后接头处的水深比较浅时，可在接头范围设围堰，用内部排水方式施工。也可采用与水压压接相同的方法修最后接头，即在最后接头周围安设橡胶密封垫的止水板，而后排出内部的水，使止水板水压压接。此法与水深关系不大，是比较合理的方法。,第三节 沉管隧道设计,最后接头的各种方式,第三节 沉管隧道设计,六、防水设计沉管隧道，几乎都是钢筋混凝土的，通常设在1030m的水深处，受到0.10.3MPa的水压。因此，经常受到海水的侵蚀，对混凝土的耐久性会产生不良影响。此外，要防止因开裂而发生漏水，必须有充分的水密性。为此，要采用各种的防水方法。防水方法大致有两大类：（1）使结构物本身具有水密性的方法；（2）在结构物外侧覆盖防水层的方法。,第三节 沉管隧道设计,七、基础设计沉管隧道完成后的状态，是视重量比浮力稍大些，包括回填土在内的上浮安全系数一般是F1.25左右。地层反力是q3t/m左右。一般说，不需要专门的基础，而且管段受到均匀的地层的支持，故要在施工上仔细研究，并采取防止地层下沉的对策。,基础形式,第三节 沉管隧道设计,独立支持形式的基础,第三节 沉管隧道设计,巴黎地铁基础形式,第三节 沉管隧道设计,八、抗震设计地震对地中结构物的影响，一般说比地面结构物小。因此，对地铁等重要城市设施，考虑地震影响的设计时，除特殊情况外，多不进行。九、竖井和引道设计1.竖井竖井分别位于沉管隧道的两端，是沉管隧道和陆上隧道的接续点。对公路隧道，还具有风井的功能。对其它用途的隧道，多用于排水设施、电气设施、附属设施等的收容空间。竖井设计主要任务是确保其稳定性。竖井的稳定，一般说是由完成后的地震时及施工时的稳定性所支配的。,第三节 沉管隧道设计,公路隧道竖井实例,第三节 沉管隧道设计,2.引道引道构造，通常都是明渠式的。此时，视引道深度的变化，可采用U型挡墙、L型挡墙或反T型挡墙、重力式挡墙等多种型式的构造。采用挡墙形式的区间，其开挖深度一般不要超过15m。陆上隧道，一般均采用明挖法施工。如深度很深，可采用沉箱法。引道设计应特别注意的是U型挡墙的上浮性。为此，要选定合理的经济的结构形式。,第四节 沉管隧道施工,沉管隧道的施工流程,第四节 沉管隧道施工,一、施工步骤沉管隧道的施工，大体上分为管段制作、沉管隧道段施工、竖井及引道施工等几部分。二、管段制作1.钢壳方式(1)钢壳制作这种管段通常是只在造船厂的码头、船台或岸壁等处制作钢壳。而后将其牵引、停泊在悬浮状态下，灌筑内部混凝土而完成的。(2)灌筑作业钢壳方式的混凝土灌筑作业，包括配筋架、模板、运入材料、灌筑混凝土等，直到完成管段。,第四节 沉管隧道施工,(3)钢筋的配置(4)混凝土灌筑(5)装配码头装配码头，要设在靠近隧道建设地点、平静的水域中，能安全地停泊管段，而且材料的搬入要方便；2.干船坞方式与钢壳方式不同，此时管段是在管段制作码头制作，完成后牵引，在装配码头处搭载各种沉放设备并沉放的。,第四节 沉管隧道施工,干船坞平面图,第四节 沉管隧道施工,三、沟槽施工沉放前要先在顶计沉放地点开挖沟槽。沟槽开挖比通常的航道疏浚开挖深度要深，而且要求底面的平整度精度较高。因此，要仔细选择疏通方法。一般使用各种疏浚船进行。特别要注意的是，不要扰动海底沟槽面的土质，在沉放过程中始终保持良好的状态。疏通断面的坡面坡度，视土质和波浪的影响等决定。基础底面为保证平整，应用砾石等铺均匀为好。,第四节 沉管隧道施工,东京港沟槽断面,第四节 沉管隧道施工,四、基础施工 沉管隧道的基础施工是在水下进行的，施工难度较大。现就连续支持形式和桩基形式加以介绍。（1）整平方式 此方式是在整平的基础上，直接沉放管段的方法。整平方式有的是采用安设在沉放作业船的整平器械整平,有的是利用海上固定脚手架(SEP)用导轨整平,或是用驳船和水底重物整平，,第四节 沉管隧道施工,（2）喷砂方式此工法的原理是：在设于管段上的门式起重机上的三根一组的钢管中，用中央的钢管把水和砂一起喷射，用另外两根钢管同时吸引管段和基础间的同量的水来充填砂的方法。（3）压注砂浆方式此法是事先于管段底连续铺设尼龙袋，临时支持管段。而后，从沉放作业船上把准备好的砂浆向尼龙袋中压注的方法.（4）临时承台在临时支持管段向底部空隙充填的方式中，为临时支持管段，需设置临时承台。临时承台一般用混凝土块直接放在基础上，在软弱地层时采用摩擦桩。,第四节 沉管隧道施工,（5）桩基桩基的问题是要选择在海上易于施工的打桩方法和确保桩的高度和平面位置的精度。这种情况下采用最多的方法是打钢管桩。桩径1m左右。桩要打到沟槽底部。水深时，要特别注意高度和平面位置的施工。五、管段拖运、沉放与接合1.拖运及准备作业沉管拖运时，必须对潮位、水流、风、浪等进行调查，用所需马力的拖轮拖运,通常用11.5节（1节=1.852km/h）的船只拖运。,第四节 沉管隧道施工,装配作业流程,第四节 沉管隧道施工,2.沉放作业（1）固定脚手架(SEP)方式 此方式是在设于沉放位置的固定脚手架SEP作业台的下方引进管段，用作业台的起重机支持管段，加上沉放荷载，使之下沉。,固定脚手架(SEP)方式,第四节 沉管隧道施工,(2)浮箱方式浮箱方式是用24台浮箱吊下管段并沉放的方法。管段的位置调整、固定都是用设在管段上的测量塔的起重机进行的。用海底锚拴进行水平方向的调整。,浮箱方式,第四节 沉管隧道施工,（3）双胴船方式此方式要有专用的沉放作业的驳船,用吊装用的梁(前后两个)联结两条船而构成。此方式又称就位驳船方式。该方式是把处于驳船间的管段用加沉放荷载的方法，使之下沉。,双胴船方式,第四节 沉管隧道施工,3.接合作业沉管隧道的接合作业有水中混凝土方式和采用橡胶密封垫的水压压接方式。（1）水中混凝土方式此方式，先要在接头处修围堰，于其中灌筑混凝土止水。而后，排除隔墙间的水，从内部作刚性联结接头。这种方式，目前应用较少，,混凝土接合方式,第四节 沉管隧道施工,（2）水压压接方式此方式的施工步骤如下：在管段结合端，安设橡胶密封垫，用千斤顶使之与既设管段密贴，进行初期止水；把隔墙的水排到既设管段中，而后用静水压置换橡胶密封垫的反力，压缩密封垫，使之完全止水；拆除隔墙，作基础，回填，视接头构造安设二次止水材料等。管段内作业管段内的作业有：用千斤顶拖拉管段；投入重物；修正方向作业；用垂直千斤顶调整高度；拆除隔墙；压注砂浆；接头施工；修筑道床、路面等内部构造；拆除重物等。,第四节 沉管隧道施工,六、回填及覆盖回填对防止管体侧面的水流的冲刷，或防止沉船、抛锚、走锚等对管体的破坏是重要的。回填材料要采用易于获取、费用低、在地震时不易流动、投入后不会对水质有污染的材料。东京港隧道的回填采用了砂岩碎石，直径大于0.15m的占30%以上。根据日本的试验，在管体上面通常除设0.15m的钢筋混凝土防护层外，要回填1.0m2.0m的防护层。,第四节 沉管隧道施工,回填后断面,本章结束,请各位同学提出教学意见和建议!,