沉管法

沉管结构水底隧道的施工方法：围堤明挖法、矿山法、气压沉箱法、盾构法以及沉管法。沉管法是20世纪50年代起应用最为普遍的施工方法。世界上第一条沉管铁路隧道建于1910年，穿越美国Michigan州和加拿大Ontario省之间的Detroit河；如今共有100多座沉管隧道。二十世纪50年代解决了两项关键技术——水力压接法和基础处理，沉管法已经成为水底隧道最主要的施工方法，尤其在荷兰。我国沉管法隧道：上海金山供水隧道，另外5条在宁波（宁波甬江水底隧道）、广州（广州珠江水底隧道）、香港（香港西区沉管隧道、香港东区沉管隧道）和台湾。上海外环越江隧道全长2880m，为双向8车道，将是亚洲最大的水底公路隧道，其中沉管段长736m，而一节沉管的管段横断面外部尺寸为9.55m×43m，长为108m。沉管发展沉管法的施工过程沉管法亦曾称作预制管段沉放法；先在隧址以外的预制场制作隧道管段，两端用临时封墙密封，制成以后用拖轮拖运到隧址指定位置上；预先在设计位置处，挖好水底沟槽；待管段定位就绪后，往管段中注水加载，使之下沉；然后将沉设完毕的管段在水下连接起来，覆土回填，完成隧道，此之谓“沉管隧道”。沉管隧道的特点沉管隧道的施工质量容易保证；接缝工艺的改进，已使接缝能够做到“滴水不漏”；建筑单价和工程总价均较低。沉管隧道有圆形和矩形两类，其设计、施工及所用材料有所不同。（1）圆形沉管隧道：这类沉管内边均为圆形、外边则为圆形、八角形或花篮形，多半用钢壳作为防水层；圆形断面，衬砌弯矩较小，节省材料，水底基础也容易处理；但净空利用率较低，而且钢壳制作时防水质量、长期的耐久性处理均不能令人满意，所以现在使用较少。（2）矩形沉管隧道：在每个断面内可以同时容纳2－8个车道，矩形断面的空间利用率较高，且不需钢壳，节省钢材，因而目前现大多采用矩形断面沉管。沉管隧道的分类圆形沉管、矩形沉管沉管结构施工的一般步骤管段在浮运时，为了保持稳定，必须使管顶面露出水面，其露出高度称为干舷。具有一定干舷的管段，与风浪后产生反向力矩，保持平衡。一般矩形断面管段，干舷为10～15cm，而圆形和八角形断面的管段，则多为40～50cm。干舷的高度应适中，过小则稳定性差，过大时沉设困难。干舷接缝管段处理与防水措施钢筋混凝土的沉管结构若无合适措施，容易因隧道的纵向变形而导致开裂。沉管结构一般都是二次浇筑，常易发生收缩裂缝。不均匀沉降等影响也易致管段开裂。变形缝的布置与构造变形缝最有效的措施是设置垂直于隧道轴线方向的变形缝，将每节管段分割成若干节段。根据实践经验，节段的长度不宜过大，一般为15～20m左右。台阶形变形缝1－沉管外侧；2－沉管内侧；3－卷材防水层；4－钢边橡胶止水带；5－沥青防水；6－沥青填料；7－钢筋混凝土保护层止水缝带使用普遍的是橡胶止水带和钢边橡胶止水带。1)橡胶止水带（1）材料橡胶止水带可用天然橡胶（含胶率）70％）制成。亦可用合成橡胶（如氯丁橡胶等）制成。橡胶止水带的寿命橡胶制品应用于水底隧道中，其环境条件（潮湿、无日照及温度较低）是较为理想的。地下工程中的橡胶止水带的耐用寿命应在六十年以上。经老化加速实验亦可断定其安全年限超过100年。管段外壁的防水措施沉管外防水和沉管自防水两类;外防水包括了钢壳，钢板防水，卷材防水，涂料防水等不同方法；自防水主要是采用防水混凝土。钢壳与钢板防水在沉管的三面（底和二侧）甚至四面（包括顶面）用钢板包覆的防水，耗钢量大、焊缝防水可靠性不高、钢材防锈问题仍未切实解决。卷材防水用胶料粘结多层沥青类卷材或合成橡胶类卷材而成的粘贴式（亦称外贴式）防水层。沥青类卷材一般均用浇油摊铺法粘贴。卷材粘贴完毕后，须在外边加设保护层。涂料防水的主要缺点是施工工艺较繁，而且在施工操作工程中稍有不慎就会造成“起壳”而返工，返工时耗时、耗力。若在管段沉设过程中发现防水层“起壳”，根本无法补救。管段沉设与水下连接沉设方法与设备在沉管隧道施工中，需根据自然条件、航道条件、管段规模以及设备条件等因素，因地制宜选用最经济的沉设方案。曾用过的沉设方法有：分吊法、扛吊法、骑吊法、拉沉法。分吊法就是在沉设作业时用2～4艘起重船或浮箱提着各个吊点，一般均在管段上预埋3或4个吊点，逐渐将管段沉设到规定位置上。可用大型浮筒代替起重船，也可用浮箱代替浮筒。分吊法起重船分吊法浮筒分吊法浮箱分吊法扛吊法扛吊法亦称方驳扛沉法，其基本概念就是“二副扛棒”。这种方驳扛沉法中最主要的大型工具就是四艘小型方驳，设备费很少。骑吊法SEP骑吊法系用水上作业平台“骑”于管段上方，将其慢慢地吊放沉设。国外常简称作SEP工法，其平台部分实际为一个浮箱，反复调整浮箱内水压进行定位。拉沉法拉沉法主要特点是利用预先设置在沟槽地面上的水下桩墩作为地垄，依靠架在管段上面的钢桁架顶上的卷扬机和扣在地垄上的钢索，将具有200～300t浮力的管段缓缓地“拉下水”，沉设到桩墩上。1－拉合千斤顶；2－拉沉卷扬机；3－拉沉索；4－压载水水下连接早期采用灌筑水下混凝土施工法。二十世纪五十年代末，加拿大的台司隧道采用水力压接法。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前端面周边上的一圈胶垫发生压缩变形，形成一个水密封性相当良好可靠的管段间接头。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管段下沉就位后，现将新设管段拉向既设管段并紧密靠上，这时胶垫产生了第一次压缩变形，并具有初步止水作用。随后将端封墙之间的水排走。排水之后，作用在前端封墙上的水压力变成空气压力，作用在后端封墙上的巨大水压力就将管段推向前方，使胶垫产生第二次压缩变形。经二次压缩后的胶垫，使管段接头具有非常可靠的水密封性。优点：工艺简单、施工方便、质量可靠、节省工料。管段接头管段在水下连接完毕后，无论连接时采用水下混凝土连接法还是水力压接法，均需在水下混凝土或胶垫的止水掩护下，于其内侧构筑永久性的管段接头，以使前后两节管段连成一体。管段接头的构造，主要有刚性接头和柔性接头两种。沉管基础在水底沉管隧道中，因作用在沟槽底面的荷载，不因设置沉管而有所增加，相反，却有所减小。沉管隧道对各种地质条件的适应性远比其他方法强，不会产生由于土体剪坏或压缩而引起的沉降。地质条件与沉管基础基础处理——垫平沉管隧道对各种地质条件适应性强，一般不需构筑人工基础，但施工时仍须进行基础处理。其目的不是为了对付地基土的固结沉降，而是为了解决开槽作业所造成的槽底不平整问题。槽底不平将使地基土受力不匀而局部破坏，引起不均匀沉降，使管段结构受到较高的局部应力，导致开裂，所以基础处理亦可称为基础垫平。沉管隧道的基础处理方法，大体上分为先铺法和后填法两大类；先铺法有刮砂法，刮石法等；后填法有灌囊法，压浆法，压砂法等。基础处理方法的分类1)先铺法先铺法实际上是利用刮铺机将铺垫材料（砂或石）设置成平整的垫层。铺垫材料可为粗砂，亦可为最大粒径不超过100mm的碎石。1－方环形浮箱；2－砂石喂料管；3－刮板；4－砂石垫层（0.6-0.9m）；5-锚块；6－沟槽底面；7－钢轨；8－移动钢梁2）后填法在后填法中，安设水底临时支座，临时支座大多数为道渣堆上设置钢筋混凝土支承板，也可以采用短桩简易墩。后填法有多种工艺，后填法的基本工序是：在浚挖沟槽时，先超挖100cm左右；在沟槽底面上安设临时支座；管段沉设完毕后，于临时支座上搁妥后，往管底空间回填垫料。后填法有：灌砂法、喷砂法、灌囊法、压浆法、压砂法。（1）灌砂法在管段沉设完毕后，从水面上通过导管沿着管段侧面，向管段底边灌填粗砂，构成二条纵向的垫层。（2）喷砂法1－预制支承板；2－喷砂台架；3－喷砂管；4－喷入砂垫层在管段宽度较大时，从水面上用砂泵将砂、水混合料通过伸入隧道底面下的喷管向管段下喷注，以填满其空隙。喷砂法所用的垫层厚一般为1m。（3）灌囊法灌囊法系于砂、石垫层面上用砂浆囊袋将剩余空隙切实垫密。沉设管段之前仍须铺设一层砂、石垫层。垫层与沉管之间仍须留出15～20cm的空间。（4）压浆法管段沉设结束后，沿着管段两侧边及后端底边抛堆砂、石混合料，以封闭管周边。隧道内部用通常的压浆设备，经预埋在管段底板上带单向阀的压浆孔，向管底空隙压注混合砂浆。（5）压砂法压砂法与压浆法颇多相似，不同点是压注物料为砂水混合料。软弱土层上的沉管基础沉管隧道下的地基土若过于软弱，仅靠“垫平处理”是不够的。遇到这种情况，一般的解决办法有：（1）以粗砂置换软弱土层；（2）打砂桩，并加荷预压；（3）减轻沉管重量（4）采用桩基。方法（1）会增加工程费用，且在地震区增加液化的危险可能性；（2）也会增加工程费用，使地基土固结密实所用的时间很长，延长工期；（3）对沉管的抗浮安全系数有较大影响，故常用方法（4）。