沉管施工技术的应用及发展

第四章、沉管隧道施工技术的发展与应用第四章、沉管隧道施工技术的发展与应用4.14.1沉管隧道的发展沉管隧道的发展沉管隧道的发展沉管隧道的发展4.1.14.1.1国内外越海隧道工程建设和研究现状国内外越海隧道工程建设和研究现状国内外越海隧道工程建设和研究现状国内外越海隧道工程建设和研究现状世界上由于海峡存在，陆地被分割，在不同条件下形成两个区域，并造成交通障碍及文化差异。连接海峡两岸主要有三种方式：轮渡、修建桥梁和修建隧道。轮渡受气象条件的影响较大，并且不能直接连通，造成人员物资转运十分麻烦。修建桥梁往往受跨度、水深的影响，且建成运营后也同样受气象条件的影响。10/27/20221而修建海峡隧道既可以穿越较大跨度直接连通海峡两岸，又可以在运营后很少受气象条件影响，能保持连续通行。世界上已建成了许多海峡隧道，许多正在研究中。日本关门海峡在本世纪40年代即用隧道连接，以后又建了桥梁，是世界上最早的海峡隧道。经过艰苦努力，日本于1988年建成了青函隧道，使本州北海道之间实现了铁路运输。英法海峡隧道从拿破仑时代（1800年）以来就曾两次开挖，但都停了下来。1993年隧道全部贯通，投入运营。10/27/20222工期长达24年，共耗资6890亿日元。隧道海底段长23.30公里。最大水深140米，最小覆盖层厚100米，采用超前导坑和平行导坑法施工，以便提前探明地质情况并作通风、排水和出渣之用。10/27/202231996年，丹麦大海峡隧道竣工，它把丹麦和欧洲本土连接起来，实现把瑞典和德国连成一体的计划，从而使欧洲范围内几乎都能陆路相通。直布罗陀海峡通道从七十年代开始调查，西班牙及摩洛哥交换了协议，分别设立勘察机构，依靠自身力量和日本、英、法等协作进行勘察设计。最初有桥梁及隧道两个方案，原定1990年内确立其中一个，由于种种原因而未能如愿。海峡水深300m，从摩洛哥的丹吉尔向北的海上距离约28km，桥梁方案在技术上十分困难，还有政治因素。10/27/20224现在方案初步确定为桥梁和隧道的组合方案，即在航道下用隧道，其余部分架浮桥通过。这个海峡通道和仅是两个国家间的英法海峡通道相比，它将连接欧亚及非州两片大陆，而具有划时代的意义。在亚洲，计划的有日韩对马海峡隧道、台湾海峡隧道、马六甲海峡隧道、宗谷海峡、间宫海峡通道。日韩隧道经过约十年的勘察及方案设计，至今日本侧佐贺县的呼子长400m左右的试验斜井已经开挖，对地质地形状况有了很好的了解，但和韩国侧的资料在精度上有差别，出现一个界面。10/27/20225该通道被构想作为亚洲高速公路的一部分，现有多个方案正在比选之中，这还和韩国政治形势有关，但总要逐步集中到某一方案。台湾海峡隧道目前由清华大学进行可行性研究。鉴于两岸的政治形势和技术条件，初步估计最早要到2030年才可能修建。关于马六甲海峡，从该地区发展需要来看，是引人注目的通道。10/27/20226巽他海峡隧道正在日本及法国的帮助下进行调查。海峡原为火山岩屑堆积体，海底深部状况不明，水深100m左右，中间有岛屿，施工比较方便（将由地质状况来决定合适的施工方法）。关于宗谷海峡，间宫海峡通道，因眼下考虑的仅是输送西伯利亚、萨哈林的石油与天然气资源的需要，故至今未进行勘察。至于白令海峡，曾有筑坝发电之说，撇开其长度，由于水深不太大，如果选用合适的方案，作为运输通道也是可能的，它的实现将把亚欧大陆和美洲连接起来。10/27/20227随着经济的发展和技术的进步，特别是许多越水隧道成功的建成运行的事实使得人们的观念发生了变化，人们已意识到“遇水架桥”不再是唯一的选择，在许多情况下以水下沟通两岸比建桥更为优越。到目前为止，我国大陆已建成的水（海）底隧道已超过10座。在上海的黄浦江先后修建了打浦路、延安东路和延安东路复线三座城市道路隧道；1999年初，又建成了两条上海地铁二号线黄浦江区间隧道。10/27/20228计划中的轨道交通明珠线还将建成4条黄浦江隧道。已建成的黄浦江隧道均采用盾构施工。黄浦江吴淞口隧道采用沉管法。90年代以来，我国大陆除建成了众所周知的多条黄浦江隧道外，还建成了广州珠江沉管隧道和宁波甬江沉管隧道。值得注意的是，这两座水底隧道都是由国内的技术力量设计和施工的，其运营情况和防水效果都十分良好。京沪高速铁路穿越长江的南京上元门隧道已由铁道部第四勘察设计院完成初步设计。该隧道采用沉管隧道方案，沉埋段长1930m，全长5765m。10/27/20229此外，我国香港已建成5座越海隧道，它们全部采用沉管隧道的型式。我国台湾也修建了高雄港跨港隧道和新店溪河隧道。广州救捞局参与了香港西区的两条隧道的沉放工作。4.1.24.1.2国内外沉管隧道发展现状国内外沉管隧道发展现状国内外沉管隧道发展现状国内外沉管隧道发展现状自1894年美国在波斯顿修建世界第一座沉管隧道以来，到现在世界上已经修建了一百多座沉管隧道。我国大陆、香港和台湾高雄已修建了8座沉管隧道。沉管隧道结构型式的发展:沉管隧道主要有两种基本类型：一种是钢壳管段隧道；一种是混凝土管段隧道。10/27/202210第一座钢壳管段沉管隧道是在二十世纪初在北美建成的。钢壳管段沉管隧道是钢壳与混凝土的组合结构。钢壳可作为防水层并在结构上有明显作用。混凝土主要承受压力和作为镇载物，并且也有助于结构上的需要。由于钢壳具有弹性特点，因此，完工的钢壳管段沉管隧道成为一个具有柔性的整体结构。全世界修建的钢壳管段沉管隧道大多在北美，日本也修建了几座，欧洲采用得不多。10/27/202211沉管混凝土隧道最早出现在欧洲。半个世纪以前，在荷兰的鹿特丹建成了第一座欧洲的沉管隧道。此后，这种施工方法得到了极大的简化和优化。现今全世界约建成了四十多座混凝土管段沉管隧道。混凝土管段沉管隧道大多数在欧洲，其中约有一半在荷兰。亚洲的日本、中国也修建了几座混凝土管段沉管隧道。混凝土管段沉管隧道的主要特点是隧道的管段由钢筋混凝土制成，钢筋混凝土用于结构构造和作为镇载物。尽管大多数新近建造的混凝土管段沉管隧道设有防水薄膜，但老的混凝土管段的沉管隧道一般都使用了钢板或沥青防水薄膜。10/27/202212大多数完工的混凝土管段由多个节段组成，管节长约2025m，用柔性接缝将其连在一起。因为每一管节是一个整体结构，更易控制混凝土的灌注和限制管节内的结构力。只有极少数的混凝土管段沉管隧道有刚性的隧道接缝。除了管段制造中使用各种不同技术外，钢壳管段沉管隧道和混凝土管段沉管隧道的水上施工技术也不同，这些与不同管段不同材料的本来性能有关，也与承包人的技术有关，这种技术是在不同的环境下各自开发出来的。每一种实施方法都对工程进度、引道斜坡的施工、浇注场地等有不同影响。10/27/202213例如，对私人投资的工程来讲，时间很重要，可能导致有更高的直接投资。至于成本，不能简单说成是混凝土管段沉管隧道比钢壳管段沉管隧道要昂贵些。例如，由于环境要求，建造一个专门制造混凝土隧道管段的灌注场地的费用增高，这就很可能改而选择钢壳管段沉管隧道方案。钢壳管段沉管隧道的沉埋深度可能会比混凝土管段沉管隧道的沉埋深度深一些，这样就增长了现场引道斜坡的长度。10/27/202214美国和欧洲的方法不同，有其科学和政治发展的根源。但是，总的来讲，历史已证明最终结果即在质量、防水性能、寿命、可靠性及维修等方面的最终结果并不存在不同之处。10/27/202215中国港珠澳大桥工程中最艰难部分在海底隧道工程,其造价占了整个工程预算的近一半,初步估计约211亿元人民币。2009年4月14日,接受记者采访的专家表示,按照“沉管法”的方式,港珠澳大桥的隧道将先在隧址以外的船台上或临时干坞内制作隧道管段(管段每节长度一般在60-100m,目前最长的达268m),并于两端用临时封端墙封闭起来。预制完成后用拖轮拖运到隧址指定位置。这时已于隧位处预先挖好了一个水底基槽。待管段定位就绪后,向管段内灌水压载,使之下沉。10/27/202216然后把沉放的管段在水下连接起来。经覆土(石)回填后,便筑成隧道。10/27/20221710/27/202218据估算，港珠澳大桥总投资为726亿元。融资方案已于日前确定，口岸及连接线部分由粤港澳三地政府投资兴建，总投资约350亿元；主桥部分总投资约376亿元，其中，中央政府和粤港澳三地政府共同出资157.3亿元，银行贷款融资约220亿元。10/27/20221910/27/20222010/27/20222110/27/202222港珠澳大桥2009.12.15开工10/27/20222310/27/20222410/27/2022254.24.2沉管隧道的设计与施工沉管隧道的设计与施工沉管隧道的设计与施工沉管隧道的设计与施工4.2.14.2.1截面形式选择截面形式选择截面形式选择截面形式选择沉管隧道的截面形式主要有圆形和矩形两种类型，其设计、施工以及所采用的材料均不相同。圆形（多用于船台型）沉管隧道施工时多数利用造船厂的船台制作钢壳，制成后沿着船台滑道滑行下水，然后将沉管隧道系泊于码头边上，在水中浮态中浇筑钢筋混凝土。这类沉管其断面形式内边概为圆形，外边则为圆形、八角形或花篮形，按设计车道的多少，断面形式又可设计为单筒圆形断面和双筒圆形断面，单筒圆断面段一般为两条车道，双筒圆断面一般设四条车道。10/27/202226如1972年香港建成的穿越维多利亚港的第一座沉管城市道路海底隧道，即为圆形钢壳沉管隧道结构，其断面形式如图4.1所示。图4.1香港海底跨港隧道横断面图10/27/202227矩形（多用于干坞型）沉管隧道施工时在临时在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运至隧址沉设。此法自荷兰的鹿特丹mass河隧道(1942建成)首创矩形沉管以来，在各国得到广泛的应用，我国的沉管隧道大多数也采用矩形截面。矩形沉管断面管段，在同一管段断面内可以同时容纳48个车道，一般多在临时干坞以钢筋混凝土浇筑而成。如上海的外环线越江隧道，即为三箱八车道，其断面形式如图4.2所示。10/27/202228图4.2(a)城市外围快速干道的建设(沉管式隧道)10/27/202229图2.2（b）上海外环线沉管隧道入口10/27/202230图4.2（c）上海外环线越江隧道示意图采用矩形沉管隧道优点是不占用造船厂设备，不妨碍造船工业的生产；在隧道横断面中，没有过多空余空间，空间利用率较高；所需浚挖的土方量亦较少；不用钢壳防水，大量地节约钢材。10/27/202231其缺点是管段宽度较大，基础处理时不如船台型管段简便；制作管段时须览址建造临时干坞；混凝土浇筑时须采用防水混凝土，对混凝土浇筑质量要求较严。总的来说，在干坞中制作的矩形钢筋混凝土管段比在船台上制作的钢壳圆形、八角形或花蓝形管段经济。所以目前世界各国均采用矩形钢筋混凝土管段代替圆形钢筋混凝土管段。本节也重点介绍矩形沉管管段的施工技术。10/27/202232钢筋混凝土钢筋混凝土钢壳钢壳钢筋混凝土钢筋混凝土通风竖井通风竖井通风竖井通风竖井竖竖实地层实地层软弱地层软弱地层明挖段明挖段暗挖法暗挖法沉埋段沉埋段明挖段明挖段暗挖段暗挖段路堑路堑10/27/2022334.2.24.2.2沉管隧道施工程序沉管隧道施工程序沉管隧道施工程序沉管隧道施工程序沉管隧道施工一般包括：预制厂（临时干坞）准备、管节制作、管节浮运、沉管段基槽开挖、临时支座及地垅设置、管节沉放等，具体的施工程序如图4.3所示。10/27/202234预制厂（临时干坞）施工管节制作管节浮运沉管段基槽开挖临时支座及垅设置管节沉放水下对接基础处理回填内部装修及机电设备安装竣工两岸洞口建筑施工岸上段施工洞口建筑及道路工程 图4.3 一般沉管隧道的施工程序10/27/2022354.2.34.2.3沉管隧道的管节制作沉管隧道的管节制作沉管隧道的管节制作沉管隧道的管节制作11临时干坞临时干坞临时干坞临时干坞矩形钢筋混凝土预制管段大多数是在临时干坞中制作的，因此在水底沉管隧道开工之始，就应在隧址附近建造一个预制管段专用的临时干坞。这种干坞应选在地址条件