软弱土层中的沉管基础

9　沉管结构设计

本章导读:

●内容　沉管结构的概念、施工工艺、特点和分类;沉管结构设计;管段的制作、沉设与水下连接;沉管的基础处理。

●基本要求 了解沉管结构的概念、施工工艺、特点和分类;理解沉管结构设计的内容和关键点;了解沉管管段制作、沉设方法及沉设步骤;掌握沉管隧道水下连接方法及沉管基础处理措施。

●重点　沉管结构设计内容、水力压接法、沉管基础处理。

●难点　沉管结构浮力设计、结构分析与配筋。

9.1　概 述

9.1.1　水底隧道的主要施工方法

在水底隧道的施工中,如有条件构筑围堰,则采用明挖施工最为简单,我国已有多条水底道路隧道采用这种方法施工。但在多数场合下,在通行海轮的江、河、港湾中,都没有条件构筑围堰来进行明挖施工,所以在水底隧道的施工中,较常用的是盾构法和沉管法。

一百多年来,大多数的水底隧道都采用盾构法施工。但从20世纪的50年代起,由于沉管法的主要技术难关相继突破,它的施工方便、防水可靠、造价便宜等优点明显突出。所以,在近年来的水底隧道建设中,沉管法已经取代了曾经保持了一百多年居首要地位的盾构法。

9.1.2　沉管隧道施工

(1)沉管隧道施工工艺概述

沉管法施工,又称为预制管段施工法、沉放施工法等,其一般施工工艺流程如图9.1所示。施工时,先在隧址以外建造临时干坞,在干坞内制作钢筋混凝土的隧道管段(道路隧道用的管段每节长60～140 m,目前最长可达300 m,但多数在100 m左右),两端用临时封墙封闭起来。制成后向临时干坞内灌水,使管段逐节浮出水面,并用拖轮拖运到指定位置上去。这时在设计隧位处,已预先挖好一个水底沟槽,待管段定位就绪后,向管段里灌水压载,使之下沉至水底沟槽内指定位置;然后把这些沉设完毕的管段在水下连接起来;最后进行基础处理,经覆土回填后,便筑成了隧道。用上述方法建造的隧道便称为“沉管隧道”,具体沉管隧道施工过程示意如图9.2所示。

图9.1　沉管隧道施工工艺流程

沉管法最早于1810年在伦敦泰晤士河修筑水底隧道时进行了试验研究,1894年美国利用沉管法在波士顿建成一条城市排水隧道。世界上第一条沉管铁路隧道修建于1910年,该隧道穿越美国密歇根州与加拿大安大略省之间的底特律河。该隧道的建成,标志着沉管法修建水底隧道技术的成熟。自19世纪50年代应用至今,全世界已有150多座沉管隧道。20世纪50年代,由于“水力压接法”和“基础处理”这两项关键技术得到有效解决,沉管法目前已成为水底隧道最主要的施工方法。尤其在荷兰,该国一共有11座公路隧道和2座铁路隧道,除了1座公路隧道和1座铁路隧道外,其余全部采用沉管法施工建造。

我国目前已有沉管隧道10余座(含在建),其中2003年6月竣工通车的上海外环隧道(图9.3),为双向8车道,长2 880 m(其中沉管段长736 m)、宽43 m,是亚洲最大的水底公路隧道,标志着我国沉管隧道建造技术已达到国际先进水平。

图9.2　沉管隧道施工过程示意

图9.3　上海外环沉管隧道

(2)沉管法施工的特点

与其他水底隧道施工方法相比,沉管法施工有其自身独有的特点。其主要优点是:

①隧道的施工质量容易控制。首先,预制管段都是在临时干坞里浇筑的,施工场地集中,管理方便,沉管结构和防水层的施工质量均比其他施工方法易于控制;其次,由于在隧址现场施工的隧管接缝非常少,漏水的机会亦相应地大为减少。例如,同样一段100 m长的双车道水底隧道中,如用盾构法施工,则需于现场处理的施工接缝长达4 730 m左右;如用沉管法施工,则仅40 m左右。两者的比例为118∶1,漏水机会自然成百倍减少。况且,自从水底沉管隧道施工中采用了水力压接法后,大量的施工实践证明,接缝的实际施工质量(包括竣工时以及不均匀沉降产生之后)能够保证达到“滴水不漏”。

②建筑单价和工程总价均较低:沉管隧道的延米单价比盾构隧道低,这是因为:水上挖土单价比地下挖土低;每节长达100 m左右的管段,整体制作,完成后从水面上整体拖运,所需的制作和运输费用比大量管片分块制作,完成后用汽车运送到隧址工地所需的费用要低得多;接缝数量少,费用随之亦少。此外,由于沉管所需覆土很薄,甚至可以没有,水底沉管隧道的全长总比盾构隧道短得多,因此工程总价相应大幅度降低。

③隧位现场的施工期短。沉管隧道的总施工期短于用其他方法建筑的水底隧道,但这还不是其主要特点,比较突出的是其隧位现场施工期比较短。因为在沉管隧道施工中,筑造临时干坞和浇制预制管段等大量工作均不在现场上进行,所以现场工期较短。尤其在市区里建设水底隧道时,城市生活因施工作业而受干扰和影响,采用沉管隧道的施工期最短。

④操作条件好。基本上没有地下作业,水下作业亦极少,气压作业则完全不用。施工较为安全。

⑤对地质条件的适应性强,能在流沙层中施工,不需要特殊设备或措施。

⑥适用水深范围几乎是无限制的,在实际工程中曾达到水下60 m,如以潜水作业的最大深度作为限度,则沉管隧道的最大深度可达70 m。

⑦断面形状选择的自由度较大,断面空间的利用率较高。一个断面内可容纳4～8个车道。

沉管法施工的主要缺点是:

①需要一个占用较大场地的干坞,这在市区内有时很难实现,需在距离市区较远的地方建造干坞。

②基槽开挖数量较大且需进行清淤,对航运和市区环境的影响较大。另外,在河(海)床地形地貌复杂的情况下,会大幅增加施工难度和造价。

③管段浮运、沉放作业需考虑水文、气象条件等的影响。

④水体流速会影响管段沉放的准确度。水流较急时,沉设困难,须用作业台施工;且超过一定的流速可能导致沉管无法施工。

⑤施工时须与航道部门密切配合,采取措施(如暂时的航道迁移等)以保证航道畅通,有时需短期局部封航。

9.2　沉管的结构设计

沉管隧道的设计内容较多,涉及面较广,主要有:总体几何设计、结构设计、通风设计、照明设计、内装设计、给排水设计、供电设计、运行管理设施设计等。本节主要介绍沉管的结构设计。

9.2.1　沉管隧道的分类

沉管法施工水底隧道按照断面形状可分为圆形和矩形两大类,由于它们在设计、施工以及所用材料等方面有所不同,因此便有了各自的优劣性。

(1)圆形沉管

圆形沉管施工时大多利用船厂的船台制作钢壳,制成后沿着船台滑道滑行下水,然后在漂浮状态下系泊于码头边上,进行水上钢筋混凝土作业。此类沉管的横断面,内部均为圆形,外部可为圆形、八角形或花篮形,如图9.4所示。

其主要优点是:

①由于圆形断面受力性能好,结构弯矩较小,在隧址处水位较深时相比其他断面形式能够节省材料,更为经济。

②沉管的底宽较小,基础处理相对容易。

③钢壳既是浇筑混凝土的外膜,又是隧道的防水层,这种防水层不会在浮运过程中被碰损。

④当具备利用船厂设备的条件时,工期较短,尤其是当管段用量较大时更为明显。

其主要缺点是:

①圆形断面空间,常常无法充分利用。

图9.4　圆形沉管断面示意

②车道上方必定余出一个净空限界以外的空间(在采用全横向通风方式时,可作为排风道使用),使车道路面高程压低,从而增加了隧道全长以及挖槽土方数量。

③浮于水面进行浇筑混凝土时,整个结构受力复杂,应力很高,故耗钢量巨大,沉管造价高。

④钢壳制作时的焊接质量难以保证,一旦出现渗漏,难以弥补和截堵。

⑤钢壳本身的长期耐久性(防锈抗蚀能力)问题迄今未得到令人满意的解决。

⑥圆形沉管只能容纳两个车道,若需要多个车道,必须另行沉管。因此,自20世纪50年代后,圆形沉管很少被采用。

(2)矩形沉管

1942年,荷兰玛斯(Maas)隧道建设时首次使用矩形沉管,此类沉管多在临时干坞中制作钢筋混凝土管段,管段内可同时容纳2～8个车道,如图9.5所示。

图9.5　矩形沉管断面示意

其主要优点是:

不占用造船厂设备,不妨碍造船工业生产;车道上方没有非必要空间,空间利用率较高;车道最低点的高程较高,隧道全长较短,挖槽土方量少;建造4～8个车道的多车道隧道时,工程量与施工费用均较省;一般不需钢壳,可大量节省钢材。

其主要缺点是:

必须建造临时干坞;由于矩形沉管干舷较小,因此在浇筑混凝土及浮运工程中,必须有一系列严格的控制措施。

通过上述比较可见,矩形沉管隧道的优势更加明显,因此,目前的工程中多采用矩形断面沉管。

9.2.2　沉管结构的类型

沉管结构有两种基本类型:钢壳沉管和钢筋混凝土沉管。

钢壳沉管为外壁或内外壁均为钢壳,中间为钢筋混凝土或混凝土,钢壳和混凝土共同受力的复杂结构。它的特点是钢壳在船坞内预制,下水后浮在水面浇灌钢壳内的大部分混凝土,钢壳既是浇灌混凝土的外模板又是隧道的防水层,省去了钢筋混凝土管段预制所需的干坞工程。但是隧道耗钢量大,钢壳制作的焊接工作量大,防水质量难以保证;钢壳的防腐蚀、钢壳与混凝土组合结构受力等问题不易得到较好解决,且施工工序复杂;钢壳沉管由于制造工艺及结构受力等原因,断面一般为圆形,每孔一般只能容纳两车道,断面利用率很低,不经济。

钢筋混凝土沉管主要由钢筋混凝土组成,外涂防水涂料。沉管预制一般在干坞内进行,临时干坞工程量较大;管段预制时须采取严格的施工措施防止混凝土产生裂缝。但与钢壳管段相比,钢筋混凝土沉管用钢量少,造价相对较低。钢筋混凝土管段一般采用矩形断面,因此断面利用率高,多管孔可随意组合。

9.2.3　沉管结构的荷载

作用在沉管结构上的荷载计有:结构自重、水压力、土压力、地基反力、浮力、施工荷载、预应力、沉降摩擦力、波浪和水流压力、车辆活载、沉船荷载、混凝土收缩影响、变温影响、不均匀沉陷影响、地震荷载等,其中只有结构自重及其相应的地基反力是恒载。具体荷载类型如表9.1所示。

表9.1　沉管结构荷载

注:表中“▲”标记表示该方向作用有此种荷载。

(1)结构自重

为恒载、基本荷载,按沉管结构的几何尺寸及材料计算,在隧道使用阶段还应考虑内部各种管线质量。钢筋混凝土的重度可分别按24.6 kN/m3(浮运阶段)及24.2 kN/m3(使用阶段)计算,至于路面下的压载混凝土的重度,由于密实度稍差,一般可按22.5 kN/m3计算。

(2)水压力

为基本荷载,是作用在沉管结构上的主要荷载之一。在覆土较小的区段中,水压力常是作用在管段上的最大荷载。设计时要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,以及台风时或若干年(如100年)一遇的特大洪水位的水压力。

(3)土压力

土压力为基本荷载,是作用在管段结构上的另一主要荷载,且常不是恒载。作用在管段顶面上的垂直土压力(土荷载)一般为河床底面到管段顶面之间的土体质量。但在河床不稳定的情况下,还要考虑河床变迁所产生的附加土荷载。作用在管段侧边上的水平土压力,也不是一个常量。在隧道刚建成时,侧向土压力往往较小,以后逐渐增加,最终可达静止土压力。设计时应按不利组合分别取用其最小值与最大值。

(4)浮力

为基本荷载。作用在管段上的浮力,并非常量。一般来说,浮力应等于排水量,但作用于沉设在粘性土层中的管段上的浮力,有时也会由于“滞后现象”(水作用于土粒上,土粒再作用于管段上)的作用而大于排水量。

(5)施工荷载

为附加荷载,主要是端封墙、定位塔、压载等质量。在进行浮力设计时,应考虑施工荷载。在计算浮运阶段的纵向弯矩时,施工荷载将是主要荷载。通过调整压载水罐(或水柜)的位置可以改变结构上弯矩的分布。

(6)沉降摩擦力

为附加荷载,是在覆土回填之后,沟槽底部受荷不均、沉降亦不均的情况下发生的。沉管底下的荷载比较小,沉降亦小,而其两侧荷载较大(侧面水土荷载远比沉管自重大的多,有时两者差距可达10倍以上),沉降亦大;因而,在沉管的侧壁外侧就受到这种沉降摩擦力的作用(图9.6)。若在沉管侧壁防水层之外再喷涂一层软沥青,则可使沉降摩擦力大为减小。

图9.6　沉降摩擦力示意

(7)地基反力

为恒载、基本荷载。地基反力的分布规律,有不同的假定:①反力按直线分布。②反力强度与各点地基沉降量成正比(文克尔假定)。③假定地基为半无限弹性体,按弹性理论计算反力。计算时根据实际情况合理选取。

(8)混凝土收缩应力

为基本荷载,系由施工缝两侧不同龄期混凝土的(剩余)收缩差所引起,因此应按初步的施工计划,规定龄期差并设定收缩差。

(9)温差应力

为附加荷载,主要由沉管外壁的内外侧温差引起。外壁温度基本上与周围土体一致,可视为恒温;而内壁的温度与通风有关,随季节变化,一般冬季外高内低,夏季外低内高。设计时可按持续5～7天的最高或最低日平均气温计算。计算温差应力时,还应考虑徐变的影响。

(10)沉船荷载

为偶然荷载,是船只失事后恰巧沉在隧道顶上时所产生的特殊荷载。此荷载的大小应视船只的类型、吨位、装载情况、沉设方式、覆土厚度、隧顶土面是否突出于两侧河床底面等多种因素而定,因此在设计时只能作假设估计,通常假定为50～130 kN/m3。

此外,波浪力一般不大,不致影响配筋。水流压力对结构设计影响亦不大,但必须进行水工模拟试验予以确定,以便据此设计沉设工艺及设备。车辆荷载在进行结构断面分析时,亦常略去不计。

总之,管段荷载计算应根据管段在预制、浮运、沉设和运营等各不同阶段进行荷载组合,荷载组合一般考虑以下三种:

●基本荷载;

●基本荷载+附加荷载;

●基本荷载+偶然荷载。

9.2.4　沉管结构的浮力设计

在沉管结构设计中,有一个与其他地下建筑迥然不同的特点,就是必须处理好浮力与质量间的关系,这就是所谓的浮力设计。浮力设计的内容包括干舷的选定和抗浮安全系数的验算,其目的是最终确定沉管结构的高度和外轮廓尺寸。

(1)干舷

管段在浮运时,为了保持稳定,必须使管顶露出水面,露出的高度就称为干舷。具有一定干舷的管段,当遇到风浪而发生倾侧后,便会自动产生一个反倾力矩,使管段恢复平衡(图9.7)。

图9.7　管段的干弦与反倾力矩

一般矩形断面的管段,干舷多为10～15 cm,而圆形、八角形或花篮形断面的管段,因顶宽较小,干舷高度多采用40～50 cm。干舷高度应适中,过小则稳定性差;反之,因为管段沉设时,首先要灌注一定数量的压载水,以消除上述干舷所代表的浮力而下沉,所以干舷越大,所需压载水罐(或水柜)的容量就越大,这就增大了管段沉设工程量。

在有些情况下,由于沉管的结构厚度较大,无法自浮(即没有干舷),则必须于顶部设置浮筒助浮,或在管段顶上设置钢、木围堰,以产生必要的干舷。另外,在制作管段时,混凝土的容重和模壳尺寸难免有一定幅度的变动和误差,同时,在涨潮、落潮以及各不同施工阶段,河水比重也会有一定幅度的变动,所以,在进行浮力设计时,应按最大的混凝土容重、最大的混凝土体积和最小的河水比重来计算干舷。

(2)抗浮安全系数

在管段沉设施工阶段,应采用1.05～1.1的抗浮安全系数。由于管段沉设完毕后进行覆土回填时,周围的河水与沙土相混,其比重将大于原来的河水比重,浮力亦相应增加。因此,施工阶段的抗浮安全系数务必确保在1.05以上,以防“复浮”。在计算时,应按照覆土回填开始前的情况进行,对于临时安设在管段上的施工设备(如索具、定位塔、出入筒、端封墙等)的质量,均应不计。

在覆土完毕后的使用阶段,应采用1.2～1.5的抗浮安全系数。计算时可考虑两侧填土所产生的负摩擦力作用。

进行浮力设计时,应按最小的混凝土容重和体积、最大的河水比重来计算各个阶段的抗浮安全系数。

(3)沉管结构的高度与外轮廓尺寸

通过总体几何设计,根据沉管隧道使用阶段的通风要求及行车限界等确定隧道的内净宽度以及车行道净空高度。而沉管结构的全高以及其他外廓尺寸的确定必须满足沉管的抗浮设计要求,因此这些尺寸都必须经过浮力计算和结构分析的多次试算与复算,才能予以确定。

9.2.5　沉管结构分析与配筋

(1)横向结构分析

沉管的横截面结构形式大多为多孔箱形框架,管段横截面内力一般按弹性支承箱形框架结构计算。由于荷载组合种类较多,结构分析必须经过“假定构件尺寸—分析内力—修正尺寸—复算内力”的多次循环。为了避免采用剪力钢筋、改善结构受力性能,同时减少裂缝出现,常采用变截面或折拱形结构。此外,即使在同一节管段(100 m左右)中,因隧道纵坡和河底标高的变化,各处断面所受水、土压力不同(尤其是接近岸边时,荷载常急剧地变化),不能仅按一个横断面的结构分析结果来进行整节管段的横向配筋。因此计算工作量一般都非常大,目前主要通过电子计算机运用相应的程序进行计算。

(2)纵向结构分析

沉管施工阶段的纵向受力分析,主要是计算浮运、沉设时施工荷载(定位塔、端封墙等)所引起的内力;使用阶段的纵向受力分析,一般按弹性地基梁理论进行计算。此外,沉管隧道纵断面设计需要考虑温度荷载和地基不均匀沉降以及其他各种荷载的影响,根据隧道性能要求进行合理组合。

(3)配筋

沉管结构的截面和配筋设计,应遵照《公路桥涵设计规范》进行。

沉管结构的混凝土28天强度等级,宜采用C30～C40。设计时可根据施工进度计划的安排,尽量充分利用后期强度。在干坞规模较小、需分批浇筑时,可按更长的龄期计算。沉管结构在外防水层保护下的最大容许裂缝宽度为0.15～0.2 mm,因此不宜采用HRB400以上的钢筋,钢筋的容许应力一般限于135～160 MPa。沉管结构的纵向钢筋,一般不应少于0.25%。

(4)预应力的应用

一般情况下,沉管隧道大多采用普通钢筋混凝土结构,这是因为沉管的结构厚度往往不是由强度来决定,而是由抗浮安全系数来决定的,由抗浮安全系数决定的结构厚度对于强度而言常常有余而非不足。预应力混凝土虽能够提高抗渗性,但由于结构厚度大,所施预加应力不高,单纯为了防水而采用预应力混凝土结构并不经济。

但是,当隧道跨度较大(如车道数达三车道以上),且水、土压力又较大时,沉管结构的顶、底板受到的剪力相当大。在这种情况下,采用预应力混凝土结构就可得到较经济地解决。在有的沉管隧道中,仅在河中水深最大处的部分管段中采用了预应力混凝土结构,其余的管段仍用普通钢筋混凝土结构,这样可以更经济地发挥预应力的优点。

9.3　管段的制作与沉设

9.3.1　管段制作

(1)矩形钢筋混凝土管段的制作

根据前文的叙述,基于矩形钢筋混凝土沉管与圆形钢壳沉管相比优势明显,圆形钢壳沉管目前已很少被采用的这一实际情况,下面主要介绍矩形钢筋混凝土沉管管段的制作。

矩形钢筋混凝土管段制作必须在干坞中进行,其工艺与一般钢筋混凝土结构基本相同,但考虑到管段浮运和沉设阶段对管段的均质性和水密性有相当高的要求,在管段的制作过程中应特别注意以下几个方面:

①要保证混凝土高质量的防水性和抗渗性。

②要严格控制混凝土的重度,防止管段因混凝土重度过大不能浮起,从而无法满足浮运要求。

③严格控制模板变形,以满足对混凝土均质性的要求,否则,若出现管段板、壁厚度的局部较大偏差,或混凝土重度不均匀,将导致管段在浮运阶段发生倾侧。

④必须慎重处理管段上的施工缝及变形缝。

(2)封墙

管段浮运前必须在管段的两端距端面50～100 mm处设置封墙。封墙可用木材、钢材或钢筋混凝土制成。封墙设计按最大静水压力计算。封墙上须设排水阀、进气阀以及出入人孔。排水阀设于封墙下部,进气阀设于顶部,口径100 mm左右,出入人孔应设置防水密闭门。

(3)压载设施

管段下沉由压载设施加压实现,容纳压载水的容器称为压载设施,一般采用水箱形式,须在管段封墙安设之前装配到位,每一管段至少设置四只水箱,对称布置于管段四角。水箱容量与下沉力要求、干舷大小、基础处理时“压密”工序所需压重大小等因素有关。

(4)检漏与干舷调整

管段制作完成后需进行检漏作业。一般在干坞灌水之前,先向压载水箱注水压载,然后再向干坞坞室内注水,注水24～48 h后,工作人员进入管段内进行水底检漏作业。若发现有渗漏,可在浮运出坞前进行处理。

经检漏合格后浮起管段,并在干坞中检查干舷是否合乎规定,有无倾侧现象,并通过调整压载的办法使干舷达到设计要求。

9.3.2　管段沉设与水下连接

(1)沉设方法

预制管段沉设是沉管隧道施工中的重要环节之一,它不仅受气候与河流等自然条件的直接影响,还受到航道、施工设备等条件的制约。在沉设施工时应根据自然条件、航道情况、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。

目前的沉设方法主要包括吊沉法(又分为分吊法、扛吊法和骑吊法)和拉沉法两大类,下面将分别予以介绍。

①分吊法。管段制作时,预先埋设3～4个吊点,沉设作业时用2～4艘起重船(或浮筒、浮箱)提着各个吊点,逐渐将管段沉放至规定位置。早期的双车道钢壳圆形管段几乎都是用起重船分吊沉设;1966年荷兰柯恩(Coen)隧道首创了以大型浮筒代替起重船的分吊沉设法;1969年比利时的斯凯尔特(Scheldt)隧道首次利用浮箱代替浮筒进行沉放成功。浮箱吊沉法设备简单,适用于宽度特大的大型管段。如图9.8所示,为用浮箱吊沉法进行矩形管段沉设施工的过程示意。

图9.8　矩形管段用浮箱吊沉法施工过程示意

②扛吊法。扛吊法又称方驳扛吊法(图9.9),其基本概念就是“二副杠棒”。施工时以4艘方驳,分前后两组,每组方驳担负一副“杠棒”,这两副“杠棒”由位于沉管中心线左右的两艘方驳作为各自的支点;前后两组方驳再用钢桁架连接起来,构成一个整体驳船组,“杠棒”实际上是一种型钢梁或钢板组合梁,其上的吊索一段系于卷扬机,另一端用来吊放沉管;驳船组和沉管管段均分别由数根锚索定位。方驳扛吊法的主要设备就是4艘小型方驳船,设备简单,费用较低,适用于小型管段的沉设施工。

③骑吊法。如图9.10所示,骑吊法就是将水上作业平台“骑”于管段上方,管段被缓慢的吊放沉设。水上作业平台又称为自升式作业平台,国外习惯上称之为SEP(Self-Elevating Platform),其平台部分实际为一个浮箱(多为矩形或方环形钢浮箱),通过反复调整浮箱内水压进行定位。在外海沉设管段时,因海浪袭击只能用此法进行施工;在内河或港湾沉设时,若水流速度过大,也可采用此法施工。该方法施工时不需要抛设锚索,对航道干扰较小,但设备费用大,故较少采用。

1—定位塔;2—方驳;3—定位索
图9.9　方驳扛吊法示意

1—定位杆;2—拉合千斤顶
图9.10　骑吊法示意

④拉沉法。拉沉法就是利用预先设置在沟槽底面上的水下桩墩作为地垄,依靠安设在管段上方钢桁架上的卷扬机,通过扣在地垄上的钢索,将具有200～300 t浮力的管段缓慢地拉沉就位,沉设于桩墩上,而后进行水下连接(图9.11)。由于该方法费用较大,故应用很少。

1—拉合千斤顶;2—拉沉卷扬机;3—拉沉索;4—压载水
图9.11　拉沉法示意

(2)沉设作业

管段沉设作业大体可以分为以下几个步骤:

①沉设准备。沉设前必须完成沟槽疏浚清淤,设置临时支座,以保证管段顺利沉放至规定位置。应与港务、港监等相关部门商定航道管理事项,做好水上交通管制准备。

②管段就位。在高潮平潮之前,将管段浮运至指定地点,校正好前后左右位置(管段中线要与隧道轴线基本重合,误差不大于10 cm;管段纵向坡度调至设计坡度),并带好地锚。定位完毕后,灌注压载水,直至消除管段的全部浮力为止。

③管段下沉。下沉时的水流速度宜小于0.15 m/sec,如果流速超过0.5 m/sec,则需要采取一定的措施。每节管段下沉分三步进行,即:初次下沉、靠拢下沉和着地下沉。

a.初次下沉:灌注压载水至下沉力达到规定值的50%,随即进行位置校正。待管段前后左右位置校正完毕,再灌水至下沉力规定值。而后按40～50 cm/min的速度将管段下沉,直到管底距设计高程4～5 m为止。下沉过程中要随时校正管段位置。

b.靠拢下沉:将管段向前平移,至距离前面已沉设好的管段(简称“既设管段”,下同)2 m左右处,然后再将管段下沉到管底距设计高程0.5～1 m左右,并校正管位。

c.着地下沉:先将管段前移至距既设管段约50 cm处,校正管位并下沉。最后0.5～1 m的下沉速度要慢,并应实时动态监测和校正管位。着地时先将管段前端搁在“鼻式”托座上或套上卡式定位托座,然后将后端轻放到临时支座上。管段搁置完毕后,各吊点同时分次卸荷至整个管段的下沉力全部作用在其下方的支座上为止。

(3)水下连接

管段沉设完毕后,须与既设管段或竖井接合起来,这项工作在水下进行,故称水下连接。

早期的沉管隧道管段接头都采用灌注水下混凝土法进行连接,自20世纪50年代末期加拿大的台司隧道施工过程中创造水力压接法之后。由于该方法具有工艺简单、施工方便、质量可靠、工料费省等优点,几乎所有的沉管隧道都采用并在使用过程中不断改进了这种简单、可靠的水下连接方法。

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(即靠近既设管段或竖井的端面)周边上的一圈胶垫发生压缩变形,形成一个水密性相当良好可靠的管段间接头。

图9.12　水力压接法施工过程示意

水力压接法进行沉管隧道水下连接的主要工序是:对位—拉合—压接—拆除端封墙。在管段下沉就位完毕后,先将新设管段拉向既设管段并靠紧,这时胶垫产生了第一次压缩变形,并具有初步止水作用。此后随即将既设管段后端的端封墙与新设管段前端的端封墙之间的水(此时这部分水已与河水隔离)排走。排水之前,作用在新设管段前、后两端封墙上的水压力是相互平衡的;排水之后,作用在前端封墙上的水压力变成一个大气压力的空气压力,于是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。经二次压缩变形后的胶垫,使管段接头具有非常可靠的水密性。具体水力压接法施工过程示意如图9.12所示。

9.4　沉管基础

9.4.1　地质条件与沉管基础

在一般地面建筑中,如果建筑物基底的地质条件差,就需要做适当的基础,否则就会发生有害的沉降,甚至有坍塌的危险。如遇流沙层,施工时还必须采取疏干或其他特殊措施。在水底沉管隧道中,情况就完全不同。首先,不会产生由于土壤固结或剪切破坏所引起的沉降。因为作用在沟槽底面的荷载,在设置沉管后非但未增加,反倒减小了。

如图9.13所示,在开槽前,作用在槽底的压力为

图9.13　沉管管段底部压力变

在管段沉设、覆土回填完毕之后,作用在槽底的压力为:

其余符号同前。

因此沉管隧道很少需要构筑人工基础以解决沉降问题。

此外,沉管隧道施工时是在水下开挖沟槽的,没有产生流沙现象的可能。所以,沉管隧道对各种地质条件的适应性很强。因此,一般水底沉管隧道施工前,不必像其他水底隧道施工法那样,必须进行大量的水上钻探工作。

9.4.2　基础处理

沉管隧道对各种地质条件的适应性都很强,一般不需构筑人工基础,但施工时仍须进行基础处理。不过其目的不是为了应对地基土的沉降,而是为了解决开槽作业后的槽底不平整问题。这种不平整,使槽底表面与沉管底面之间存在着很多不规则的空隙,导致地基土受力不匀而局部破坏,从而引起不均匀沉降,使沉管结构受到较高的局部应力以致开裂。因此在沉管隧道中必须进行基础处理,亦可称作基础垫平。

沉管隧道的基础处理方法,大体上可分为先铺法和后填法两大类。先铺法包括刮砂法和刮石法,是在管段沉设之前,先在槽底上铺好砂、石垫层,然后将管段沉设在这垫层上,这种方法适用于底宽较小的沉管工程;后填法是在管段沉设完毕之后,向管段底部空间回填垫料以进行垫平作业,主要包括灌砂法、喷砂法、灌囊法、压砂浆法压混凝土法,该法大多(灌砂法除外)适用于底宽较大的沉管工程。

沉管隧道的各种基础处理方法,都以消除底部不利空隙为目的,各种不同处理方法之间的差别,仅是“垫平”的手段不同而已。尽管如此,对于不同的“垫平”方式,其效率、效果以及经济上的差别却很大,因此在设计时必须详细比较、审慎选取。

9.4.3　软弱土层中的沉管基础

如果沉管下的地基土过于软弱,容许承载力很小,仅作“垫平”处理是不够的。遇到这些情况,常用的解决办法有:

①以粗砂置换软弱土层。

②打砂桩并加荷预压。

③减轻沉管质量。

④采用桩基。

在上述解决办法中,方法①会增加工程费用很多,且在地震时有液化危险。故在砂源较远时是不可取的;方法②也会大量地增加工程费用,且无论加荷多少,要使地基土达到固结密实所需的时间都很长,对工期影响太大,所以一般不用;方法③对于减少沉降固然有效,但沉管的抗浮安全系数本来就不大,减轻沉管质量不利于沉管抗浮,该法并不实用。因此,比较适宜的办法还是采用桩基。

沉管隧道采用桩基后,还会遇到一些通常地面建筑所碰不到的问题:群桩的桩顶标高在实际施工中不可能达到完全齐平,因此在管段沉设完毕后难以保证所有桩顶与管底接触。为使基桩受力均匀,必须采取一些必要的措施,主要有以下三种:

①水下混凝土传力法。基桩打好后,先浇一两层水下混凝土将桩顶裹住,而后再在其上部铺上一层砂石垫层,使沉管荷载经砂石垫层和水下混凝土层传递到桩基上去。

②砂浆囊袋传力法。在管段底部与桩顶之间,用大型化纤囊袋灌注水泥砂浆加以垫实,使所有基桩均能同时受力。所用囊袋强度要高、透水性要好,以保证灌注砂浆时,囊内河水能顺利地排出囊外;砂浆的强度不需要太高,略高于地基土的抗压强度即可,但流动度则要高些,故一般均在水泥砂浆中掺入斑脱土泥浆。

③活动桩顶法。

a.预制混凝土活动桩顶。在管段沉设完毕后,向活动桩顶与桩身之间的空腔中灌注水泥砂浆,将活动桩顶顶升到与管底密贴接触为止。

b.钢制活动桩顶。在基桩顶部与活动桩顶之间,用软垫层垫实。垫层厚度按预计沉降量来决定。管段沉设完毕后,在管底与活动桩顶之间,灌注砂浆加以填实。

本章小结

(1)沉管法施工,又称为预制管段施工法、沉放施工法等。它施工方便、防水可靠、造价便宜,在近年来的水底隧道建设中,已取代了曾经保持了一百多年居首要地位的盾构法。

(2)沉管法施工水底隧道按照断面形状可分为圆形和矩形两大类,沉管结构的两种基本类型是钢壳沉管和钢筋混凝土沉管。

(3)作用在沉管结构上的荷载计有:结构自重、水压力、土压力、地基反力、浮力、施工荷载、预应力、沉降摩擦力、波浪和水流压力、车辆活载、沉船荷载、混凝土收缩影响、变温影响、不均匀沉降影响、地震荷载等。

(4)沉管结构设计主要包括浮力设计、横向结构分析、纵向结构分析、配筋以及预应力的应用等,其中浮力设计是沉管结构设计中与其他地下建筑迥然不同的特点。

(5)沉管的沉设方法主要包括吊沉法(又分为分吊法、扛吊法和骑吊法)和拉沉法两大类。

(6)目前沉管隧道水下连接的主要方法——水力压接法,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,形成一个水密性相当良好可靠的管段间接头。水力压接法进行沉管隧道水下连接的主要工序是:对位—拉合—压接—拆除端封墙。

(7)沉管隧道对各种地质条件的适应性都很强,一般不需构筑人工基础,但施工时仍须进行基础处理。不过其目的不是为了应对地基土的沉降,而是为了解决开槽作业后的槽底不平整问题。

思考题

9.1　简述沉管施工的工艺和特点。

9.2　分析比较圆形和矩形两种截面形式沉管的优缺点。

9.3　沉管的浮力设计包括哪些内容?简述干舷在管段运输中的作用。

9.4　简述沉管结构的荷载、沉管结构的设计内容。

9.5　简述沉管管段沉设方法以及沉设作业的主要步骤。

9.6　简述水力压接法的主要原理及其施工工序。

9.7　简述沉管基础的特点、基础处理的目的以及不同地质条件下的沉管基础的处理措施。