沉管法,沉管法的水下连接

50年代以前，对钢壳制作的管段，曾采用水下灌筑混凝土的方法进行水下连接。对钢筋混凝土制作的矩形管段，现在普遍采用水力压接法。此法是在50年代末期在加拿大隧道实践中创造成功的，故也称温哥华法。它利用作用于管段后端封墙上的巨大水压力，使安装在管段前端周边上的一圈尖肋型胶垫产生压缩变形，形成一个水密性良好的止水接头（图2）。施工中在每节管段下沉着地时，结合管段的连接，进行符合精度要求的对位，然后使用预设在管段内隔墙上的 2台拉合千斤顶（或利用定位卷扬机），将刚沉放的管段拉向前一节管段，使胶垫的尖肋略为变形，起初步止水作用。完成拉合后，即可将前后两节管段封墙之间被胶垫封闭的水，经前节管段封墙下部的排水阀排出，同时利用封墙顶部的进气阀放入空气。排水完毕后，作用在整个胶垫上更为巨大的水压力将其再次压缩，达到完全止水。完成水力压接后，便可拆除封墙（一般用钢筋混凝土筑成），使已沉放的管段连通岸上，并可开始铺设路面等内部装修工作。沉管法

　　沉管法是预制管段沉放法的简称，是在水底建筑隧道的一种施工方法。其施工顺序是先在船台上或干坞中制作隧道管段（用钢板和混凝土或钢筋混凝土），管段两端用临时封墙密封后滑移下水（或在坞内放水），使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。定位后，向管段内加载，使其下沉至预先挖好的水底沟槽内。管段逐节沉放，并用水力压接法将相邻管段连接。最后拆除封墙，使各节管段连通成为整体的隧道。在其顶部和外侧用块石覆盖，以保安全。水底隧道的水下段，采用沉管法施工具有较多的优点。50年代起，由于水下连接等关键性技术的突破而普遍采用，现已成为水底隧道的主要施工方法。用这种方法建成的隧道称为沉管隧道。

尽管沉管隧道基础所承受的荷载通常较低，对地质条件的适应性比较强，但由于在基槽开挖过程中，不论使用哪一种挖槽方法，槽底表面都不会太平整，槽底表面与沉管底面之间必将存在很多不规则的空隙，导致地基土受力不均匀而局部破坏，从而引起不均匀沉降，使沉管结构受到局部应力而开裂，故必须进行基础处理（基础填平）。 沉管隧道基础处理的方法很多，主要分先铺法和后填法两大类。在管段沉放前进行的处理方法称先铺法，又叫刮铺法，包括刮砂法和刮石法；后填法是先将管段沉没在沟槽底的临时支座上，随后再补填垫实，它包括喷砂法、灌砂法、灌囊法、压砂法、压浆法等。 后填法的优点是在处理过程中基本上不干扰航运，不需特殊的专用设备，不受气象条件的影响，不需大量潜水作业，便于日夜连续施工，操作简易，省工省费用，全过程进行信息化控制。所以，目前大型沉管隧道的基础处理多用后填法，如喷砂法、压砂法、压浆法。 如沉管管段的地基土特别软弱时，仅靠上述“垫平”处理是不够的，还需进行特别处理。处理方法有置换法（以粗砂置换软弱土层，但地震时有液化危险，不安全）、打砂桩并加载预压法（需花费大量时间等待固结，影响工程进度，一般不用）、桩基法等。另外也可采用减轻管段的重量的办法，但效果不大。 基础处理结束后，还要对管段两侧和顶部进行覆土回填，以确保隧道的永久稳定。回填材料为级配良好的砂、石。为了使回填材料紧密地包裹在沉管管段上面和侧面不致散落，需要在回填材料上面再覆盖石块、混凝土块。全面回填工作须在相邻的管段沉放完后进行，采用喷砂法进行基础处理或采用临时支座时，则要等到管段基础处理完，落到基床上再回填。采用压注法处理时，先对管段两侧回填，但要防止过多的岩碴存落管段顶部。回填覆盖采用“沉放一段，覆盖一段”的施工方法，在低平潮或流速较小时进行。管段两侧应对称回填，回填应均匀，不要出现堆积和空洞现象。 一、先铺法（刮铺法）施工工艺 1.基本工序（图8-23，图8-24） （1）在浚挖沟槽时先超挖0.6～0.8 m； （2）沿沟槽底面二侧打数排短桩，安设导轨以便在刮铺时控制高程和坡度； （3）用抓斗或通过刮铺机的喂料管，其宽度为管节底宽加 1.5～2m，长度为一节管节长度的范围内，投放铺垫材料。 （4）按导轨所规定的厚度、高程以及坡度，用刮铺机将铺垫材料刮平； 图8-23 先铺法基本工序图 图8-24 先铺法 1—碎石垫层；2—驳船组；3—车架；4—桁架及轨道；5—刮板；6—锚块 （5）在管节里灌足压载水，有时再压砂石料，使其产生超载，而使垫层压紧密贴；若铺垫材料为碎石，通过管节底面上预埋的压浆孔，向垫层里压注水泥膨润土斑脱土混合砂浆。 2.先铺法的缺点 （1）需要特制的专用刮铺设备； （2）作业时间长，干扰航道； （3）刮铺完后需经常清除回淤土或坍坡的泥土； （4）当管节底宽较大，超过 1 5 m时，施工较困难。 二、后填法施工工艺 1.后填法施工的类型 后填法施工的类型主要有：①喷砂法；②灌囊法；③压浆法；④压砂法；⑤桩基法。 2.后填法的基本工序 后填法的基本工序如图8-25 所示。 图8-25 后填法的基本工序图 （1）浚挖沟槽时，先超挖 1m左右； （2）在沟底安设临时支座（此项工作是后填法中的一项比较主要的工序）： ①水底临时支座，多数是用道碴堆成；②道碴堆的常用尺度为7m×7m×（0.5～1.0）m；③搁在临时支座上的支承板通常随管节一起浇制，一起沉埋，其尺寸一般为2m×2m×0.5m；④支承板由设在与管节底面之间的液压千斤顶实现调整定位。 （3）管节沉埋完毕（在临时支座上搁妥）后，往管底空间回填垫料。 3.喷砂法 （1）此法主要是从水面上用砂泵将砂、水混合料通过伸入管节底下的喷管向管底喷注，填满空隙。喷填的砂垫层厚度一般为 1m。 （2）喷砂作业需一套专用的台架，台架顶部突出在水面上，可沿铺设在管节顶面上的轨道作纵向前后移动（图8-26）。 （3）在台架的外侧，悬挂着一组（三根）伸入管节底部的 L 形钢管。中间一根为喷管，直径为 100cm，旁边两根为吸管，直径为80mm。 （4）作业时将砂、水混合料经喷管喷入管节底下空隙中，喷射管作扇形旋移前进。在喷砂进行的同时，经两根吸管抽吸回水。从回水的含砂量中可以测定砂垫的密实程度。 （5）喷砂时从管节的前端开始，喷到后端时，用浮吊将台架吊移到管节的另一侧，再从后端向前端喷填，如图8-27 所示。 图8-26 喷砂法原理 1—喷砂管；2—回吸管 图8-27 喷砂台架 1—喷砂台支架；2—喷管及吸管；3—临时支撑；4—喷入砂垫 （6）喷砂作业的施工进度约为200m3/h。当管节底面积为 3000～4000m2时，喷砂作业的实际时间仅 15～20h，大约两天便可完成。 （7）喷砂完毕后，随即松卸临时支座上的定位千斤顶，使管节的全部（包括压载物）重量压到砂垫层上去进行压密。这时产生的沉降量，一般在 5mm 以下。通车以后的最终沉降量，一般都在 15mm以内。 喷砂法的优缺点与适用性： （1）优点：在清除基槽底的回淤土时十分方便，可在喷砂作业前，利用喷砂设备逆向作业系统进行。 （2）缺点：喷砂台架体积庞大，占用航道影响通航；设备费用昂贵；对砂子的粒径要求较严，因而增加了喷砂法的费用。 （3）适用性：适用于宽度较大的沉管隧道。 4.灌囊法 （1）首先在开挖好的基槽底面先铺一层砂、石垫层，然后于管节沉放前在管节底面下事先系扣上空囊袋一并下沉，先铺垫层与管节底面之间留出 15～20cm的空间。 （2）待管节沉放完毕后，从工程船上向囊袋内灌注由黏土、水泥和黄砂配置成的混合砂浆，直至管节底面以下的空隙全部填满为止，如图8-28 所示。 图8-28 灌囊法 （3）囊袋的尺寸按一次灌注量而定，一般不宜过大，以能容纳 5～6 m3为度。制造囊袋的材料要有一定牢度，并有较好的透水性和透气性，以便灌注砂浆时顺利地排出囊袋中的水和空气。 （4）混合砂浆的强度（标号）要求不高，只需略高于基槽原状土即可，但其流动性应较大。 （5）灌浆时，从水面通过 1m 直径的消防软管，靠砂浆自重自行灌注，而不加压。灌注时须采取适当措施防止管节顶起，除密切观测外，还可采取间隔（跳挡）轮灌等措施。 5.压浆法 （1）这是一种在灌囊法的基础上进一步改进和发展而来的处理方法，可省去较贵的囊袋，繁复的安装工艺、水上作业和潜水作业。 （2）在浚挖沟槽时，也是先超挖 1m 左右，然后摊铺一层厚约 0.4～0.6m 的碎石，但不必刮平，只要大致整平即可。再堆设临时支座所需的道碴堆，完成后即可沉埋管节。 （3）在管节沉埋结束后，沿着管节二侧边及后端底边抛堆砂、石封闭栏至管底以上1m左右，以封闭管底周边。 （4）然后从隧道内部，用压浆设备，通过预埋在管节底板上的Φ80mm 压浆孔，向管底空隙压注混合砂浆（图8-29）。 图8-29 压浆法 1—碎石垫层；2—砂；3—石封闭栏；4—压入砂浆 （5）混合砂浆由水泥、膨润土、黄砂和缓凝剂配成。强度应低于原地基强度。压浆材料也可用低标号、高流动性的细石子混凝土。压浆的压力不必太大，一般比水压大0.1～0.2MPa。压浆时同样对压力要慎加控制，以防顶起管节。 （6）压浆法可解决地震区软弱地基的液化问题（如我国宁波甬江水底隧道就是采用此种基础处理方法）。 6.压砂法 （1）此法与压浆法很相似，但压入的不是水泥砂浆，而是砂、水混合料。所用砂的粒径为0.15～0.27mm，注砂压力比静水压力大 50～140kPa。 （2）压砂法具体做法是： 在管节内沿轴向铺设Φ200mm 输料钢管，接至岸边或水上砂源，通过泵砂装置及吸料管将砂水混合料泵送（流速约为3 m/s）到已接好的压砂孔，打开单向球阀，混合料压入管底空隙。 停止压砂后，在水压作用下球阀自动关闭。每次只连接三个压砂孔，当一个压砂孔灌注范围填满砂子后，返回重压先前的孔，其目的是填满某些小的空隙。 完成一段后再连接另外的孔，进行下一段压砂作业。压砂顺序是从岸边注向中间，这样可避免淤泥聚积在隧道两端。待整个管节基础压砂完成后，再用焊接钢板封闭压砂孔。 （3）压砂法的优缺点（我国广州珠江沉管隧道也成功地采用压砂基础）： 优点。设备简单，工艺容易掌握，施工方便；对航道干扰小，受气候影响小。 缺点。在管底预留压砂孔时，要认真施工和处理，否则容易造成渗漏，危及隧道安全。此外，在砂基经压载后会有少量沉降。 7.桩基法 （1）当沉管隧道下的地基特别软弱时，其容许承载力很小，仅作“垫平”处理是不够的。采用桩基础支撑沉管，承载力和沉降都能满足要求，抗震能力也较强，桩较短，费用较小。 （2）沉管隧道采用水底桩基础后，由于施工中桩顶标高不可能达到齐平，为使各桩能均匀受力，必须在桩顶采取一些措施。这些措施大体有以下三种： 水下混凝土传力法。基桩打设好后，在桩群顶灌注水下混凝土，并在其上铺一层砂石垫层，使沉管荷载经砂石垫层和水下混凝土层均匀传递到桩基上，如图8-30 所示。 灌囊传力法。在管节底面与桩群之间，用灌囊法填实。 活动桩顶法。在所有的基桩上设一小段预制混凝土活动桩顶。活动桩顶与预制混凝土之间，留有一空腔。管节沉埋完毕后，向空腔中灌筑水泥砂浆，将活动桩顶顶升至与管底密贴接触（图8-31）。待砂浆强度达到要求后，卸除千斤顶，管节荷载便能均匀地传到桩群上。活动桩顶可用钢桩制作，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来确定。管节沉放完毕后，再于管节底部与活动桩顶之间，灌注水泥砂浆填实。 图8-30 水下混凝土传力法 1—基桩；2—碎石；3—水下混凝土；4—砂石垫层 图8-31 活动桩顶法 1—活动桩顶；2—尼龙布套；3—压浆孔 三、覆土回填工艺 （1）回填工作是沉管隧道施工的最终工序，回填工作包括沉管侧面回填和管顶压石回填。 （2）沉管外侧下半段，一般采用砂砾、碎石、矿碴等材料回填，上半段则可用普通土砂回填。 （3）顶部回填处理分四层进行（图8-32），即：①顶部片石保护层；②碎石反滤层；③一般回填材料；④经挑选过的回填材料。 图8-32 沉管隧道回填处理实例

沉管法是预制管段沉放法的简称，是在水底建筑隧道的一种施工方法。其施工顺序是先在船台上或干坞中制作隧道管段（用钢板和混凝土或钢筋混凝土），管段两端用临时封墙密封后滑移下水（或在坞内放水），使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。定位后，向管段内加载，使其下沉至预先挖好的水底沟槽内。管段逐节沉放，并用水力压接法将相邻管段连接。最后拆除封墙，使各节管段连通成为整体的隧道。在其顶部和外侧用块石覆盖，以保安全。水底隧道的水下段，采用沉管法施工具有较多的优点。50年代起，由于水下连接等关键性技术的突破而普遍采用，现已成为水底隧道的主要施工方法。用这种方法建成的隧道称为沉管隧道。