沉管隧道施工技术

2024年3月7日发(作者：洲字组词)

目 录

第一部分 沉管隧道的发展

第二部分 沉管隧道的主要分项工程

第三部分 海河沉管隧道施工技术

第四部分

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国内其他沉管隧道简介

第一部分 沉管隧道的发展

1.1 前言

随着内河及远洋航运事业的发展，在江河下游、海湾（峡）通行轮船的吨位和密度越来越大，要求桥下通行的净空越来越高，跨度越来越大，使修建桥梁的造价及难度大增。因此，人们寻求另一种跨江河及海湾的新方式，即水下隧道的方式来实现。主要有如下几种方式：

（1）矿山法。

（2）盾构法。

（3）围堰明挖法。

（4）沉埋管段法（简称沉管法）。

1.2 沉管隧道的优越性

（1）隧道顶的覆土层厚度可达到零覆盖，使隧址两岸的经济高速发展、社会活动频繁地区的交通疏解能得到最大限度的优化；

（2）施工功能的多元化和隧道宽度的增大，达到大容量机动车的通行与轨道交通高速通行的目的；

（3）建设期间可实现多工作面作业的工程策划，施工工期较短；

（4）沉管隧道水中段结构考虑抗浮设计，因此对地基承载力无特殊要求，有利于该工法在软弱地层中的应用，特别在江河下游地区。

1.3 沉管隧道的适用条件

沉管隧道在施工时，将受气象、水文条件的制约，一定程度上影响航运。

选择沉管隧道要考虑以下原则：

（1）与城市总体规划要求的两岸交通疏解方案相协调。要保证隧道与两岸所需衔接的道路具有良好的连接。

（2）具有较为合适的河（海）航道、水文及河（海）床条件。沉管隧道多在江河的下游修建，因下游河床较平坦，水流缓。水流急或不稳定，河床有深沟、陡壁，都会给管节的沉放与对接造成困难。

（3）施工条件满足要求。如航道能否有足够的水深和宽度实施浮运、转向和储放；隧址附近有无合适的干坞修建地带等。

1.4沉管隧道的发展历史

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150余座沉管隧道。其中，长度在1400m以上的有13座，大于2000m的5座。

各国修建的沉管隧道长度情况

我国早在20世纪60年代初在上海展开过此类工法理论研究。

1976年在杭州湾的上海金山石化工程中首次应用建成一座排污水下隧道；

1972年我国香港地区建成跨维多利亚港沉管隧道；

1984年我国台湾地区建成高雄港沉管隧道；

1993年建成珠江沉管隧道，成为我国大陆首次采用沉管法的隧道工程。其后，宁波甬江沉管隧道、上海外环沉管隧道的建成，标志着我国在这一技术领域进入一个新的发展时期。

目前大陆地区在建的有广州伦头-大学城隧道、广州生物岛隧道、广州佛山隧道、天津海河隧道，以及港珠澳大桥隧道。

1.5 沉管隧道的技术发展

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沉管结构形式有钢结构和钢筋混凝土结构两大类，钢结构一般为圆形断面，钢筋混凝土结构一般为矩形断面。美国习惯于使用圆形的钢壳沉管，而荷兰和和日本等国家则习惯用矩形钢筋混凝土结构沉管 。

1942年荷兰修建了位于鹿特丹的mass隧道，是世界上首次采用矩形钢筋混凝土管节的沉管隧道。

50年代末，在加拿大的迪亚斯岛隧道工程的设计与施工中，丹麦工程师利用水的压力开发了一种巧妙的水力压接法。

60年代初，荷兰发明了GINA止水带。

70年代末，荷兰发明了压砂法基础处理，日本发明了压浆法基础处理。

GINA与欧米茄橡胶止水带、大体积混凝土浇注裂缝的控制、混凝土抗渗能力的提高等关键技术的解决促进了沉管隧道的高速发展。

1.6 沉管隧道技术发展趋势

（1）管段管节的长度越来越长。荷兰京斯麦尔隧道单节管节长268m，重50000T。横断面发展至50m宽，双向八车道。

（2）从单一用途向多用途发展。形成了城市道路与铁路、公路与铁路共管设置，设置公共管廊。

（3）沉管隧道的地基适用性越来越广。在淤泥、软土地区都能适用。

（4）管节材料逐步由钢筋混凝土代替。在防腐蚀和防渗方面具有优势。

（5）在钢筋混凝土预制过程中的防裂控制技术。

（6）钢筋混凝土管节的预制由传统的干坞预制发展到工厂化流水线生产。

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第二部分 沉管隧道的主要分项工程

2.1 沉管法的概念

沉管法是在水底建筑隧道的一种施工方法。沉管隧道就是将若干个预制段分别浮运到海面（河面）现场，并一个接一个地沉放安装在已疏浚好的基槽内，以此方法修建的水下隧道。

沉管隧道的主要分项工程包括：干坞施工、管节制作、基槽浚挖、管节防水、管节沉放、基础处理、回填覆盖、管内工程等施工工序。其中干坞施工、管段制作、基槽浚挖、管段的沉放、管段基础处理是沉管隧道施工的主体。

沉管隧道是一项综合型工程，涉及专业多，工序复杂，安全风险高。

沉管隧道在纵断面上一般由敞开段、暗埋段、沉埋段以及岸边竖井等部分。

沉管隧道纵断面一般结构示意图

2.2 干坞施工

干坞是沉管管节预制的场地。

干坞选址结合沉管隧道附近的水域、通航情况，便管段的浮运与沉放；

干坞规模根据管节的长度、工期及施工组织而定，可一次预制，也可以分批预制；

干坞设计应确定坞底标高、坞底承载与起浮层、干坞边坡、坞口结构，以及干坞排水系统等。

船台是沉管管节预制场地另一种形式。

船台预制的管节宽度一般＜30m，长度＜70m，管节下水的吃水深度一般＜7m。

2.3 管段制作

沉管隧道的水中部分管段采用在干坞内预制。

管段按制作材料分，主要有钢壳混凝土管段和钢筋混凝土管段两种；按断面形状分有圆形、矩形和混合形；按断面布局有单孔式和多孔组合式。

沉管管段制作包括钢筋混凝土结构的制作，结构防水、压载水箱、端封墙安装、gina止水带安装，以及其他舾装件的安装。

管段钢筋混凝土施工主要解决：

（1）混凝土重度控制；

（2）体型尺寸控制；

（3）结构裂缝控制。

2.4 基槽浚挖

沉管隧道的基槽浚挖是指水中段管节沉放前，将原河床底按照一定的边坡疏浚至设计标高。

沉管基槽的断面主要由隧道纵断面、地质条件及回淤情况、水文、航道要求来确定。

2.5 管段沉放对接

管段预制完成后进行舾装，从干坞托运至设计位置进行沉放与对接。主要包括：

（1）管节起浮与二次舾装；

（2）管节出坞；

（3）管节浮运；

（4）管节沉放；

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（5）水下对接；

（6）接头处理。

2.6 管段基底处理

沉管隧道的基础处理主要是解决开挖引起的槽底不平整、地基土软硬不均和基槽回淤与流砂管涌等问题。

管段基础处理方法大致可分为先铺法和后填法。先铺法又可分为刮铺法(刮砂法和刮石法)和桩基法两种;后铺法则有喷砂法、压砂法、灌砂法、灌囊法和注浆法。

2.7 管段接头防水

管段接头采用柔性接头，密封防水一般采用“Gina”和“Ω ”两种橡胶止水带进行防水处理。

Gina止水带安装在管段端钢壳上，通过水力压接形成密封；

Ω止水带安装在管段内侧，在管段对接完后安装。

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第三部分 海河沉管隧道施工技术

3.1 工程概况

中央大道海河隧道工程修筑起点为新港路与中央大道交点，修筑终点为海河南天津大道立交。

路线全长4.2公里，隧道全长3.38公里，地下暗埋段2.98公里，过海河段255米，采用沉管法施工工艺，双孔三管廊断面，双向六车道标准，为我国北方地区首座沉管法隧道。

海河中沉管由3节预制管段组成，共255米，单节管段长85米。

E1管段

E2管段

R＝1500米

北

85

85

85

南

E3管段

管段平面图

沉管段为双孔三管廊断面，中间管廊为隧道自身设备和逃生通道，两侧管廊为市政和能源类过境管线。管段外包宽度36.6m，外包高度9.65m。

管段接头采用柔性接头,主要由GINA橡胶止水带和Ω型橡胶止水带形成两道防水线。管段接头处设剪切键和钢拉索限位装置.

水中段总体施工流程为：岸壁保护施工→ 干坞施工→管段预制→河槽浚挖→干坞放水、检漏→水管段沉放、对接→管底注浆及管段回填→最终接头施工。

3.2 主要施工技术

3.2.1岸壁保护结构施工

岸壁保护结构采用地下墙构筑的格构式重力挡土墙。

地下连续墙深最长52.5米，采用十字钢板接头，大多为异形槽段，穿越砂层达25m，临近海河施工。

坞口采用φ1190锁扣钢管桩，桩长52.5m，施工精度要求高。

施工措施：

格构式地下连续墙：采用液压抓斗成槽，结合“ 二钻一抓”、 “ 一钻二抓”等工艺，采用高性能成槽设备、优化泥浆配合比，缩短工序衔接时间，钢筋笼一次成型吊装等措施。

锁扣钢管桩：采用钢管桩现场对接，严格控制尺寸精度，分段成槽，逐根整体安装，加强定位监测，过程纠偏等措施。

3.2.2 小基坑施工

小基坑开挖深度为25.569m，基坑宽度为40.6～46.6m，共设上下七层支撑，主体结构先施工负二层结构，待沉管段E3－2沉放到位后设钢围堰、排水，再施工其他部分主体结构，是目前滨海相软土区最深基坑，工序复杂，安全风险较大。

施工措施：

小基坑采用大口井、减压井，及明排水相结合的降水方法；严格按照时空理论效应，限时完成支撑安装；加强施工监测，以监测数据指导施工；做好各项安全应急方案。

3.2.3 干坞施工

干坞采用无支护放坡开挖，地表面积约为5.4万平米，开挖深度为13m，开挖土方为51万m³。

边坡采用8cm混凝土层支护，坞底1m换填。

本工程位于滨海相软弱地质层，地表以下3~12m为③-4、④-1淤泥质土层，含水量大，渗透系数小，边坡稳定性差，施工难度大。

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干坞采用以明排水为主，大口井降水相结合的方法，分区、分块、分层施工，控制好降水、开挖工序的时效性；及时施工护坡结构，增强边坡的稳定。

3.2.4 沉管预制施工

每节沉管为两孔三管廊结构，曲线管段几何尺寸精度要求高，预埋件多，抗裂性能与防水性能要求高。

每节管段分成5个14～16m长的小节，小节之间设1.5m宽的后浇带。

每段先底板和中隔墙，再施工侧墙和顶板的顺序进行施工。

1、模板体系

外模采用大尺寸定型钢模；内模采用可移动式台车。

外模底部与坞底台座锚接，顶部设拉杆，以增加整体稳定性。

2、混凝土施工

管段混凝土强度等级C40、抗渗等级S10、混凝土容重23.5±0.1KN/m3。

为降低混凝土水化热，配合比应用了高性能减水剂和粉煤灰掺合料。

管段混凝土采用分层浇注；由管段中心线向两侧对称浇注；为减少混凝干缩对结构的影响，顶板浇注合拢部位设在外中隔墙部位。

3、混凝土温控及养护

为及时掌握混凝土的温度情况，在沉管浇筑段纵、横中心线将浇筑块划分为四分之的块体的底板、顶板及侧墙横向中心线位置选择具有代表性部位集中布置测温点，自动形成温度曲线。

管段侧墙厚度达1m，防水性能高。浇注过程中埋设循环水管，根据混凝土温度情况适时调整循环水温度，防止水化热过高。

管段养护夏季施工采用蓄水养护，冬季采用覆盖蓄热养护，确保混凝土各级温度梯度小于15℃。

4、舾装件施工

各种舾装件及预留预埋件繁多，现场编号，精确定位，保证施工精度。

5、管段防水

沉管段采用全断面外包防水，其中底板及部分侧墙采用8mm厚防水钢板；侧墙及顶板采用1.2mm厚喷涂型聚脲防水涂料。

管段接头采用GINA和Ω止水带。

3.2.5 河槽浚挖

浚挖量达49万m³，边坡稳定性差。

采用分段分层开挖，分两步进行：先用1艘2500m³绞吸船组进行基槽表层开挖；再投入一艘13m³抓斗船组及自卸船，进行深水开挖成槽和清淤。

坞口钢管桩采用水下切割，大型吊船逐根拔出。

管段浮运前，对坞口部位进行二次疏浚，确保坞口部位没有搁浅点。

3.2.6 管段舾装、浮运、沉放

1、干坞内进行舾装件安装。将海河水放入干坞内进行水密性试验；

2、利用坞内绞车、北岸的绞车及施工水域布置的工程船的配合，将管段绞移出干坞。

3、管段在二次舾装区进行系泊。

4、管段二次舾装。

5、管段二次舾装完成后，先将南北岸绞车拖缆连接上管段，然后解除管段系泊缆，利用南北岸绞车将管段浮运至沉放区。

6、管段在沉放区系泊工作完成后，即开始管段沉放。

管段在系泊区进行二次舾装，通过托轮牵引，浮运至设计沉放位置。

管段沉放对接是通过往压仓水箱注水克服浮力逐渐下沉。

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管段沉放对接主要包括管段初步对接、安装拉合装置、管段拉合及检测、水压接、管段检测验收、管段稳定压载等内容。

3.2.7 管段基底处理

管段基底采用注浆法进行基础处理。

60cm碎石在管段沉放前铺设；40cm砂浆在管段沉放对接完成后，通过注浆工艺在管内进行施工。

3.2.8 最终接头施工

最终接头是指E3-2与N1段的合拢接头。

管段沉放完成后，在坞口进行二次围堰，围堰宽度46m，高度为15m，钢结构，在水下安装。

围堰安装好后将干坞水抽出，进行最终接头施工。

3.3 科研情况

天津为高地震区，高地震区修建沉管隧道在国内尚属首次。

本工程针对天津滨海地区具体的地质和水文等实际情况，研究北方地区修建沉管隧道的若干关键技术问题，为天津乃至北方地区修建类似工程积累经验。

科研课题内容：

（1）大型沉管隧道混凝土管段裂缝控制及耐久性研究

（2）大型沉管隧道混凝土管段岸壁保护及干坞稳定性研究

（3）大型沉管隧道抗震分析研究

（4）大型沉管隧道混凝土管段地基处理研究

（5）沉管隧道施工沉降及运营阶段不均匀沉降的控制与研究

（6）大型沉管隧道通风、安全、火灾综合设防研究

（7）工程地质复杂性，进行基坑支护稳定性研究

以上科研课题目前均已展开。本科研课题成果，将用以指导华北地区大型基坑施工、沉管施工，形成相关规范及行业标准。

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第四部分 国内其他沉管隧道简介

4.1珠江隧道

珠江隧道是我国大陆首次采用沉管法设计施工的大型水下隧道。隧道全长1238．5m，河中段全长475m，宽33米，分五节采用沉管法施工。

隧道共分三个孔， 西侧两孔为双车道汽车管道， 东侧一孔为双股道地铁管道。

质量事故及原因分析:

(1)管顶回填存在缺损：回填水下检测手段缺乏。

(2)渗漏点：缺乏沉管隧道管节浇筑工艺、配合比、防渗抗裂措施等经验。

(3)裂缝较多：缺乏沉管隧道管节浇筑工艺、配合比、防渗抗裂措施等经验，裂缝修复技术不成熟。

4.2浙江宁波甬江隧道

浙江宁波甬江隧道全长1018米，水中段420米，是采用5节85米×11.9米的钢筋混凝土沉管，为单孔双车道汽车隧道。1994年12月建成，是我国第一条在软地基上采用沉管法开工建设成功的水下隧道。

质量事故及原因分析:

(1)沉降较大：隧址一端回淤，一端冲刷，注浆效果欠佳，缺乏注浆监测手段。

(2)渗漏点：缺乏沉管隧道管节浇筑工艺、配合比、防渗抗裂措施等经验。

(3)工期长：回淤较大，基槽成槽困难，缺乏成槽监测手段。国内首次采用沉管隧道工艺，技术手段不成熟。

(4)隧道健康监测不到位：缺乏相应监测手段，认识不成熟。

4.3宁波常洪隧道

宁波常洪隧道工程主要建设沉管隧道四节395米，于2001年12月30日通过交工验收。

质量事故及原因分析:

(1)一节管段重新起浮：水下检测手段受限制，一个水下预制桩头未割除，沉放不到位。

(2)渗漏点：缺乏沉管隧道管节浇筑工艺、配合比、防渗抗裂措施等经验。

(3)隧道健康监测不到位：缺乏相应监测手段，认识不成熟。

4.4上海外环隧道

上海外环隧道全长2880米，其中江段全长736米，由7节长100米～108米，宽43米，高9.55米的钢筋混凝土沉管沉放对接而成，设计为8车道，2003年6月21日建成通车，是亚洲目前最大的沉管隧道。

质量事故及原因分析:

(1)一节管段进水重新起浮安装：主要原因是赶工期，未按规定工序施工。

(2)管段间不均匀沉降严重：主要因为管段沉放时回淤较大，管段沉放时间间隔较长（超过1年），灌砂效果不甚理想，无检测手段。

(3)管段本体存在渗漏点：缺乏沉管隧道管节浇筑工艺、配合比、防渗抗裂措施等经验。

(4)隧道健康监测不到位：缺乏相应监测手段，认识不成熟。

4.5广州洲头咀隧道

广州洲头咀隧道位于白鹅潭以南约800米处的珠江主航道上，全长1.5公里，其中水中段长750米，双向六车道。

质量事故及原因分析:

(1)暗埋段渗漏点：未处理好沉降缝止水，赶工期，砼浇筑程序存在偏差。

(2)最终接头对接误差偏大：钢端壳安装偏差过大。

(3)GINA损伤：原因不祥。

(4)管段渗漏点：对沉管隧道管节浇筑工艺、配合比、防渗抗裂措施等认识深度不够。

(5)工期长：主要由拆迁严重滞后引起，带来一系列问题。

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