基本原理
沉管法也称预制管段沉放法,简单地说就是先在干坞中或船台上预制大型混凝土箱形构件或是混凝土和钢的组合箱形构件,并于两端用临时隔墙封闭,舾装好拖运、定位等设备,然后将这些构件浮运沉放在河床上预先浚挖好的沟槽中并联接起来,最后回填砂石并拆除隔墙形成隧道。
根据国际隧道协会(ITA)沉管隧道和悬浮隧道工作组1993年报告,一种当今普遍被认可的沉管隧道定义为:沉管隧道(Immersed Tunnel)是由若干预制的管节,分别浮运到现场,一个接一个的沉放安装,在水下将其相互连接并正确定位在已经开挖的水下沟槽内,其后辅以相关工程施工,使这些管节组合体成为连接水体两端陆上的隧道型载体。
施工技术特点
1)沉管施工因基槽开挖深度浅、承受地基荷载小等原因而对地质水文适应能力强。
2)与埋深较大的盾构隧道相比,沉管隧道路面标高可抬高,与岸上道路衔接容易。
3)沉管隧道管节长度较长,接缝少,防水性能好。
4)预制管节与基槽开挖可同时进行,施工干扰少,施工工期短。
沉管隧道分类
按断面分为:圆形和矩形。
按管节制作方式分为:船台型和干坞型。
按管节材料分为:钢结构和钢筋混凝土结构。
同时,沉管隧道有一种特殊的形式——悬浮隧道,其特殊性表现在沉管管段不是埋在河底沟槽内,而是悬浮于水中,隧道用锚索锚固于一定间隔的海底锚座上,锚索另一端则通过各固定在隧道上的套环与隧道主体结构相连。
历史发展
1)国外发展
沉管法的起源(20世纪初~30年代)
第一条用沉管法施工成功的是美国波士顿的雪莉排水管隧洞,于1894年建成,直径2.6米,长96米,由6节钢壳加砖砌的管段连接而成。
1910年美国采用沉管法建成了底特律河铁路隧道,水下段由10节长78.2m的钢壳管段组成。1928年,采用沉管法修建的第一条水底道路隧道为美国加利福尼亚州的奥克兰与阿拉梅达之间的波西隧道,水下段长744米,使用12节62米长的管段。它是钢筋混凝土圆形结构,其外径为11.3米。该隧道采用圆形的双车道断面等许多重要特点,成了美国后来用沉管法的楷模。但从1930年建造的底特律—温莎隧道起又采用了钢壳制作的管段,而将其横断面的外形改为八角形。1910年至1942年期间,美国共建造了7条沉管隧道。
德国于1927年在柏林采用沉管法建成了一条总长为120米的水底人行隧道,隧道结构采用圆形钢壳。
沉管法的发展(20世纪40~60年代)
1943年荷兰的鹿特丹的马斯河底采用沉管法建成一条道路隧道, 内设4车道并附设自行车和人行的专用通道。管段断面为24.8×8.4米。隧道结构为矩形钢筋混凝土管节, 外面用钢板防水,并用混凝土作防锈保护层。并解决了管节的接头防水,发明了橡胶止水带作初始密封和橡胶止水带作永久密封。因管段宽度大而创造了喷砂作垫层的基础处理方法。在欧洲由于向多车道断面发展,都采用这种矩形的钢筋混凝土管段,为第二代沉管隧道奠定了基础。
日本于1944年建成首条沉管隧道,结构形式大部分为矩形钢筋混凝土管节,小部分为圆形钢壳混凝土管节。
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50年代以后,由于水下连接技术的突破──采用水力压接法,并应用橡胶垫圈作止水接头,沉管法被广泛采用,并随之较快地发展。60年代后期,又出现了不设通风道,又无通风机房的第三代沉管隧道。由于管段断面相应缩小,有利于提高沉管法的施工效益。丹麦于1969年建成的利姆水道隧道,即为这一型式应用的第一例。沉管法也应用于建设地下铁道隧道。1960年开始施工的荷兰鹿特丹市地下铁道隧道工程即为一例。
沉管法的长距离化发展(20世纪70年代至今)
1976年建成的日本东京港公路隧道,6车道,沉管隧道长1035m,断面37.4m×8.8m,9节管段,每节长115m,基础采用注浆法。
2006年建成的丹麦与瑞典的厄勒海峡通道工程全长16km,其中西侧海底隧道长4050m,宽38.8m,高8.6m,位于海底10m以下,由5条管道组成,他们分别是两条火车道、两条双车道公路和一条疏散通道,是目前世界上最宽敞的海底隧道;中间的人工岛长4055m,将两侧工程连在一起;东侧跨海大桥全长7845m,上为4车道高速公路,下为对开火车道,共有51座桥墩,中间是斜拉索桥,跨度490米,高度55米,是目前世界上已建成的承重量最大的斜拉索桥。
2008年,土耳其博斯布鲁斯隧道建成,沉管隧道长1.4km,由11节宽15.3m、高8.6m、长98.5~135m的管节组成,中间设置中隔墙。管节采用三面外包钢板、内部浇筑混凝土、顶部加橡胶防水膜的形式。
2010年建成的韩国釜山-巨济高速道路工程包括一条3240m的沉管隧道-世界上最长的沉管隧道之一,断面26.46m×9.97m,18节管段,每节长180m,基础采用先铺法碎石。
国外部分沉管隧道发展一览表
2)国内发展
沉管法的探索(20世纪60年代~80年代)
60年代,我国上海开始进行沉管法隧道的试验研究,重点研究基槽开挖技术和回淤问题,管段结构设计和防水、拖运沉放施工工艺及其下沉速度、稳定性、管段外防水技术、喷砂基础的设计和施工工艺及沉埋隧道施工对航运、航道的影响等项目。1972,香港建造第一条跨港沉管隧道。1973年配合金山石化厂出水口过堤过管工程中得以实施,通过六节外包6.4m×3.2m×30m的管段,按沉放施工工艺要求,模拟越江隧道30m×10m×150m(4~6车道隧道)管段缩尺试验过程,管段制作利用打浦路隧道浦西江边起爆层作滑车式船台和下水,管段制作起浮后拖运至杭州湾金山工程现场水域,拖运距离长达140海里,整个出水口工程的沉放施工既完成了出入口过堤管,又进行了越江沉埋隧道的全过程试验研究,取得了主要的设计参数和施工工艺流程的实际探索。1984年台湾高雄港又建成了沉管道路隧道。
沉管法的发展(20世纪90年代至今)
90年代,上海的一些隧道工程技术人员又参与了广州珠江隧道和宁波甬江隧道的施工,承担了管段外防水和地基处理等工程项目。1990年建成的香港东区海底隧道,6车道,沉管隧道长1859m,断面35m×9.8m,15节管段,每节长122m-128m,基础采用砂流法。 1993年广州建成道路、地铁共用的珠江沉管隧道,同期建成宁波甬江道路沉管隧道。 2002年1月,宁波常洪隧道建成通车是隧道设计院、隧道公司联合上海打捞局、航道局、三航局等单位,完成的双向四车道道路沉埋隧道工程。常洪隧道江中段沉管法施工,1999年12月开始设计,2002年3月通车,2003年10月荣获中国土木工程第四届詹天佑大奖。国内首条桩基础沉管法隧道。干坞设于隧道轴线上,并在轴线部位设舾装槽,国内尚无类似的设计方案。管段沉放时采用三点临时支承,前端搁置在鼻托上,尾部两个垂直千斤顶的临时支承点采用大直径(φ1200mm)钢管桩,在世界隧道史上尚属首次。国内首次以钢筋混凝土结构自防水为前提,管段底板不设任何外防水。
2003年建成的上海外环隧道是继这些隧道之后规模最大的沉管隧道。上海外环隧道是上海首次采用沉管法施工的双向八车道大型沉管隧道。工程全长2882.83m。其中沉管段长736m,分为100~108m长度不等的七节管段。管段横断面为三孔二管廊,相应车道数为3+2+3。管段高9.55m、宽43.0m。车辆通行限界净高:边孔5.0m、中孔5.5m。隧道最大埋深33.0m,其规模为国内之首,亚洲第一。工程自1999年12月28日开工以来,历时3年多,经历并克服了众多关键技术考验,于2003年6月21日顺利通车。外环隧道的建成标志着沉管隧道设计大型管节和管节沉放达到了国际先进水平。
目前,广州佛山高铁隧道、南昌红谷隧道、港珠澳岛隧工程沉管段等沉管隧道陆续建设中,沉管隧道的发展稳步前进中。
国内沉管隧道发展一览
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