沉管法施工

8　沉管法施工

本章导读：

公路或城市道路、地铁穿越江河湖海、港湾时，可采用的办法很多，如轮渡、桥梁、水底隧道、水下隧道等。轮渡最为简易但无法适应较大的交通量；桥梁虽然其单位长度造价低，但在通行大型海轮的江河之下时，或因某些条件的限制而受到制约；水底隧道是指建于河床下面地层中的隧道，由于其地质条件较为复杂，故施工难度大、工期长、费用高。此时，用沉管法建造水下隧道便成为主要的、首选的施工方法。目前国内已建成的沉管隧道有10多座。

水下隧道即在江、河、海等水域基床上建造的隧道。

●主要教学内容：沉管隧道施工的工艺流程，沉管隧道的基本结构，干坞的设置，管段制作，沉管作业过程，基础处理。

●教学基本要求：了解沉管隧道的基本结构；掌握沉管隧道施工的工艺流程和特点；掌握管段制作和沉管作业等流程中的关键技术；熟悉沉管隧道基础处理的常用方法。

●教学重点：沉管隧道施工的工艺流程和特点，管段的制作和沉放作业，隧道基础处理的常用方法。

●教学难点：管段的浮运、下沉及水下连接。

●网络资讯：网站：www.stec.net。关键词：沉管隧道，沉管式隧道，沉管施工，干坞，沉管水下连接，沉管基础回填。

8.1　沉管隧道简介

8.1.1　施工工艺流程

在江、河、海等基床上用沉管法修建的隧道称为沉管隧道或水下隧道。所谓沉管法，即按照隧道的设计形状和尺寸，先在隧址以外建造的临时干坞中或船台上预制隧道管段，并在两端用临时隔墙封闭，然后舾装好拖运、定位、沉放等设备，将其拖运至隧址位置，沉放到江河中预先浚挖好的沟槽中，并在水下连接起来，最后充填基础和回填砂石将管段埋入原河床中。

沉管法施工的工艺流程如图8.1所示，其中管段制作、基槽浚挖、管段的沉放与水下连接、管段基础处理、回填覆盖是施工的主体。

图8.1　沉管法工艺流程

8.1.2　隧道基本结构

1）沉管隧道的横断面结构

水下沉管隧道的整体结构是由管段基槽、基础、管段、覆盖层等部分组成，整体坐落于水底，如图8.2所示。

图8.2　沉管隧道的横断面图（台湾高雄）

沉管隧道管段断面结构形式，按制作材料主要分为钢壳混凝土管段和钢筋混凝土管段两种；按断面形状可分为圆形、矩形和混合形；按断面布局可分为单孔式和多孔组合式，如图8.3所示。

图8.3　沉管隧道断面结构形式

（1）钢壳混凝土管段

钢壳混凝土管段是钢壳与混凝土的组合结构。钢壳有单层和双层两种。单层钢壳管段的外层为钢板，内层为钢筋混凝土环；双层钢壳管段的内层为圆形钢壳，外层为多边形钢壳，内外层之间浇筑混凝土。钢壳管段一般用于双车道隧道，若需设4车道，则可采用双筒双圆形组合式断面。

钢壳管段的优点有：外轮廓断面为圆形或接近圆形，在外荷载作用下所产生的弯矩较小，因此在水深较大时比较经济；管段的底宽较小，基础处理的难度不大；钢壳可在造船厂的船台上制作，充分利用船厂设备，工期较短。

钢壳管段的缺点有：圆形断面的空间利用率低，耗钢量大，造价较高；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。

（2）钢筋混凝土管段

钢筋混凝土管段的横断面多为矩形，可同时容纳2～8个车道，有的还设置有维修、避险、排水设施等的专用管廊。如上海外环路沉管隧道为8车道，设有3个车辆通行孔和2个管廊孔（设于每两个通行孔之间）；管段高9.55 m、宽43 m，最大节长108 m。

钢筋混凝土管段的优点：隧道横断面空间利用率高；不用钢壳防水，节约大量钢材；其主要缺点有：需要修建临时干坞，费用高；制作管段时对混凝土施工要求高，须采取严格的施工措施防止混凝土产生裂缝。

2）沉管隧道的纵断面结构

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组成，如图8.4所示。竖井通常作为沉埋段的起始点以及通风、供电、排水、运料和监控等的通道。但是，根据具体的地形、地貌和地质情况，也可将沉埋段和暗埋段直接相连接而不设竖井，如广州珠江沉管隧道（图8.5）。

图8.4　沉管隧道纵断面一般结构示意图

图8.5　广州珠江沉管隧道纵剖面图

水底隧道的纵坡一般最小为0.3%，最大纵坡可达6%，广州珠江沉管隧道纵坡最大为4.9%。管段长度一般为100～150 m，同一隧道的管段长度并不均等。隧道沉管段的长度一定时，确定了管段的长度后，即可确定出所需要的管段数。

8.2　管段制作

8.2.1　干坞

干坞是钢筋混凝土管段制作的必需场所，是坞底低于隧址水面的水池式建筑物。通常是在隧址附近开挖一块低洼场地用于预制隧道管段，如图8.6所示。干坞是一项临时性工程，隧道施工结束后便完成其使命。

图8.6　制作管段的干坞全景

1）干坞的设计

（1）干坞的形式

干坞形式按其活动性有固定干坞和移动干坞两种。

固定干坞目前多为在隧址附近建造的临时性洼地式干坞，主要用于钢筋混凝土管段的预制。钢壳管段由于长度不大、下水时质量较小，可在隧址附近的岸边平地上或在造船厂的船台上制造。

临时性洼地式干坞造价高、工期长（10～12个月）、征地拆迁等干扰因素多，管段预制完成后一般不作其他用途，需对其进行回填。

移动干坞是在船上进行预制管段的方法。管段全部在移动干坞（半潜驳）上完成预制，用拖轮将半潜驳连同其管段拖航到隧址附近的下潜坑进行下潜，将管段与半潜驳分离后系泊在临时系泊区，沉放时进行二次舾装，浮运就位后实施沉放对接。与传统的固定洼地干坞法相比，移动干坞投资省、工期短、不确定因素少，一次投入能长久使用、多工程使用。

（2）干坞的位置

固定干坞位置的选择方案有两种：一种是位于隧道设计轴线上，该方案仅一个工程使用；另一种是位于隧道设计轴线外，该方案有利于多个工程使用。固定干坞的位置应根据以下原则选择：

①应距隧址较近，附近的航道具备浮运条件，以便管段浮运和缩短运距。

②干坞附近应有可浮存若干节预制好的管段的水域。

③具有适合建造干坞的地质条件，场地土应具有一定的承载能力，同时也有利于干坞挡土围闭及防渗工程实施。

④交通运输方便，具有良好的外部施工条件。

⑤征地拆迁费用低，具有可重复利用的开发价值。

（3）干坞的规模与尺寸

干坞规模分大型干坞和小型干坞。大型干坞又叫一次性预制管段干坞，小型干坞又叫分次完成管段干坞。

一次性预制管段是在干坞内一次完成所有管段的制作，因只需放一次水进坞，干坞不需要采用闸门，仅用土围堰或钢板桩围堰作坞首。管段出坞时，拆除坞首围堰便可将管段浮运出坞。这种干坞规模较大、占地多、投资高，适合于工程量小、管段数量少、土地使用价格低的工程。对于管节数量多、管节长度大的沉管隧道，如需一次完成所有管段而隧址附近又无合适的大坞址时，也可同时建造两个干坞。如上海外环路隧道共预制7个管节，分别在不同的区域设A、B两个干坞，同时施工，A坞制作2节，B坞制作5节，A、B两个干坞的面积分别为40000m2和80000m2。

分次预制管段是在干坞内分多批次制作管段，每批次管段预制完成，就放一次水进坞，使之浮运出坞，干坞的坞门需多次开启。这种干坞规模小，占地少，造价低，重复使用率高，而且有利于与其他施工程序配合以缩短工期。但这种方式若不采用启闭式坞门（闸门），则修复坞门难度大，若采用闸门式坞门，造价又比较高；先批出坞沉放的管段需待几个月时间才能与后批管段相接，不利于先沉放管段的稳定，其安全难于保证；已开挖的基槽，可能会已有回淤，影响后批管段基础的质量；干坞反复灌水、排水，影响坞墙的稳定性。

干坞的规模应根据工程规模、管节长度和数量、坞址的地形与地质条件、工期、土地使用费、施工组织等工程的实际情况综合考虑决定，最佳方案通常也是最经济的。

干坞的平面形状多呈长方形（图8.7），横向尺寸取决于管节的宽度、管节的列数、管节横向之间的距离、管节侧面与干坞底边的距离。纵向尺寸取决于每列预制管节的数量、管节的长度、管节端部之间的距离、管节端部至干坞两端边坡脚的距离。另外，还要考虑坞底车辆的运输线路、预制设备等。

干坞的深度应确保管段制作完成后能顺利进行安装工作并浮运出坞。坞底的标高应根据管节的高度、管节浮起时露出水面的高度（矩形管段一般为15～25 cm，圆形管段一般为40～50 cm）、管节浮起时底部至坞底要求的最小距离（1 m左右）、水位和浮运要求等因素决定，保证管节能安全顺利出坞。

图8.7　一次预制管段干坞
1—坞底；2—边坡（坞墙）；3—运料车道；4—拟预制的管段；5—坞首围堰

（4）干坞的构造

干坞由边坡、坞底、坞首、坞门、运输车道及排水沟井等组成。

干坞周边为斜坡形，必要时可加铺塑料薄膜、植草皮、格栅或砌石等，以防雨水冲刷。个别情况下也可用钢板桩围堰或设混凝土防渗墙。边坡的确定要进行抗滑稳定性验算。为保证边坡的稳定安全，一般设井点降水。

坞底要有足够的承载力。一般情况下，管段作用在坞底上的附加荷载并不大，大多不超过80～90 kPa，小于坞底的初始自重应力，地基强度可满足要求。因此，坞底常只是先铺一层干砂，再在砂层上铺设一层20～30 cm厚的无筋混凝土或钢筋混凝土。

干坞的坞壁三面封闭，临水一面为坞首。大型干坞中，因一次性预制所有管节，故可用土围堰或钢板桩围堰作坞首，不设坞门，管段出坞时，局部拆除坞首围堰就可将管段逐一拖运出坞。在分次预制管段的干坞中，既要设坞首也要设坞门。坞首常为双排钢板桩围堰（临河、海侧和临坞侧各一排），坞门可用单排钢板桩。每次拖运管段出坞时，将此段单排钢板桩临时拔除，将管段拖出，再恢复坞门。若考虑多次利用的开闭方便，可采用能上下移动的浮箱式坞门（闸门）。

干坞内外要修筑车道，以便运送设备、机具及材料。为防止坞内积水，坞底设有明沟、暗沟和集水井等，坞外要设置截水沟和排水沟。

2）干坞内的主要设备设施

临时干坞所需机具设备，一般都是普通土建工程的通用设备，包括混凝土搅拌站设备、水平运输车辆、起重设备和钢筋成型设备、各种材料的堆放和储存仓库、各种加工车间以及交通、供电、防洪等设施。

混凝土搅拌站的生产能力应按施工组织设计要求而定。通常应能连续供应浇筑一截管段（长15～20 m）所需的混凝土。

干坞中用以起吊模板、钢筋、混凝土等的起重设备，通常为轨行门式起重机或塔式起重机。一次制作所有管段的干坞常用轨行门式起重机；分批制作管段时用塔式起重机较为方便，可省去因干坞反复进水排水多次拆装轨行门式起重机的麻烦。起重机的能力通常是50～75 kN。塔式起重机其跨度应比管段宽度大7～8 m，净高应比管段高度高出4 m以上。

临时干坞中的水平运输，常用轨道车、翻斗车、卡车等。轨道车轨道一般直接铺在坞底上，而卡车运输道路则沿边坡延伸到坞底。

临时干坞中拖运设备，一般采用普通的绞车。在坞内灌水、管段浮起、坞门开启之后，绞车把管段缓缓拖运出坞，再由坞外的拖轮将出坞的管段拖到临时系泊地或管段舾装码头。

3）干坞的施工

干坞施工一般采用“干法”进行干坞内的土方开挖，具体步骤为：先沿干坞的四周做混凝土防渗墙，隔断地下水；然后用推土机、铲运机从里面向坞口开挖，挖出的一部分土用来回填作坞堤，大部分土运至弃土场。坞底和坞外设排水沟、截水沟和集水井。坡面可进行一定的护坡，以防雨水冲刷。坞底铺砂、碎石，再用压路机压实并平整，坞内修筑车道。

8.2.2　管段制作

管段制作实际上就是在构筑隧道，其制作的质量直接影响隧道完成后的工程质量和使用效果。因此，必须严格要求，精心施工。

1）钢壳混凝土管段制作

钢壳混凝土管段不管是单层或双层，施工时都是先预制钢壳，然后将钢壳拖运滑行下水，接着在水中于悬浮状态下浇筑混凝土。管段的外钢壳（厚12 mm）既是浇筑混凝土的外模，又是防水层，因此要保证钢壳的焊接拼装质量，保证不漏水。

2）矩形钢筋混凝土管段的制作

管段预制的基本工艺与其他大型钢筋混凝土构件类似，但对混凝土施工要求更严格，对其对称均匀性和水密性要求很高，要保证干舷和抗浮安全系数以及防水要求。

（1）管段的对称、均匀性控制

管段制作时对称性控制是为了确保矩形管段在浮运时有足够的干舷。管段在浮运时，为了保证稳定，必须使管段顶面露出水面一定高度，使管段遇风浪发生倾侧后，会自动产生一个反倾力矩，恢复平衡。

如果管段重度变化幅度稍大（超过1%），管段常会浮不起来，故需严格控制混凝土的密实度及其均匀性，在浇筑混凝土的全过程中实行严密的实时监测。此外，如果管段的板、壁厚度的局部偏差较大，或前后、左右的混凝土密度不均匀，管段就会倾斜。因此需采用大刚度的模板，模板的制作与安装须达到高精度要求。

（2）管段的水密性控制

水密性控制的目的是确保管段的防水性能，使隧道投入使用后无渗漏。管段的防水按部位分为外防水、结构自防水和接缝防水。

①外防水。外防水要求不透水，耐久、耐压、耐腐蚀，能适应温度变化，施工方便，比较经济。外防水分刚性防水和柔性防水。刚性防水主要用钢板或塑料板防水，柔性防水主要用卷材和涂料防水。

矩形钢筋混凝土管段最初采用四边包裹钢壳防水，后又陆续改为三边包裹钢壳（顶板上的钢壳改为柔性防水层）、单边钢板防水（底板为钢板，其他三边用柔性防水）。钢壳防水耗钢量大，焊缝可靠性不高，易锈蚀，因此仅在管段底板下用钢板防水的工程实例越来越多，有的已采用高强度PVC塑料板代替底钢板，从而解决了这些问题。

卷材防水是用胶料把多层沥青卷材或合成橡胶类卷材胶合成的粘式防水层。卷材的层数视水头大小而定，当水底隧道的水下深度超过20 m时，卷材层数达5～6层之多。卷材防水施工工艺较繁，施工操作技术要求高。

涂料防水是直接将涂料涂于管段的侧面和顶面进行防水，操作工艺简单，而且在平整度较差的混凝土面上也可以直接施工。由于其延伸率不够，尚未普遍推广。

②结构自身防水。管段的结构自身防水主要以防水混凝土为主。提高管段自身防水的措施在于控制管段混凝土在浇筑凝结过程中产生的裂缝。裂缝产生的原因主要是变形，包括温度（水化热、气温等）变形、湿度变形（自身收缩、失水干缩等）、地基变形等。解决裂缝问题的措施有混凝土配制、温差控制、施工期间的特殊措施等方面。

混凝土配制应选用低水化热水泥，在满足混凝土强度和渗透性要求的前提下，尽量减少水泥用量。

控制温差可减小因温度变化引起的裂缝。混凝土内外的温差、周围环境温度的变化都会在侧墙、底板和顶板处出现温度梯度，在混凝土中引起温度应力，从而导致裂缝产生。温差的控制方法有：用降低骨料温度、夏季使用遮阳棚、掺冰水、夜间浇筑等方法降低混凝土的初始温度；在离底板3 m范围内的边墙中埋设蛇形冷却管，使底板和侧墙之间的温差曲线变得平缓；加热底板，降低底板和侧墙之间的温差；采用隔热性能良好的木模板，推迟拆模时间，加强养护工作，控制混凝土内外温差。另外，施工中还可控制一次浇筑的混凝土量，以减少水化热。

图8.8　变形缝防水结构
1—变形缝；2—钢板橡胶止水带；3—Ω形密封带；4—止水填料

③接缝防水。管段接缝有三种：底板与侧墙之间的纵向施工缝、一节管段中分段浇筑的横向变形缝和管段与管段之间的对接缝。第一种施工缝是防水的薄弱环节，大多采用安装钢带法。变形缝的结构与密封形式有多种，如图8.8所示的是钢板橡胶止水带加Ω形止水带形式。管段间的对接缝防水一般利用水力压接法所用的GINA胶垫形成第一道防水防线，利用Ω形止水带作第二道防水防线。

（3）端封墙

在管段浇筑完成、模板拆除后，为了便于水中浮运，需在管段的两端离端面50～100 cm处设置封墙，通常叫端封墙。封墙用钢材或钢筋混凝土制成，也有的采用钢梁与钢筋混凝土复合结构。采用钢筋混凝土封墙的好处是变形小，易于防渗漏，但拆除时比较麻烦；而钢封墙采用防水涂料解决了密封问题后，装、拆均比钢筋混凝土封墙方便得多。

端封墙上设有鼻式托座（简称鼻托）、排水阀、进气阀、人员出入孔以及拉合结构。排水阀设在下面，进气阀设在上面，人员出入孔应设置防水密闭门并应向外开启。

（4）压载设施

由于管段浮运就位后要沉放到水底，靠管段本身的重力不能克服水的浮力时，需对管段进行加载。水箱压载法简单方便，采用较多。压载水箱在管段上对称设置，每节管段至少要设4个水箱，对称布置在管段四角，使管段保持平衡，平稳地下沉。压载水箱在封墙安装之前设置在管段内部，水箱的容量及数量取决于管段干舷的大小、下沉力的大小，以及管段基础处理时抗浮所需的压重大小。

3）管段的检漏与干舷调整

管段在制作完成之后，须进行检漏。如有渗漏，可在浮运出坞之前进行补救。一般在干坞灌水之前，先往压载水箱里加水压载，然后再往干坞内灌水。在干坞灌水之后，进一步抽吸管段内的空气，使管段中气压降到0.06 MPa，待灌水24～48 h后，工作人员进入管段内部，对管段的所有外壁进行一次仔细的检漏。如发现渗漏，则需将干坞内的水排干，进行修补；若无问题，即可排出压载水，让管段浮起。

经检验合格后的管段浮起，还要在坞中检查四边的干舷是否合乎规定，如有倾侧现象，可通过调整压载加以解决。在一次制作多节管段的大型干坞中，经检漏和调整好干舷的管段，还需再加压载水，使之沉在坞底，使用时再逐一浮起，拖运出坞。

8.3　沉管作业

8.3.1　沉管隧道的浚挖

沉管隧道的浚挖最主要的是基槽浚挖。基槽浚挖施工是利用浚挖设备，在水底沿隧道轴线，按基槽设计断面挖出一道沟槽，用以安放管段。

1）浚挖作业方式

浚挖作业一般分层、分段进行。在基槽断面上，分多层逐层开挖；在平面沿隧道轴线方向，划分成若干段，分段分批进行浚挖。

管段基槽浚挖亦可分粗挖和精挖两次进行。粗挖挖到离管底标高约1 m处，精挖在临近管段沉放时超前2～3节管段进行，这样可以避免因管段基槽暴露过久、回淤沉积过多而影响沉放施工。

2）土槽浚挖

土质基槽一般采用挖泥船开挖。挖泥船种类较多，下面介绍几种常用类型：

①链斗式挖泥船。它用装在斗桥滚筒上、能连续运转的一串泥斗挖取水底土壤，通过卸泥槽排入泥驳。施工时需泥驳和拖轮配合，生产效率较高，成本较低，能浚挖硬土层。

②绞吸式挖泥船。它利用绞刀绞松水底土壤，通过泥泵吸进泥浆，经过排泥管卸泥于水下或输送到陆上去。它对土质的适应性好、生产效率高、成本低，不需泥驳配合工作。

③自航耙吸式挖泥船。它是带有泥仓的自航吸泥船，挖泥时不妨碍其他船舶的航行，适用于在船舶航行密集的地点挖泥。

④抓斗挖泥船。抓斗挖泥船利用吊在旋转式起重扒杆上的抓斗抓取土壤，卸到泥驳上运走。一般不能自航，施工时需配备拖轮和泥驳。它构造简单、船体小、挖深大、施工效率高。

⑤铲斗挖泥船。它是用悬挂在把杆上的铲斗，在回旋装置操纵下，推压斗柄，使铲斗切入水底土壤内进行挖掘，然后提升铲斗，将泥土卸入泥驳。这种挖泥船适用于硬土层，不需锚缆定位，水面占位小，但挖泥船的造价高，浚挖费用亦高。

一般情况下，挖深在10 m以内（由水面计）时，可用吸泥船或链斗挖泥船；挖深16 m以内时，可用4 m3铲斗挖泥船或轻型抓斗挖泥船；超过16 m时要用重型抓斗挖泥船。

3）岩槽开挖

岩石基槽开挖，需用水下钻眼爆破法进行。钻眼前要清除岩面以上的覆盖层。炮孔排距、孔距等爆破参数要根据岩性及产状决定，排炮的排与排错开。炮眼深度一般超过开挖面以下0.5 m。爆破时要注意冲击波对过往船只和水中人员的安全，要保证其安全距离符合规定。

水下钻眼要使用炸礁船，多只船并排布置并抛锚定位。钻眼时应采用多台钻机一排同时作业。爆破后的清挖用铲斗挖泥船和大抓斗型抓斗挖泥船。

4）开挖辅助工作

基槽开挖施工必须选择合适的卸泥区，运距最好在50 km以内。

一般铰吸挖泥船开挖基槽时，在挖泥船进场后，应按现场情况连接所需长度的输砂管，采用趸船作为临时码头，用来固定输砂管和停靠泥驳进行装泥作业。

为保证基槽开挖的坡度、深度和宽度的精度，要加强测量工作。

8.3.2　管段出坞

管段在干坞内预制完毕，安装好全部浮运、沉放及水下对接的施工附属设备设施后，就可向干坞内灌水，使预制管段在坞内逐渐浮起，直到坞内外水位平衡为止，打开坞门或破坞堤，由布置在干坞坞顶的绞车将管段逐节牵引出坞。

管段起浮后，管段的一侧可利用干坞的系缆柱系泊，另一侧可利用尚未起浮的管段系缆绳，要确保起浮的管段平稳无漂移。管段通过绞车系泊缆绳系统逐步牵引出坞。出坞作业应选在海水高潮的平潮前半小时进行。管段出坞后用拖轮或岸上绞车拖运到沉放位置。当水面较宽、拖运距离较长时，一般采用拖轮拖运。水面较窄时，可在岸上设置绞车拖运。广州珠江沉管隧道施工时，由于干坞设在隧道的岸上段，江面宽只有400 m左右，浮运距离短，采用了绞车和拖轮相结合的方式。即在一艘方驳上安置一台液压绞车作为后制动，两台主制动绞车设在干坞岸上，三艘顶推拖轮顶潮协助浮运。

管段浮运到沉放位置后，要转向或平移，对准隧道中线待沉。

8.3.3　管段沉放

管段的沉放在整个沉管隧道施工过程中占有相当重要的地位。沉放方法有多种，需根据不同的自然条件、航道条件、沉管本身的规模以及设备条件进行合理选择。

1）管段的沉放方式

管段的沉放方式多采用吊沉法，根据施工方法和主要起吊设备的不同，吊沉法又分为起重船法、浮箱法、扛吊法和骑吊法等，其中以浮箱法使用较多。

（1）起重船吊沉法

沉放时用2～4艘1 000～2 000 kN起重船，提着预埋在管段上的3～4个吊点，逐渐将管段沉放到基槽中的规定位置。该法适用于钢壳型、规模较小的隧道。

（2）浮箱吊沉法

该法的主要设备为4只1 000～1 500 kN的方形浮箱。浮箱位于管段顶板上方，分前后两组，每组以钢桁架联系，并用4根锚索定位，管段本身另用6根锚索定位。浮箱通过吊索和管段起吊点连在一起，如图8.9所示。起吊提升机和浮箱定位提升机均安放在浮箱顶部，吊索起吊力要作用在各浮箱中心，定位提升机安设在定位塔顶部。该法适用于小型管段的沉放。

图8.9　四浮箱吊沉法

对于大型沉管，工程中将4只小浮箱由前后两只大浮箱或改装的驳船代替（图8.10），并完全省掉浮箱上的锚索。该法使水上作业大为简化，设备简单，应用较广。

图8.10　双浮箱吊沉法

（3）扛吊法

该法采用4艘方驳（图8.11），左右两艘方驳之间由型钢或钢板梁组成“杠棒”，用以承受管段吊索的吊力。每侧的前后两只方驳用钢桁架连成一个船组。驳船组及管段分别用6根锚索定位。由于由4艘方驳承担下沉力，每艘方驳只承担其1／4，故即使沉放大型沉管，只需要1 000～2 000 kN的小型方驳即可，所以设备简单、费用低。

该法的一种改进方法是双驳扛吊法，也称为双壳体船法，是采用两艘船体较大的方驳船（长60～85m，宽6～8m）代替4只小方驳。整体稳定性优于4只小方驳组成的船组，施工时可利用这一特点把管段的定位锚索省去，而改用对角方向张拉的斜索系于双驳船组上。该法适用于沉放管段较多、建设多条隧道的情况。

（4）骑吊法

该法使用一浮箱式作业平台，利用浮箱压重使4条钢腿插入河底。然后升起平台，将管段置于平台下面，使水上作业平台“骑”在管段上方，将其慢慢吊放下沉。骑吊法适用于水深或流速较大的河流或海湾沉放管段，施工时不受洪水、潮水、波浪的影响，不需要锚碇，对航道干扰小。但其设备费用大，采用不多。

图8.11　四驳扛吊法

2）管段定位

沉放、对接过程中，管段将不可避免地受到风、浪、流等外力的作用，要保证沉放对接过程中管段的稳定，必须对管段进行牢固的定位。定位作业主要由锚碇系统完成，常用的锚碇方式有“八字形”和“双三角形”，如图8.12（b）所示。

图8.12　八字形锚碇系统图

八字形锚碇系统通常在沉埋基槽轴线两侧各沉埋一排大型锚碇块，两排锚碇块呈对称埋设，锚碇块与管段之间由锚链连接。该法安全可靠、施工简单，但占水域较大，对航道有不利影响。双三角形锚碇系统的优点是所占江面的水域宽度仅为管段的长度，因而对航道的影响较小。

管段拖运到沉放位置后，系好定位缆。管段位置调整和定位通过测量塔上的卷扬机拉紧或放松定位缆来加以控制。锚碇块的位置用玻璃钢浮筒表示，正式使用前需对锚碇块进行拉力测试。每个测量塔上有定位用卷扬机3台，每个钢浮箱上有沉放用卷扬机2台，还有紧缆用卷扬机4台。当位置误差在10 cm以内时，即可进行沉放作业。

3）管段的沉放作业

管段沉放与对接作业受海上的自然条件影响很大，施工前需对沉放阶段的水位、流速、气温、风力等水文气象条件进行资料收集分析，选择最佳时机。一般安排在夜间进行现场准备，翌日高潮平潮时进行管段就位，午前低潮后进行沉放作业，午后结束沉放、对接作业。

（1）沉放作业前的准备工作

沉放的前两天，需派潜水员对基槽进行全面细致的验收，保证沉管就位时无任何障碍。水上要实行交通管制。对管段内部的所有设备设施和系统进行检查，及时排除故障，确保沉放工作顺利进行。

（2）沉放作业步骤

沉放作业分初次下沉、靠拢下沉和着地下沉三个步骤进行，如图8.13所示。

图8.13　管段沉放步骤示意图

①初次下沉。管段位置调节到与已沉管段保持10～20 m的距离，先往管段内压重水箱灌注一半下沉力的水，经位置校正后再继续加至设计值；然后继续下沉，直到管底离设计标高4～5 m为止，下沉时要随时校正管段的位置。

②靠拢下沉。先将管段向前平移至距已沉管段2 m左右处，然后再将管段下沉到管底离设计标高0.5～1 m处，并调整好管段的纵向坡度。

③着地下沉。先将管段平移至距已沉管段约0.5 m处，校正管段位置后即开始着地下沉。最后1 m的下沉要严格控制下沉速度，尽量减少管段的横向摆动，使其前端自然对中。着地时先将前端搁在“鼻式”托座上，通过鼻托上的导向装置自然对中，然后将后端轻轻搁置到临时支座上，即可进入管段的对接作业。

（3）沉放作业注意事项

每一步操作完成后，应等管段恢复静止后，再进行下一步的操作；靠拢下沉和着地下沉的过程中，除常规测量仪器、水下超声波测距仪进行不间断地监测外，尚需由潜水员进行水下实测，检查测量管段的相对位置和端头距离。

8.3.4　管段连接

管段沉放就位后，还要与已连接好的管段连成一个整体。该项工作在水下进行，故又称为水下连接。早期的沉管隧道都是采用水下混凝土连接法，目前普遍采用的连接方法为水力压接法。水力压接法工艺简单方便、速度快、水密性好，基本上不用潜水工作，下面主要介绍这种方法。

1）水力压接法原理

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（靠近既设管段的那一端）周边上的一圈胶垫发生压缩变形，形成一个水密性良好可靠的接头。其具体方法是先将新设管段拉向既设管段并紧密靠上，这时接头胶垫产生了第一次压缩变形，并具有初步止水作用。随即将既设管段后端的封端墙与新设管段前端的封端墙之间的水（此时已与管段外侧的水隔离）排走。排水之前，作用在新设管段前、后两端封端墙上的水压力是相互平衡的，排水之后，作用在前封端墙的压力变成了大气压力，于是作用在后封端墙上的巨大水压力就将管段推向前方，使接头胶垫产生第二次压缩变形，如图8.14所示。经两次压缩变形的胶垫，使管段接头具有非常可靠的水密性。

图8.14　水力压接法
1—鼻托；2—胶垫；3—拉合千斤顶；4—排水管；5—水压力

2）水力压接接头胶垫

水下压接成功实施的关键部件是安装在管段前端面周边上的一圈胶垫，它是管段接头的第一道防水线。接头胶垫的形式有多种，目前广泛应用的是荷兰的GINA橡胶垫和德国开发的phoenix垫圈，如图8.15所示。

图8.15　尖肋形胶垫的断面形状

3）水力压接程序

（1）对位

目前广泛采用“鼻式”定位托座对位，如图8.16所示。

（2）拉合

管段的拉合用千斤顶实施。千斤顶的布置位置有两种，一种设置在已设管段内，另一种设置在管段的顶面端部，如图8.17所示。设置在管段内的特点是整套液压站在管段内，便于操作，拉合力均匀，但千斤顶活塞杆穿过端墙需设密封装置，活塞杆与新沉没管段的对接在水下进行，增加水下工作量。布置在顶部时，从水面放下千斤顶很方便，但液压站在水面船舶上需很长的油管，需潜水员下水安装千斤顶和观察工作情况。拉合千斤顶可用1或2台，总拉合力2 000～3 000 kN，行程一般为1.0～1.2 m。

图8.16　鼻式托座示意图

图8.17　拉合千斤顶的布置位置

（3）压接

拉合完成后，即可打开已设管段内的进气阀和排水阀，放出两节沉管封端墙之间的水。排完水后，作用在整个胶垫上的压力可达数万千牛。在全部水压力作用在胶垫上后，胶垫进一步被压缩，从而起到加强封水的作用。

压接结束后，即可从已设管段内拆除刚对接的两道端封墙，沉放对接作业即告结束。

4）管段的内部连接

管段在经上述的对位、拉合和对接后，只是隔绝了管段内外水的联系，管段之间并未连成整体，故还需在管段内部进行永久性连接，构筑永久接头。

（1）刚性接头

刚性接头是在水下连接完毕后，在相邻两节管段端面之间、GINA胶垫内侧，用钢筋将两个管段连接起来，然后浇筑混凝土，形成一个永久性接头。

（2）柔性接头

柔性接头如图8.18所示。该接头形式宜用于地震区的沉管隧道，但在其构造上要满足线性位移和角变形，又应具有足够的抗拉、抗剪和抗弯强度。接头中的Ω形橡胶密封是管段对接缝的第二道防水线。可通过焊接型钢和钢板构成简单的柔性接头，这是近年来实行的一种先进接头。

5）管段的最终接头

最后一节管段的最后一个端面连接处即最终接头。最终接头有水中接头和岸上段接头两种情况。当两岸岸上段同时施工、同时完工，对头施工时，最后剩下1 m左右的距离就要在水中进行最终接头施工。当管段只从一侧岸上段向另一侧施工（即单向施工）时，最终接头就必须在岸上进行。

在水中进行最终接头施工时，利用水力压接法压接原理进行初密封，然后抽掉隔仓水，在隧管内进行最终接头处理。

在岸上施工最终接头的方法有：干地施工方式、水下混凝土施工方式、防水板施工方式、接头箱体施工方式、V形（楔形）体施工方式。

①干地施工方式。采用围堰的方法将最后一节管段和连接井之间的间隙与外界的水隔开，然后将围堰内的水抽干，在无水的情况下用现浇钢筋混凝土的办法完成最终接头。

②水下混凝土施工方式。在最终接头部位设水下模板，浇筑水下混凝土，如图8.19所示。

图8.18　柔性接头
1—压缩的尖肋形橡胶垫；2—Ω形橡胶密封；3—密封固定装置

图8.19　水下混凝土接头方式

③防水板施工方式。最终接头的两个端面之间的空隙设置适当的支撑，用装有橡胶圈的钢封板从管段外侧将接头包住，形成第一道防水线。接着将端封墙之间的水抽干，利用水力压接的原理使防水钢板与管壁密贴，这时防水钢板的内侧（即最终接头空间）是干的，然后打开最终接头的两个端面钢封门上的人孔，进入到最终接头空间，进行现浇混凝土施工，如图8.20所示。

④楔形箱体施工方式。根据最终接头的实际间距，制作一段楔形钢壳，用起重船将钢壳插入最终接头部位，通过水力压接使楔形钢壳与原有管段形成一个整体，如图8.21所示。

图8.20　防水板接头方式

图8.21　楔形箱体接头方式

8.4　基础处理及回填

沉管管段就位后，槽底表面与沉管底面之间尚存在很多不规则的空隙，将会引起不均匀沉降，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）。

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。

沉管隧道基础处理的很多，这里介绍几种常用的方法。

8.4.1　先铺法

浚挖基槽时，先超挖60～90 cm，然后在槽底两侧打数排短桩，用作安设导轨，以控制高程和坡度。再通过抓斗或刮板船的输料管将铺垫材料投放到槽底，投放范围为一节管段长，宽为管段底板宽1.5～2.0 m。最后用简单的钢刮板或刮板船刮平。

为保证基础密实，管段就位后可加过量的压载水，使垫层压紧密贴。如铺垫材料为石料，可通过管段底板上预埋的压浆孔向垫层压注水泥膨润土混合砂浆。

先铺法能够清除积滞在基槽底的淤泥，使砂砾或碎石基础稳定；圆形断面或宽度较窄的矩形断面沉管隧道运用最多。不足是需要专门的刮铺设备；水上作业时间长；水底由潜水员架设导轨时费工、费时；刮铺完后需经常清除回淤土或塌坡的泥土，直到管段沉没开始为止；在管段底宽较大（超过15 m）以及流速大、回淤快的河道上施工困难。

8.4.2　喷砂法

喷砂法是从水面上用砂泵将砂、水混合料通过伸入管段底下的喷管喷注，填充管底和基槽之间的空隙，如图8.22所示。喷填的砂垫层厚度一般为1 m左右。

图8.22　喷砂法示意图

喷砂作业需一套专用的台架，台架顶部突出水面。台架外侧悬挂着一组（一根喷管，两根吸管）伸入管段底下空隙中的L形喷射管，作扇形旋移前进。在喷砂的同时，经两根吸管抽吸回水，使管段底面形成一个规则有序的流动场，砂子便能均匀沉淀。利用移动导架喷射（图（b））是在管段底下的空隙中设置一套能纵向（沿管段纵向）移动的导架，导架上放置横向往复移动的喷砂机械手，由水面工程船舶通过输砂管路输砂，导架由水面工程船舶拖曳纵向移动，管段下空隙的喷砂效果利用闭路电视监视。

喷砂法施工效率高，容易清除基槽底的淤泥，在欧洲用得较多，适用于宽度较大的沉管隧道。其主要缺点是喷砂台架体积庞大，占用航道影响通航；喷砂系统设备费昂贵；对砂子的粒径要求较严，增加了喷砂法的费用。

8.4.3压浆法

图8.23　压浆法
1—碎石垫层；2—砂石封闭栏；3—压浆孔；4—压入砂浆

压浆法的施工步骤为：在浚挖基槽时先超挖1 m左右，铺垫40～60 cm厚的碎石垫层；再堆放临时支座所需的石渣堆，完成后即可沉放管段；在管段沉放到位后，沿着管段两侧及后端抛堆砂、石封闭栏，栏高至管底以上1 m左右，以封闭管底周边；然后从隧道内部用通常的压浆设备，通过预埋在管段底板上的压浆孔（φ80 mm）向管底空隙压注混合砂浆，如图8.23所示。混合砂浆由水泥、膨润土、砂和外加剂组成。

压浆压力不宜过大，以防顶起管段。

压注法操作简单，不需要专用设备，施工效率高，施工费用低，不受水深、流速、浪潮及气象条件的影响，不干扰航运，无需潜水作业，可日夜连续施工。我国宁波甬江隧道在中国大陆首次采用该法，根据施工及运营观测，压浆基础情况良好。

8.4.4　压砂法

压砂法也称砂流法，此法与压浆法颇为相似，只是压入的材料为砂、水混合料。具体做法是：在河堤边或水上安置有载砂船、浮舟（安装有水泵和操纵吸料管的起重机）和灌送装置，在管段内沿轴向铺设φ200 mm输料钢管，混合料利用注砂泵经管道和预埋在管段底板上的压砂孔（带单向阀）压入管段底面以下的孔隙。有的为了避免在隧道底板应用止水的球阀，不从管段内部进行灌砂，而是通过预埋在隧道底板混凝土内的管道，从管段外部来灌砂。

压砂孔间距约为20 m，每次连续施工3个孔，当一个孔灌注范围填满砂子后，还要返回先前的孔重新压注，其目的是填满某些小的空隙。完成一段后再进行下一段。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。整个管段完成后再用焊接钢板封闭压砂孔。一般宜选用大流量低压砂泵，压力稍大于管段底水压力即可。

此法设备简单，工艺容易掌握，施工方便，施工效率高，不受气象、水文条件制约，对航道干扰小。但要认真处理好管底预留压砂孔，不得渗漏；压砂前要通过试验，合理选定压砂孔径、孔间距、砂水比、砂泵压力等参数。此外，砂基经压载后会有少量沉降。

压砂法最早在荷兰采用，以后逐渐推广，已取代了喷砂法。我国广州珠江沉管隧道也采用此法，效果较好。

本章小结

（1）本章主要介绍了沉管隧道施工的工艺流程、沉管隧道的基本结构、干坞设计、管段制作、沉管作业过程、基础处理等内容。

（2）沉管法诞生至今已有200年的历史。沉管法修建水下隧道，具有对地质水文条件适应性强、施工方法简单、工期短、造价较盾构隧道低、对航运干扰小、施工质量容易保证、接头少、隧道防渗效果好、抵抗灾害能力强等许多优点。因此，近十几年来得到较多应用。初步估算，我国（含港台）已建和在建的沉管隧道至少在20座以上。据报道，2012年在建的有：天津海河隧道、舟山沈家门港海底隧道、广州洲头咀隧道、港珠澳大桥工程中的海底隧道等。尤其是港珠澳沉管隧道是目前世界上综合难度最大的沉管隧道之一。

（3）随着国家经济和城市发展的不断深入，对城市交通提出了更高的要求，于是大量水下隧道正在兴建，而作为水下隧道最主要的施工方法的沉管法，越来越受到重视，应用前景广阔。

（4）尽管沉管隧道优点很多，但也有一定的制约条件，对航运会产生一定的影响。选择时应考虑以下原则：

第一，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，如衔接道路的标高和坡度要求等。

第二，具有较为合适的河（海）航道、水文及河（海）床条件。沉管隧道宜建在河床较平坦、水流较缓的下游地带，否则会给管节的沉放与对接造成困难。水深超过40 m时，管节的沉放、对接以及GINA临时密封困难。另外，虽然沉管隧道适合于软弱地基，但也不能忽视软弱地基的河床稳定性。

第三，施工条件应满足要求，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。

习　题

8.1　简述沉管法的基本概念。

8.2　沉管隧道的断面形式和结构材料有哪些?

8.3　干坞有哪些形式?如何设计和布置?

8.4　管段有哪些部位需要防水?都有哪些防水措施?

8.5　管段是如何出坞的?

8.6　说明管段的沉放方式、步骤及连接原理。

8.7　沉管隧道基础的充填处理方法有哪些?是如何处理的?