沉管隧道施工技术研究

沉管隧道施工技术研究

中铁第十三工程局第四工程处

【摘 要】 通过对沉管隧道的干坞修筑、管段预制、基础施工、浮运沉放、回填覆盖等工序施工方法的分析研究，对沉管隧道施工全过程施工工艺确定、质量控制等进行了较详细论述，为此类工程施工提供参考。

【关键词】 沉管隧道 施工技术 研究

1、 世界沉管隧道发展概况

自1910年美国用沉管法修建第一条水下隧道以来，至今已有90多年的历史。截止1998年，世界上共修建107座沉管隧道，其中美国、荷兰、日本等国修建的数量较多，中国共修建9座沉管隧道，其中内地修建2座（879延米），香港修建6座（7562.5延米），台湾修建1座（720延米），共计9161.5延米。

2、 沉管隧道工程简介

2.1.用管段沉放法修建水下隧道是一种重要的越江手段,是集水运、公路、桥梁、地下建筑、房建、钢结构、通讯、照明、消防、给排水、监控等综合技术的交通枢纽工程。至今，仍没有较科学系统的设计施工规范和标准。沉管隧道工程从其项目的确立到其设计、施工都要根据不同的水文、地质、航运及使用功能等方面的需要，建立大量的相应试验模型和数据库，并进行技术分析论证，确保各项技术指标的科学合理。同时，各专项试验贯穿施工全过程，利用试验确定的参数和现场勘测的数据，科学指导施工。沉管隧道施工技术含量高，难度大，多学科技术综合运用集中。

2.2.沉管隧道工程通过在岸上修建一干船坞，在干坞内预制管段，管段封闭，干坞内注水，管段起浮。利用经加工的特殊驳船，浮运至隧道位置，测量校正，管段内注水沉放。根据江河的流量和回淤量，确定基槽开挖时间，待开挖至设计高程并经基底处理后，以最短时间注水将管段沉入基槽内。利用千斤顶或其它方法进行管段的初步联接，采用水力压接法进行最终联接和接头封闭，最后回填覆盖。

2.3.沉管隧道的特点和类型 2.3.1.沉埋混凝土管段隧道

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沉埋混凝土管段隧道的特点是隧道的管段由钢筋混凝土制成，钢筋混凝土用于结构构造和作为镇载物，隧道外部防水一般采用钢板或沥青防水薄膜。

绝大多数混凝土管段隧道由多个节段用柔性接缝连在一起组成。因为每一管段是一个整体结构，更易控制混凝土的灌注和限制管段内的结构力。

2.3.2.钢壳管段隧道

钢壳隧道管段是钢壳与混凝土的复合结构，钢壳可作为防水层并在结构上有明显的作用。混凝土主要承受压力和作为镇载物，并且也有助于结构上的需要。

钢壳管段具有弹性特点，钢壳管道隧道是一个具有柔性的整体结构。 2.3.3.混凝土管段隧道技术与钢壳管段隧道技术的比较 2.3.3.1.管段制造技术比较

钢壳管段的制造：先制造全部或部分钢壳，再在此结构中添加浇注龙骨混凝土以增加其稳定性和刚度，然后下水。管段可通过使用平衡导向结构（绞盘、千斤顶、链条等）侧向下水或端头下水。管段浮在水上后，如有必要，可将其拖到一个舣装码头对钢结构进行最后装备，然后灌注全部或剩余混凝土，另外还安设一些水上作业特殊需要的装置，如临时性的挡头板、接缝结构和进入竖井。沉放前在管段上铺设附加的镇载——混凝土或砾石。这种管段制造技术可用于造船、造船台以及轮船升降机、船坞或临时性船坞渠。

混凝土管段制造是修筑干坞船或利用现有的船坞（经过局部改造）来建造。通过降水处理加固坞底、修筑防排水系统、管段模板设计加工、管段砼施工工序、工艺设计及控制等、完成管段制造。封闭管段、注水起浮、锚泊存放，下沉连接、回填覆盖等完成隧道施工。

2.3.3.2.沉放技术比较

钢壳管段的沉放采用混凝土或砾石做为镇载。

混凝土管段的沉放采用管段内注排水来控制管段的沉浮。 2.3.3.3.成本比较

因沉管隧道设计施工的复杂程度较高，控制因素较多，故不能简单地对成本进行科学合理的比较。

2.3.3.4.混凝土管段隧道及钢壳钢段隧道在质量、防水性、寿命、可靠性、维修等方面的最终结果是一致的。

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2.3.4.悬浮隧道：悬浮隧道的锚固系统已取代了浚挖作业，对浮力的假设与沉埋隧道完全不同。虽说目前还未建成一座悬浮隧道，但其数据收集和对环境影响的判断以及采取的技术革新与一般沉管隧道是基本相一致的。

2.4.沉管隧道的优点：可缩短施工期，减少时间超出和费用超支的风险，时间上的延误可以通过加快某些作业或者通过采取增加设备和相应的补救措施来弥补。

3、 沉管隧道施工准备

3.1.技术准备

3.1.1.外部情况和环境条件的调查、分析、判断 3.1.1.1.水力情况

3.1.1.1.1.数据收集与方法的选用

数据收集取决于工程当地的条件、工程特定的要求和可以获得的信息。长期信息（即经过5~10年时间收集的数据）是最为可取的。同时，判别选定关键的、重要的、可利用的信息、处理信息的方法及在未预见情况判定上，可通过熟练的专家对相关条件和情况进行评价，达到避免其发生的目的。

3.1.1.1.2.水流的速度及方向、水深、水流的性质和流量，分散和悬浮特征

收集水流速度及方向的长期数据，并建立数据库，测量水流速度、方向、潮汐情况，做好实测记录，与收集的数据进行比较分析，来规划拖船的能力、沉放设备、管段内的设施和拖运、沉放时间，科学合理地确定施工工序。有必要建立水上作业时测量记录流速及流向的系统。

3.1.1.1.3.水的比重、水中各层的有氧和缺氧状态

由于沉管隧道的设计与施工与浮力原理有直接关系，因此必须准确了解水的比重。水的比重在一段时间内可能随地点、深度、沉积和温度的不同而不同，而气象与水力条件之间的相互关系，对水的比重也有影响。根据沉管隧道位置，划定合理区域，按不同时间、温度、深度进行水的比重测量，并做好记录，是必要的。水的比重范围为0.9850~1.003。

3.1.1.1.4.潮汐

潮汐会引起水流速度及水位的变化，对管段制造场地的选择和设计、管段的水上运输和沉放、沉放地段的长度都有影响。通过详细的调查、分析，

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判断最适合水上作业或所需环境的“潮汐窗口”时期，以确保施工安全及施工精度。

3.1.1.1.5.波浪、大海浪和击岸波

波浪、大海浪的作用对管段的运输和沉放作业影响较大，击岸波对沉埋的排水也有影响。同时，隧道管段本身的频率与风、海上条件和/或航运行船引起的波浪或大海浪的可能频率之间的相对关系，对停泊在舣装码头上的隧道管段有巨大的影响。因此，对波浪、大海浪及击岸波要建立监测系统，收集相对准确的数据资料，做为管段运输、沉放、停泊施工方案设计的依据。

3.1.1.1.6.沉积

形成沉积的主要原因： （1）基槽处流速的突然降低。

（2）当与海水混合时，悬浮在淡水中的沉积物絮凝并沉到底部，形成薄薄的一层泥。而以后的潮汐作用在其上形成多次沉积并可能产生固结。

（3）在大流量和高流速水道中，可能存在着沿河底携带输送的材料（砂、卵石），这些材料很容易在已浚挖好的基槽中沉积。

（4）在某些条件下，为工程进行的一些活动或在工程附近的作业都可能增加沉积量。

沉积对基槽的维修、基础的质量和安装的镇载系统的质量、数量有影响。对不同流速下的沉积速度等状况的调查是必须的。

3.1.1.1.7.河流/海洋的其它特点及障碍

主要是指涉及结冰（冰块）、海藻和贝壳（或鱼）以及浚挖基槽位置上出现的沉船一类障碍的情况等。

3.1.1.1.8.水力模型

在上述数据的测量记录基础上，建立相关水力试验模型，对拖运沉放作业方案和操作方法的科学制定，有着非常重要的指导意义。

水作用于管段上的力的计算： F= 0.5·A·ｒ·V2·Cd

式中：A—垂直于水流的管段暴露的表面积；

ｒ—水的比重；

Cd—摩擦系数（拖运系数）；

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V—相对速度，即管段速度与水流速度之差。

摩擦系数Cd随特定工程的环境不同而不同，受隧道管段形状、河流状态、基槽布局、位于水中的管段尺寸和在河流中管段阻塞因素的影响，是由试验室试验得出。实践证明，试验得出的摩擦系数与实际值相吻合。因此建立水力模型是必须的。

3.1.1.2.气象方面

3.1.1.2.1.数据的收集和方法的选择

收集长期气候信息，建立现场气候监测和预报台，对预先了解各种作业时的气候条件，以采取相应的合理作业方案，是必须的，也是提前确定气候“窗口”（即指气候条件适宜于拖运和沉放作业的时间段）的必要依据。

3.1.1.2.2.建立风、温度、能见度、雨、雪气象情况的监测系统及数据资料库，并对数据进行分析、判定和处理，及时进行气象情况的预报工作，是保证工期、安全及尽可能地降低费用的必要手段。

3.1.1.3.航运/航海

主要进行航运量的调查，与航运部门和有关人员针对沉管隧道施工对航运的影响、封航时间等进行协商，以确定施工方案。同时，调查分析轮船运行对已沉放隧道管段的吸力及对系留在舣装码头的隧道管段产生的影响，提出轮船运行的限定标准和锚定或系留隧道管段缆索的质量要求。

3.1.1.4.土壤调查

收集该地区的地质历史，曾进行过的工程及对土壤的影响、岩层分布等方面的资料，做基槽浚挖边坡稳定性试验，实地勘测基槽中土壤的矿物成份、粒度成份、密实度、强度、粘度、固结程度、刚性材料的成份分布、污浊物的性质和污染程度，有机物的含量，粗碎屑的气体含量和化学性质等方面的数据，并结合工程特点，进行沉陷分析及预测。

3.1.1.5.对现场及受现场活动影响地区的生态条件的调查

物理条件：温度、光的强度和穿透度、沉积特点、掩蔽区/掩藏的地方、水流和波浪的能量。

化学条件：含盐量、氧气密度、养分、有毒物质、絮凝作用。 生物条件：食物关系、伴生物种。

3.1.1.6.地震方面：主要了解地震裂度，发生频率、周期等。

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3.1.1.7.了解周围环境对干船坞施工的限制，以便尽可能优化干船坞的位置及施工方法，减少对环境的不良影响。

3.1.2.沉管隧道施工的基本顺序

干船坞建造 第一批管段制作

起浮、拖运

第一批管段临

时停舶存放 起浮、拖运

沉放、接合

回填覆盖

路基铺装

内装设备

其 它

3.1.3.进行详细的图纸会审,并与现场实际对照、复核。

3.1.4.对干船坞施工、管段予制、基槽施工、拖运、沉放等方案邀请专家进行论证，并确定初步施工方案。

3.1.5.建立监测系统、试验系统、通讯系统，确定测量方案及试验项目。 3.2施工机械设备 详见附表。 3.3.组织机构

基槽浚挖 第二批管段制作 基底处理 - 6

干坞工区指挥部 沉管工区指挥部 总指挥部 干 坞 构 筑 管 隧 基 段 道 槽 预 内 开 制 设 挖 施 施 备 施 工 工 安 工 队 队 装 队 基础及地基处理施工队 管段浮运及沉放施工队 队 舣装码头、构筑及管段临时存放施工队 早开始料源的调查，并取样检验。原材料检验合格后，进行配合比设计，水灰比控制在0.53以下，并尽可能增加粗骨料含量的百分比。粗集料采用粒径小于40mm的连续级配碎石，选用适宜的外掺料取代部分水泥，选用适宜的外加剂来减水、缓凝、增密，以最终达到降低水化热的目的。

4、 干船坞施工

4.1.干船坞施工方法

根据工程特点及工期要求，结合干坞处的地质、地下水位情况，选定适宜的施工方法。一般干船坞施工方法有两种，即干挖方式和先湿挖后干挖方

3.4.材料物资准备

因隧道管道混凝土对粗、细骨料、水泥、外加剂、水的特殊要求，须尽

隧道回填覆盖与防护施工队

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式。

干挖方式施工便利，可同时采用多台套的大型机械施工。能合理选择干坞坞门及出坞航道的施工时机，对防洪影响较小。干坞的挖方就近弃于干坞附近，经整平后作材料堆放场地等。开挖及干坞施工完成后的回填均较便利。但干挖前，需预先采取降水措施。

先湿挖后干挖方式是利用开挖船在干坞预制或在出坞航道开挖及支护完成后，进行干坞开挖，且坞门必须在洪水季节来临前完成，施工组织难度较大。并且这种开挖方式需要大面积的卸泥脱水区，并需较长的管道输送。干坞施工完成后，经脱水后的泥砂还需要回运至干坞处回填。 干挖方式和湿挖方式主要项目对比表 项目 施工防 施工 施工 施工 对季节 对边坡 排水 开挖方式 干挖方式 防渗墙深井 降水 推土机铲运机挖掘机 占地 较少 较 开阔 无 无 抽水不当可引起边坡坍塌 调整余 地较大 调整余 地较小 机械 用地 场地 要求 影响 工期 影响 湿挖方式 临时卸绞吸式较 枯水期防渗墙 泥区占挖泥机 狭小 施工 地较大

4.2.干挖方式修筑干船坞 4.2.1.群井降水设计及施工

（1）现场做抽水试验确定渗透系数K 设1个观测孔时：

K=0.73Q(lｇｒ1－lｇｒ)／［(2H－S－S1)(S－S1)］

设2个观测孔时：

K=0.73Q(lｇｒ2－lｇｒ1)／［(2H－S1－S2)( S1－S2)］ K—渗透系数（m/d）； Q—抽水量(m3/d)； γ—抽水半径(m)； γ

1、

γ2—观测孔1、2至抽水井的距离(m)；

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h—由抽水井底至完全井的动水位距离(m) 抽水井↑Q 1 观测井 2 s—抽水井的水位降低值(m)； s1、s2—观测孔1.2的水位降低值(m)； 1 s2 ▽

H—含水层厚度(m)； s s ▽ （2）抽水影响半径计算： H ▽ h2

R0=R+ｘ0 h h1

R0—抽水影响半径（m）； A —干坞平面面积（m2）；

抽水井 γ γ1

γ2 X0 —假想半径（m）； （3）井点涌水量计算：

无压完整井深井井点涌水量计算： Q=1.366K·[(2H―S)·S∕(lgR0―lgX0)] 无压非完整井深井井点涌水量计算： Q=1.366K·[(2Ha―S)·S∕(lgR0―lgX0)] Ha —无压非完整井含水层有效带宽度（m），当 当:S′∕(S′＋l)为0.2, Ha =1.3(S′＋l)； 当:S′∕(S′＋l)为0.3, Ha =1.5(S′＋l)； 当:S′∕(S′＋l)为0.5, Ha =1.7(S′＋l)； 当:S′∕(S′＋l)为0.8, Ha =1.85(S′＋l)； S′—地下水位线至井点过滤管上端的距离（m）； L —过滤管长度； S —水位降低值；

（4）深井过滤器进水部分需要的总长度： L=Q∕q (m)

q—深井单位长度进水量(m3/d)； r—深井井点半径；

（5）群井抽水单个深井过滤器浸水部分长度：

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H0—抽水影响半径为R的一点水位（m）； H0=H―S n—深井数量（个）；

以nh≧Q∕ｑ来核定深井数量。 （6）群井同时抽水时的总涌水量：

Q＇=1.366K·[(2H―S1)·S1∕[lgR0―1/ｎ(lgX1·X2·X3??Xn)] 以Q′>Q来核定降水能力；

通过x1、x2?xn多次排列调整，确定群井最佳排列组合及合理井距； x1、x2?xn —各点至井点群重心的距离（m）； （7）井点管的埋置深度： H=h1+h2+Δh+IL1+h0

h1 —地下水位至基坑底面的距离（m）； h2 —井点管埋设面至进下水位的距离（m）；

Δh—降水后基坑范围内最高水位至基坑底面的距离（m）； I —降水曲线坡度，一般取1/10；

L1—井点管中心至基坑中心的水平距离（m）； h0—滤水管浸水部分长度（m）；

（8）根据Q′及管的埋置深度选择适宜的水泵。 （9）群井降水施工：

根据地质状况，选定适宜的钻机进行成孔施工，然后下管回填渗水料，管顶段1.0—2.0 m范围内填充粘土封闭。修建抽水机房，安装抽水机系统和抽水管道系统，修筑排水沟渠，进行抽水降水，设观测口及时观测水位。

4.2.2.干坞

采用群井降水，一定时间后，利用推土机、铲运机、挖掘机和自卸汽车，根据不同地质，采用不同坡率放坡开挖，并在地层分界处修筑宽度不小于2.0 m的台阶。开挖土方弃至指定地点，并分层摊铺。在台阶处适时采用定喷高压喷射注浆构筑防渗帷幕，达到止水稳定边坡目的。继续开挖至设计坞底标高。进行坞底整平，开始边坡支护、坡面防护及坞底回填施工。管段预制基

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础下一定范围（一般为60—80cm）内自下而上换填碎石、石屑层，碎石、石屑和水泥层，级配碎石、砾砂、水泥层及细石、砾砂找平层。各层均用机械摊铺、整平并碾压密实。干坞坞底根据工程特点，可采用不小于15厘米的素混凝土覆面， 为预制施工创造良好条件。

在干坞坡面上，须施工不少于两条坡度适宜的施工便道，坡面及坞底便道路面，自下而上可采用碎石、石屑底基层和泥灰结碎石路面，并分层整平碾压密实。

4.3.先湿挖后干挖方式修筑干船坞

采用绞吸式挖泥船开挖干坞淤泥，首先在干坞侧修建卸泥围堰和干坞四周的临时防洪堤。根据干坞平面面积及工期要求，确定湿挖作业的挖泥船数量。挖泥船破开既有堤坝，进入坞址作业。开挖至距设计坞底2.0 m左右时，停止作业，退出坞址，及时封堵堤坝龙口。封堵作业完成后，集中抽水设备，排除坞内积水，抽水过程，要合理控制排水速度，防止边坡失稳坍塌，坞内积水排除后，使用高压水枪冲击坞内淤泥，用大功率的泥浆泵抽排淤泥。淤泥清除完成后，开始按设计坡度修筑干坞边坡，施工防渗帷幕，修筑开挖施工便道，利用推土机、挖掘机等机械挖除坞内剩余土方，构筑坡面支护挡护工程，开始坞底基础换填，并分层碾压密实，尽快铺设坞底排水系统。便道、管段予制基础加固、坞底覆面等施工同干挖方式施工。

4.4.坞内排水系统施工 4.4.1.坞内地面排水系统

（1） 作用：在管段的制作和养护过程中，使用水量较大，为方便、快捷地排除施工残水、降雨及渗水，而设置坞内地面排水系统。

（2） 组成：坞底地面排水系统主要内中央排水沟、边沟及集水井组成。管段施工残水、养护水和降雨等由中央排水沟排至边沟，再由边沟引排至集水井，干坞边沟同时汇集边坡地表水、边坡渗水，引排至集水井，最后由抽水机直接抽排出坞外。

4.4.2.坞底地下排水系统

（1） 作用：排除地下渗水，确保坞底地下水位处于坞底1 m以下，在坞底换填基础下设置地下排水系统。

（2） 组成；主要由碎石盲沟、软式透水管、窨井、集水井组成。碎

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石盲沟排出的地下水经由软式透水管、窨井，汇集至集水井，再由集水井抽排出坞外。

4.4.3.在排水系统施工中，根据设计图纸，明确各排水沟的排水方向，准确控制排水沟底标高是关键，各排水沟相接、相交处的施工质量更不容忽视。

4.5.坞门及出坞航道施工 4.5.1.坞门

首先施工坞门护岸、钻孔灌注桩或钢板桩支护，开挖坞门处土方，施工坞门、坞墩基础（一般为钢管桩或钢板桩或钢筋砼打入桩）和坞门底防渗帷幕（一般为旋喷桩或钢板桩）。基础施工完成后，开始坞墩混凝土施工。同时进行坞门的加工制作和坞门安装。坞门通常采用浮箱式坞门，启闭方便。

4.5.2.出坞航道

施工次序：干坞内航道→干坞外一定距离内航道→临时围堰→干坞外剩

航道铺底 余航道干挖

施工过程中，根据设计要求，严格控制航道底标高，先支护后开挖，先内后外，且支护要充分。

4.6.管段存放场施工

根据隧道位置、水域情况，采用修筑存放码头或锚定趸船，存放待沉放管段。存放方式有：水下存放和水上存放。水下存放需在水下构筑存放墩和锚泊墩；水上存放，需在趸船与管段、管段与管段间设置防撞设施，存放水域必须安设警示浮标，以防船只碰撞。详见干船坞平面示意图，坞门示意图。

5、 沉管隧道管段预制

管段预制是沉管隧道的主要工序，其工期和质量不仅直接影响管段的浮运和沉放，而且关系到隧道运营的成败。预制工艺的关键技术是控制混凝土的容重、管节结构尺寸精度和钢筋混凝土裂缝。

5.1.预制质量要求 5.1.1.设计要求 (1) 混凝土要求：

混凝土等级、抗渗性满足结构受力及抗渗要求要求。

混凝土容重允许偏差：―0.02t/m3、 +0.01t/m3。

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抗裂要求：不允许出现贯穿裂缝，尽量避免表面裂缝，表面裂缝宽度 ≤0.2 mm。

入仓温度：＜28℃， 内外温差：＜25℃ （2）结构尺寸精度要求：

内孔净宽 ： Δ≤+0 — ＋10 mm； 内孔净高 ： Δ≤+0 — ＋10 mm； 壁 厚 ： Δ≤+0 — ―10 mm； 管 宽 ： Δ≤+5 — ―20 mm； 管 高 ： Δ≤+5 — ―20 mm； 管 长 ： Δ≤―30 — ＋30 mm。 （3）端头要求：

平整度：面不平整小于3mm，每延米内不平整小于1 mm； 横向垂直度（左、右两点之差）：小于3mm； 竖向倾斜度（左、右两点之差）：小于3 mm 。 （4）防水要求：

沉管管段要求以自防水为主，外防水材料要求有优良的抗渗性能，且与混凝土表面的粘接力强，有一定的抗压、抗拉强度，有一定的延伸率，长期浸泡在水中，其性能不发生明显变化及无环境污染，耐摩擦性能好等，同时要求施工设备简单，操作方便。

5.1.2.施工要求 （1） 施工工艺要求；

施工缝离底肋不小于200 mm，横向施工缝间距应附合防裂要求，底板及顶板纵向不允许设施工缝。

（2） 混凝土工艺要求：

水灰比小于0.53，塌落度10—14cm，混凝土需进行缓凝处理，且要适应泵送运输的要求，同时要求限制水泥用量，并尽可能增加粗骨料含量，粗骨料尽可能选用粒径小于40 mm的连续级配碎石。

（3） 模板工程要求：

要有足够的刚度，能整体移动，保证混凝土表面质量，套数满足工期要

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求。

（4） 施工误差控制：

水泥小于1%，砂子小于2%，碎石小于2%，外加剂小于1%，结构尺寸误差按设计要求控制。

5.2.施工顺序

根据每节管段的长度，以施工缝划分施工作业段，一般每段12m—18m。为防止跳跃式浇筑，施工缝处出现超标裂缝，可设1.5m左右的后浇带。在同一作业段内，按照断面结构分底板、墙身、顶板三个施工作业块。采用流水作业法施工。为保证工期按计划进行，设定几个部位工序的开工（或完工）时间做为工期控制点。如：①每节管段第一块混凝土浇筑时间；②第一个端壳安装结束时间；③第一套台车就位时间；④流水作业段的最后一块混凝土浇筑时间；⑤第一个端封门结束时间；⑥台车全部退出时间。

5.3.模板、台车 5.3.1.模板

管段模板根据管段不同部位分为：底板外模板，边墙内、外模板，顶板侧模、底模及端模，管段底模。设计有防水钢底板、部分外边墙钢板的沉管管段可不做管段底模和底板外模。

因酚醛覆面竹木胶合板有一定的保温作用，故管段预制模板采用钢框酚醛覆面竹木胶合板模板。竹胶板厚度20mm，钢框与面板间采用螺栓及自攻螺丝连接，同时模板钢框加劲肋与灌浇支架台车连接，整体安装拆除。

5.3.2.浇筑台车 5.3.2.1.边墙浇筑台车

边墙浇筑台车由间距为1.0m采用型钢纵向连接的多榀门架组成。单榀门架由连结工字钢横梁、立柱、走行部分、模板调节系统构成。（详见边墙砼浇筑台车示意图）

工作原理：利用φ100mm的双螺纹丝杆调整丝箍的上下位置，改变斜杆的角度，使模板与立柱间的水平距离发生变化，安装、校正及拆除模板。

5.3.2.2.顶板浇筑台车

顶板浇筑台车由间距为1.0m采用型钢纵向连接的多榀门架组成。每榀门架由支撑桁架横梁、立柱、斜撑、起落系统、走行系统组成。（详见顶板砼

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浇筑台车示意图）。

工作原理：台车就位后，利用起落系统的机械千斤顶或高强双螺纹丝杆，支顶底板混凝土，将台车向上顶起，走行轮与轨道之间的孔隙不小于80mm。将起落系统锁死，开始绑扎钢筋，浇筑顶板混凝土。拆模时，打开起落系统，调整千斤顶和丝杆，使台车连带模板一并下降，走行轮落在轨道上，沿轨道移走台车，开始下一循环作业。顶板两侧斜角部分模板，采用丝杆斜撑来支拆。此模板与水平模板相接处面板及加劲肋断开一定缝隙，对应桁架处铰接。拆模时，首先调整丝杆斜撑，以斜板与水平板相交点处为轴，拉开斜板模板，使模板与边墙间距达20mm后，方可落下台车。

5.3.3.模板、浇筑台车套数由预制管段数量及工期要求来确定。 5.4.钢筋及钢构件工程施工

钢筋及钢构件加工，在坞外加工场地进行，在坞底绑扎安装。为确保工期和工程质量，边墙及顶板钢筋，在坞底绑扎完成后，利用自制龙门吊来安装。根据管段结构尺寸及干船坞内管段预制基础布置情况，确定龙门吊跨度和龙门吊数量。

龙门吊吊装钢筋笼必须采用横、纵梁来进行，以确保钢筋笼质量。 5.5.管段混凝土施工

一般将混凝土拌合设备及水泥、粗、细骨料存放场、库设置在坞外。骨料采取高堆内取，骨料的堆放高度不低于6m，并通过料堆底部地陇取料。骨料入料仓48小时后方能使用。骨料存放及皮带运输机范围内设置防雨遮阳棚。采用泵送管道灌筑混凝土，插入式振捣器为主，铺以附着式振捣器。夏季，要合理选择灌筑混凝土时间，并采取适宜的降温措施。

5.5.1.混凝土配合比设计：在满足混凝土的强度和抗渗、抗裂条件下，选择最佳配合比。除对常规项目进行试验论证外，还必须进行水泥水化热、水泥干缩、混凝土收缩、混凝土温升等项目的试验论证。

5.5.1.1.管段重量控制 （1） 混凝土容重控制：

混凝土配合比通过上述全面分析和各专项试验论证，并由试件验证后，选定最佳理论配合比和最佳施工配合比，确定混凝土理论容重，做为考证施工过程中混凝土容重控制的基础。各种材料（含水泥、外加剂，掺加料等）

- 15

均须采用自动计量称重设备衡器来施工。

计量误差的控制：一是按规定进行计量衡器器械的检验校正工作，保证计量衡器器械的精度满足质量要求；二是在施工过程计量实施中，由专职计量试验人员每天不定时地进行校对修正，使配合比中各种材料的误差控制在规范允许范围内，从而保证混凝土实际容重在允许误差范围内。

（2） 结构尺寸控制

管段混凝土结构尺寸的控制关键是模板的设计、加工、安装及混凝土浇筑前、浇筑过程中和验收的精心管理控制。

在管段模板设计时，要将全部荷载充分分析列入，并有一定的安全储备，同时制定出加工工艺及质量控制标准，经过技术论证后，进行加工。在加工过程中，对模板每一构件的设计图纸及质量标准，严格检查。模板全部加工完成后，使用前，必须按图纸进行试拼，并对其进行全面验收。模板设计与浇筑台车设计要配套全面考虑，并根据计算出的模板、台车变形量，设计反向变形来调整模板安装位置，从而使模板变形后，管段混凝土结构尺寸仍然在允许范围内。

施工工序质量的严格控制：制定模板安装、拆卸、运输、存放及维护、混凝土入模、振捣施工工艺及标准。从测量放样开始，对每一道工序及所有几何尺寸均反复进行严格校对、检查、复查、验收，并作好记录。明确每一道工序施工负责人、检查执行人，明确操作者作业标准，使误差得以系统全面地控制。模板及台车全部支撑的牢固程度为浇筑全过程重点检查控制项目。

5.5.1.2.管段施工阶段的裂缝控制 （1） 混凝土浇筑前裂缝控制的计算

根据施工中拟采取的防裂措施和已知施工条件，计算混凝土的水泥水化热绝热温升值、各龄期收缩变形值、收缩当量温差和弹性模量，并计算可能产生的最大温度收缩应力。如最大温度收缩应力不超过混凝土的抗拉强度，则所采取的防裂措施能有效控制预防裂缝的出现；如超过混凝土的抗拉强度，则可采取调整混凝土的浇筑温度、减低水化热温升值，降低内、外温差，改善施工操作工艺和混凝土性能，提高抗拉强度或改善约束等技术措施重新计算，直至计算的应力在允许范围内。

水化热绝热温升值计算：

- 16

T(t)=( ｍc Q∕ｃ·ρ)·(1―e)

T（t）— 浇完一段时间ｔ，混凝土的绝热温升值（ ℃ ）； ｍc — 每立方米混凝土水泥用量（kg/ｍ）； ｃ — 混凝土的比热；

ρ — 混凝土的质量密度（kg/ｍ）； e — 常数，为2.718；

m — 与水泥品种、浇捣温度有关的经验系数，一般取0.2—0.4，也 可以从厂家获取；

Q — 水泥水化热量，由水泥生产厂家提供（Ｊ/kg） t — 混凝土浇筑后至计算时的天数（d）

各龄期混凝土收缩变形值： Σy(t)= ΣΣ

c y

cy

3

3

-mt

(1―e

-0.1t

)·M1·M2·M3·?·Mn

―4

— 标准状态下的最终收缩值（即极限收缩值），取3.24×10；

M1、M2、M3?、Mn—考虑各种非标准条件的修正系数（见表1）； 各龄期混凝土收缩当量温差：是指混凝土收缩产生的变形，换算成相当于引起同样变形所需要的温度；

Ty(t)= Σ

y(t)

∕α

α— 混凝土的热扩散系数.

λ— 混凝土的导热系数（W∕m·k）. λ=（1/P）(Pcλc+Psλs+Pgλg+Pwλw).

P1、Pc、Ps、Pg、Pw— 分别为混凝土、水泥、砂、石、水的每立方米混凝土所占的百分比（%）.

λc、λs、λg、λ

w

— 分别为水泥、砂、石、水的导热系数（W∕m·k）.

C=（1∕P）（PcCc+PsCs+PgCg+PwCw）.

Cc、Cs、Cg、Cw — 分别为水泥、砂、石、水的比热（ＫＪ/kg·k）；

各龄期混凝土弹性模量： E(t)=Ec(1－e

-0.09t

)

2

E(t) — 混凝土从浇筑后至计算时的弹性模量（N／mm）；计算温度应力时一般取平均值；

Ec — 混凝土的最终弹性模量（N／mm），可近似取28d的弹性模量；

2

- 17

混凝土的温度收缩应力：

б=[E(t)·α·ΔT∕(1―γ)]·S(t)·R （N／mm） ΔT — 混凝土的最大综合温差（℃）

ΔT=T0＋(2/3)T(t) ＋Ty(t)―Th) T0 — 混凝土的入模温度（℃）；

Th — 混凝土浇筑后达到稳定时的温度，一般根据历年气象资料取当年平均气温（℃）；

S(t) — 考虑徐变影响的松驰系数；

龄期(d) S(t) 0 0.5 1 2 3 7 10 15 20 28 40 60 90 2

1 0.626 0.617 0.59 0.57 0.502 0.462 0.411 0.374 0.336 0.306 0.288 0.284

R－混凝土的外约束系数，当为岩石地基时，R=1，一般地基为0.25～0.50； γ―混凝土的泊松比，一般取0.15 ～0.20； 混凝土和钢筋混凝土极限拉伸计算： ε

pa

=0.5fct（1+ρ/d）×10

2

-4

fct―混凝土的抗拉设计强度（N/mm） ρ―配筋率（%），ρ=EaAa/EbAb

Ea、Eb―分别为钢筋、混凝土的弹性模量（N/mm），Aa、Ab—分别为钢筋混凝土的截面积； D—钢筋直径（cm）。

（2）混凝土浇筑后裂缝控制的计算

在管段混凝土浇注后，根据实测温度值和绘制的温度升降曲线，分别计算各降温阶段的混凝土温度收缩拉应力。如果累计总拉应力不超过同龄期的混凝土抗拉强度，则表示所采取的防裂措施能有效控制预防裂缝的出现，如超过该阶段时的混凝土抗拉强度，则应采取加强养护、保温等措施，使其缓慢降温和收缩，提高该龄期的混凝土的抗拉强度，以控制裂缝的发生。

混凝土绝热温升值计算： T(t)=[(mc·Q)/（c·ρ)）(1―eTmax= mc·Q/c·ρ

―mt

2

)

- 18

T(t)、mc、Q、c、ρ、e、m、t等的符号意义同（1）； Tmax—混凝土的最大水化热温升值（℃）； 混凝土实际最高温升值：

根据各龄期的实测温度升降值及温度升降曲线，计算各龄期实际水化热最高温升值。

Td=Tn―T0

Tn—各龄期实测温度值（℃）； T0 — 混凝土入模温度（℃）； 混凝土水化热平均温度： Tx(t)=T1＋2/3T4=T1＋2/3(T2―T1)

T1 — 保温养护下混凝土表面温度（℃）； T2 — 实测混凝土结构中心最高温度（℃）； T4=T2―T1

混凝土结构截面上任意深度处的温度： Ty=T1＋(1―4y/d)T4 d — 结构物厚度；

y — 基础截面上任意一点离开中心轴的距离；

各龄期混凝土收缩变形值，当量温差及弹性模量：计算同（1） 各龄期综合温差和总温差： 综合温差：T0(t)= Tx(t)＋Ty(t)

Ty(t)—各龄期混凝土收缩当量温差（℃）； 总温差：为混凝土各龄期综合温差之和： T= T0（1)＋T0（2)＋T0（3)＋?＋T0（n) 最大温度应力值：

2

2

α— 混凝土线膨胀系数，取1×10； γ— 泊松比，当结构双向受力时，取0.15； Ei(t) —各龄期混凝土的弹性模量；

―5

- 19

ΔTi(t) —各龄期综合温差，均以负值代入； Si(t)—各龄期混凝土松驰系数

cos h — 双曲余弦函数，可由函数表查得； β — 约束将态影响系数，

H — 结构厚度（ｍｍ）；

Cx— 水平阻力系数（N/mm），此处可取100 N/mm； L — 结构底板长度（ｍｍ）； 降温时混凝土的抗裂安全度： K=fct/ζ

(t)

2

2

≥1.15

fct—混凝土的抗拉强度设计值； （3）防止管段制作时开裂的措施

管段混凝土制作时产生裂缝的原因主要在于：干船坞地基不均匀沉降、混凝土干缩、沉缩、温度应力。因此，可采取如下防开裂措施：

防止地基不均匀沉降的措施：坞底严格按设计换填，并碾压密实，采取设置后浇带及按次序分段浇筑，排、注水系统良好。

防止干缩开裂的措施：混凝土浇筑后12小时覆盖养护，湿养环境湿度70﹪以上，湿养时间不少于14天，养护水温与混凝土表面温度相近。

防止沉缩开裂的措施：选择级配良好的粗、细骨料，粗骨料选用最大粒径小于40mm连续级配碎石；水灰比小于0.53；选用适宜的外掺料，如粉煤灰代替水泥并降水化热；选用有减水、缓凝、增密作用的外加剂（包括补偿收缩用的膨胀剂）；选用恰当的振捣工具及与粗骨料粒径相匹配的振捣参数；选择早强、水化热低且干缩小的水泥，采用底板、边墙、顶板的混凝土浇筑次序；根据外部环境条件确定合理的浇筑时间，采用水冷散热系统，注射液氮或添加冰水，原材料覆盖高堆，泵送混凝土管道外缠泡沫膜等混凝土降温方法；选用性能良好的隔热模板；未满7天的混凝土本体温降或温升应不超过3℃∕d；脱模时间，要避开水化热峰值和内外温差过大的时间，且混凝土强度不低于2.5Mpa；混凝土拌合出机至浇筑完毕的时间：当气温低于25℃时，不大于90分钟，当气温大于25℃时，不大于60分钟。

- 20

（4）管段混凝土裂缝及施工缝处理

裂缝防水处理：针对贯穿性的裂缝，使用低粘度、高渗透性的化学浆材充填；针对未贯穿裂缝，采用高渗透性的混凝土密实剂进行表面涂刷防水涂料进行封闭。

施工缝的防水处理：施工缝处均设置加强钢筋，并安装两道止水带，一道为橡胶止水带，一道为镀锌止水钢片。也可根据实际情况设置一道橡胶止水带。

5.6管段检验与修复

管段浮运之前，在坞内进行质量检查与测试，以验证其各项指标是否符合设计标准和要求，同时，对发现的问题进行必要的修复。

5.6.1检验

（1） 外形尺寸检查：重点是管端倾斜度，如果误差超限，必须在坞内予以修整。

（2） 各种预埋件与焊接质量检查：预埋件是否有遗漏、位置是否准确、焊缝质量是否符合标准要求。

（3） 裂缝的检查与测量

仔细检查管段是否开裂，如有裂缝，应查清裂缝的宽度、长度与深度，

对超出允许范围的裂缝要作好标记，以便修复。

（4） 试浮

待以上各项检查均通过后，坞内灌水，进行管段起浮试验，验证干舷值是否符合设计要求，为防锚层和压载重量的调整提供准确的参数。

（5） 水密性检查

管段在坞内应进行水密性检查，验证其防水性能，如有渗漏，便于采取补强措施。

（6） 修复

管段在制作中产生的各种误差，可通过一般的施工措施加以控制或修复。对管段在制作中出现开裂产生渗漏，则可按以下措施预以修复：

（1） 化学灌浆法

其材料可选用丙凝、聚胺脂或环氧树脂，施工工艺可采用单、双液两种方法。

- 21

（2） 防水砂浆或涂料封堵

对大面积渗漏，一般原则是将大变小、变面为线、变线为点，面积大时可选用适宜的防水砂浆或涂料进行封堵。

（3） 作整管段的外贴防水层

防水涂料：如乳化沥青、焦油聚氨脂等。 柔性防水卷材：如EVA、EBC、PE、三元乙丙等。

6、沉管隧道基础施工

先铺法 基槽粗挖→精挖→基槽修整→清淤整平→管段沉放 基础处理 后填法 6.1.基槽开挖（疏浚）

开挖前应作基槽边坡稳定性离心模拟试验和回游平面二维泥砂数学模型、物理概化模型试验，并根据水文、地质、工程数量、工期要求、施工航道宽度、水深等条件采用合理的疏浚方案。 6.1.1.基槽开挖时间的确定

根据回淤计算基槽、地质状况和管段沉放时间，具体确定基槽开挖时间。一般在管段沉放前10天开始施工（泥砂质河床）。 6.1.2.开挖施工机械设备

基槽开挖机械设备主要有：戽头式挖泥机、带切泥头或吸泥头的吸泥或挖泥机、带抓斗的起重机等。上述机械安装在锚柱式、锚固式驳船上进行作业，由运泥船将开挖泥砂等运至指定区域卸掉。 6.1.3.开挖施工

将疏浚船停泊在隧道位置，经测量准确定位后，开始作业。基槽开挖分粗挖和精挖两个阶段，首先挖至距基底设计标高1.0m—2.0m，然后采用抓斗式挖泥船进行精挖。在开挖全过程，对基槽位置、宽度、深度和边坡经常检查，合理控制。精挖完成后，由潜水员进行水下喷射修整工作。如遇孤石，根据实际情况，可采用抓斗式挖泥船、岩石破碎机或水下钻爆等方法开挖清除。基槽开挖长度应比相对应管段长30米左右。

基槽开挖后，及时进行清淤，以确保隧道基础的质量。清淤主要采用气

沉管隧道基础施工分为基础开挖和基础施工两阶段。其施工顺序如下：

- 22

力吸泥泵等高效清淤船来进行。清淤后立即进行基底整平。

6.1.4.在开挖过程中，要经常监测疏浚作业对环境的污染，并通过数据分析，适时采取有效措施降低污染指标。

6.1.5. 开挖作业全过程，在作业区域边缘设置警戒船或警戒标识，避免船只进入作业区域发生意外。

6.2.沉管隧道基础

沉管隧道基础处理方法相对于管段沉放基本分为先铺法和后填法。其中先铺法（刮铺法）有：刮砂法、刮石法；后填法有：灌砂法、喷砂法、压砂法、压浆法、灌囊法等。其中在世界上使用较普遍的有刮铺法（27座），喷砂法（22座），压砂法（19座）和压浆法（12座）。我国宁波甬江沉管隧道采用压浆基础，广州珠江沉管隧道采用压砂基础。在西欧有个别隧道采用桩基，主要用于特软地基。

6.2.1.刮铺法

在基槽两侧打入数排短桩安设导轨，以控制高程和坡度。在刮板船上安设导轨和刮板梁，刮板梁支撑在导轨上，钢刮板梁扫过水底的砂石而形成基础。刮板船用大块平衡重沉浮到水中稳定的水位上。用抓斗或通过刮铺机的喂料斗向基槽内投放砂石，砂石级配及粒径范围须根据水文情况合理选定。必要时通过管底预留孔压注水泥斑脱土。为保证基础密实，管段就位后，向管段内加注镇载水，使基础沉降。基础施工时须预留足够的抛高量。

6.2.2.喷砂法

四十年代初，在荷兰玛斯隧道施工时，丹麦Christiani ＆ Nielson公司发明了喷砂法。

（1） 喷砂法作用原理

管段沉放在临时支座上，利用设在管段顶部的可移动门式台架上的砂泵将砂水混合料通过管段外侧伸到管段底部的喷射管（1根）及其两侧的吸水管(2根)，向管段底部和基底之间的空隙喷砂吸水，在管底形成一个规则有序的流动场，使砂子均匀沉淀。（如下图）

可移动式

管子 支架

- 23

1—喷砂管 2—回吸管

喷砂法原理 喷砂施工示意图

(2) 喷砂施工

在喷砂开始前，可采用喷砂设备的逆向系统把基槽底面上的回淤或松散的松动土清除干净。

砂的平均粒径一般控制在0.5mm左右，砂水混合料中含砂量一般为10%，有时可达20%。

喷射时喷管以垂直轴作扇形旋转移动，从吸水管回水中的含砂量来测定砂层的密实程度。施工顺序为从管段紧靠已沉放管段的前端开始，喷到后端后，用浮吊将台架移到管段的另一端，再从后端向前开始喷填。喷砂作业完成后，通过设在临时支座上的压力感应器测定基础的压力满足要求后，即松开临时支座上的千斤顶，使管段全部重量压到砂垫层上。测量其沉降量做好记录。

（3）喷砂法的缺点

喷砂法用的喷砂台架体积庞大，占用航道影响通航，且设备费用昂贵。此外喷砂法对砂的粒径要求较严，增加费用。

6.2.3.压砂法

（1） 压砂法作用机理

压砂法是砂水混合料从驳船中由泵砂系统的管道送入砂泵，通过压砂管道经管段底板上予留的压入孔，将砂水混合料以一定速度喷入管段下的水中，形成砂水混合流（简称砂流）。砂流抵达基槽底面后，砂子在管段下面与管段底面接触。重复多次，砂盘的直径越来越大，并全部填满管段下面的空隙。

（2） 压砂基础的设计

·建立压砂基础模拟试验系统，结合隧道埋置深度及管段的超重，通过反复试验计算，确定压砂砂流的压力（流量、速度），压入孔的大小，间距、数量及布置方式，选用压砂材料特性，砂积盘半径，压砂顺序等。并通过模拟试验定量确定砂积盘充满程度，压砂孔直径与砂积盘扩展半径的关系，压砂时向上的浮托力与砂积盘半径的关系，砂积盘空隙比和相对密度、管段超

- 24

荷与砂积盘沉降之间的关系等施工控制指标，来指导施工。

·根据试验计算砂积盘与管段底面相接触的环形部分的水压力，利用达西定律计算：

P=ΔP（lnr∞s-lnr）/（lnr∞s-lnrc）

其中：ΔP—冲击坑内水压，决定于喷入砂流高度方向的长度；

r—计算水压力处距压入孔中心的距离； r∞s—砂积盘扩展半径，r∞s=2.5ys； ys—冲击坑深度；

ys=0.4d0[（1+ΔC0）U0/48d0Hs] d0—压入孔直径； Δ=（ρs-ρw）/ρ ρ

s、

w

2

1/3

[当1

ρ

w

—砂、水的密度；

C0—喷入口处体积含砂量；

U0—砂流注入速度；g—重力加速度；

Hs—砂流的冲量与砂积盘内水的质量比值，为一常数； H—基槽底面距管段底的高度； ys=0.4d0[（1+ΔC）U/ΔgdHs] U—砂流在基槽底面的速度； C=（ρm-ρw）/（ρs-ρw） d=（C0 U0/CU）

1/2

2

1/3

[当H/d0>4]

rc—冲击坑的半径， 2rc = d0 + K1Q

1/2

；

K1—试验常数； ρm—砂水混合料的密度；

Q—基底上方高度H处的砂流流量， Q=dлU/4 以上公式是建立在喷入砂流模拟试验基础上的。 （3） 压砂基础施工

·参数的选取及压砂孔的布置

通过压砂试验，计算砂垫层的相对密实度是否满足承载力和抗液化的要求；选定单孔最大扩散半径；在满足砂积盘充分相交和管段抗浮能力的需要的前提下，布置压入孔位置，并相间布置适当的压浆孔；设计压砂管道走向和各种调节闸阀；设计施工顺序。

2

- 25

·施工工艺

安装砂水搅拌站和砂泵，修筑存砂场，采集砂料，安设泵砂管路及闸阀、仪表，并检查、调试、校对。压砂前，做好基槽清淤。砂水混合料经拌和站按设计比例拌和后，经砂泵加压，通过输砂泵管，由管段的入孔下到沉管内主干管道内，将砂水混合料输送到待压管段。再经与主干纵向管道相连的横向管，通过调节闸阀，实现压砂。压砂时在隧道轴线方向以与管段压接相同的方向进行压注；在横向，按先中间后两侧的顺序压注。每节管段自由端的最后一排压砂孔，在下一节管段水力压接前不能压砂。当下一节管段对接完成后，再从上一节管段最后一排压砂孔开始施工。当一个压砂孔的压注范围填满时，返回重注先前孔的砂层，以填满由于砂层基础沉陷造成的小空隙。压砂过程中每隔5—10min对管内底板抄平一次，避免管段发生轴向和横向的倾斜。当第二节沉管压砂完成后，测量第一节管段的标高、坡度，确认符合设计后，放松四个临时支座上的千斤顶。进行沉降量观测，初步判定砂垫层密实情况。若下沉量过大，须采取措施进行补压；若下沉量不大，则可进行冲击坑和压入孔的注浆。整个过程循环作业，直到全部压砂基础全部完成。

·关键参数控制

为使压砂施工顺利进行，压砂过程中，应建立一套监测手段及指标，实行动态管理。监测项目有：压砂管道的压力，砂水混合料的容重和流速，管段两端作为临时支承的支托及千斤顶的承载力，压砂点与任意非压砂点之间的压力差。

监测主要通过在压砂管道上安装压力表和流速测量仪、在砂泵处随机取样测量砂水混合料容重、在管段下临时支座的两千斤顶及管段端墙上的两个支托上安装压力传感器。及时量测，作好记录，准确指导施工。

（4） 压砂基础的质量检测

当每节管段压砂完成后，应进行必要的质量检测。检测项目主要有：压砂量；一孔压砂完成后，通过四周邻近孔检查砂积盘扩展半径；砂积盘的空隙比和相对密度；管段两侧的压砂孔在压砂完成后，管段外侧下部是否具有凸出管底1-1.5m左右的砂层；临时支座上千斤顶放松后，砂基础的沉降量，并与试验沉降曲线计算值相比较；管段的高程、坡度及中线位置等。

6.2.4.压浆法

- 26

(1)压浆法作用机理

在管段沉放前，先抛填碎石并整平。管段沉放后，先在管段两侧抛填砂碎石，再从管内向管底与抛石层间压注混合砂浆，混合砂浆一般由水、粉煤灰、膨润土、砂及适量的外加剂组成。压浆开始时，砂浆在压力作用下由于本身的流动性，离开压浆孔沿着水流方向四周扩散，渗入管底碎石的空隙中，沉积成圆形砂浆盘。随着砂浆的不断注入，砂浆盘的外缘和厚度不断扩大，经过一段时间后开始触及管底。由于管段的约束作用，砂浆盘的厚度不再增加。继续压注砂浆，克服了砂浆盘的薄弱环节和隧道底部摩擦阻力的砂浆，扩散到砂浆盘外缘流速较小的区域，并不断沉积下来，同时渗透进入下部堆石的空隙。经过不断重复，隧道底部的空隙被填满。固结后具有一定强度的砂浆盘便形成了压浆基础。

（1）压浆基础的设计

建立1：1压浆基础模型和试验系统，结合隧道埋置深度及管段的超重，通过反复试验计算，确定压浆孔的间距及布置方式、压浆量、每节管段压浆时间、砂浆厚度、采用的压浆压力以及选择砂浆组成材料和各自的配合比，砂浆盘半径、压浆顺序等。

·管段允许浮托力计算（压浆前管段简化成简支梁来计算其允许浮托力）：

Fcr=（K-1）BHrwL/2（L-A）

当n台泵压浆施工时： Fcr=（K-1）BHrwL/2Knn（L-A）

q=（K-1）BHrw

Fcr L-A A L

2

2

- 27

其中：H—管段顶面至河水面的高度； L—管段长； B—管段宽； rw—水的密度； K—管段在压浆时的抗浮系数； Kn—压浆位置的不均匀系数。 ·砂浆盘中的渗透力Kr计算

Kr=（–δθ∕δr）ρ=mr

-1

Q=-ΔP/ρ㏑r/㏑（R/r0）+（P㏑R-P0㏑r0）/ρ㏑（R/r0） R M=ΔP/㏑（R/r0） ΔP=P- P0 R 其中：ρ—砂浆的密度； Q—砂浆的流量； rO r K—砂浆渗透系数；r0—压浆孔半径； P P—压浆管压力； P0—半径R处砂浆压力； P0 ·管段浮托力的分布规律

假设水泥砂浆在未凝固前是不可压缩的牛顿弹性体；压浆过程中管段垂直位移为0，渗透力是唯一外力。则单孔压浆时的总浮托力F为； F=πΔP（R-r0）/2㏑（R/r0） ·压浆压力与砂浆盘扩散半径的关系

根据达西定律：ΔP=Q/1000[ν（1/r′+1/r）+1/r]/4nk 其中：Q—注浆流量（m/min）； K—砂浆渗透系数（cm/s）； ν—砂浆的粘度（1000—2000厘泊）； r′=0.5（Ld0）

1/2

2

2

L—砂浆厚度； d0—压浆孔直径； n—试验常数通常取0.9。

(3) 压浆基础的施工

压浆前，首先利用压浆管进行清水清淤，沿管段两侧及后端边缘抛堆砂石混合料封闭槛，槛高到管底以上1.0m左右。压浆完毕后，要进行压浆和封堵。如压浆密实，压浆孔会自然封堵，但由于浆液凝固过程中有收缩，会产生渗漏现象，必须予以止水封堵。方法是在压浆孔塞入膨胀材料止水塞或压入少量聚氯脂化学浆液封堵止水。其他方面施工与压砂法相同，只是拆除临时支座时，压浆基础砂浆强度必须达到设计强度方可拆除。

（4）关键参数控制

·详细记录压浆量和压浆压力，同时仔细测量沉管的沉降变化，以分析注浆效果；

·压浆时，可稍稍打开周围几个压浆孔闸门，从流出的水中观察是否

- 28

有浆液存在，及时推测浆液扩散的动态情况；

·在压浆孔间预先埋设探测孔，用静力触探的方法探测压浆层的厚度和密实度；

·预制管段时，埋设一部分带压力的双膜式压力盒，通过测定压力的变化来预测砂浆的分布情况、砂浆是否紧贴管段底部及管段的浮托力；

·在压浆的邻近孔上安装高精度压力表，以便压入过程中及时了解周围压力的变化。

6.2.5.抛高量的设置

所有置于软弱地基上的沉管隧道，必须设置抛高量。主要根据地质情况、水文条件、施工工艺等，计算分析管段沉降量，以合理设置抛高量，保证隧道质量满足设计要求。

7、管段浮运和沉放

7.1.原理和方法 7.1.1.原理

利用设计及施工计算选定的牵引设备，将干船坞内或舣装码头停泊的管段起浮，沿专用拖运航道运输至隧道位置。采用专门设备，将管段沉入基础上或基槽内。在浮运沉放过程中，充分利用水的特性，并依据环境条件、模拟试验，确定最佳方案。管段在水中的受力问题从理论上说是一个钝体在限制区域内的粘性问题，且浮运沉放的设计施工，取决于实施处的环境条件。管段的受力情况，必须进行试验室模拟试验具体确定。

7.1.2.方法 7.1.2.1.浮运方法

根据选定牵引动力设备的不同，可分为：拖轮浮运、铰车拖运、拖轮顶推等方式来进行。

（1） 拖轮浮运

浮运主动力、顶潮力和控制管段运动方向，均由拖轮提供完成。优点是易于操作控制，长距离浮运安全可靠；缺点是占用水域大，设备利用率低，交接麻烦，有大量淤泥卷入已开挖的基槽。

（2） 铰车拖运、拖轮顶推

即在管段前方布置一艘方驳，其上安装液压铰车作为管段出坞、浮运的

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主动力，在岸上安置液压铰车作为管段的制动力，浮运时管段两侧拖轮进行顶潮协助施工。优点是占用航道时间短，施工中淤泥不会卷入基槽，工序交接简单。

7.1.2.2.沉放方法

沉放的方法很多，无一成不变的定规，必须结合隧道所在地段的航道情况、水文条件、沉管段的纵剖面、管段分节、管段结构和干舷值，以及该地区施工条件、经济条件等因素，综合考虑确定沉放方法。且沉放作业规模和场面都较大，稍有疏忽，发生事故，则不堪设想，所以一般都选用成熟的有把握的施工方法。若要采用新技术则一定要经过试验，甚至用1：1的试验，确认技术可行时才能应用。沉放的主要方法有：

（1） 分吊法

即用2--4艘100—200t浮吊或浮箱分别与管段吊点连接起来，通过卷扬机并注水使之下沉。此方法要注意，各吊点的合力应通过管段的重心。（如图1）

浮箱沉放是直接把管段吊在箱体上，故设备简单。浮箱浮吊都必须用缆索锚固定位。

（2） 杠吊法

用双体驳船通过梁式起重机（杠棒）来沉放作业。（如图2）也有用四驳杠吊的，四驳杠吊所须的驳船吨位小，前后两组，每组两艘驳船用杠棒连接。特点是受力明确、操作方便、但不宜于横断面较大的管节施工。

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图2

（3） 自抬式吊挂沉放方法，国外称SEP工法。（Seef Elevated Ｐlatform）

通过管节顶上的两个平台伸展出来的悬臂梁作为承力。（如图3）。特点是受力明确操作简易但需要管段有较大的干舷和起重船吊装平台。

图3

（4） 起重机吊挂沉放方法

利用方驳作为起重船稳定的根基，管段由起重船的双钩作八点受力的沉放施工。特点是施工可操作性强、费用低、工序较简单，但操作人员需要有一定的施工经验，并要求有性能可靠的液压起重设备。（如图4）

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图4

（5） 顶升平台法

用于宽阔的海湾地带。此处锚索难以固定，平台的四条钢腿插入海底使平台定位。这种方法是从海洋钻探或开采石油的办法而来。（如图5）。

图5

（6） 半沉式顶升法，介于全沉式顶升平台和杠吊法之间的沉放方法 （如图6）

图6

7.2.起浮、抗浮计算

隧道管段预制完成后，能否顺利起浮，管段沉放后加上镇重能否发生起浮，是施工过程及运营中的重要问题。必须认真反复计算，合理确定各项指标。

7.2.1.起浮与抗浮的关系

起浮与抗浮的关系可以用管段起浮后高出水面的高度H0，即干舷值来分析。干舷值的大小主要与混凝土的容重、钢筋配筋率、断面上钢筋混凝土面积与空腔面积之比、干坞的起浮水容重、管段上各种各样的施工附加重、平

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衡水量等因素有关。

干舷值过小会增加管段起浮的困难，甚至会因某些原因而发生意外；干舷值过大会增加沉放的压重，而且沉放后由于要求达到一定的抗浮系数，会增加抗浮的困难。所以起浮与抗浮相互制约、相互矛盾，必须合理控制。

7.2.2.起浮与抗浮的计算 （1） 起浮计算：

·沉管隧道设计过程中：

设起浮时，管段的重量等于管段最大重量的一个预定百分数，则： R·S＋X0=ｆ0·（S＋Q＋D）·R0

S、Q、D—分别为管段截面上的钢筋混凝土面积、镇重混凝土面积、空腔面积；

R —为S面积上的钢筋混凝土容重； R0—起浮时干坞内水容重；

X0—管段内部和周围的施工阶段附加重（此处以管段每延米重量计）； ｆ0—预定的百分数。

干舷值H0=（1-ｆ0）·H， H—管段高度。 ·沉管隧道施工过程中：（如图7）

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图7

式中: Sｉ—为断面上各部件如防锚层及外压重层、钢底板、钢筋混凝土管段

等截面积；

rｉ—与Sｉ相对应的部件容重； G0—起浮时每延米管段重；

Xｉ—与Sｉ相应的重心离轴Y0之距； X0′—Y与Y0之间距离。

当X=B/2，则无需平衡水，则有：G0= R0·ｆ1（H0）

其中没入水下断面积为S0= ｆ1（H0）

当X

W2=（B/2―X）·G0/e2

当X>B/2（如图7），W1=（X―B/2）·G0/e1 G0＋W1= R0ｆ3（H0）

经过上述计算，即可计算出干舷值H0。

（2） 抗浮计算： ·沉管隧道设计过程中：

R1·S＋R2·Q =K·（S＋Q＋D）·R R1—计算抗浮时S面积上的容重； R2—镇重混凝土的容重；

K —抗浮系数，根据不同阶段具体确定。 ·沉管隧道施工过程中：

一般须分三种情况来考虑：第一种情况是在下沉过程中，抗浮系数一般用1.01～1.02；第二种情况是水力压接后，抗浮系数为1.04～1.06；第三种情况是在运营阶段时抗浮系数为1.1。 其公式简略为：K=G1/（V·R0）

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V—管段施工后的断面积；

G1—同起浮计算中的G0，但对第一种情况而言，X0既包括起浮时的值，又需计入下沉前再加入的附加重，以及平衡水，为满足下沉的加水量；对第二情况而言，是保证1.04～1.05抗浮系数须增加的水重；对第三种情况，仅考虑永久性的压重。

（3） 管段容重根据其偏差情况，起浮计算时取最大值，抗肖计算取最小值；对水的容重起浮计算时取小值，抗浮计算时取大值。

（4） 管段基础为压砂基础或压浆基础时，抗浮计算时，要考虑基础作业时对管家段产生向上浮托力，会降低抗浮系数。

7.3.浮运、沉放施工 7.3.1.施工组织机构 起 拖 方 带 绞 潜 重 轮 驳 缆 车 水 船 船 控 组 制 组

7.3.2.施工准备

7.3.2.1.建立满足设计要求的测量控制系统，设置足够精度的控制点和二等及以上水准点，并且在管段的顶面、内腔设置多个控制点。做好沉放测量资料的计算复核工作，做好测量仪器的检校工作。

7.3.2.2.向航运及水监部门申请专用航道或封闭航道，做好警戒工作； 7.3.2.3.向有关部门申请专用通讯频道，在现场配备高音喇叭，以确保安全生产、统一指挥、协调工作；

水 液 坞 箱 压 门 水 系 启 泵 统 闭 监 控 控 组 组 组 技 测 水 试 术 量 情 验 组 组 监 组 测 组 交 警 后 通 戒 勤 船 船 供 应 组 动力设备部 系统控制部 技术部 后勤部 指 挥 部

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7.3.2.4.设计、布置通风系统和安全照明系统，并贯穿施工全过程； 7.3.2.5.对收集的水流速度、流速分布、潮位持续时间、流向特点等水情资料和气象资料进行分析，确定浮运沉放施工时间，并通知业主和港监等有关单位；

7.3.2.6.详细勘测浮运航道，及时清理航道内障碍物，主要采用回声探测水深及障碍物，必要时进行清理；

7.3.2.7.对浮运沉放全部设备、船驳、缆绳等进行全面检查和调试，并储备足够的应急设备。

7.3.3.浮运作业

7.3.3.1.管段出坞、临时存放

管段预制完毕，筑完防锚层，并完成起浮前的准备工作之后，根据气象、水文、潮汐资料确定合理管段起浮、出坞时间，并确定半封航或全封航时间，布置警戒船及航标。

起浮过程中，对干坞逐级灌水，同时检查端封门及贯穿预埋件的水密性。根据管段起浮的侧斜趋势调整压载水，使之能够在较平稳的平衡状态中起浮，岸上的铰车根据起浮过程的需要不断地调整缆绳的松紧程度。

管段顺利起浮后，进行坞内的平移，使之基本对准坞门或隧道轴线，与此同时开启坞门，利用拖轮或铰车提供的主动力，当管段底距坞坎顶距离大于50ｍｍ时，开始出坞，速度不大于3ｍ/min。管段前端突出地下连续范围后，管段两侧拖轮辅助控制管段端头方向。以上工序，包括管段完全跨出坞坎都必须在一个潮位内完成，以防起浮后再次着地。根据施工安排，管段要拖运至舣装码头。临时存放，并锚泊牢靠。干坞内一次预制的全部管段，重复上述步骤，全部出坞后，关闭坞门，排除坞内水，清理坞内淤泥，开始下一轮管段预制。

7.3.3.2.管段浮运

（1）通过试验计算拖运时在管段上的作用力，并据此来选定浮运设备能力。

F=ArVR/2

F—拖运时在管段上的作用力； A—垂直于水流的管段迎水断面积； R—水的比重； R—摩擦系数；

2

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V—相对速度，即相对于堤岸某固定点管段于水流之速度差。

（2）布置警戒船及封航标志，设置拖运主动力方驳或拖船及辅助控制拖船，当拖运设备进入工作状态后，拆除锚泊系统。

（3）在平潮前两小时左右（根据水情条件确定）开始浮运，拖船速度控制在10m/min以内，管段轴线偏离隧道轴线距离小于3.0m，不允许出现拖底、碰撞边坡、大角度偏转、倾斜及在江中停留等现象。整个浮运过程在水流速度小于1.2节的情况下进行 。

（4）调节缆由起重船及定位方驳上的扒杆或其它设施吊起做好准备。当管段浮运至对接端5.0m左右处完全停止，这过程中，当管段前端接近起重船时，将调节缆吊到管顶迅速穿好。并使用岸上或驳船上铰车及起重船、定位驳、铰车调整并收紧缆绳。管段制动稳定后，调整管段状态，再平移至对接端2.0m左右处停稳，起重设备进入工作状态，浮运作业结束。

（5）浮运期间，通过调查船、测站等收集的水文、气象及流量等数据，及时传递到指挥控制中心，并利用这些数据来及时修正预定方案。 （6）浮运过程中，通过自动导航系统或导航船，依据收据的浮运过程中测量数据，建立管段位置连续记录，并及时修正浮运航线。

7.3.4.沉放安装

7.3.4.1.根据沉放过程中负浮力的计算，结合管段结构尺寸及水情情况调查，通过大量的模拟水下试验，选定适宜的沉放方案\\顺序及相应的沉放船驳和起重设备，并计算沉放各阶段注水量，同时确定其监测控制系统及措施。

7.3.4.2.施工准备，同浮运 7.3.4.3沉放安装作业

（1）当管段完成吊挂作业后，利用调整缆调整管段位置，在管段内开始强制灌水作业，管内水箱的注水由专职值班人员控制，负浮力状态由起重船上测力计反映，加载过程与沉放过程是一个连续工况。管段顶面底于水面20cm以内，即完成负浮力的加载。

（2）完成灌水后，尽可能在平潮期内以小于0.025m/s速度下沉管段，选择下沉速度为0.3—0.5m/min，管段底距基槽2—2.5m处停止沉放，利用起重船的吊钩对管段进行调坡，使其接近于设计坡度。

（3）平移起重船、定位方驳，使管段的对接端面相距600±30mm，初步

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调整各项误差，再连续下沉至距设计标高500mm处，导向装置起水平作用，导向范围为±170mm。

（4）利用导向装置不断减少管段的横向振幅，并自然对中，以提高安装精度，管段继续缓慢下沉，直至后支承装置较导向装置提早100mm高差着地，即后临时支承开始起作用。当管段基本稳定后，管段前端继续下沉至导向装置起作用，此时通过测量校正误差，使管段的左右误差小于±20mm，两端相距600±30mm，高程的安装误差小于20mm。

（5）拆除GINA橡胶止水带保护罩，派潜水员检查GINA橡胶止水带及对接端面是否有附着物或有损坏。以上步骤完成后，即可吊装拉合千斤顶，并进入工作状态。

（6）对接拉合的速度最大不大于7cm/min，当两端面相距210mm时，对管段进行精细的微调，直至满足设计的安装精度要求，再继续拉合到初步止水，由潜水员检查初步止水没有问题后，进行水力压接，压接速度不小于2.0m/min。完成水压接后，垂直调整系统起临时支承作用，支承起管段的砂基础沉降预留量，同时注水加载至负浮力值。

（7）加载过程应保持管段的基础预留量。加载完毕后，撤除起重船及起重设施、其他船舶，撤除锚泊系统，解除封航，同时接通电力、通风系统，测量管段安装后各项误差，随后拆除管段顶面的施工设备（除需要的外）。 拆除后进行必要的处理，安装管内的输砂、输浆等压砂压浆基础施工管路，为基础施工做好准备。

7.3.5.管段沉放允许误差值

管段中线与设计中线最大横向误差（沉管终点）：±10 cm 管段顶面标高误差： ±5.0cm 管段中线与设计中线纵向长度误差（沉管终点）：±20cm 管段横向允许误差： ±2.0cm 管段纵向允许误差： ±2.0cm

相邻管段端面水平转角开度： ±1.0cm（弧长）

8、沉管隧道的接头与接头处防水

8.1.接头的功能

沉管隧道管段与管段之间的接头设计与施工是沉管工程中的重要环节之

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一，其具有如下功能和要求：

（1） 水密性要求：即要求在施工阶段及日后运营阶段接头不渗漏。 （2） 具有抵抗各种荷载和强迫变形作用的能力（如地震力、温度力和地基沉降等）。

（3） 造价适度，受力明确，方便施工和保证工程质量。 8.2.接头联结方式和构造 8.2.1.接头联结方式 （1） 水下灌注砼法

水下灌注砼法是早期的施工方法。当相邻管段在水下就位后，在接头处设置内外模板，用灌注水下砼的方法形成管段之间的联结。潜水工作量大，水下工艺过程复杂，水密性不佳。现已淘汰不用。

（2） 水力压接法

利用作用在管段后部的强大水压力，通过水平千斤顶拉合、压接GINA止水带初步止水、从接头中抽水直至全部压接成功，使相邻管段迅速联成一体。此法具有工艺简单、潜水作业少、止水性能可靠等优点。压接后的GINA止水带呈鼓状，可靠地起到止水的作用。为了使止水更加可靠，一般在GINA带的内侧安装OMEGA橡胶止水带做第二道止水。GINA带和OMEGA止水带在整个隧道各接头上是沿外周壁环形布置一周。

8.2.2.接头的构造

(1) 刚性接头,即水下灌注混凝土法形成的接头,其断面惯性矩与本体无异。

(2) 柔形接头,即水力压接法形成的只有两种橡胶止水带组成的接头。 (3) 半柔半钢性接头,即水力压接法形成的接头在其凹槽内加内钢模和后封钢筋混凝土并设置有水平剪切键、波形（Ω形）连接件。

8.3.接头的施工及要求 8.3.1.GINA止水带的安装

（1）安装前，对GINA止水带的试件进行物理力学性能测试，与厂家所提供的指标相对照。同时，对接头两边相邻的端钢壳端面的平整度和实际的坡度进行严格检查。端面平整度为1mm∕m,在整个面上不大于+3mm。端面坡度是形成隧道纵坡的主要参数必须严格控制。

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（2）安装前，对安装GINA止水带的各块压板螺栓等进行一次预安装（如下图）。正式安装时，用一根与管段断面同宽的扁担梁，将柔软的GINA带分若干吊点（吊点间距不大于1.5m）,用帆布、木片、尼龙绳等柔性材料绑扎在扁担梁上，并使GINA带全部展开成矩形状。再用吊机将扁担梁吊起并平移到端钢壳的端面上，即可对GINA带进行安装。

（3）在吊装及安装过程中，必须谨慎，GINA带任何部位不能受拉扯，以防发生永久变形。安装时先安装下端两个转角和底部直线段，然后再安垂直段，最后为上端两转角与顶部直线段。安装完毕后应检查有无因GINA带长度及安装问题而发生鼓凸现象。同时应检查GINA带的鼻凸处在整个端面上的平整度和坡度。安装后，每个螺栓预紧力应达到2.6t。为避免在浮运及停泊时受撞击，应在安装后给GINA带上半部罩上钢壳防护，在沉放前拆掉。

8.3.2.OMEGA止水带的安装

管段水力压接成功后，应及时量测整个断面上各处GINA带的压接量，同时结合基础施工（压砂及压浆）及时调整好相邻管段的高差。当接头处两边的端封门拆除后，抓紧时机迅速安装好GINA带，使接头及早形成第二道防水系统。

OMEGA带的固定装置（如下图）。不同类型的止水带在不同的水压下，对两个管段相邻端头之间相对位置的允许误差是不同的。安装前应检查安装表面是否符合设计要求。安装时，先安装上部的两角，再安装直立部分，直至下部。不密贴处，用丁基橡胶腻子带填充。安装完毕后，在OMEGA带的凹槽内灌水（或气），以高于沉管外水压压强稳压1h检查安装质量。只有确认不渗漏后方能认定安装质量合格。灌水或气的管道在管段预制时按设计埋设。为确保OMEGA带的安全，在以后各工序中，特别是焊接工序中应注意对止水

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