建筑沉管隧道基础处理技术

建筑沉管隧道基础处理技术

　　建筑沉管隧道基础处理技术【1】

　　【摘 要】基础处理方法的种类很多，这些方法适用于不同的地质条件及各国不同的国情，基础处理方法大致可分为先铺法和后铺法两大类。

　　【关键词】建筑;沉管;隧道;基础;处理技术

　　沉管隧道的基础所承受的荷载通常较低，只作一般的处理，用砂或碎石作为垫层就能满足要求。

　　当沉管沉放就位后，其有效重量约等于沉管中的压重，大约为5 ~ 10kN∕m2 ，加上覆土重量，车辆动载以及周围水的比重变化引起的荷载也不会超过30 kN∕m2，大大低于10m深度处的垂直初始应力，因此基底土层的承载能力通常不会出现问题。

　　1.刮铺法

　　早期的沉管隧道多用刮铺法处理基础，特别是北美，从1950年起修建的19座沉管隧道中，12座是用刮铺法基础，其优点是造价较低。

　　刮铺法的主要工序如下：

　　浚挖沟槽时，先超挖60 ~80cm，然后在槽底两侧打数排短桩安设导轨用以控制高程和坡度,通过抓斗或刮板船的输料管将辅垫材料投放到海底，再用简单的钢刮板或刮板船刮平。

　　所用辅垫材料最好是15cm左右的卵石和1.3- 1.9cm粒径的砂铄，刮铺法的精度一般为:刮砂±50cm，刮石± 20cm。

　　早期刮铺法采用一个简单的钢刮板对铺垫材料进行扫平，其导向用的钢梁和轨道安放在浮船上，这种装置受水流及潮汐影响较大，后来采用一种不受潮汐影响的刮板船，其位置与海底基础平面相对来说比较稳定，容易作业。

　　旧金山海湾地铁隧道采用刮平船处理基础时，水深为41m，水流速度达5.5 ~ 7.5 kN∕m2，然而基础处理的质量很好。

　　刮铺法的主要缺点是须配置费用昂贵的专用刮铺设备;作业时间长，精度难以控制;在流速大、回淤快的河道或管段底宽超过15m左右时，施工困难;施工作业时对航道有影响。

　　2.桩基础

　　桩基础很少用作沉管基础，然而当碰到以下特殊情况时，常采用一种特殊的桩基：①地基土非常软弱;②沿隧道轴线方向基底土层硬度变化较大，以至不均匀沉降难以接受;③管段承受列车振动后再传到基底土层中，引起的管段沉陷难以接受。

　　由于桩群的桩顶标高在实际施工中不可能完全平齐，若不采取措施会导致各桩的受力不均匀，通常采用一种可调桩头来解决这一问题，其方法是在所有的桩上设一小段预制混凝土活动桩顶，活动桩顶与桩体之间留有空腔，空腔周围用尼龙套管裹住，形成一囊袋，当管段精确定位后，即向囊内注浆，迫使活动桩头抵紧管段底部。

　　桩头常敷设毡垫层使荷载传递均匀。

　　3.喷砂法

　　喷砂法就是把砂一水混合填料通过水平管道喷入隧道管段底部和开挖槽坑之间的空隙中去。

　　在喷砂管的两侧设有回吸管，使水在管段底部形成一个规则的流动场，从而使得砂子有规则地分布沉淀。

　　回吸管的另一个作用是可以通过回吸水含量的测定了解基础砂子的填充程度。

　　整个管道系统联接在一个可以在管段顶部行驶的台架上，在马斯隧道首次采用喷砂法时， 管道系统仅能在垂直于隧道轴线方向上移动，后来经过改进，喷管系统还可以绕竖直管转动， 这样，任何喷砂位置都可以达到。

　　喷砂法所用砂的平均粒径一般控制在0.5mm左右，砂一水混合材料的平均含砂量为10%(体积百分含量)，有时可以较短时间增加到20%。

　　回填的砂子比较疏松，其空隙率约为40%~ 42% 。

　　砂垫层的厚度一般为1m，喷砂工作完成后，隧道管段从临时基础上释放下来时，可能会引起5 ~ 10mm的沉降。

　　隧道的最终沉陷量取决于槽坑回填而引起的基底土层的沉陷。

　　喷砂台架也可以通过喷水清除管段下面空隙中的回淤。

　　在埃姆斯河隧道的基础处理过程中，回淤的速度太快,使喷砂作业和抽水作业难以进行，承包商不得不使用一种专门的刮泥装置在底板下横跨基槽底作业，一旦清除回淤，立即进行喷砂作业。

　　目前喷砂法还存在以下缺点：喷砂法所用的喷砂台架常常干扰通航;喷砂系统设备昂贵;喷砂法需要相当昂贵的粒径相对较大的粗砂。

　　由于以上原因，近年来该法逐渐被更为先进的砂流法所取代。

　　4.砂流法

　　砂流法是在设计韦斯特谢尔德河沉管隧道时发明的,其原理是依靠水流的作用将砂通过预埋在管段底板上的注料孔注入管段与基底间的空隙。

　　脱离注料孔的砂子在管段下向四周水平散开，离注料孔一定距离后，砂流速度大大降低，砂子便沉积下来，形成圆盘状的砂堆，随着砂子的不断注入，圆盘的直径不断扩大，高度也越来越高。

　　而在圆盘的中心，由于砂流湍急砂子无法沉积，会形成一个冲击坑。

　　一段时间以后，圆盘形砂堆的顶部将触及隧道管段底面，砂盘中心压力使得砂流冲破防线，流向砂积盘的外围坡面。

　　这样的过程不断重复，砂积盘的直径越来越大，砂流就是以这种方法来填满整个管下面的空隙。

　　砂流法的一个缺点就是沉管基础范围内的淤泥无法清除，这会导致沉管产生较大的沉降， 弗拉克隧道的最大沉陷量达70m左右。

　　5.灌囊法

　　是在砂石垫层面上用砂浆囊袋将剩余空隙垫实。

　　采用这种方法时，砂石垫层与管段底部留出15?20cm的空间，空囊事先固定在管段底部与管段一起沉设， 管段沉放到位后，即向囊袋内注入注浆材料，使囊的体积迅速膨胀，充填管段与下部地基之间的空隙。

　　囊袋的大小按一次灌注量而定，一般以能容纳5 ~ 6m3为宜，不宜太大。

　　注浆材料的强度只需略高于地基土即可，但流动性要好。

　　为了防止管段被顶起,灌注时通常跳遭灌。

　　这种方法的优点是注浆材料浪费很少，不容易流水稀释;充填效果好，密实度高。

　　瑞典的廷斯达特隧道首次成功地采用了灌囊法，随后日本的衣浦港也采用了这种方法。

　　6.注浆法

　　注浆法是在灌囊法基础上发展起来一种基础处理方法，它省去了较贵的囊袋、繁复的安装工艺、水上作业和潜水作业。

　　浚挖基槽时，通常超挖1m左右，然后在槽内铺垫40 ~ 60cm厚的碎石，整平度达±20cm即可。

　　管段沉放定位后，沿着管段边墙及后封端墙底边抛堆高1仿左右的砂石混合料，封闭管底空间。

　　接着从隧道里面通过预埋在管段底板上的压浆孔向管底空隙压注混合砂浆，充填管段底部和碎石垫层之间的空隙。

　　这种方法具有以下优点：设备简单，通常的压浆设备就能胜任基础注浆作业，因而设备费用较低;注浆作业在沉管内部进行，不受气象、海洋气象影响，也不影响通航;通过注浆孔量测的参数可以确定充填状态。

　　我国甬江沉管隧道的基础处理中采用了注浆法，并获得了成功。

　　这种基础处理方法，可以在回歉较严重的情况下保证施工质量，不但可以形成一个高质量的基础，还可以通过控制注浆量和注浆压力，使管段向上升起一定高度，保证管段达到设计要求的标高，这是其它基础处理方法难以做到的。

　　参考文献

　　[1] 王芳，土木工程概论 [M].北京：中国建筑工业出版社，2009

　　[2] 刘嘉惠，建筑施工技术 [M].北京：中国建筑工业出版社，2010

　　建筑沉管隧道施工技术【2】

　　摘要：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。

　　关键词：建筑;沉管;隧道;施工;技术

　　悬浮隧道是沉管隧道的一种特殊形式，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。

　　1、国内外沉管隧道现状

　　根据国际隧协沉管与悬浮式隧道工作组到1994年的统计资料，世界各国已建、在建或拟建的沉管隧道共有93条，其中，就管段制作形式而言，混凝土隧道59条，钢壳隧道34条;从使用功能上来看，公路隧道61条，铁路隧道26条(包括地铁隧道)，公路、铁路两用隧道4条，人行隧道2条;就管段横截面形状来说，矩形截面隧道73条，圆形〈含花篮形、八角形、马蹄形、椭圆形)截面隧道20条;从规模上看，早期的沉管隧道多为双车道或四车道，从60年代中期，陆续建成一些六车道隧道，到目前世界已建的6/8车道共有19条。

　　19世纪末，美国首先用沉管法建成波士顿的下水道工程,之后，于1910年用此法建成了底特律河水底铁路隧道，这是世界上第一条沉管建造的铁路隧道。

　　至1994年底美国已建成25 条沉管隧道。

　　在欧洲，荷兰首先于1924年建成第一条沉管隧道一马斯河隧道，到1994年底，荷兰已建成19条沉管隧道。

　　日本是东亚地区第一个建成沉管隧道的国家，自1944年第一条沉管道路隧道^庵治河隧道通车以来，已建成铁路和公路隧道18条。

　　沉管隧道有钢结构和钢筋混凝土结构两大类，前者一般为圆形断面，后者一般为矩形断面,美国及日本大多采用钢壳沉管。

　　沉管技术在本世纪经历过多次革新。

　　1958年古巴哈瓦那建成第一座完全预应力的沉管隧道;荷兰于60年代发明了举世闻名的吉那止水带，使得水力压接法更加简洁有效，这是管段水下连接的重大革新。

　　在基础处理技术方面，丹麦于40年代发明出喷砂法;瑞典于60年代首先成功采用灌囊法，荷兰在70年代发明了更为先进的压砂法,这是沉埋技术中的又一项重大革新;日本在70年代推出压注混凝土法和压浆法。

　　此外，日本在接头抗震方面也取得不少进展，过去在地震区修建隧道时，对地震缺乏特别的预防措施，而现在设计的接头处可以有相当挠度和纵向位移,在允许范围内对沉陷和温度影响也采取了类似的措施。

　　近年来，随着现代科学技术的发展,激光测量仪、电子定位系统等先进设备已应用于施工中，使得沉管隧道质量更加优良，同时工期大大縮短。

　　在我国，香港和台湾借助国外先进技术共已建成四条沉管隧道，中国大陆第一条沉管道路隧道广州珠江隧道巳于1993年底通车，此外，宁波甬江隧道也已建成。

　　我国目前的沉管隧道设计及施工技术还处在积累经验阶段，但我国经济的迅猛发展为其进一步发展创造了良好的条件。

　　如上海外环线吴淞口越江工程，已确定采用沉管法隧道方案，并正在建设中;其他如京沪高速铁路在南京越过长江，就准备采用沉管隧道方案，崇明至南通的越江方案也都考虑采用隧道方案。

　　由于多车道时沉管隧道明显节约投资，因此沉管隧道在我国具有广阔的前景。

　　2、基槽浚挖技术及设备

　　在设计基槽断面之前，往往要先全面了解现场的地质资料、水流水质资料、生态资料，以便确定合理的基槽断面和浚挖方式。

　　基槽的断面主要由三个基本尺度决定，即底宽、深度和边坡坡度。

　　底宽一般比管段底宽大4-10m。

　　基槽的深度为覆盖层厚度、管段高度以及基础处理所需超挖深度三者之和。

　　香港地铁沉管隧道在设计基槽断面时,考虑到基槽底部的垫层须宽出隧道管段每边各1m，最小垫层宽度为10.3 + 2=12.3m。

　　为使海上作业船的柱腿能沿隧道弯曲的中线移动及预留出容许偏差量，决定采用能在内刮平14m宽垫层16m底宽的基槽。

　　基槽边坡的稳定坡度与土壤的物理力学性能有密切关系，同时，基槽的留置时间、水流情况等也是重要影响因素。

　　在沉管隧道的施工中，水底浚挖所需费用只占整个工程总造价的一个较小比例，通常只有5%~ 8%，可它却是一个很重要的工程项目，由于疏浚作业现场的通航环境较为复杂，挖泥船在主航道作业时经常要松缆让航，施工难度较大，作业效率客观影响近30% ，因此浚挖的成功与否直接影响到工程能否顺利、迅速地开展。

　　水底浚挖工作主要包括三个内容：沉管基槽的浚挖;辅助航道的浚挖;浮运(管段)线路的浚挖。

　　通常港务部门疏浚航道用的挖泥船，挖深都不超过20m，一般只有15m左右，可是沉管基槽的底深常是22 ~ 23m左右,有的达到27 ~ 30m。

　　因此，一般不能直接利用现有的挖泥船进行沉管基槽浚挖，需要根据设计要求、地质情况进行一些必要的改装工作。

　　3、管段防水技术

　　早期的钢壳管段，钢壳既作为施工阶段的外模，又是管段的防水层。

　　40年代，矩形钢筋混凝土管段应用于沉管隧道的初期,仍然采用船台型管段的防水措施，即四边包裹钢壳。

　　50年代，逐渐改为三边包裹的钢壳，顶板上的钢壳改由柔性防水层代替。

　　从1956年迪斯隧道以后，又发展为单边钢板防水为和三边柔性防水，即只保留底板之下的钢板，其它三边采用柔性防水。

　　3.1钢板防水

　　早期采用的钢壳防水在70年代以后已不再常用，因为钢壳防水存在的缺点不少，如耗钢量大，焊接质量不易保证，防锈问题未切实解决，钢板与混凝土之间粘结不良等等。

　　但仅在管段底板下用钢板防水的实例则越来越多，此时防水钢板基本上不用焊接，而是用拼接贴封的办法，因而不存在焊接质量问题。

　　3.1柔性防水

　　柔性防水包括卷材防水和涂料防水。

　　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。

　　最初的柔性防水层是使用沥青油毡，以织物卷材为主，这种卷材强度大,韧性好。

　　尤其是50年代发展起来的玻璃纤维布油毡更适于沉管隧道，这种玻璃纤维布油毡以玻璃纤维布为胎，浸涂沥青制成，性能优越，价格仅稍高于沥青油毡。

　　3.3管壁的自身防水

　　提高管段自身混凝土的抗渗性能也是重要的防水措施。

　　自60年代初期以来，荷兰等国家对水底隧道管壁自身防水进行了一系列的试验和研究，并取得了可喜的成果，1973年以后陆续开工的荷兰弗拉克、基尔，海姆斯玻尔以及鲍脱莱克等四条水底道路隧道均突破了传统的防水办法，采用无外防水的隧道结构。

　　参考文献

　　[1]王芳，土木工程概论 [M].北京：中国建筑工业出版社，2009

　　[2]刘嘉惠，建筑施工技术 [M].北京：中国建筑工业出版社，2010

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