关于沉管法修建长江水下隧道若干问题的研究
吴 维
(铁道第四勘察设计院,武昌430063)
摘 要 文章根据长江沉管隧道的前期研究成果,从八个方面进行了论述和分析,认为采用业已成熟的沉管法技术是可行的,只要坚持精心设计、精心施工、认真处理好每一个技术细节问题,是可以取得成功的。
关键词 沉管法长江隧道研究
中图分类号:455.47 文献标识码:A
采用水下隧道越江,无疑是我国工程建设的一大进步。其修建方法,无论是沉管法或盾构法,从技术上说,都己是成熟技术,都是可行的。迄今为止,世界各国采用沉管法修建的水下隧道巳达130余座,有近100年的历史,采用盾构法修建水下隧道的数量更多,修建历史更长。问题在于这些成熟技术,能否在长江上首次采用,有没有风险,是否可能规避其风险,使工程达到优质安全,符合使用要求。笔者以南京长江沉管隧道的前期研究为例,谈谈自已的看法,对于长江中下游拟采用沉管法修建水底隧道时亦可能有参考作用,文中所引用的前期研究成果,是在上级有关部门的领导和支持下,通过参加研究单位的共同努力所取得的,引用不妥之处,请予指正。
1 水流条件及管节浮运、沉放
隧道位于既有南京长江大桥下游1.7km、距八挂洲头2.3km的河流展宽段,河宽约1.9km,属感潮河段。多年平均迳流量为40×108m3,特大洪水流量达100000m3/s。年内水量分配(1月份最小,7、8月份最大)主要集中在汛期(5～10月),占全年水量的71%,年内输沙量以1月份最低,7月份最大。这里多年平均悬移质输沙量为451亿吨,多年平均含沙量约0.51kg/m3。河段百年一遇水位达8.65m,三百年一遇水位达9.04m。历史最低水位-0.37m,施工期平均水位2.28m。河段汛期最大流速2.4m/s,平均流速1.2m/s,枯水期平均流速0.56m/s(11月～4月)。水面流向平顺,流向基本垂直于断面。河水重度为10.004kN/m3。
收稿日期:2003-03-21
作者简介:吴维,男,教授级高级工程师.
对于沉管施工影响较大的是水流速度和水的重度,而对沉管结构设计及接头止水带选型影响较大的是高、低水位及水位差。
由于沉管施工是安排在枯水期,这一时期的水流速度为0.6m/s,水的重度接近清水重度,因而管节的浮运和沉放是没有问题的,在本项目的前期研究(管节浮运和沉放水工模型试验研究)中已证明了这一点。从水深来说,南京沉管隧道施工期最大水深,以管顶标高(-26m)计,不超过30m。表1所示为世界部分沉管隧道施工时的流速和水深情况。
由表1可见,南京长江沉管隧道水深和流速均未超过巳建成沉管隧道的水平。设计提出的浮运沉放方案有水工模型试验依据,各项参数的选择都是在模拟隧址水流条件的情况下取得的,在工程实施阶段,拟将第一管节作为现场试验管节,以便根据现场实际情况,修正和改善浮运沉放参数。
根据国内外许多沉管施工实践经验,在南京上元门处进行沉管施工,从枯水期的水流条件看是没有问题的,但应注意如下问题:
(1)制定浮运沉放施工方案前必须先进行模拟试验,同时要实测河床断面、流速、江水重度、风速、风向、波浪高度等,并应注意天气情况。
(2)在沉管结构设计时,必须进行浮运沉放各种工况的结构安全性检算,包括浮运稳定性检算、浮运工况下应力及沉放工况的内力检算,并通过水工试验,确定拖航阻力及安装定位系泊力等。
(3)管段对接的第一道止水屏障目前必须采用荷兰出品的吉那止水带,不能用其它产品替代;第二
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第40卷第2期2003年4月
现代隧道技术
Modern Tunnelling Technology
Vol.40 No.2
Apr.2003
表1 世界部分沉管隧道流速和水深情况
T able 1 Flow velocity and w ater depth of some immersed tunnels in the w orld
序号
隧道名称竣工年限沉管长度/m
横断面(高×宽)/m 2
水深/m
水流速度/(m/s )
地点1斯海尔德1969113610.1×47.85
25 3.0比利时2巴拉那1969236732 1.35阿根廷3东63197322012.8×11.730 2.7纽约4易北河197510568.4×41.729 1.3汉堡5汉普顿1976222012.3×1237 1.0美国6港湾19791400 6.6×13.125 1.5中国7伊利莎白河3号
198876510.5×12.213.7 1.0美国8埃姆斯1980639.5
8.48×7.519 1.0德国
道止水必须用荷兰的欧米加止水带,不可替代,以确保水力压接及接头防水万无一失。
(4)吉那止水带的选型必须考虑各接头所处位置的水深,包括最低水位时最大压接水深和最小压接水深以及百年一遇水位时的最大压接水深和最小压接水深,确保止水带的水密性要求。
(5)管节的浮运、沉放、对接施工难度较大,必须在11月～4月枯水期进行且必须编制一套严谨的施工组织计划,对施工过程可能发生的问题,如混凝土的实际重度、江水的实际重度的变化给施工带来的困难等进行预测,并制定预防和应急措施。
2 沉管基槽开挖
2.1 基槽边坡及回淤
本沉管隧道的前期研究中巳进行了沉管基槽施工、基础处理技术研究、沉管隧道基槽水下边坡稳定性离心模型试验研究,并采用二维泥沙模型及物理模型进行了基槽回淤研究。综合上述研究成果,并
参考国内工程实例,边坡设计采用1∶3(粉细砂地层)和1∶5(淤泥质土)。在基槽回淤研究中,得出了如下结论:(1)断面30天平均回淤率为3.3cm/d ,以悬沙淤积为主。(2)基槽回淤5天,断面平均淤厚0.01～0.14m;基槽回淤10天,断面平均淤厚0.22m;基
槽回淤20天,断面平均淤厚0.68m ;基槽回淤30天,断面平均淤厚0.91m 。(3)基槽断面5天、10天、20天、30天的平均回淤率分别为:1.2cm/d 、2.2cm/d 、3.4cm/d 、3.3cm/d 。(4)以槽底淤积厚1m 为限,基槽开挖好后至沉管沉没,可允许空置的时间平均为33天。
根据本沉管隧道的施组安排,基槽开挖完成至管节沉放就位的时间一般不超过10天,可采用吸泥船或专用清淤设备快速清淤,不会影响工期。 2.2 基槽施工应注意的问题
(1)配备大挖深(>40m )铰吸式开挖疏浚船
舶。德国易北河沉管隧道曾采用seeland 铰吸挖泥
船,其装机功率为4500马力,每小时最大输送能力为5000m 3,开挖深度可达40m 以上。
(2)基槽施工应坚持挖一节、沉一节的原则,先粗挖,后细挖或精挖。
(3)沉管段的基槽纵断面是有纵坡坡度要求的,本隧道的纵坡坡度采用12‰,应按此要求提出基槽开挖的精度,加强开挖的控制。一般采用声纳测距仪进行监控,但声纳不能进行开挖过程的动态测量,为此,在吸泥船底部需设水下地形扫描仪。
3 关于沉管设置高程问题
水下隧道沉管部分长达1875m ,根据河演分析、河工模型及数值计算等多种手段研究得出,上元门处河床深槽最低冲刷标高:百年一遇水沙条件下为-34.07m ,三百年一遇水沙条件下为-35.13m 。
隧道的纵断面设计受三个因素控制:北受既有梅桂营专用线控制,南受南京北路立交桥控制,江中受河床冲刷标高控制。其中最重要的因素是江中河床最低冲刷标高。隧道在深槽部位的设计标高
为(双孔单线12‰
):管顶最低标高为-26.61m ,相应管底标高为-38.61m 。这一设置高程是否安全可靠呢?这是人们目前最关心的问题。
笔者认为,沉管隧道的安全性应从如下两个方面考虑:
(1)这种设置标高对河段河势、航运、防洪、八卦洲叉道的分流比是否有影响,有多大影响?
(2)沉管自身的稳定性是否有保证,尤其是当发生最大冲刷时沉管是否安全。
对于第一个方面的问题,通过河演分析、河工模
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2・现代隧道技术
由上所述可见,沉管隧道的修建对该河段河势、防洪、航运、八挂洲叉道分流比基本无影响。
对于第二方面的问题,即沉管本身的安全问题,设计巳考虑了管顶用铰链式沉排防护,其防护标准按冲刷标高-40m考虑,为确保万无一失,还考虑了在深槽部位沉管底部设置桩基的方案。采取上述措施后,沉管本身的安全是有保障的。4 沉管隧道的沉降问题
沉管隧道的沉降原因是:(1)沉管地基变形是一个卸载、回弹、再压缩的过程;(2)槽底原状土的扰动;
(3)基础的初始压缩;(4)列车震动使基底一定范围内的沙土进一步密实;(5)河床断面的变化;(6)震陷。前三种沉降主要发生在施工期,由于绝大部分沉管基底为细沙土,为瞬时沉降,施工阶段即已完成。后三种沉降发生在运营期,需采取措施加以控制。
沉管地基及基础的整体均匀沉降对沉管结构并不构成威胁,关键是控制不均匀沉降。沉管不均匀沉降值必须在沉管结构和接头所能承受的范围内,如以接头GINA带变形(10mm)计,在不考虑管节本身弯曲的情况下,允许不均匀沉降值可达122.7mm。考虑高速铁路运营线路平顺性要求时,经计算,两接头间最大沉降差应小于21.75mm,按该控制值对沉管结构的内力和变形进行的。计算结果表明,结构和接头是安全的。表2为沉管沉降计算值与允许值的比较。
表2 沉降计算值与允许值之比较
T able2 Comparison betw een calculated value and allow able value of settlement
项目沉降计算值不均匀沉降允许值/mm 高速列车通过隧道小于1mm21.75河床冲淤变化最大沉降5.9mm,最大不均匀沉降3.2mm21.75地震5mm21.75
列车通过隧道+冲淤变化+地震最大不均匀沉降9.2mm21.75隧道内淹水最大沉降11.7mm,最大不均匀沉降10.6mm122.7
控制沉降的措施主要有:(1)采用压浆法处理沉管基础;(2)对可液化地层换填处理;(3)所有沉管管节沉放时,根据具体位置预留沉降量;(4)全部接头采用半柔半刚接头并设置竖向剪切键,以抵抗不均匀沉降。
5 沉管隧道的防水性能
沉管隧道位于水下,它的防水性能比任何用其它方法修建的水下隧道都好,其主要原因是:(1)沉管管节在干坞中预制,可以有效地控制混凝土的浇注质量;(2)仅在管节之间存在连接接头;(3)连接接头的止水有二道屏障,即吉那止水带和欧米加止水带,其使用寿命均在一百年以上;(4)混凝土结构采用自防水和外防水相结合的方式,混凝土的抗渗标号不低于S12,管节底板及以上2m采用钢板外包防水,其余均用橡胶防水涂料防水。
通过上述处理后的沉管隧道,可以作到滴水不漏。沉管防水的关键部位是接头,吉那止水带和欧米加止水带的产品质量和使用寿命是最重要的条件,必须采用业巳成熟的产品,不宜自行研制,否则会带来风险。
6 沉管隧道的抗震性能
沉管隧道的抗震性能包括:(1)列车及地震作用下沉管地基的稳定性;(2)列车震动及地震作用下沉管结构的安全性。这两个方面的问题在南京长江隧道的前期研究中已作了比较深入的研究,其主要结论如下:
(1)高速列车荷载的确定采用了整车车辆-轨道耦合动力学模型,模型的车辆参数是根据有关研究成果制定的,地层及主体结构的材料计算参数是根据相关试验报告采用的。经计算及分析表明,在
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关于沉管法修建长江水下隧道若干问题的研究
列车震动作用下,沉管地基产生的动应力很小,不会引起沙土液化。
(2)计算中输入的地震波采用《地震安全性评价》中给出的100年超越概率2%的三条不同随机相位的地震波(相当于地震烈度8度)。经计算,在三条地震波的作用下,沉管地基所产生的动剪应力和液化范围仅有微小差别,最大液化深度为河床底以下14.5m ,参照抗震设计规范及其它有关规范综合分析,本沉管隧道地震沙土抗液化处理仅限于河床以下15m 范围内。沉管基槽开挖时绝大部分可液化沙土己被挖除,局部地段约2m 的液化层结合基槽开挖进行换填处理。
(3)在沉管结构列车震动响应分析中,考虑到列车-轨道-基础系统,采用空间耦合震动分析模型。分析表明,无论轨道平顺与否,轮轨之间的耦合震动对沉管受力影响都不大,由列车震动引起的沉管、整体道床所受的剪应力、拉应力均远小于混凝土本身的强度。
(4)在地震动力作用下的沉管结构分析中,分别采用质量-弹簧模型和连续介质模型有限元时间历程法进行计算分析,为安全计,初步设计中按质量-弹簧模型的计算结果校核沉管结构及接头的强度和位移。其计算值和容许值的对比见表3。
表3 大震情况下沉管结构接头内力及位移
T able 3 Joint internal force and displacement
of immersed structure under
serious earthqu ake
项目设计容许值计算值
轴力/kN 22440066970结构边缘拉应力/MPa 1.8 3.3接头相对纵向位移/mm 30～35±33接头相对水平位移/mm ±5016.9～18.1接头水平剪力/kN 1445012690
由上所述可见,在列车震动及地震动力作用下,
沉管地基稳定性和结构安全性是有保障的。为了保证沉管隧道安全,在接头部位设置水平剪切键是必要的。
7 防灾问题
前期研究中,对隧道的防灾问题曾立专题进行
了系统研究,由于本文篇幅所限,仅就结构断面设计如何考虑防灾问题谈点看法。防灾问题对隧道而言是十分重要的大事,在结
构断面选择中必须考虑。在沉管隧道结构断面的设计中,由于管节是在干坞中工厂化制作,因此断面的选择的自由度相对较大,可以是单框双线,也可以是带隔墙或隔廊的双框单线。从防灾来说,应采用带隔墙或隔廊的双框断面,这种断面由于基槽开挖及混凝土圬工数量增加,从而工程投资增加约4～5千万元,但从防灾来说是值得的,因为一旦发生灾害所造成的损失有可能比这还大。因而从降低运营风险性考虑,建议选用带隔墙或隔廊的双框断面形式。
8 空气动力效应问题
空气动力效应是高速列车通过隧道时的特有问题,在该隧道的前期研究中已立专项科研课题进行了试验研究。空气动力效应主要有两个方面,隧道内最大瞬变压力和洞口微气压波。8.1 最大瞬变压力
最大瞬变压力差临界值控制标准为【P 】max =3kPa/3s ,通过试验研究和分析计算得出如表4中的
数据。
表4 双框断面隧道内最大瞬变压力
T able 4 Maximum transient pressure in the tunnel
with double -frame section
列车运行情况行车速度
/(km/h )最大瞬变压力/(kPa/3s )竖井开口7.5m 2竖井开口5m 2
单列车
250 2.485单列车259 2.671单列车270 2.909单列车277 3.121单列车281 3.275单列车288 2.982单列车292 3.082单列车
300 3.293
由表中数据可见,当行车速度达300km/h 、竖井开口面积为5m 2时,最大瞬变压力略超过临界值,工程设计时可通过调整竖井位置和开口面积来满足行车速度300km/h 的要求。8.2 洞口微压波
通过试验和计算表明,当行车速度为250～350km/h 时,距洞口20m 处微压波最大值不超过50Pa ,无需设置缓冲结构。
(下转第31页)
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4・现代隧道技术
低盾构掘进推力,掘进推力维持在400t 左右,推进油缸压力不大于4MPa 。在掘进的同时,注意维持土舱内的压力值,一般情况下,土压不低于0.06MPa 。无论在何种情况下,推进油缸压力均不大于5MPa (特别是在管片安装时)。在贯通前的最后3环,掘进速度控制在5～10mm/min 。5.3.3 最后几环管片的安装
最后几环管片的安装采用高强度螺栓,并使用风动扳手紧固。安装时严格按照管片安装规程进行,避免出现错缝、错台。
待盾尾离开洞口密封环后,迅速重新调整洞口
扇形压板,用快速凝固的砂浆进行注浆,保证洞口的
管片衬背注浆迅速凝结。
为加强管片防水和防止管片背后的砂浆突然从洞口冒出,在完成每一环管片的推进和管片安装且待砂浆凝固2h 后,再进行下一环管片的推进。5.4 施工效果检查
隧道贯通过程中,没有出现坍塌事故。隧道贯通后,最后几环管片之间的环缝有少量的线漏、渗漏,但随着时间的推移,遇水膨胀橡胶起到了止水效果,渗漏现象逐渐消失,基本上达到了设计规范的要求。
On holing through technique with shield method
L i Xiaorong
(No.2Department of China Railway Tunneling Group ,Y anjiao ,Beijing 101601)
Abstract Holing through technique is very important in shield tunnel.How to prevent the accidents such as collapse ,water inflow ,etc ,is vital.In this paper ,based on the case history of running tunnel between Yuexiu park station and Sanyuanli station of Guangzhou metro line 2,the specific measures and schemes are offered.K ey w ords Shield tunneling ;Running tunnel ;Holing through technique
(上接第4页)
9 结 语
南京长江水下隧道的前期研究工作始于1993年,迄今已有10年历史了。其间召开过多次研讨会和论证会及科研成果评审会,有关部门对此项越江工程非常重视,投入了较多的资金进行前期科研和论证工作(水下隧道方案有十三项科研课题和四项科研论证),并进行了大比例的河工模型试验,模拟
河段长达47km ,这些研究成果为桥、隧越江方案的科学决策提供了依据,为规避工程风险性奠定了基础。
水下隧道越江方案能更好地适应隧址建设场地的环境条件,由于是采用世界上业已成熟的施工技术,只要在具体实施过程中认真处理好每一个技术细节问题,精心设计,精心施工,是可以取得成功的。
Study on the problems of building the Yangtze River under w ater tunnel
by immersed tube method
W u Wei
(The No.4Survey &Design Institute of China Railways ,Wuhan ,Hubei 430063)
Abstract In this paper ,based on the prior research findings about the Yangtze River immersed tunnel ,the demonstration and analysis is performed at eight aspects.Conclusion is drawn that the use of mature technique of immersed tube method is available ,and success can be achieved if persisting on designing carefully ,constructing carefully ,treating every technical detail carefully.
K ey w ords Immersed tube method ;Yangtze River tunnel ;Study
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13・盾构工法的进洞技术浅谈下载本文
