隧道施工方法之沉管法
历史发展：
19世纪末已用于排水管道工程。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。20世纪初叶，开始用于交通隧道，1910年美国建成了第一条底特律河铁路隧道，水下段由10节长80米的钢壳管段组成。至1927年，德国于柏林建成了一条总长为 120米的水底人行隧道。采用沉管法修建的第盘跛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，建成于1928年，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。沉管法修建水底隧道一个明显的进步，是1941年在荷兰建成的马斯河道路隧道。管段用钢筋混凝土制成矩形结构，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，外面用钢板防水，并用混凝土作防锈护层。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。
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。
中国.....省高雄市的过港隧道于1984年通车。穿越主航道的水下段用6节120米的沉放管段组成，为4车道矩形断面。70年代初期，在上海市金山和广东省等地，用沉管法修建了多条水工隧洞。沉管法也应用于建设地下铁道隧道。
沉管法优点：
主要有：①容易保证隧道施工质量。因管段为预制，混耐潦┕ぶ柿扛撸易于做好防水措施；管段较长，接缝很少，漏水机会大为减少，而且采用水力压接法可以实现接缝不漏水。②工程造价较低。因水下挖土单价比河底下挖土低；管段的整体制作，浮运费用比制造、运送大量的管片低得多；又因接缝少而使隧道每米单价降低；再因隧道顶部覆牟愫穸瓤梢院苄。隧道长度可缩短很多，工程总价大为降低。③在隧道现场的施工期短。因预制管段（包括修筑临时干坞）等大量工作均不在现场进行。④操作条件好、施工安全。因除极少量水下作业外，基本上无地下作业，更不用气压作业。⑤适用水深范围较大。因大多作业在水上操作乃下作业极少，故几乎不受水深限制，如以潜水作业实用深度范围，则可达70米。⑥断面形状、大小可自由选择，断面空间可充分利用。大型的矩形断面的管段可容纳4～8车道，而盾构法施工的圆形断面利用率不高，且只能设双车道。
沉管隧道的施工程序：
管段制作
管段的预制是沉管隧道施工的关键项目之一，关键技术包括：１）容重控制技术。混凝土容重定了管段O量大小，如果控制不当，可能造成管段无法起浮等问题，为了保证管段浮运的稳定性干舷高度，必须对混凝土容重进行控制，措施包括配合比控制、计量衡器控制、配料控制、容重抽查等。２）几何尺寸控制。几何尺寸误差将引起浮运时管段的干舷及重心变化，进而增加浮运沉放的施工风O。特别是钢端壳的误差，会增加管段对接难度和质量、影响接头防水效果，甚至影响隧道整条线路。因此，几何尺寸误差控制是管段预制施工技术的难点、重点之一。管段几何尺寸控制措施主要包括精确测量控制、模板体系控制、钢端壳控制，钢端壳采用二次安装消除安装误差。３）结构O缝预防。管段混凝土裂缝的控制是沉管隧道施工成败的关键之一，也是保证隧道稳定运行的决定性因素，因此需要在所有施工环节对缝控制予以充分考虑。４）结构裂缝处理虽然采取了一系列防裂措施，但管段裂缝是不可能避免的。出现裂缝后，应采取补救措施。首先对裂缝观察描述认定O依据其性质选用合理的方案补救。第一类为表面裂缝，可采用表面封堵方案处理；第二类为贯穿性裂缝，可采取化学灌浆方案处理。
管段沉放
管段沉放:沉放作业分为３ 个阶段进行，初次下沉、靠拢下沉和着地下沉。在沉放前，应对气象、水文条件等进行监测、预测，确保在安全条件下进行作业。
管段的水下连接
管段的水下对接采用水下压接法完成，该法是利用静水压力压缩ＧＩＮＡ 止水带，使其与被对接管段的端面间形成密闭隔水效果，水下对接的主要工序包括对位、拉合、压接内部连接、拆除端封墙等工序。
为了确保沉管隧道各个管段能准确连接，需要建立测量系统和调整装置。测量系统包括引导管段到位和使管段正确对接两个部分。引导管段到位的测量系统是在陆地上用扫描式全站仪自动跟踪测量定位控制塔上的棱镜，根据测量结果用计算机算出管段现在位置，显示在屏幕上，指导指挥人员下一步决策（进一步下沉或平面位置调整）。使管段正确对接的测量系统可采用超声波探测装置（水下三维系统）配合陆地上的引导系统，以及时掌握管段的绝对位置与状态（管段摆动与否），以及正沉放管段与已沉放管段之间的相对位置（端面间距帧⒎较颉⒆莺岫厦娴那阈钡龋，从而安全、正确并以最短时间实现管段的沉放与对接，避免沉放过程中管段碰撞和ＧＩＮＡ 橡胶止水带损伤等事故发生。超声波探测装置可自动测量管段端面之间的相互距离、水平和垂直偏移、管段倾斜，检测结果通过计算机处理后显示出图像，作为监控管段沉放的根据。最后对接时，还需潜水员大量、多次的检查，确认位置正确，保证沉放安全、成功。管段压舱水箱加减压舱水时，管内需要人工操作多个阀门，管段沉放开始之前管内人员必须全部离开，拉合管段并初步止水后，人员方可再进入管内进行水力压接，这是沉管隧道施工的安全芮螅但实际操作很难做到。因管段沉放接近基槽底部时，通常周围水体容重会增加，管段负浮力会减小，这时需要施工人员进入管内进行操作增加压舱水。瑞典到丹麦的厄勒沉管隧道１３ 号管段的事故最能说明管段沉放过程中管内不允许有人的安全观点，１３ 号管段沉放离目标还有１． ｍ时，管尾的混凝土封门由于底部枕梁缺少箍筋引起局部破坏，导致大量海水在极短时间内进入管内并从人孔中涌出约３０ ｍ，管段急剧下沉到基槽底。另外，由于同一潜水员２４ ｈ 内不能复潜，完成一节管段的沉放，需要８ ～１０ 位潜水员依次工作，潜水准备、潜水员更换，也占芎芏嗍奔洹Ｔ谏虾Ｍ饣匪淼溃 节管段的沉放对接施工中，曾有多次由于潜水探摸占用太多施工时间，错过了平潮流速较小时段可以进行管段初步对接的机会，只好等待下一个平潮，拖延了沉放作业进度。因此，扫描式全站仪、超声波探测装置的应用，可大大减小现场施工人员的作业强度，减少施工风险，降低作业成本。
管段基础处理
沉管隧道基础设计与处理是沉管隧道特别是矩形沉管隧道的关键技术之一。沉管隧道基础沉降问题与一般地面建筑的情况截然不同。沉管隧道在基槽开挖、管段沉放、基础处理和最后回填覆土，抗浮系数仅１．１ ～１．２，作用在沟槽底面的荷载不会因设置沉管而增加，相反却有所减小。在沉管隧道沉管段中构筑人工基础，沉降问题一般不会发生。有些国家（如日本）明确规定，当地基容许承载力［Ｒ］≥２０ ｋＮ／ｍ２ ，标准贯入度Ｎ≥１ 时，不必构筑人工沉管基础。是在沉管段基槽开挖时，无论采取何种挖泥设备，浚挖后沟槽底面总留有１５ ～５０ ｃｍ的不平整度。沟槽底面与管段表面之间存在众多不规则的空隙，导致地基土受力不均匀，同时地基受力不均也会使管段结构受到较高的局部应力，以致开裂，因此，必须进行适当的基础处理，以消除些有害空隙。沉管隧道基础处理主要是解决：ａ．基槽开挖作业所造成的槽底不平整问题； ｂ．地基土特别软弱或软硬不均等工况；ｃ．考虑施工期间基槽回淤或流砂管涌等问题。从沉管隧道基础发展来看，早期采用的是刮铺法（先铺法）。该方法是在疏浚地基沟槽后，在两边打桩并设立导轨，然后在沟槽上投放砂石，用刮铺机进行刮铺。它适用于底宽较小的钢壳圆形、八角形或花篮形管段。美国早期的沉管隧道常用此法。该法有不少缺点，特别是对矩形宽断面隧道不适用，而逐渐被淘汰，取而代之的是后填法。后填法是将管段先沉放并支承于钢筋混凝土临时垫块上，再⒐芏蔚酌嬗氲鼗之间垫铺基础。后填法克服了刮铺法在管段底宽较大时施工困难的缺点，并随着沉管隧道的广泛应用，不断得到改进和发展，现有灌砂法、喷砂法、灌囊法和压注法，其中，压注法又分为压浆法和压砂法。
管段防水设计
毫无疑问，对沉管隧道来说，防水是一个非常重要的工程［３，４］ 。沉管隧道的防水包括管段的防水和接头的密封防水。管段结构形式有圆形钢壳式和矩形钢筋混凝土式两大类，钢壳管节以钢壳为防水层，其防水性能的好坏取决于拼装成钢壳的大量的焊缝质量。为了保证焊缝的防水质量，应对焊缝质量进行严密检查。钢筋混凝土管段的防水又包括管段混凝土结构的防水和接缝防水。自防水是隧道防水的根本，对于混凝土管段来说，渗漏主要与裂缝的发展有关。因此，在提高混凝土抗渗等级的同时，要采用低水化热水泥并严格进行大体积混凝土浇筑的温升控制，将管段混凝的结构裂缝和收缩裂缝控制在允许范围内为了保证焊缝的防水质量，应对焊缝质量进行严密检查。钢筋混凝土管段的防水又包括管段混凝土结构的防水和接缝防水。自防水是隧道防水的根本，对于混凝土管段来说，渗漏主要与裂缝的发展有关。因此，在提高混凝土抗渗等级的同时，要采用水化热水泥并严格进行大体积混凝土浇筑的温升控制，将管段混凝土的结构裂缝和收缩裂缝控制在允许范围内。除了管段的自防水以外，管段外防水层的敷设通常也是很有必要的。厄勒海峡隧道的建设者们对不同的裂缝宽度估计了运营期间可能渗入的水量，即使对于０．２ ｍｍ 的裂缝，１００ 年通过的总渗水量也达９００ ×１０４ ｔ，可见潜在渗水危险是存在的。因此，为了确保管段具有非常可靠的防水性能，除发挥管段自防水性能外，在管段外两侧面和顶面涂抹一层很薄的外防水涂料是很有必要的。日本、澳大利亚等国习惯采用底板铺设带键的防水板，侧墙、顶板喷涂聚合物或环氧涂层的全包防水或半包防水。