沉管隧道

沉管隧道

日本修建沉管隧道已有50年的歷史,但直到更近,還未受到過強烈地震的影響。 過去幾十年,日本為了改善TRANBBS交通網路,設計和建造了不少沉管隧道。日本位於世界上最活躍的地震帶上,無論從那種觀點看,因沉管隧道不同於陸地上隧道結構的動力特性,故對沉管隧道應進行抗震能力檢查。 為了確定合理的沉管隧道抗震設計方法,1971年日本土木工程協會(JSCE)成立了一個專門委員會。1988年JSCE用英語發表了該委員會的"沉管隧道抗震設計規範"同時,還在繼續進行這個問題的調查研究與檢測工作。

  • 中文名稱
    沉管隧道
  • 設計包括
    幾何設計、通風設計、照明設計等
  • 設計方法
    容許應力法 和 極限狀態法
  • 日本首座
    1944大阪
  • 優勢
    抗震
  • 分布
    日本

沉管隧道

設計包括

​幾何設計、通風設計、照明設計、結構設計、內裝設計、給排水設計、供電設計、運營安全設計。

設計方法

容許應力法 和 極限狀態法

日本的沉管隧道

日本第一座沉管隧道是1944年為大阪捷運網修建的。至1994年11月,共修建了18座沉管隧道。已建和擬建沉管隧道的地點、尺寸、工期見表1。多摩川隧道(東京)、川崎航道隧道、大阪南港隧道及新舊港公路隧道目前正在TRANBBS施工,神戶、衣浦、橫濱和那霸沉管隧道正在TRANBBS規劃之中。

衣浦港隧道

四車道的衣浦港公路隧道位於日本知多半島高速公路上,穿過衣浦港。隧道長1018.6m,採用浚挖槽溝法修建,兩端有通風塔,隧道是直線。

6節80m長的管段在船塢內預製,用9mm厚的鋼殼防水,用特殊的排水法改善周圍軟粘土,用沉箱法修建通風塔並安置在密實砂層上。

衣浦港隧道採用的地震形變法曾用於舊會山(加利福尼亞州)海灣區快速交通網(BART)的跨海沉管隧道中,為進一步證實還做了模型試驗。根據模型試驗和強震觀測結果,改進了衣浦港隧道的地震設計方法(青木和圓山,1972)。在建成後進行的現場觀測,還未發現有任何強烈的地震活動。因該隧道交通十分擁擠,在傍邊又規劃了一座沉管隧道。

川崎港隧道

川崎港隧道位於東京灣,穿過京濱運河。連線Chidri-Cho和Ohgishima人工島。隧道長840m,採用浚挖槽溝法建造,有8節管段。因隧道建在軟弱粘土層上,設計時考慮了不均勻沉擇。因此在Ohgishima島上的陸地段用鋼管樁支承。

抗震設計採用了多個質量彈簧模型的動力反應法(濱四,1984)。輸入1968年觀測十滕一衝強地震記錄到的八戶波數據進行計算。根據計算結果,兩端的通風塔建在兩岸,與隧道分開。

每節管段都採用鋼殼法修建。在船塢中造好鋼殼,拖運到海上,安裝好鋼筋後,再在海上灌築混凝土。為了使縱向鋼筋承受地震產生的軸向力,採用了51mm的鋼筋。管段採用剛性連線。從1980年建成後,進行了各種觀測,包括地震回響量測。觀測結果詳見第9節。

此外,還監測了沉管隧道的沉降,通風塔和隧道管段間相對位移,航道下面隧道管段上的覆蓋層的變化。

沉管隧道施工技術

1.基糟開挖:可選用戽斗式挖泥機、帶切泥頭的吸泥機或挖泥機、帶爪斗的起重機等設備。切泥頭挖泥機是對要浚挖的泥土進行混攪成漿後吸走。如使用浮放管路排泥時,這種挖泥機的垂直運輸和水平運輸都是封閉的,對環境的影響就比較小。戽斗式挖泥機、帶抓鬥的起重機在垂直運輸泥土時,以及當泥土卸進駁船中供水平運走時產生的溢出都會對環境造成污染。

2、基礎施工:現有3種不同的基礎,歐洲普遍使用噴砂和注砂基礎,美國普遍使用樣板刮平的礫石基礎。

(1)樣板刮平的礫石基礎:一般用於北美的鋼殼管段隧道。地槽挖好後,接著便在地槽底上鋪一層粗砂或礫石。礫石和砂的粒度級配必須與水力條件相適應。這層厚度約0.7m。礫石基礎的刮平度要求為±3cm,這取決於當地條件、砂或礫石的級配以及使用的設備。刮平是用一塊樣板來進行的,樣板從滑架上的絞盤車懸掛下來,滑架沿支承在兩個浮筒上的軌道移動。這套設備錨定在要刮平處的水面上,樣板的懸掛高度可以調節,以補償潮汛水位的變化。也可採用按半潛水的原則製成的特殊設備。這種方法允許樣板直接連到錨墩上。

(2)噴砂基礎:建造杉基礎的第一個系統用的是C&N法(Christiani&Nielson法),即使用在隧道管段上滾動的鋼門架,與門架相連的3根毗鄰的管子,這3根管子被引入到隧道管段底部與地槽之間的空間。最大的管子在中間,通過這根管子,砂水混合物被泵送到隧道管段下面。位於大管子兩側的兩根管子又將水吸回去,從而形成一種流動作用,使砂在隧道管段下面以一種良好的限定和良好的控制的型樣沉澱下來。門架位於隧道管段上面,並可使管子繞垂直軸轉動,這樣就可以達到隧道管段下面的整個空間以便移動管子。砂的平均粒徑約為0.5mm。砂水混合物的濃度和排出速度與噴出形成的砂餅的直徑有直接關係,必須很好地控制。

(3)注砂基礎:這種方法像噴砂法一樣把砂水混合物泵送到管段下面的空間裡。只不過不是使用可移動的門架系統,而是在隧道管段底板上開許多孔口,這些孔口在管段裡面相連。當管道從岸上經過隧道通到這些孔口處進行充填砂基時,不會影響航運。砂水混合物通過在隧道管段內的孔口泵泵出,去填充隧道管段下面的空間,直到砂堆接觸到隧道管段的底部為止。這樣在隧道管段下面形成一個擴大的砂餅。砂餅內部的水壓超過了預先指定的最大值時,打開下一個孔口,同時將前一個孔口關閉。這種方法速度快,能在24小時內填滿一個隧道管段下面的整個空間,這樣就能避免管段放置後產生淤積的危險。

3、管段製作:

(1)管節的製作:管節製作是大型沉管隧道的主要工序,它的工期和質量不僅直接影響沉管的浮運和沉放,而且關係到隧道運營的成敗。製作工藝的關鍵技術是控制砼的容量和管節(結構)尺寸精度,以及控制鋼筋砼解決夠的裂縫,以實現結構的自身防水。

(2)製造管段的場地:對鋼殼式管段,在隧址附近的船塢製作,然後拖到隧道施工現場附近進行艤裝,再拖至施工現場灌注鎮載砼。對砼管段,在隧址附近的乾船塢中澆制砼管段,管段造好後浮運至施工現場沉放。在丹麥和瑞典的斯熱桑得隧道在乾船塢里還建造有一條砼管節生產的流水線的工廠,管造好後在乾船塢里連線成管段。

4、接頭的設計及處理技術:接頭設計和處理技術是沉管隧道的關鍵技術之一。接頭的設計應能承受溫度變化、地震力以及其他作用,並保證具有良好的水密性。沉管隧道的每一個管段都是一個預製件,在管段之間和管段與通風塔之間存在接頭。接頭有2種形式:剛性接頭,接頭具有與其連線管段相似的斷面剛度和強度;柔性接頭,接頭允許在3個主軸方向上有相對位移。在某些情況下,沉管隧道的所有接頭都採用同一種形式,在另外一些情況下,兩種形式都可能採用。接頭的位置、間距和形式應按照土壤條件、基礎形式、抗震以及可加工性倆決定。同時,還應考慮接頭的強度、變形特性、防水、材料以及細部構造。

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