一种水下隧道施工方法与流程

1.本发明涉及隧道工程建设领域，具体涉及一种水下隧道施工方法。


背景技术：

2.隧道工程建设方法主要分为明挖法和暗挖法，本发明提出的方法，属于明挖法中沉管隧道法范畴。传统的沉管隧道建设方法的过程大致如下：选取合适的干坞场地开挖基坑、然后在干坞中采用钢筋混凝土材料分节段预制沉管管节，同时在拟建隧道位置进行基槽开挖，待管节预制完成后分节段拖运至基槽位置，逐节沉放，逐节对接，待沉放对接完毕后对基槽进行回填，再进行隧道内的剩余作业过程，最后完成隧道工程。传统的设计和建设方法目前在国内已获得较为广泛和成功的应用，但其施工过程来看，也存在一些缺点，主要体现在以下几个方面：(1)制作场地要求较高，需要开挖规模较大的基坑以便后期浮运；(2)水下对接和水中接头施工难度大、风险高；(3)施工工序较多，施工周期较长。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种水下隧道施工方法，以降低施工难度及施工风险。
4.本发明的第一方面实施例的水下隧道施工方法，包括：对隧道主体结构和密封构件进行设计并制作；对锚碇进行设计并在岸上制作，将锚碇在隧道节段下沉之前进行沉放就位；隧道节段制作完成后，在水面上完成隧道节段拼装工作，使拼装完成的隧道节段整体下沉，沉放就位后对隧道节段进行固定；基槽回填和护岸恢复后，在隧道内进行抽水，抽水完毕后打开隧道两端密封门进入隧道完成后续作业。
5.根据本发明的一些实施例，所述隧道节段的结构形式至少包括双层结构、单层结构或钢筋混凝土复合结构的其中一种。
6.根据本发明的一些实施例，所述密封构件包括拉合机构及止水橡胶，所述止水橡胶包括第一止水橡胶，所述第一止水橡胶设置在相邻两根所述隧道节段之间，所述拉合机构用于固定相邻两根所述隧道节段。
7.根据本发明的一些实施例，所述止水橡胶还包括第二止水橡胶，所述第二止水橡胶设置于所述隧道节段外沿，所述第二止水橡胶通过所述拉合机构固定与所述隧道节段上。
8.根据本发明的一些实施例，所述拉合结构包括拉合牛腿及拉合杆，相邻两根所述隧道节段上均设置有所述拉合牛腿，所述拉合牛腿通过所述拉合杆连接。
9.根据本发明的一些实施例，所述拉合机构和所述止水橡胶均为弹性部件。
10.根据本发明的一些实施例，所述锚碇采用钢筋混凝土预制。
11.根据本发明的一些实施例，在隧道节段拼装过程中，隧道节段通过稳定浮筏及岸上缆绳进行固定，以防止所述隧道节段翻转或扭转。
12.根据本发明的一些实施例，所述隧道节段整体下沉采用注水下沉方式，通过在隧
道节段内设置配重水箱或在稳定浮筏中注水实现。
13.根据本发明的一些实施例，所述隧道节段的抗浮及抗震通过耳环绳固定于锚碇块。
14.本发明实施例的水下隧道施工方法，至少具有如下有益效果：首先，本施工方法对隧道节段的制作场地要求不高，可以在隧址选择轴线或非轴线干坞，也可以在岸上的简易场地制作，或在邻近的上下游船厂进行制作后，再通过浮运至工程场地位置，隧道节段制作场地要求的降低使得隧道节段制作的时间及资金成本大大降低；其次，隧道节段的拼装可以在水面或浅水区域进行，使得隧道节段对接的时间成本更低、可靠性更高，同时施工风险相比于使隧道阶段在水下逐节沉放对接呈指数级降低；再次，由于隧道节段水上对接和整体沉放，减少了隧道节段的水下接头作业，进一步加快了工期、提高了可靠性并降低了施工风险。
15.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
17.图1为本发明实施例中隧道节段衔接大样图；
18.图2为本发明实施例中隧道节段衔接位置断面图；
19.图3为本发明实施例中隧道节段衔接示意图；
20.图4为本发明实施例中隧道节段水面拼接示意图；
21.图5为本发明实施例中基槽开挖及锚碇安放示意图；
22.图6为本发明实施例中全隧道节段浮运示意图；
23.图7为本发明实施例中隧道全节段就位过程示意图；
24.图8为本发明实施例中隧道全节段就位剖面图；
25.图9为本发明实施例中隧道沉放及锚固示意图。
26.附图标记：
27.水面线1，河岸边线2，隧道节段11，水密门12，钢封门13，锚碇14，系缆机构15，稳定浮筏16，施工控制缆绳17，锚固耳环绳18，拉合牛腿21，拉合杆23，锚固耳环111，锚垫板211，第一止水橡胶221，第二止水橡胶222。
具体实施方式
28.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、
超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
31.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
32.本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
33.参见图1至图9，本发明实施例的水下隧道施工方法，包括：对隧道主体结构和密封构件进行设计并制作；对锚碇14进行设计并在岸上制作，将锚碇14在隧道节段11下沉之前进行沉放就位；隧道节段11制作完成后，在水面上完成隧道节段11拼装工作，使拼装完成的隧道节段11整体下沉，沉放就位后对隧道节段11进行固定；基槽回填和护岸恢复后，在隧道内进行抽水，抽水完毕后打开隧道两端密封门进入隧道完成后续作业。
34.具体地：
35.在隧道节段11设计及制作的过程中，首先根据总体情况对隧道节段11进行划分，确定水下隧道长度和隧道节段长度等相关参数；其次根据隧道节段11在制作、浮运、沉放、基槽回填覆土、护岸回填及地震力等因素影响下的受力情况，设计计算隧道节段11的材料强度、板厚、锚固耳环111及锚固耳环绳18及其他加强构件参数；根据隧道节段11在浮运及运营过程中可能出现的受力情况，设计拉合杆23和止水橡胶的相关参数，并制作或购买相应制作材料；再次，在选定的制作场地，比如上游或下游临近船厂船坞进行隧道节段11制作。
36.在锚碇14的设计、制作及沉放的过程中，根据隧道结构受力、抗浮、抗震和限位需要，对锚碇14的尺寸和局部受力进行计算分析，根据分析结果在岸上选取合适位置预制锚碇14，预制锚碇14时预留锚固耳环绳18的预埋件，可根据需要在锚碇14与隧道节段11接触面设置弹性衬垫，以防止整体沉放过程中发生碰撞损伤结构；随后，根据隧道设计位置的水文和地质条件和回淤情况对基槽进行设计，隧道与岸上段衔接位置需要破除既有堤岸，开挖时需设置相应的支护结构确保岸线稳定，基槽开挖完成后将锚碇14吊装就位，如图5所示。
37.在隧道节段11的拼装过程中，根据预先制定的施工方案，隧道节段11可以在上游或下游制作场地(如船坞)拼接好后浮运出坞，再通过稳定浮筏16和拖船的辅助下浮运至隧道设计位置，再使拼装好的隧道节段11进行转向就位；也可将隧道节段11分节段浮运至隧道设计位置上方后再行拼接和预就位，如图4所示。
38.可以理解的是，隧道准确就位过程中需要通过系缆机构15和施工控制缆绳17对隧道节段11的位置进行调整，如图7所示。
39.隧道就位后，逐渐减小稳定浮筏16对隧道节段11的作用力，并缓慢灌水使得拼装好的隧道节段11整体同步下沉，下沉过程中需要监控隧道节段11的整体姿态，避免偏差过
大或发生偏转，沉放就位后需对节段姿态进行检查，确保无误；隧道沉放就位经检查后，由潜水员水下通过锚固耳环绳18进行隧道的锚固作业。为方便潜水员水下作业，锚固耳环绳18与锚碇14块之间的连接参考安全绳锁扣的原理，锚碇14沉放时可预先将锚固耳环绳18连接在单侧锚碇14上以减少水下作业工作量。
40.在基槽回填和护岸恢复过程中，隧道的密封状况合格后，按设计要求进行基槽回填以及护岸恢复工作。基槽回填需要事先进行设计，隧道两侧应回填块石以便对隧道两侧进行约束限位，隧道顶部应设置片石保护层，以起到防锚作用。对于位于护岸位置的隧道节段11，在进行隧道节段11设计制作时应考虑到护岸的荷载较大，以及护岸与隧道结构间的止水衔接，以便岸上段施工时的基坑止水。进一步地，护岸也可考虑采用轻质填料，以减轻隧道结构受力。
41.恢复护岸的目的是使得岸上段基坑开挖后，露出隧道的两端，此时隧道两端与江水隔绝，形成干作业环境，以便从两端打开水密门12并进入隧道内进行后续作业。
42.进行隧道排水作业时，对各隧道节段11的排水作业应同时进行。排水完成后，先逐个打开每节隧道的水密门12，检查隧道内部情况，确保安全后再切割钢封门13，再进行隧道内路面结构、其他通风及照明设施等作业。
43.本发明实施例的水下隧道施工方法，对于隧道节段11制作场地要求不高，制作好隧道节段11后再运至工程场地位置，隧道节段11的制作对场地要求的降低使得隧道节段11制作的时间及资金成本大大降低；其次，隧道节段11的拼装可以在水面或浅水区域进行，使得隧道节段11拼装对接的时间成本更低、可靠性更高，同时施工风险相比于使隧道节段11在水下逐节沉放对接呈指数级降低；再次，由于隧道节段11水上对接和整体沉放，减少了隧道节段11的水下接头作业，进一步加快了工期、提高了隧道节段11间的连接可靠性。
44.在一种可能的实施方式中，隧道节段11的结构形式至少包括双层结构、单层结构或钢筋混凝土复合结构的其中一种，以满足受力要求。隧道节段11的主要材料为钢材，根据受力要求，隧道节段11的断面形式可以是矩形、圆形或其他截面形状，设计时除了考虑隧道节段11制作、拖运、沉放及运营期间的受力情况外，隧道两端的隧道节段11还要满足护岸的载荷要求。
45.在一种可能的实施方式中，密封构件包括拉合机构及止水橡胶，止水橡胶包括第一止水橡胶221，第一止水橡胶221设置在相邻两根隧道节段11之间，拉合机构用于固定相邻两根隧道节段11，如图1所示。拉合结构使相邻两根隧道节段11实现相对固定；同时通过拉合结构，使相邻两根隧道节段11挤压第一止水橡胶221以达到密封止水效果。
46.在一种可能的实施方式中，止水橡胶还包括第二止水橡胶222，第二止水橡胶222设置于隧道节段11外沿，第二止水橡胶222通过拉合机构固定与隧道节段11上，如图1所示。第二止水橡胶222设置在隧道节段11外沿和拉合结构之间的间隙中。通过拉合结构对第二止水橡胶222的挤压作用，提高隧道节段11连接处的止水效果。
47.在一种可能的实施方式中，拉合结构包括拉合牛腿21及拉合杆23，相邻两根隧道节段11上均设置有拉合牛腿21，拉合牛腿21通过拉合杆23连接。拉合牛腿21直接与隧道节段11固定连接，以确保拉合牛腿21与隧道节段11之间的密封性能。其中一侧的拉合牛腿21对接部分的内径比隧道节段11的外径略大，拉合牛腿21与隧道节段11之间的间隙用于安装第二止水橡胶222。相邻两根隧道节段11通过拉合杆23进行连接。进一步地，拉合杆23两端
设置有锚垫板，增大拉合牛腿21的受力面积，提高拉合杆23连接的可靠性，如图3所示。
48.需要指出的是，在隧道节段11连对接部分的内侧，也设置有拉合结构，以确保相邻两根隧道节段11的连接稳定性，如图1和图2所示。
49.在一种可能的实施方式中，设置在隧道节段11外侧的拉合牛腿21为拉合牛腿套箍，可对隧道节段11的外圆周进行全圆周覆盖对接，进一步提高隧道节段11的密封性能。
50.可以理解的是，拉合机构和止水橡胶均为弹性部件。由于拉合机构和止水橡胶均具有高强弹性，所以通过该拉合机构和止水橡胶连接固定的隧道节段11之间允许有一定的转角，从而使拼装好的隧道节段11适应整体浮运和沉放过程中复杂的受力状况，并可实现水下曲线隧道设计。其中，止水橡胶的强度和弹性(即压缩曲线)根据现场条件计算确定。
51.在一种可能的实施方式中，锚碇14采用钢筋混凝土预制。锚碇14的设计和制作主要考虑隧道的地基承载力、抗浮、限位及抗震要求。
52.在一种可能的实施方式中，在隧道节段11拼装过程中，隧道节段11通过稳定浮筏16及岸上缆绳进行固定，以防止隧道节段11翻转或扭转，如图6和图7所示。
53.在一种可能的实施方式中，隧道节段11整体下沉采用注水下沉方式，通过在隧道节段11内设置配重水箱或在稳定浮筏16中注水实现。
54.在一种可能的实施方式中，隧道节段11的抗浮及抗震通过耳环绳固定于锚碇14，如图9所示。
55.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。