第11章 沉管結構

1、,第11章 沉管結構,,本 章 內 容,1,2,3,,,,4,,5,,概述 沉管結構的設計 沉管的防水設計,變形縫與管段接頭設計 沉管基礎設計,,1. 概述,定義：在水底預先挖好溝槽，把在路上其它地方預制的適當長度的管體，浮運到沉放現場，順序地沉放到溝槽中，并回填覆蓋而形成的結構。,,1. 概述,二十世紀50年代解決了兩項關鍵技術——水力壓接法和基礎處理，沉管法已經成為水底隧道最主要的施工方法，尤其在荷蘭。(北美、西歐、

2、日本) 我國現有6條沉管法隧道：上海外環(huán)越江隧道（亞洲第1世界第2）上海金山供水隧道，另外5條在寧波（寧波甬江水底隧道）、廣州（廣州珠江水底隧道）、香港（香港西區(qū)沉管隧道、香港東區(qū)沉管隧道）和臺灣高雄跨海隧道。準備建造的瓊州海峽隧道（預計35公里）,,,與其它結構形式和施工方法的比較：1. 與橋梁等方案的比較 公路或城市道路遇到江河、港灣時，渡越的辦法根多，有輪渡、橋梁、水底隧道等。 a.輪渡是最簡易的，它的優(yōu)點是基

3、本建設投資少，運營費用亦小;但無法適應較大的交通量。b.橋梁的主要優(yōu)點是單位長度造價低。在渡越不通行海輪的江、河或海輪達不到的上游河段時，一般總是首先考慮建橋,1. 概述,,,c.水底隧道主要是用在市區(qū)港灣或通行海輪的江、河上。 在這種場合下，如采用橋梁渡越，則由于海輪航道凈空的需要，橋梁的跨徑必須較大，橋下凈空很高，引橋加引道的長度也很長，這樣的“高橋”，不但總造價常超過一般概念中認為比較貴的水底隧道，而且這么長的引

4、橋、引道在市區(qū)內通過，其干擾和影響也不是易于妥善解決的。,1. 概述,,1. 概述,橋、隧方案的比較,,,2. 與其它施工方法的比較 在水底隧道的施工中，如有條件構筑圍堰，則以采用明挖施工最為簡單，沒有條件構筑圍堰時，較常用的是盾構法和沉管法。 從本世紀的五十年代起，由于沉管法的主要技術難關相繼突破，它的施工方便、防水可靠、造價使宜等優(yōu)點，乃更明顯突出。所以，在近年來的水底隧道建設中，沉管法已取代了曾經保持了一百多

5、年首居地位的盾構法。（表11-1）,1. 概述,,沉管結構特點： 1．隧道的施工質量容易做好； 2. 建筑單價和工程總價均較低 ；3.隧位現場的施工期短；4.操作條件好 ；5.對地質條件的適應性強，能在流砂層中施工，不需特殊設備或措施 ；6.適用水深范圍幾乎是無限制的 ；7.斷面形狀選擇的自由度較大，斷面空間的利用率較高 ； 8．水流較急時，沉沒困難，須用作業(yè)臺施工 ；9．施工時須與航道部門密切配合，采取措施（如暫時的

6、航道遷移等）風保證航道暢通。,,1. 概述,沉管隧道的施工 ： 沉管施工法，亦曾稱為預制管段施工法、沉放施工法等。施工時，先在隧址以外的臨時干塢內制作鋼筋混凝士的隧道管段，兩端用臨時封墻封圍起來。制成后向臨時干塢內灌水，使管段逐節(jié)浮出水面，并用拖輪拖運到指定位置上去。這時設計隧道處，已預先挖好一個水底溝槽。待管段定位就緒后，向管段里灌水壓載，使之下沉。然后把這些沉設完畢的管段在水下聯(lián)接起來。經覆土回填后，便筑成了隧道。,,

7、1. 概述,沉管施工法,,沉管隧道的設計,主要有：總體幾何設計，結構設計，通風設計、照明設計，內裝設計，結排水設計。供電設計，運行管理設施設計等。 其中總體幾何設計非常重要，常是決定隧道工程設計成敗的一個關鍵。 總是千方百計地降低覆蓋率，把峒口建筑盡可能地移近水邊，帶來了通風方式的根本性變革 ，在隧管中不再設置風道 。,,沉管結構的類型 ： 兩種基本類型：鋼殼沉管和鋼筋混凝土沉管。,2. 沉管結構的設計,

8、沉管隧道按截面形狀有圓形和矩形兩類。（1）圓形沉管隧道：這類沉管內邊均為圓形、外邊則為圓形、八角形或花籃形，多半用鋼殼作為防水層； （2）矩形沉管隧道：在每個斷面內可以同時容納2－8個車道，矩形斷面的空間利用率較高，,2. 沉管結構的設計,,荷載,2. 沉管結構的設計,結構自重、水壓力、土壓力、浮力、施工荷載、波浪和水流壓力、沉降摩擦力、車輛活荷載、沉船荷載，地基反力、溫度應力、不均勻沉降所產生的附加應力、地震等作用。作用在沉管上

9、的水壓力是主要荷載 。,,荷載,2. 沉管結構的設計,在上述荷載中，只有結構自重及其相應的地基壓力是恒載。鋼筋混凝土的容重可分別按2．46t／m3（浮運階段）及2．42t／m3（使用階段）計算。至于路面下的壓載混凝土的容重，則由于密實度稍差，一般可按 2.25t／m3計算。,,荷載,2. 沉管結構的設計,作用在管段結構上的水壓力，是主要荷載之一。在覆土較小的區(qū)段中，水壓力常是作用在管段上的最大荷載。設計時要按各種荷載組合情況分別計算正常

10、的高、低潮水位的水壓力，以及臺風時或若千年一遇（如100年一遇）的特大洪水位的水壓力。,,荷載,2. 沉管結構的設計,土壓力是作用在管段結構L的另一主要荷載，且常不是恒載。 施工荷載主要是端封墻、定位塔、壓載等重量。在進行浮力設計時，應考慮施工荷載。在計算浮運階段的縱向彎矩時，施工荷載將是主要荷載。如果施工荷載所引起的縱向負彎矩過大，則可凋整壓載水罐（或水柜）的位置來抵銷一部分彎矩。,沉降摩擦力,地基反力的分布規(guī)律,（1）直線分布；

11、（2）反力強度和各點沉降量成正比，即文克爾假定，又可以分為單一系數和多種地基系數的兩種；（3）假定地基為半無限彈性體，按彈性理論計算反力。,,計算采用荷載一結構法，按一般結構力學原理，應用桿系有限元的方法計算結構的內力及位移。,2. 沉管結構的設計,,沉管的浮力設計 ： 包括：干舷的選定和抗浮安全系數的驗算。,2. 沉管結構的設計,1）干舷管段在浮運時，為了保持穩(wěn)定，必須使管頂面露出水面，其露出高度稱為干舷。具有一定干舷的管段，與

12、風浪后產生反向力矩，保持平衡。干舷的高度應適中，過小則穩(wěn)定性差，過大時沉設困難。,浮力設計時，按照最大混凝土容重、最大混凝土體積和最小河水的比重來計算干舷。,,抗浮安全系數,2. 沉管結構的設計,在管段沉設施工階段，應采用1.05～1.1的抗浮安全系數。 管段沉設完畢后，務必大于1.05，防止“復浮”。設計時需要按照最小混凝土容重、最小混凝土體積和最大河水的比重來計算抗浮安全系數。,,沉管結構的外廓尺寸,2. 沉管結構的設計,

13、沉管結構的外廓尺寸，必須通過浮力設計才能確定 ;沉管結構的外廓高度，往往超過車道凈空高度與頂底板厚度之和。,,2. 沉管結構的設計,1）.斷面結構分析其結構內力分析須經過“假定截面尺寸——分析內力——修正尺度——復算內力”的幾次循環(huán)。避免采用剪力鋼筋 ,常采用變截面或折拱形結構 。不能只以一個斷面的結構分析來代表整節(jié)管段，以及河中段全長的橫斷面配筋計算，所以目前一般采用電算分析。,,2. 沉管結構的設計,2）縱向結構分析,施工階

14、段的沉管縱向受力分析，主要是計算浮運、沉設時，施工荷載、波浪力所引起的內力。使用階段的沉管縱向受力分析，一般按照彈性地基梁理論進行計算。,,結構分析與配筋：,2. 沉管結構的設計,沉管結構的混凝土強度等級，宜采用C30-C40。由于沉管結構對貫通裂縫非常敏感，非貫通裂縫宜控制在0.15-0.2mm以下，因此采用鋼筋等級不宜過高，不宜采用III級和III級以上的鋼筋。,,設計時采用的容許應力可按不同的荷載組合條件，分別加隊相應的提

15、高率．,2. 沉管結構的設計,,預應力的應用,2. 沉管結構的設計,一般情況下，沉管隧道采用普通混凝土結構而不用預應力混凝土結構。因沉管的結構厚度并非強度決定，而是由抗浮安全系數決定。當隧道跨度較大，達三車道以上，或者水、土壓力又較大時，采用預應力 。,(a)Almendares (b)Lafontaine1-預應力索；2－臨時拉索；3－防水層,2. 沉管結構的設計,,沉管的防水 措施：,3

16、 沉管的防水,早期的沉管隧道都是利用船廠里的設備和船合，制成鋼殼，待鋼殼下水之后，再于浮態(tài)下進行襯砌混凝土的澆筑。這種鋼殼既是施工階段的外模，又是管段沉沒以后使用階段的防水層。 到六十年代初，開始在一些沉管隧道的工例中，全部采用柔性防水，完全不用鋼板。 以上所述都是設在管段外表面的防水措施，可概稱外防水。除外防水以外，沉管自身防水亦是一項極為重要的防水措施。,,鋼殼與防水鋼板 ：,3 沉管的防水,鋼殼作為防

17、水措施，鋼殼缺點不少，主要是： （1）耗鋼量大。 （2）焊接質量。 （3）防銹問題仍未切實解決。 （4）鋼板與混凝土之間粘結不良。 由于鋼殼防水的昂貴而不可靠，改用鋼板防水（即僅在管段底板下用鋼板防水層）的工例日益增多。,,鋼殼與防水鋼板 ：,3 沉管的防水,,鋼殼與防水鋼板 ： 防水鋼板的單位面積用鋼量；比鋼殼的單位面積用鋼量低得多，僅為其1／4左右。主要是鋼板厚度可以薄很多，而且又略去大量的

18、加筋及支撐，基本上不再使用型鋼。,3 沉管的防水,,卷材防水與涂料防水 ： 卷材防水層是用膠料把多層瀝青類卷材或合成橡膠類卷材膠合成的粘貼式防水層。 瀝青類卷材品種很多，沉管隧道外防水用的卷材，以選用織物卷材為宜，取其強度大，韌性好。 卷材防水的主要缺點是施工工藝較繁，而且在施工操作過程中稍有不慎就會造成“起殼”而返工，返工時非常費事。,3 沉管的防水,,卷材防水與涂料防水 ： 涂料防水

19、漸漸應用到管段防水上來，它最突出的優(yōu)點是操作工藝比卷材防水簡單得多，而且在平整度較差的混凝土面上，可以直接施工。 缺點：它的延伸率還不夠；防水涂料的另一要求是能在潮濕的混凝土面上能直接涂布，目前也沒有完全解決好。,3 沉管的防水,變形縫的布置與構造沉管結構一般都是二次澆筑 ，常易發(fā)生收縮裂縫 。不均勻沉降等影響也易致管段開裂 。,4 變形縫與管段接頭設計,變形縫,每節(jié)管段分割成若干節(jié)段，一般為15～20m左右 。

20、,變形縫須滿足,1.能適應一定幅度的線變形與角變形。2.在浮運、沉設時能傳遞縱向彎矩。外排縱向鋼筋全部切斷。而內排縱向鋼筋則暫時不予切斷，待沉設完畢后再將跨越變形縫之內排縱向鋼筋，全部切斷。 3.在任何情況下能傳遞剪力 變形前后均能防水，,止水縫帶,普遍的是橡膠止水帶和鋼邊橡膠止水帶。1)橡膠止水帶橡膠止水帶可用天然橡膠（含膠率）70％）制成。亦可用合成橡膠（如氯丁橡膠等）制成。地下工程中的橡膠止水帶的耐用壽命應在六十

21、年以上。經老化加速實驗亦可斷定其安全年限超過100年。,在水底沉管隧道中，因作用在溝槽底面的荷載，不因設置沉管而有所增加，相反，卻有所減小。,,5 沉管基礎設計,所以沉管隧道很少需要構筑人工基礎以解決沉降問題。,基礎處理,,5 沉管基礎設計,其目的不是為了對付地基土的沉降基礎以解決沉降，而是消滅這些有害的空隙。,1)先鋪法,先鋪法實際上是利用刮鋪機將鋪墊材料（砂或石）設置成平整的墊層。,1－方環(huán)形浮箱；2－砂石喂料管；3－刮板；

22、4－砂石墊層（0.6-0.9m）； 5-錨塊；6－溝槽底面；7－鋼軌；8－移形鋼梁,2）后填法,在后填法中，安設水底臨時支座，臨時支座大多數為道渣堆上設置鋼筋混凝土支承板，也可以采用短樁簡易墩。,軟弱土層上的沉管基礎,一般的解決辦法有：（1）以粗砂置換軟弱土層；（2）打砂樁，并加荷預壓；（3）減輕沉管重量（4）采用樁基。,沉管隧道中 ，群樁的樁頂標高不等；采取措施以使各樁能均勻受力 ：水下混凝土傳力法；灌囊傳力法；活動