第11章 沉管結(jié)構(gòu)

1、,第11章 沉管結(jié)構(gòu),,本 章 內(nèi) 容,1,2,3,,,,4,,5,,概述 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 沉管的防水設(shè)計(jì),變形縫與管段接頭設(shè)計(jì) 沉管基礎(chǔ)設(shè)計(jì),,1. 概述,定義：在水底預(yù)先挖好溝槽，把在路上其它地方預(yù)制的適當(dāng)長(zhǎng)度的管體，浮運(yùn)到沉放現(xiàn)場(chǎng)，順序地沉放到溝槽中，并回填覆蓋而形成的結(jié)構(gòu)。,,1. 概述,二十世紀(jì)50年代解決了兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——水力壓接法和基礎(chǔ)處理，沉管法已經(jīng)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(guó)現(xiàn)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(tái)灣高雄跨海隧道。準(zhǔn)備建造的瓊州海峽隧道（預(yù)計(jì)35公里）,,,與其它結(jié)構(gòu)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(shí)，渡越的辦法根多，有輪渡、橋梁、水底隧道等。 a.輪渡是最簡(jiǎn)易的，它的優(yōu)點(diǎn)是基

3、本建設(shè)投資少，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用亦小;但無(wú)法適應(yīng)較大的交通量。b.橋梁的主要優(yōu)點(diǎn)是單位長(zhǎng)度造價(jià)低。在渡越不通行海輪的江、河或海輪達(dá)不到的上游河段時(shí)，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(chǎng)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(zhǎng)度也很長(zhǎng)，這樣的“高橋”，不但總造價(jià)常超過(guò)一般概念中認(rèn)為比較貴的水底隧道，而且這么長(zhǎng)的引

4、橋、引道在市區(qū)內(nèi)通過(guò)，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(gòu)筑圍堰，則以采用明挖施工最為簡(jiǎn)單，沒(méi)有條件構(gòu)筑圍堰時(shí)，較常用的是盾構(gòu)法和沉管法。 從本世紀(jì)的五十年代起，由于沉管法的主要技術(shù)難關(guān)相繼突破，它的施工方便、防水可靠、造價(jià)使宜等優(yōu)點(diǎn)，乃更明顯突出。所以，在近年來(lái)的水底隧道建設(shè)中，沉管法已取代了曾經(jīng)保持了一百多

5、年首居地位的盾構(gòu)法。（表11-1）,1. 概述,,沉管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 1．隧道的施工質(zhì)量容易做好； 2. 建筑單價(jià)和工程總價(jià)均較低 ；3.隧位現(xiàn)場(chǎng)的施工期短；4.操作條件好 ；5.對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性強(qiáng)，能在流砂層中施工，不需特殊設(shè)備或措施 ；6.適用水深范圍幾乎是無(wú)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(shí)，沉沒(méi)困難，須用作業(yè)臺(tái)施工 ；9．施工時(shí)須與航道部門(mén)密切配合，采取措施（如暫時(shí)的

6、航道遷移等）風(fēng)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(yù)制管段施工法、沉放施工法等。施工時(shí)，先在隧址以外的臨時(shí)干塢內(nèi)制作鋼筋混凝士的隧道管段，兩端用臨時(shí)封墻封圍起來(lái)。制成后向臨時(shí)干塢內(nèi)灌水，使管段逐節(jié)浮出水面，并用拖輪拖運(yùn)到指定位置上去。這時(shí)設(shè)計(jì)隧道處，已預(yù)先挖好一個(gè)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(shè)完畢的管段在水下聯(lián)接起來(lái)。經(jīng)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(shè)計(jì),主要有：總體幾何設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通風(fēng)設(shè)計(jì)、照明設(shè)計(jì)，內(nèi)裝設(shè)計(jì)，結(jié)排水設(shè)計(jì)。供電設(shè)計(jì)，運(yùn)行管理設(shè)施設(shè)計(jì)等。 其中總體幾何設(shè)計(jì)非常重要，常是決定隧道工程設(shè)計(jì)成敗的一個(gè)關(guān)鍵。 總是千方百計(jì)地降低覆蓋率，把峒口建筑盡可能地移近水邊，帶來(lái)了通風(fēng)方式的根本性變革 ，在隧管中不再設(shè)置風(fēng)道 。,,沉管結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),

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(nèi)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(gè)斷面內(nèi)可以同時(shí)容納2－8個(gè)車道，矩形斷面的空間利用率較高，,2. 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),,荷載,2. 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)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(yīng)力、不均勻沉降所產(chǎn)生的附加應(yīng)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),在上述荷載中，只有結(jié)構(gòu)自重及其相應(yīng)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(yùn)階段）及2．42t／m3（使用階段）計(jì)算。至于路面下的壓載混凝土的容重，則由于密實(shí)度稍差，一般可按 2.25t／m3計(jì)算。,,荷載,2. 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),作用在管段結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)時(shí)要按各種荷載組合情況分別計(jì)算正常

10、的高、低潮水位的水壓力，以及臺(tái)風(fēng)時(shí)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),土壓力是作用在管段結(jié)構(gòu)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(jìn)行浮力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮施工荷載。在計(jì)算浮運(yùn)階段的縱向彎矩時(shí)，施工荷載將是主要荷載。如果施工荷載所引起的縱向負(fù)彎矩過(guò)大，則可凋整壓載水罐（或水柜）的位置來(lái)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(qiáng)度和各點(diǎn)沉降量成正比，即文克爾假定，又可以分為單一系數(shù)和多種地基系數(shù)的兩種；（3）假定地基為半無(wú)限彈性體，按彈性理論計(jì)算反力。,,計(jì)算采用荷載一結(jié)構(gòu)法，按一般結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，應(yīng)用桿系有限元的方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移。,2. 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),,沉管的浮力設(shè)計(jì) ： 包括：干舷的選定和抗浮安全系數(shù)的驗(yàn)算。,2. 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),1）干舷管段在浮運(yùn)時(shí)，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(fēng)浪后產(chǎn)生反向力矩，保持平衡。干舷的高度應(yīng)適中，過(guò)小則穩(wěn)定性差，過(guò)大時(shí)沉設(shè)困難。,浮力設(shè)計(jì)時(shí)，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(lái)計(jì)算干舷。,,抗浮安全系數(shù),2. 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),在管段沉設(shè)施工階段，應(yīng)采用1.05～1.1的抗浮安全系數(shù)。 管段沉設(shè)完畢后，務(wù)必大于1.05，防止“復(fù)浮”。設(shè)計(jì)時(shí)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(lái)計(jì)算抗浮安全系數(shù)。,,沉管結(jié)構(gòu)的外廓尺寸,2. 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),

13、沉管結(jié)構(gòu)的外廓尺寸，必須通過(guò)浮力設(shè)計(jì)才能確定 ;沉管結(jié)構(gòu)的外廓高度，往往超過(guò)車道凈空高度與頂?shù)装搴穸戎汀?,2. 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),1）.斷面結(jié)構(gòu)分析其結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析須經(jīng)過(guò)“假定截面尺寸——分析內(nèi)力——修正尺度——復(fù)算內(nèi)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(jié)構(gòu) 。不能只以一個(gè)斷面的結(jié)構(gòu)分析來(lái)代表整節(jié)管段，以及河中段全長(zhǎng)的橫斷面配筋計(jì)算，所以目前一般采用電算分析。,,2. 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),2）縱向結(jié)構(gòu)分析,施工階

14、段的沉管縱向受力分析，主要是計(jì)算浮運(yùn)、沉設(shè)時(shí)，施工荷載、波浪力所引起的內(nèi)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(jìn)行計(jì)算。,,結(jié)構(gòu)分析與配筋：,2. 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),沉管結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，宜采用C30-C40。由于沉管結(jié)構(gòu)對(duì)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(jí)不宜過(guò)高，不宜采用III級(jí)和III級(jí)以上的鋼筋。,,設(shè)計(jì)時(shí)采用的容許應(yīng)力可按不同的荷載組合條件，分別加隊(duì)相應(yīng)的提

15、高率．,2. 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),,預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用,2. 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),一般情況下，沉管隧道采用普通混凝土結(jié)構(gòu)而不用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。因沉管的結(jié)構(gòu)厚度并非強(qiáng)度決定，而是由抗浮安全系數(shù)決定。當(dāng)隧道跨度較大，達(dá)三車道以上，或者水、土壓力又較大時(shí)，采用預(yù)應(yīng)力 。,(a)Almendares (b)Lafontaine1-預(yù)應(yīng)力索；2－臨時(shí)拉索；3－防水層,2. 沉管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),,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(shè)備和船合，制成鋼殼，待鋼殼下水之后，再于浮態(tài)下進(jìn)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(méi)以后使用階段的防水層。 到六十年代初，開(kāi)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(shè)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(xiàng)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(diǎn)不少，主要是： （1）耗鋼量大。 （2）焊接質(zhì)量。 （3）防銹問(wèn)題仍未切實(shí)解決。 （4）鋼板與混凝土之間粘結(jié)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(qiáng)度大，韌性好。 卷材防水的主要缺點(diǎn)是施工工藝較繁，而且在施工操作過(guò)程中稍有不慎就會(huì)造成“起殼”而返工，返工時(shí)非常費(fèi)事。,3 沉管的防水,,卷材防水與涂料防水 ： 涂料防水

19、漸漸應(yīng)用到管段防水上來(lái)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是操作工藝比卷材防水簡(jiǎn)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(diǎn)：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(méi)有完全解決好。,3 沉管的防水,變形縫的布置與構(gòu)造沉管結(jié)構(gòu)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(kāi)裂 。,4 變形縫與管段接頭設(shè)計(jì),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(yīng)一定幅度的線變形與角變形。2.在浮運(yùn)、沉設(shè)時(shí)能傳遞縱向彎矩。外排縱向鋼筋全部切斷。而內(nèi)排縱向鋼筋則暫時(shí)不予切斷，待沉設(shè)完畢后再將跨越變形縫之內(nèi)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(yīng)在六十

21、年以上。經(jīng)老化加速實(shí)驗(yàn)亦可斷定其安全年限超過(guò)100年。,在水底沉管隧道中，因作用在溝槽底面的荷載，不因設(shè)置沉管而有所增加，相反，卻有所減小。,,5 沉管基礎(chǔ)設(shè)計(jì),所以沉管隧道很少需要構(gòu)筑人工基礎(chǔ)以解決沉降問(wèn)題。,基礎(chǔ)處理,,5 沉管基礎(chǔ)設(shè)計(jì),其目的不是為了對(duì)付地基土的沉降基礎(chǔ)以解決沉降，而是消滅這些有害的空隙。,1)先鋪法,先鋪法實(shí)際上是利用刮鋪機(jī)將鋪墊材料（砂或石）設(shè)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(shè)水底臨時(shí)支座，臨時(shí)支座大多數(shù)為道渣堆上設(shè)置鋼筋混凝土支承板，也可以采用短樁簡(jiǎn)易墩。,軟弱土層上的沉管基礎(chǔ),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(yù)壓；（3）減輕沉管重量（4）采用樁基。,沉管隧道中 ，群樁的樁頂標(biāo)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(dòng)