第13章 沉管結構

1、第第1313章章 沉管結構沉管結構n13.1 13.1 概述概述n13.2 13.2 沉管結構設計沉管結構設計n13.3 13.3 接縫管段處理與防水措施接縫管段處理與防水措施n13.4 13.4 沉管隧道施工過程沉管隧道施工過程n13.5 13.5 工程實例工程實例n13.1 13.1 概述概述n水底隧道的施工方法：n圍堤明挖法、礦山法、氣壓沉箱法、盾構法以及沉管法。 n世界上第一條沉管鐵路隧道建于1910年，穿越美國Michigan州和加拿大Ontario省之間的Detroit河；n沉管法是十九世紀五十年代起普遍應用,如今共有100多座沉管隧道 。n二十世紀50年代解決了兩項關鍵技術水力壓

2、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。 n我國現有6條沉管法隧道：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。 過程n沉管法亦曾稱作預制管段沉放法；n先在隧址以外的預制場制作隧道管段，兩端用臨時封墻密封，制成以后用拖輪拖運到隧址指定位置上。n預先在設計位置處，挖好水底溝槽。待管段定位就緒后，往管段中注水加載，使之下沉，然后將沉設完畢的管段在水下連接起來，覆土回填，完成隧道，此之謂“沉管隧道”。n沉管隧道有圓形和矩形兩類，其設計、施工及所用材料有所不同。n（1 1）圓形沉管隧道：）

3、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；n （2 2）矩形沉管隧道：在每個斷面內可以同時容）矩形沉管隧道：在每個斷面內可以同時容納納2 28 8個車道，矩形斷面的空間利用率較高，個車道，矩形斷面的空間利用率較高， 圓形沉管、矩形沉管 13.2 13.2 沉管結構設計沉管結構設計n沉管式水底隧道的設計：n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、運營安全等設計。13.2.113.2.1沉管結構所受的荷載沉管結構所受的荷載n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

4、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。n作用在沉管上的水壓力是主要荷載。沉降摩擦力地基反力的分布規(guī)律 n（1）直線分布；n（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；n（3）假定地基為半無限彈性體，按彈性理論計算反力。13.2.213.2.2浮力設計浮力設計n1 1）干舷）干舷n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，與風浪后產生反向力矩，保持平衡。n干舷的高度應適中，過小則穩(wěn)定性差，過大時沉設困難。n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。2 2

5、）抗浮安全系數）抗浮安全系數n在管段沉設施工階段，應采用1.051.1的抗浮安全系數。 n管段沉設完畢后，務必大于1.05，防止“復浮”。n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。 3 3）沉管結構的外廓尺寸）沉管結構的外廓尺寸n沉管結構的外廓尺寸，必須通過浮力設計才能確定 ;n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。13.2.313.2.3結構分析與配筋結構分析與配筋n1 1）. .斷面結構分析斷面結構分析n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)。n避免采用剪力鋼筋 ,常采用變截面或折拱形結構 。n不能

6、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。沉管折拱形結構 2 2）縱向結構分析）縱向結構分析n施工階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。n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。3 3） 配配 筋筋n沉管結構的混凝土強度等級，宜采用C30-C40。n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。4 4）預應力的應用）預應力的應用n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

7、。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。n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 。n(a)Almendares (b)Lafontainen1-預應力索；2臨時拉索；3防水層本講要點n沉管運輸中干舷設計的意義。n沉管結構設計的方法和原則。13.3 13.3 接縫管段處理與防水措施接縫管段處理與防水措施n13.3.113.3.1變形縫的布置與變形縫的布置與構造構造n沉管結構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。 變形縫 n每節(jié)管段分割成若干節(jié)段，一般為1520m左右。變形縫須滿足 n1.能適應一定幅度的線變形與

8、角變形。n2.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。 n3.在任何情況下能傳遞剪力 變形前后均能防水， 臺階形變形縫回幻片13n1沉管外側；2沉管內側；3卷材防水層；4鋼邊橡膠止水帶；n5瀝青防水；6瀝青填料；7鋼筋混凝土保護層13.3.213.3.2止水縫帶止水縫帶n普遍的是橡膠止水帶和鋼邊橡膠止水帶。n1)1)橡膠止水帶橡膠止水帶 橡膠止水帶可用橡膠止水帶可用天然橡膠天然橡膠（含膠率）（含膠率）7070）制成。亦可用）制成。亦可用合成橡膠合成橡膠（如氯丁橡（如氯丁橡膠等）制成。膠等）制成。橡膠

9、止水帶的壽命 n潮濕、無日照及溫度較低 等環(huán)境理想。n地下工程中的橡膠止水帶的耐用壽命應在六十年以上。n經老化加速實驗亦可斷定其安全年限超過100年。形式： n均由本體與錨著部兩部分組成;n變形縫的張開度、本體部的寬度。這兩個因素共同決定著止水帶所受拉力。 2)2)鋼邊橡膠止水帶鋼邊橡膠止水帶n鋼邊橡膠止水帶，系于橡膠止水帶兩側錨著部中加鑲一段薄鋼板，其厚度僅0.7mm左右，初于荷蘭的凡爾遜（Velsen,1957）。 13.3.313.3.3管段外壁的防水措施管段外壁的防水措施n沉管外防水和沉管自防水兩類;n外防水包括了鋼殼，鋼板防水，卷材防水，涂料防水等不同方法；n自防水主要是采用防水混凝

10、土。13.3.413.3.4鋼殼與鋼板防水鋼殼與鋼板防水n在沉管的三面（底和二側）甚至四面（包括頂面）用鋼板包覆的防水 ;n耗鋼量大、焊縫防水可靠性不高、鋼材防銹問題仍未切實解決;13.3.513.3.5卷材防水卷材防水n用膠料粘結多層瀝青類卷材或合成橡膠類卷材而成的粘貼式（亦稱外貼式）防水層。n均用澆油攤鋪法粘貼 ;n卷材粘貼完畢后，須在外邊加設保護層。n到幻片6 13.3.613.3.6涂料防水涂料防水n施工工藝較繁，施工操作工程中會造成“起殼” ，無法補救；n抗拉伸能力較差。13.413.4管段沉設與水下連接管段沉設與水下連接n1)分吊法n24艘起重船或浮箱 浮筒吊沉法 浮箱吊沉法 2）

11、扛吊法n最主要的大型工具就是四艘小型方駁； 3）騎吊法 SEP 4）拉沉法1拉合千斤頂；2拉沉卷揚機；3拉沉索；4壓載水本講要點n理解變形縫的設置原則n了解防水措施；n了解沉設方法。13.4.213.4.2水下連接水下連接n早期采用灌筑水下混凝土施工法 ；n二十世紀五十年代末，加拿大的臺司隧道采用水力壓接法。n用水力壓接法進行水下連接的主要工序是：n對位拉合壓接拆除端封墻13.5 13.5 管段接頭管段接頭n管段接頭的構造，主要有剛性接頭和柔性接頭兩種。n13.5.113.5.1剛性接頭剛性接頭n剛性接頭系于水下連接（不論采用何法）完畢后，于相鄰兩節(jié)管段端面之間，沿隧道外壁（二側與頂、底板）以

12、一圈鋼筋混凝土連接起來，形成一個永久性接頭。n剛度較大，但沉降不勻易開裂滲漏。 “先柔后剛” 13.5.213.5.2柔性接頭柔性接頭n主要是利用水力壓接時所用的膠墊，吸收變溫伸縮與地基不均勻沉降所致角變，以消除或減小管段所受變溫或沉降應力。 13.6 13.6 沉管基礎沉管基礎n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。 13.6.213.6.2基礎處理基礎處理墊平墊平n沉管隧道的基礎處理方法，大體上分為先鋪法和后填法兩大類；n先鋪法有刮砂法，刮石法等；n后填法有灌囊法，壓漿法，壓砂法等。1)先鋪法n先鋪法實際上是利用刮鋪機將鋪墊材料（砂或石）設置成

13、平整的墊層。 n1方環(huán)形浮箱；2砂石喂料管；3刮板；4砂石墊層（0.6-0.9m）； n5-錨塊；6溝槽底面；7鋼軌；8移形鋼梁2）后填法n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。n灌砂法n噴砂法n灌囊法n壓漿法n壓砂法（1）、灌砂法（2）、噴砂法n1預制支承板；2噴砂臺架；n3噴砂管；4噴入砂墊層（3）灌囊法n灌囊法系于砂、石墊層面上用砂漿囊袋將剩余空隙切實墊密。n空囊下沉，水面灌注混合砂漿。n防止頂管，需嚴密觀測。（4）壓漿法 壓砂法隧道內部用通常的壓漿設備，經預埋在管段底板上帶單向閥的壓漿孔，向管底空隙壓注混合砂漿。 13.6.313.6.3軟弱土層上的沉管