地下結(jié)構(gòu)工程沉管結(jié)構(gòu)22課件講解

沉管結(jié)構(gòu)地下結(jié)構(gòu)工程9沉管結(jié)構(gòu)9.1概述水底隧道的施工方法：圍堤明挖法、盾構(gòu)法以及沉管法。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；沉管法是十九世紀(jì)五十年代起普遍應(yīng)用,如今共有100多座沉管隧道。

沉管結(jié)構(gòu)概述二十世紀(jì)50年代解決了兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——水力壓接法和地基處理，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。我國現(xiàn)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。

沉管結(jié)構(gòu)概述過程沉管法亦曾稱作預(yù)制管段沉放法；先在隧址以外的預(yù)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(yùn)到隧址指定位置上。預(yù)先在設(shè)計(jì)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(shè)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”。

沉管結(jié)構(gòu)概述沉管隧道有圓形和矩形兩類，其設(shè)計(jì)、施工及所用材料有所不同。（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：在每個斷面內(nèi)可以同時容納2－8個車道，矩形斷面的空間利用率較高，

沉管結(jié)構(gòu)概述圓形沉管、矩形沉管

沉管結(jié)構(gòu)概述9.2沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沉管式水底隧道的設(shè)計(jì)：包括幾何設(shè)計(jì)、通風(fēng)設(shè)計(jì)、照明設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)裝設(shè)計(jì)、給排水設(shè)計(jì)、供電設(shè)計(jì)、運(yùn)營安全等設(shè)計(jì)。

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9.2.1沉管結(jié)構(gòu)所受的荷載結(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。作用在沉管上的水壓力是主要荷載。

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沉降摩擦力

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地基反力的分布規(guī)律（1）直線分布；（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）假定地基為半無限彈性體，按彈性理論計(jì)算反力。

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9.2.2浮力設(shè)計(jì)1）干舷管段在浮運(yùn)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(fēng)浪后產(chǎn)生反向力矩，保持平衡。干舷的高度應(yīng)適中，過小則穩(wěn)定性差，過大時沉設(shè)困難。

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)浮力設(shè)計(jì)時，按照最大混凝土重度、最大混凝土體積和最小河水的比重來計(jì)算干舷。

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2）抗浮安全系數(shù)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(jì)算抗浮安全系數(shù)。

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3）沉管結(jié)構(gòu)的外廓尺寸沉管結(jié)構(gòu)的外廓尺寸，必須通過浮力設(shè)計(jì)才能確定;沉管結(jié)構(gòu)的外廓高度，往往超過車道凈空高度與頂?shù)装搴穸戎汀?/p>

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9.2.3結(jié)構(gòu)分析與配筋1）.斷面結(jié)構(gòu)分析其結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析須經(jīng)過“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)。不能只以一個斷面的結(jié)構(gòu)分析來代表整節(jié)管段，以及河中段全長的橫斷面配筋計(jì)算，所以目前一般采用電算分析。

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沉管折拱形結(jié)構(gòu)

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2）縱向結(jié)構(gòu)分析施工階段的沉管縱向受力分析，主要是計(jì)算浮運(yùn)、沉設(shè)時，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。

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3）配筋沉管結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級，宜采用C30-C40。由于沉管結(jié)構(gòu)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級及III級以上的鋼筋。

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4）預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用一般情況下，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，采用預(yù)應(yīng)力。

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(a)Almendares(b)Lafontaine1-預(yù)應(yīng)力索；2－臨時拉索；3－防水層

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9.3接縫管段處理與防水措施9.3.1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裂。

接縫管段處理與防水措施變形縫每節(jié)管段分割成若干節(jié)段，一般為15～20m左右。

接縫管段處理與防水措施變形縫須滿足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4.變形前后均能防水

接縫管段處理與防水措施

臺階形變形縫1－沉管外側(cè)；2－沉管內(nèi)側(cè)；3－卷材防水層；4－鋼邊橡膠止水帶；5－瀝青防水；6－瀝青填料；7－鋼筋混凝土保護(hù)層

接縫管段處理與防水措施9.3.2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。

接縫管段處理與防水措施橡膠止水帶的壽命潮濕、無日照及溫度較低等環(huán)境理想。地下工程中的橡膠止水帶的耐用壽命應(yīng)在六十年以上。經(jīng)老化加速實(shí)驗(yàn)亦可斷定其安全年限超過100年。

接縫管段處理與防水措施形式：由本體部與錨著部兩部分組成;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。

接縫管段處理與防水措施2)鋼邊橡膠止水帶鋼邊橡膠止水帶，系于橡膠止水帶兩側(cè)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）。

接縫管段處理與防水措施9.3.3管段外壁的防水措施沉管外防水和沉管自防水兩類;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；自防水主要是采用防水混凝土。

接縫管段處理與防水措施9.3.4鋼殼與鋼板防水在沉管的三面（底和二側(cè)）甚至四面（包括頂面）用鋼板包覆的防水;耗鋼量大、焊縫防水可靠性不高、鋼材防銹問題仍未切實(shí)解決;

接縫管段處理與防水措施9.3.5卷材防水用膠料粘結(jié)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。均用澆油攤鋪法粘貼;卷材粘貼完畢后，須在外邊加設(shè)保護(hù)層。施工工藝較繁；

接縫管段處理與防水措施9.3.6涂料防水抗拉伸能力較差。自生長涂料。

接縫管段處理與防水措施9.4管段沉設(shè)與水下連接1)分吊法2～4艘起重船或浮箱

管段沉設(shè)與水下連接浮筒吊沉法

管段沉設(shè)與水下連接浮箱吊沉法

管段沉設(shè)與水下連接2）扛吊法最主要的大型工具就是四艘小型方駁；

管段沉設(shè)與水下連接3）騎吊法SEP

管段沉設(shè)與水下連接4）拉沉法1－拉合千斤頂；2－拉沉卷揚(yáng)機(jī)；3－拉沉索；4－壓載水

管段沉設(shè)與水下連接9.4.2水下連接早期采用灌筑水下混凝土施工法；二十世紀(jì)五十年代末，加拿大的臺司隧道采用水力壓接法。用水力壓接法進(jìn)行水下連接的主要工序是：對位——拉合——壓接——拆除端封墻

管段沉設(shè)與水下連接

管段沉設(shè)與水下連接9.5管段接頭管段接頭的構(gòu)造，主要有剛性接頭和柔性接頭兩種。9.5.1剛性接頭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(cè)與頂、底板）以一圈鋼筋混凝土連接起來，形成一個永久性接頭。剛度較大，但沉降不勻易開裂滲漏。

管段接頭“先柔后剛”

管段接頭9.5.2柔性接頭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(yīng)力。

管段接頭9.6沉管基礎(chǔ)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。

沉管基礎(chǔ)9.6.2基礎(chǔ)處理——墊平沉管隧道的基礎(chǔ)處理方法，大體上分為先鋪法和后填法兩大類；先鋪法有刮砂法，刮石法等；后填法有灌囊法，壓漿法，壓砂法等。

沉管基礎(chǔ)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；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

沉管基礎(chǔ)2）后填法在后填法中，安設(shè)水底臨時支座，臨時支座大多數(shù)為道渣堆上設(shè)置鋼筋混凝土支承板，也可以采用短樁簡易墩。

沉管基礎(chǔ)灌砂法噴砂法灌囊法壓漿法壓砂法

沉管基礎(chǔ)（1）灌砂法（2）噴砂法1－預(yù)制支承板；2－噴砂臺架；3－噴砂管；4－噴入砂墊層

沉管基礎(chǔ)（3）灌囊法灌囊法系于砂、石墊層面上用砂漿囊袋將剩余空隙切實(shí)墊密。

空囊下沉，水面灌注混合砂漿。防止頂管，需嚴(yán)密觀測。

沉管基礎(chǔ)（4）壓漿法壓砂法隧道內(nèi)部用通常的壓漿設(shè)備，經(jīng)預(yù)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。

沉管基礎(chǔ)9.6.3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。

沉管基礎(chǔ)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；