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1、,第11章 沉管结构,本 章 内 容,1,2,3,4,5,概述 沉管结构的设计 沉管的防水设计,变形缝与管段接头设计 沉管基础设计,1. 概述,定义:在水底预先挖好沟槽,把在路上其它地方预制的适当长度的管体,浮运到沉放现场,顺序地沉放到沟槽中,并回填覆盖而形成的结构。,1. 概述,二十世纪50年代解决了两项关键技术水力压接法和基础处理,沉管法已经成为水底隧道最主要的施工方法,尤其在荷兰。(北美、西欧、日本) 我国现有6条沉管法隧道:上海外环越江隧道(亚洲第1世界第2)上海金山供水隧道,另外5条在宁波(宁波甬江水底隧道)、广州(广州珠江水底隧道)、香港(香港西区沉管隧道、香港东区沉管隧道)和台湾
2、高雄跨海隧道。准备建造的琼州海峡隧道(预计35公里),与其它结构形式和施工方法的比较: 1. 与桥梁等方案的比较 公路或城市道路遇到江河、港湾时,渡越的办法根多,有轮渡、桥梁、水底隧道等。 a.轮渡是最简易的,它的优点是基本建设投资少,运营费用亦小;但无法适应较大的交通量。 b.桥梁的主要优点是单位长度造价低。在渡越不通行海轮的江、河或海轮达不到的上游河段时,一般总是首先考虑建桥,1. 概述,c.水底隧道主要是用在市区港湾或通行海轮的江、河上。 在这种场合下,如采用桥梁渡越,则由于海轮航道净空的需要,桥梁的跨径必须较大,桥下净空很高,引桥加引道的长度也很长,这样的“高桥”,不但总造价常超过一般
3、概念中认为比较贵的水底隧道,而且这么长的引桥、引道在市区内通过,其干扰和影响也不是易于妥善解决的。,1. 概述,1. 概述,桥、隧方案的比较,2. 与其它施工方法的比较 在水底隧道的施工中,如有条件构筑围堰,则以采用明挖施工最为简单,没有条件构筑围堰时,较常用的是盾构法和沉管法。 从本世纪的五十年代起,由于沉管法的主要技术难关相继突破,它的施工方便、防水可靠、造价使宜等优点,乃更明显突出。所以,在近年来的水底隧道建设中,沉管法已取代了曾经保持了一百多年首居地位的盾构法。(表11-1),1. 概述,沉管结构特点: 1隧道的施工质量容易做好; 2. 建筑单价和工程总价均较低 ; 3.隧位现场的施工
4、期短; 4.操作条件好 ; 5.对地质条件的适应性强,能在流砂层中施工,不需特殊设备或措施 ; 6.适用水深范围几乎是无限制的 ; 7.断面形状选择的自由度较大,断面空间的利用率较高 ; 8水流较急时,沉没困难,须用作业台施工 ; 9施工时须与航道部门密切配合,采取措施(如暂时的航道迁移等)风保证航道畅通。,1. 概述,沉管隧道的施工 : 沉管施工法,亦曾称为预制管段施工法、沉放施工法等。施工时,先在隧址以外的临时干坞内制作钢筋混凝士的隧道管段,两端用临时封墙封围起来。制成后向临时干坞内灌水,使管段逐节浮出水面,并用拖轮拖运到指定位置上去。这时设计隧道处,已预先挖好一个水底沟槽。待管段定位就绪
5、后,向管段里灌水压载,使之下沉。然后把这些沉设完毕的管段在水下联接起来。经覆土回填后,便筑成了隧道。,1. 概述,沉管施工法,沉管隧道的设计,主要有:总体几何设计,结构设计,通风设计、照明设计,内装设计,结排水设计。供电 设计,运行管理设施设计等。 其中总体几何设计非常重要,常是决定隧道工 程设计成败的一个关键。 总是千方百计地降低覆盖率,把峒口建筑尽可 能地移近水边,带来了通风方式的根本性变革 , 在隧管中不再设置风道 。,沉管结构的类型 : 两种基本类型:钢壳沉管和钢筋混凝土沉管。,2. 沉管结构的设计,沉管隧道按截面形状有圆形和矩形两类。 (1)圆形沉管隧道:这类沉管内边均为圆形、外边则
6、为圆形、八角形或花篮形,多半用钢壳作为防水层; (2)矩形沉管隧道:在每个断面内可以同时容纳28个车道,矩形断面的空间利用率较高,,2. 沉管结构的设计,荷载,2. 沉管结构的设计,结构自重、水压力、土压力、浮力、施工荷载、波浪和水流压力、沉降摩擦力、车辆活荷载、沉船荷载,地基反力、温度应力、不均匀沉降所产生的附加应力、地震等作用。 作用在沉管上的水压力是主要荷载 。,荷载,2. 沉管结构的设计,在上述荷载中,只有结构自重及其相应的地基压力是恒载。钢筋混凝土的容重可分别按246tm3(浮运阶段)及242tm3(使用阶段)计算。至于路面下的压载混凝土的容重,则由于密实度稍差,一般可按 2.25t
7、m3计算。,荷载,2. 沉管结构的设计,作用在管段结构上的水压力,是主要荷载之一。在覆土较小的区段中,水压力常是作用在管段上的最大荷载。设计时要按各种荷载组合情况分别计算正常的高、低潮水位的水压力,以及台风时或若千年一遇(如100年一遇)的特大洪水位的水压力。,荷载,2. 沉管结构的设计,土压力是作用在管段结构L的另一主要荷载,且常不是恒载。 施工荷载主要是端封墙、定位塔、压载等重量。在进行浮力设计时,应考虑施工荷载。在计算浮运阶段的纵向弯矩时,施工荷载将是主要荷载。如果施工荷载所引起的纵向负弯矩过大,则可凋整压载水罐(或水柜)的位置来抵销一部分弯矩。,沉降摩擦力,地基反力的分布规律,(1)直
8、线分布; (2)反力强度和各点沉降量成正比,即文克尔假定,又可以分为单一系数和多种地基系数的两种; (3)假定地基为半无限弹性体,按弹性理论计算反力。,计算采用荷载一结构法,按一般结构力学原理,应用杆系有限元的方法计算结构的内力及位移。,2. 沉管结构的设计,沉管的浮力设计 : 包括:干舷的选定和抗浮安全系数的验算。,2. 沉管结构的设计,1)干舷 管段在浮运时,为了保持稳定,必须使管顶面露出水面,其露出高度称为干舷。具有一定干舷的管段,与风浪后产生反向力矩,保持平衡。 干舷的高度应适中,过小则稳定性差,过大时沉设困难。,浮力设计时,按照最大混凝土容重、 最大混凝土体积和最小河水的比重 来计算
9、干舷。,抗浮安全系数,2. 沉管结构的设计,在管段沉设施工阶段,应采用1.051.1的抗浮安全系数。 管段沉设完毕后,务必大于1.05,防止“复浮”。 设计时需要按照最小混凝土容重、最小混凝土体积和最大河水的比重来计算抗浮安全系数。,沉管结构的外廓尺寸,2. 沉管结构的设计,沉管结构的外廓尺寸,必须通过浮力设计才能确定 ; 沉管结构的外廓高度,往往超过车道净空高度与顶底板厚度之和。,2. 沉管结构的设计,1).断面结构分析 其结构内力分析须经过“假定截面尺寸分析内力修正尺度复算内力”的几次循环。 避免采用剪力钢筋 ,常采用变截面或折拱形结构 。 不能只以一个断面的结构分析来代表整节管段,以及河
10、中段全长的横断面配筋计算,所以目前一般采用电算分析。,2. 沉管结构的设计,2)纵向结构分析,施工阶段的沉管纵向受力分析,主要是计算浮 运、沉设时,施工荷载、波浪力所引起的内力。 使用阶段的沉管纵向受力分析,一般按照弹性地基梁理论进行计算。,结构分析与配筋:,2. 沉管结构的设计,沉管结构的混凝土强度等级,宜采用C30-C40。 由于沉管结构对贯通裂缝非常敏感,非贯通裂缝宜控制在0.15-0.2mm以下,因此采用钢筋等级不宜过高,不宜采用III级和III级以上的钢筋。,设计时采用的容许应力可按不同的荷载组合条 件,分别加队相应的提高率,2. 沉管结构的设计,预应力的应用,2. 沉管结构的设计,
11、一般情况下,沉管隧道采用普通混凝土结构而不用预应力混凝土结构。因沉管的结构厚度并非强度决定,而是由抗浮安全系数决定。 当隧道跨度较大,达三车道以上,或者水、土压力又较大时,采用预应力 。,(a)Almendares (b)Lafontaine 1-预应力索;2临时拉索;3防水层,2. 沉管结构的设计,沉管的防水 措施:,3 沉管的防水,早期的沉管隧道都是利用船厂里的设备和船合,制成钢壳,待钢壳下水之后,再于浮态下进行衬砌混凝土的浇筑。这种钢壳既是施工阶段的外模,又是管段沉没以后使用阶段的防水层。 到六十年代初,开始在一些沉管隧道的工例中,全部采用柔性防水,完全不用钢板。 以上所述都是设在管段外
12、表面的防水措施,可概称外防水。除外防水以外,沉管自身防水亦是一项极为重要的防水措施。,钢壳与防水钢板 :,3 沉管的防水,钢壳作为防水措施,钢壳缺点不少,主要是: (1)耗钢量大。 (2)焊接质量。 (3)防锈问题仍未切实解决。 (4)钢板与混凝土之间粘结不良。 由于钢壳防水的昂贵而不可靠,改用钢板防水(即仅在管段底板下用钢板防水层)的工例日益增多。,钢壳与防水钢板 :,3 沉管的防水,钢壳与防水钢板 : 防水钢板的单位面积用钢量;比钢壳的单位面 积用钢量低得多,仅为其14左右。主要是钢板 厚度可以薄很多,而且又略去大量的加筋及支撑, 基本上不再使用型钢。,3 沉管的防水,卷材防水与涂料防水
13、: 卷材防水层是用胶料把多层沥青类卷材或合成 橡胶类卷材胶合成的粘贴式防水层。 沥青类卷材品种很多,沉管隧道外防水用的卷 材,以选用织物卷材为宜,取其强度大,韧性好。 卷材防水的主要缺点是施工工艺较繁,而且在施 工操作过程中稍有不慎就会造成“起壳”而返工,返工 时非常费事。,3 沉管的防水,卷材防水与涂料防水 : 涂料防水渐渐应用到管段防水上来,它最突出的 优点是操作工艺比卷材防水简单得多,而且在平整 度较差的混凝土面上,可以直接施工。 缺点:它的延伸率还不够;防水涂料的另一要求 是能在潮湿的混凝土面上能直接涂布,目前也没有 完全解决好。,3 沉管的防水,变形缝的布置与构造 沉管结构一般都是二
14、次浇筑 ,常易发生收缩裂缝 。不均匀沉降等影响也易致管段开裂 。,4 变形缝与管段接头设计,变形缝,每节管段分割成若干节段,一般为1520m左右 。,变形缝须满足,1.能适应一定幅度的线变形与角变形。 2.在浮运、沉设时能传递纵向弯矩。 外排纵向钢筋全部切断。而内排纵向钢筋则暂时不予切断,待沉设完毕后再将跨越变形缝之内排纵向钢筋,全部切断。 3.在任何情况下能传递剪力 变形前后均能防水,,止水缝带,普遍的是橡胶止水带和钢边橡胶止水带。 1)橡胶止水带 橡胶止水带可用天然橡胶(含胶率)70)制成。亦可用合成橡胶(如氯丁橡胶等)制成。 地下工程中的橡胶止水带的耐用寿命应在六十年以上。 经老化加速实
15、验亦可断定其安全年限超过100年。,在水底沉管隧道中,因作用在沟槽底面的荷载,不因设置沉管而有所增加,相反,却有所减小。,5 沉管基础设计,所以沉管隧道很少需要构筑人工基础以解决沉降问题。,基础处理,5 沉管基础设计,其目的不是为了对付地基土的沉降基础以解决沉降, 而是消灭这些有害的空隙。,1)先铺法,先铺法实际上是利用刮铺机将铺垫材料(砂或石)设置成平整的垫层。,1方环形浮箱;2砂石喂料管;3刮板;4砂石垫层(0.6-0.9m); 5-锚块;6沟槽底面;7钢轨;8移形钢梁,2)后填法,在后填法中,安设水底临时支座,临时支座大多数为道渣堆上设置钢筋混凝土支承板,也可以采用短桩简易墩。,软弱土层上的沉管基础,一般的解决办法有: (1)以粗砂置换软弱土层; (2)打砂桩,并加荷预压; (3)减轻沉管重量 (4)采用桩基。,沉管隧道中 ,群桩的桩顶标高不等; 采取措施以使各桩能均匀受力 : 水下混凝土传力法; 灌囊传力法; 活动桩顶法,1钢管桩;2桩靴;3水泥浆;4活动桩顶;5预制混凝土桩; 6导向管;7尼龙布囊;8灌水;9压浆管,
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