13沉管结构

地下结构工程主讲教师：白哲第13章沉管结构13.1概述13.2沉管结构设计13.3接缝管段处理与防水措施13.4沉管隧道施工过程13.5工程实例水底隧道的施工方法：围堤明挖法、矿山法、气压沉箱法、盾构法以及沉管法。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世界上第一条沉管铁路隧道建于1910年，穿越美国密歇根州和加拿大安大略省之间的底特律河。截止2011年底，我国共建成8条沉管隧道：上海外环越江隧道，另外有宁波甬江水底隧道、广州珠江水底隧道、香港海底隧道、香港西区海底隧道、香港东区海底隧道和台湾高雄过港隧道。13.1概述沉管法亦曾称作预制管段沉放法。沉管施工时，先在隧址附近修建的临时干坞内(或船厂的船台)预制管段，预制管段采用临时隔墙封闭；然后将此管段浮运到隧址的设计位置；预先在隧址处，挖好水底基槽；待管段定位就绪后，向管段中灌水、压载，使其下沉到设计位置；将此管段与相邻管段在水下连接并经基础处理；最后回填覆土，完成水底隧道。施工过程13.1概述干坞：修建沉管水下隧道时，应先修筑专门的预制管段的场地，既能分节预制管段，又能在管段制成后灌水将其浮起，我们把这个场地称为干坞。干坞一般由坞墙、坞底、坞首及坞门、排水系统、车道组成。干坞施工一般采用“干法”进行干坞内的土方开挖。13.1概述干坞13.1概述13.1.1沉管隧道的特点(1)对地质水文条件适应能力强。(2)可浅埋，与两岸道路衔接容易。(3)沉管隧道的防水性能好。(4)沉管法施工工期短。(5)沉管隧道造价低。(6)施工条件好。(7)可做成大断面多车道结构。13.1概述1）按断面形状：沉管隧道有圆形、半圆形、椭圆形、矩形、组合型等。2）按制作材料：沉管有钢壳混凝土和钢筋混凝土。13.1.2沉管隧道的分类13.1概述3）按管段制作方法：分为船台型和干坞型。船台型：施工时，先在造船厂的船台上预制钢壳，而后将其牵引、停泊在悬浮状态下，灌注内部混凝土。主要制作圆形、半圆形、椭圆形钢壳沉管。优点：圆形断面，受力合理，弯矩较小；管段底宽小，基础容易处理；钢外壳既是外模，又是防水层，同时保护内侧混凝土；工期短，特别是需要的管段较多时。缺点：断面空间利用率不高，车道数少；隧道深度增加，基槽土方量增加；耗钢量大，造价高；钢壳制作时，焊接质量无法保证，堵漏困难；钢壳抗蚀能力差。13.1.2沉管隧道的分类13.1概述3）按管段制作方法：分为船台型和干坞型。干坞型：在临时干坞中制作钢筋混凝土管段，制成后往坞内灌水使之浮起并拖运至隧址沉放。主要制作矩形钢筋混凝土沉管。优点：不占船厂设备，不影响造船生产；断面利用率高，车道数多，4-8车道；隧道埋深减小，全长缩短，土方量小；节约钢材，降低造价。缺点：必须建造临时干坞；混凝土工艺要求高（干舷、抗浮安全系数）；普通混凝土难以防水，需考虑防水措施。13.1.2沉管隧道的分类13.1概述13.2沉管结构设计几何尺寸设计尤为重要，取决于：使用要求和辅助设施；施工条件和施工要求，即管段的浮运和沉放要求。首先根据使用要求，确定净空尺寸，然后，外廓尺寸满足浮运要求。管段的长度则需要考虑经济条件、航道条件、断面形状、施工及技术条件。13.2.1沉管的断面形状和尺寸沉管结构设计时，必须处理好浮力与重量的关系，这就是浮力设计。浮力设计包括干舷的选定和抗浮安全系数的验算。13.2沉管结构设计13.2.2沉管的浮力设计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，遇风浪后发生倾斜而自动产生反向力矩，保持平衡。矩形断面管段，干舷为10~15cm；圆形断面管段多为40~50cm。干舷的高度应适中，过小则稳定性差，过大时沉设困难。有些情况下，由于管段的结构厚度较大，无法自浮，可以设置浮筒、钢或木围堰助浮。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干舷。13.2沉管结构设计13.2.2沉管的浮力设计1）干舷2）抗浮安全系数抗浮安全系数K＝管段总重/管段排水重(浮力)在管段沉设施工阶段，应采用1.05～1.1的抗浮安全系数。在覆土完毕后的使用阶段，抗浮安全系数应采用1.2～1.5。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。13.2沉管结构设计13.2.2沉管的浮力设计3）沉管结构的外廓尺寸总体设计只能确定隧道的内净宽度以及车道净空高度；沉管结构的外廓尺寸，必须通过浮力设计才能确定；在浮力设计中，既要保持一定的干舷，又要保证一定的抗浮安全系数。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。13.2沉管结构设计13.2.2沉管的浮力设计作用在沉管上的荷载有：结构自重、水压力、土压力、浮力、施工荷载、波浪压力、水流压力、沉降摩擦力、车辆活荷载、沉船荷载，以及地基反力、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。分别计算高、低潮位和特大洪水位的水压力。垂直向土压力：一般为河床底到沉管顶面间的土体重量；水平向土压力，随着土的固结发展而减小。施工荷载：压载、封端墙、定位塔等施工设施的重量。13.2沉管结构设计13.2.3作用在沉管结构上的荷载波浪力和水流压力对结构设计影响很小，但对于水流压力，须进行水工模型试验予以确定，据此设计沉设工艺及设备。沉降摩擦力则是由于回填后，沉管沉降和沉管侧土体沉降并不同步，管侧土体大于沉管，因此在沉管侧壁外承受向下摩擦力。为了降低摩擦系数，常在侧壁外喷涂软沥青，以减少摩擦。13.2沉管结构设计13.2.3作用在沉管结构上的荷载在水底隧道中，车辆交通荷载则往往可以忽略。沉船荷载由于产生的几率太小，对此项荷载是否计算，计算采用荷载值的大小仍在探讨之中。地基反力的分布规律有不同的假定：（1）直线分布，反力强度和各点沉降量成正比，即温克尔假定，又可以分为单一系数和多种地基系数两种；（2）假定地基为半无限弹性体，按弹性理论计算反力。沉管内外壁之间存在温差，外壁基本上与周围土体一致，可以视作恒温，而内壁的温度与外界一致，四季变化。一般冬季外高内低，夏天外低内高，温差将产生温度应力。13.2沉管结构设计13.2.3作用在沉管结构上的荷载沉管的结构设计，按纵断面和横断面分别进行，大多数是多孔箱型结构。结构内力分析须经过“假定截面尺寸——分析内力——修正尺寸——复算内力”的几次循环，工作量较大。为了避免采用剪力钢筋，改善结构性能，减少裂缝出现，常采用变截面或折拱形结构。各处截面所受的水、土压力可能不同，不能只以一个断面的结构分析来代表整节管段。13.2沉管结构设计13.2.4管段结构设计13.2沉管结构设计13.2.4管段结构设计1）钢壳方式的管段设计（1）横断面设计设计特征：钢壳同时作为混凝土灌注时的模板。钢壳很难视为承载的有效构件，多按临时构件设计。横断面方向的钢壳断面，一般取决于混凝土灌注时的应力。13.2沉管结构设计13.2.4管段结构设计1）钢壳方式的管段设计（2）纵断面设计把整个钢壳视为纵向的梁，按施工荷载研究强度和变形。设计状态：进水时，混凝土灌注时，拖航停泊时。钢壳在船台上制作，纵向进水时会产生较大应力，故多由此状态决定断面尺寸。13.2沉管结构设计13.2.4管段结构设计2）钢筋混凝土管段的设计（1）横断面设计横断面尺寸，一般采用平面骨架结构进行应力计算。横断面构件的厚度，一般按钢筋混凝土构件的计算即可，同时要考虑施工钢筋的布置。13.2沉管结构设计13.2.4管段结构设计2）钢筋混凝土管段的设计（2）纵断面设计管段的纵向设计，考虑混凝土灌注时、牵引时、沉放时的状态；还要考虑完成后的地震影响、地层下沉影响、温度变化的影响等。沉管结构的混凝土强度，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HRB400及以上的钢筋。13.2沉管结构设计13.2.4管段结构设计3）配筋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。施加预应力虽然能提高抗渗性，但不经济。当隧道跨度较大，达三车道以上，或者水、土压力又较大时，沉管结构的顶板、底板受到的剪力相对大，此时可采用预应力混凝土结构。13.2沉管结构设计13.2.4管段结构设计4）预应力的作用管段接头应具有以下功能和要求：第一，满足水密性的要求；第二，应具有抵抗各种荷载作用和变形的能力；第三，各构件功能明确，造价适度；第四，施工性好，施工质量能够保证，并尽量做到能检修。13.2沉管结构设计13.2.5管段接头设计（1）连续构造接头-接头与管段具有同样的强度、刚性。（2）可挠性接头-又称柔性接头，接头和管段之间能够相互伸缩、转动。13.2沉管结构设计13.2.5管段接头设计1）接头类型连续构造接头在管段的接头处，不管是哪种接头形式，都要进行止水构造的设计。一般说，橡胶密封垫的一次止水构造，是最基本的构造。决定橡胶密封垫的材质、形状、尺寸时，要满足以下条件：止水构件材质的长期稳定性和耐久性；管段接合时具有所规定的止水性；水力压接时具有合适的荷载—压缩变形特性；有永久的止水性能等。采用可挠性接头时，要在设计的伸缩量条件下，能确保止水性；接合后，对外侧水压是安全的。13.2沉管结构设计13.2.5管段接头设计2）止水构造沉管隧道的接头，一般分为中间接头、与竖井的接头及最后接头3类，其结构形式有些差异。最后接头是最后一节管段与前设管段的接头，与管段一般段的接头不完全相同。最后接头的位置，一般设在管段与竖井处。从目前采用的最后接头的施工方法看，大致有以下几种方式：干施工方式；水下混凝土方式；接头箱体方式；止水板方式；楔形箱体方式。13.2沉管结构设计13.2.5管段接头设计3）最后接头地面建筑中，如果基底地质条件差，可能会发生过量沉降，甚至发生坍塌。在水底沉管隧道中，作用在沟槽底部的荷载，在设置沉管后，非但未增加，反而减小了。沉管隧道对各种地质条件的适应性很强。13.2沉管结构设计13.2.6基础设计1）地质条件和沉管基础原因：因为在开槽作业中，挖成后的槽底表面总有不同程度的不平整。使槽底表面与沉管底面之间存在着很多不规则的空隙。会导致地基土受力不均而局部破坏，从而引起不均匀沉降，使沉管结构受到较高的局部应力，而致开裂。目的：是垫平，消除槽底表面的不平整。方法：大体可分为先铺法和后填法两类。先铺法：在管段沉放之前，先在槽底铺上砂、石垫层，然后将管段沉放在垫层上。适用于底宽较小的沉管隧道。先铺法有刮砂法，刮石法等。后填法：在管段沉放完毕后，再进行垫平工作。适用于底宽较大的沉管隧道。后填法有灌砂法、喷砂法、压浆法，压砂法等。13.2沉管结构设计13.2.6基础设计2）基础处理如果沉管隧道下的地基土特别软弱，容许承载力非常小，仅做垫平处理是不够的。解决办法有：以砂置换软土层；打砂桩，并加荷预压；减轻沉管重量；采用桩基。沉管隧道采用桩基后，也会遇到一些通常地面建筑所碰不到的问题。基桩桩顶标高在实际施工中不可能达到完全齐平。在管段沉置完毕后，难以保证所有桩顶与管底接触。13.2沉管结构设计13.2.6基础设计3）软弱土层中的沉管基础为使各桩能均匀受力，采取以下措施：水下混凝土传力法；砂浆灌囊传力法；活动桩顶法。水下混凝土传力法：基桩打好后，先浇一、二层水下混凝土将桩顶裹住。而后再在水下铺上一层砂石垫层，使沉管荷载经砂石垫层和水下混凝土层传通到桩基上去。砂浆灌囊传力法：在管段底部与桩顶之间，用大型化纤囊袋灌注水泥砂浆加以垫实，使所有基桩均能同时受力。13.2沉管结构设计13.2.6基础设计3）软弱土层中的沉管基础1-钢管桩；2-桩靴；3-水泥浆；4