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地下结构工程第09章9沉管结构9.1概述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。世界上第一条沉管铁路隧道建于1910年，穿越美国Michigan州和加拿大Ontario省之间的Detroit河；沉管法是十九世纪五十年代起普遍应用,如今共有100多座沉管隧道。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。我国现有6条沉管法隧道：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。过程沉管法亦曾称作预制管段沉放法；先在隧址以外的预制场制作隧道管段，两端用临时封墙密封，制成以后用拖轮拖运到隧址指定位置上。预先在设计位置处，挖好水底沟槽。待管段定位就绪后，往管段中注水加载，使之下沉，然后将沉设完毕的管段在水下连接起来，覆土回填，完成隧道，此之谓“沉管隧道”。沉管隧道有圆形和矩形两类，其设计、施工及所用材料有所不同。（1）圆形沉管隧道：这类沉管内边均为圆形、外边则为圆形、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2－8个车道，矩形断面的空间利用率较高，圆形沉管、矩形沉管9.2沉管结构设计沉管式水底隧道的设计：包括几何设计、通风设计、照明设计、结构设计、内装设计、给排水设计、供电设计、运营安全等设计。9.2.1沉管结构所受的荷载结构自重、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。沉降摩擦力地基反力的分布规律（1）直线分布；（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。9.2.2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，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干舷。2）抗浮安全系数在管段沉设施工阶段，应采用1.05～1.1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。3）沉管结构的外廓尺寸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。9.2.3结构分析与配筋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，以及河中段全长的横断面配筋计算，所以目前一般采用电算分析。沉管折拱形结构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。3）配筋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。4）预应力的应用一般情况下，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)Lafontaine1-预应力索；2－临时拉索；3－防水层本讲要点沉管运输中干舷设计的意义。沉管结构设计的方法和原则。9.3接缝管段处理与防水措施9.3.1变形缝的布置与构造沉管结构一般都是二次浇筑，常易发生收缩裂缝。不均匀沉降等影响也易致管段开裂。变形缝每节管段分割成若干节段，一般为15～20m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。（1）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。（2）浮运之前安设临时的纵向预应力索（筋），待沉设完毕后再行撤去3.在任何情况下能传递剪力，如图4.变形前后均能防水，台阶形变形缝回幻片241－沉管外侧；2－沉管内侧；3－卷材防水层；4－钢边橡胶止水带；5－沥青防水；6－沥青填料；7－钢筋混凝土保护层9.3.2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。橡胶止水带的寿命潮湿、无日照及温度较低等环境理想。地下工程中的橡胶止水带的耐用寿命应在六十年以上。经老化加速实验亦可断定其安全年限超过100年。形式：均由本体与锚着部两部分组成;变形缝的张开度、本体部的宽度。这两个因素共同决定着止水带所受拉力。2)钢边橡胶止水带钢边橡胶止水带，系于橡胶止水带两侧锚着部中加镶一段薄钢板，其厚度仅0.7mm左右，初于荷兰的凡尔逊（Velsen,1957）。9.3.3管段外壁的防水措施沉管外防水和沉管自防水两类;外防水包括了钢壳，钢板防水，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。9.3.4钢壳与钢板防水在沉管的三面（底和二侧）甚至四面（包括顶面）用钢板包覆的防水;耗钢量大、焊缝防水可靠性不高、钢材防锈问题仍未切实解决;9.3.5卷材防水用胶料粘结多层沥青类卷材或合成橡胶类卷材而成的粘贴式（亦称外贴式）防水层。均用浇油摊铺法粘贴;卷材粘贴完毕后，须在外边加设保护层。到幻片69.3.6涂料防水施工工艺较繁，施工操作工程中会造成“起壳”，无法补救；抗拉伸能力较差。9.4管段沉设与水下连接1)分吊法2～4艘起重船或浮箱浮筒吊沉法浮箱吊沉法2）扛吊法最主要的大型工具就是四艘小型方驳；3）骑吊法SEP4）拉沉法1－拉合千斤顶；2－拉沉卷扬机；3－拉沉索；4－压载水本讲要点理解变形缝的设置原则了解防水措施；了解沉设方法。9.4.2水下连接早期采用灌筑水下混凝土施工法；二十世纪五十年代末，加拿大的台司隧道采用水力压接法。用水力压接法进行水下连接的主要工序是：对位——拉合——压接——拆除端封墙9.5管段接头管段接头的构造，主要有刚性接头和柔性接头两种。9.5.1刚性接头刚性接头系于水下连接（不论采用何法）完毕后，于相邻两节管段端面之间，沿隧道外壁（二侧与顶、底板）以一圈钢筋混凝土连接起来，形成一个永久性接头。刚度较大，但沉降不匀易开裂渗漏。“先柔后刚”9.5.2柔性接头主要是利用水力压接时所用的胶垫，吸收变温伸缩与地基不均匀沉降所致角变，以消除或减小管段所受变温或沉降应力。9.6沉管基础在水底沉管隧道中，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。9.6.2基础处理——垫平沉管隧道的基础处理方法，大体上分为先铺法和后填法两大类；先铺法有刮砂法，刮石法等；后填法有灌囊法，压浆法，压砂法等。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。灌砂法喷砂法灌囊法压浆法压砂法（1）、灌砂法（2）、喷砂法1－预制支承板；2－喷砂台架；3－喷砂管；4－喷入砂垫层（3）、灌囊法灌囊法系于砂、石垫层面上用砂浆囊袋将剩余空隙切实垫密。空囊下沉，水面灌注混合砂浆。防止顶管，需严密观测。（4）压浆法压砂法隧道内部用通常的压浆设备，经预埋在管段底板上带单向阀的压浆孔，向管底空隙压注混合砂浆。9.6.3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－压浆管本讲要点理解水下连接的原理；了解基础垫平及处理措施；