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地 下 工 程 设 计 原 理,第09章 沉管结构,主讲教师 ：胡敏云,什么是沉管法和沉管结构 沉管结构设计 接缝管段处理与防水措施 管段沉设与水下连接 管段接头 沉管基础,主要内容,沉管结构,沉管法是一种水底隧道的施工方法 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”。 两项关键技术水力压接法和基础处理，的解决为沉管法的应用提供了支撑。,沉管结构施工步骤,发展概况,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。 我国沉管法隧道：上海金山供水隧道，宁波甬江水底隧道、广州珠江水底隧道、香港西区、东区沉管隧道等。,广州第三条过江沉管隧道,跨海逾35公里，成为世界最长的跨海大桥。大桥将建6公里多长的海底隧道，施工难度世界第一；港珠澳大桥建成后，使用寿命长达120年，可以抗击八级地震。,港珠澳大桥,沉管结构的类型,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28个车道，矩形断面的空间利用率较高，不需要钢壳。,什么是沉管法和沉管结构 沉管结构设计 接缝管段处理与防水措施 管段沉设与水下连接 管段接头 沉管基础,主要内容,二、沉管结构设计,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 运营安全设计,-沉管式水底隧道的设计,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。 水压力是作用在沉管上的主要荷载 土压力包括垂直向和水平向的土压力 施工荷载是压载、端封墙、定位塔等施工设施的重量。在计算浮运阶段的纵向弯矩时，这些荷载是主要荷载； 波浪力和水流压力对结构设计影响很小，对沉设工艺和设备设计需要考虑； 沉降摩擦力指的是在管侧产生向下的摩擦力； 车辆活荷载往往可以忽略； 沉船荷载的作用尚不明确； 地基反力可以采用线性分布、弹性地基和弹性理论等不同的假定进行计算； 温度应力有内外壁温差引起，随季节变化。,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。 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。,-包括干舷，抗浮，外廓尺寸,2）抗浮安全系数,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”。 在覆土使用阶段，抗浮安全系数应采用1.21.5，且计算时可以考虑两侧填土的负摩擦力。 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，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）沉管结构的外廓尺寸,3. 结构分析与配筋,1）断面结构分析 沉管结构的断面结构型式大多采用多孔箱型刚构； 结构内力分析过程：假定截面尺寸分析内力修正尺度复算内力。一般采用电算； 为了避免采用剪力钢筋 ,常采用变截面或折拱形结构 。 应进行多断面内力分析确定整节管段的配筋方案，不采用河中段全长的横断面配筋计算。,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)古巴Almendares隧道 (b) 加拿大Lafontaine隧道 1-预应力索；2临时拉索；3防水层,什么是沉管法和沉管结构 沉管结构设计 接缝管段处理与防水措施 管段沉设与水下连接 管段接头 沉管基础,主要内容,三、接缝管段处理与防水措施,1. 变形缝的布置与构造 缝的产生 管身混凝土二次浇筑 ，常易发生收缩裂缝 。 纵向不均匀沉降等影响也易致管段开裂 。 变形缝的设置 每节管段分割成若干节段，一般为1520m左右 。,变形缝的要求,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 4.变形前后均能防水，,1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,2. 止水缝带,1) 橡胶止水带 天然橡胶（含胶率）70）或合成橡胶（如氯丁橡胶等）制成，具有优良的耐久性。 均由本体与锚着部两部分组成; 本体部：平板式的，带孔管的，带曲槽的； 锚着部:节肋型，哑铃型； 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。 本体部的宽度宜小不宜大，但也不能太窄； 本体部的管孔外径与缝宽应匹配，内径不宜过小； 本体部的厚度一般68mm， 止水带的宽度一般230300mm。,铜片止水带，塑料（聚氯乙烯）止水带，橡胶止水带和钢边橡胶止水带。,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； 20世纪50年代初于荷兰的凡尔逊（Velsen,1957）水底道路隧道中初次成功应用。,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。 钢壳与钢板防水日趋淘汰 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; 卷材防水易“起壳”且在沉设过程中难以补救 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。,什么是沉管法和沉管结构 沉管结构设计 接缝管段处理与防水措施 管段沉设与水下连接 管段接头 沉管基础,主要内容,四、管段沉设与水下连接,1. 沉设方法与设备 1)分吊法 24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 SEP,4）拉沉法,1拉合千斤顶；2拉沉卷扬机；3拉沉索；4压载水,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,什么是沉管法和沉管结构 沉管结构设计 接缝管段处理与防水措施 管段沉设与水下连接 管段接头 沉管基础,主要内容,五、管段接头,（1）刚性接头 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。,管段接头的构造主要有刚性接头和柔性接头两种。,“先柔后刚”,（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。,什么是沉管法和沉管结构 沉管结构设计 接缝管段处理与防水措施 管段沉设与水下连接 管段接头 沉管基础,主要内容,六、沉管基础,1. 沉管基础的特点 在水底沉管隧道中，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。,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 （5）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。,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