地下结构工程之七沉管结构

安徽建筑工业学院地下结构工程主讲教师：席培胜第7章沉管结构

（亦曾称作预制管段沉放法）沉管法是在水底建筑隧道的一种施工方法。

其施工顺序是先在船台上或干坞中制作隧道管段（用钢板和混凝土或钢筋混凝土），管段两端用临时封墙密封后滑移下水(或在坞内放水)，使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。定位后,向管段内加载,使其下沉至预先挖好的水底沟槽内。管段逐节沉放，并用水力压接法将相邻管段连接。最后拆除封墙，使各节管段连通成为整体的隧道。在其顶部和外侧用块石覆盖，以保安全。水底隧道的水下段，采用沉管法施工具有较多的优点。50年代起，由于水下连接等关键性技术的突破而普遍采用，现已成为水底隧道的主要施工方法。用这种方法建成的隧道称为沉管隧道。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

。（解决了两项关键技术——水力压接法和基础处理，）混凝土管段沉管隧道大多数在欧洲，其中约有一半在荷兰。日本第一座沉管隧道是1944年为大阪地铁网修建的。至1994年11月，共修建了18座沉管隧道。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。沉管法的主要优点、缺点与建桥相比

1、不影响任何航运；

2、不受恶劣气候影响；

3、抵抗战争破坏和抗自然灾害的能力强；

4、能做到不拆迁或少拆迁，可降低造价；

5、超载能力远高于桥梁；

6、对生态环境干扰影响小，不会引起河床的变化；

7、水下隧道结构抗腐蚀性强，耐久性好；

8、结构维护保养费用比桥梁低得多；

9、建设用钢量比桥梁少；

10、设计时比较容易做到一隧多用，可以安排城市供水、供电、供气、通信管道等通过。基槽开挖方方法:对开挖来说说，人们所所熟悉的技技术例如戽戽斗式挖泥泥机、带切切泥头或吸吸泥头的吸吸泥机或挖挖泥机和带带抓斗的起起重机都是是可以选择择的。切泥泥头挖泥机机是对要浚浚挖的泥土土进行混搅搅成浆后吸吸走。如使使用浮放管管路排泥时时，这种挖挖泥机的垂垂直运输是是封闭的，，而且最后后的水平运运输也是封封闭的。这这样对环境境的影响就就比较小。。戽斗式挖挖泥机在垂垂直运输泥泥土时，以以及当泥土土卸进驳船船中供水平平运走时产产生的溢出出都会对环环境造成污污染。与戽戽斗式挖泥泥机一样，，带抓斗的的起重机对对环境也有有同样不利利的影响。。接头设计和处理理技术是沉管隧隧道的关键技术术之一，接头的的设计应能承受受温度变化、地地震力以及其它它作用并保证隧隧道接头具有良良好的水密性。。接头可分为两种种形式：一种接接头具有与其连连接管段相似的的断面刚度和强强度——刚性接头；另一一种接头则允许许在三个主轴方方向上有相对位位移——柔性接头。接头的位置、间间距和形式应按按照土壤条件、、基础形式、抗抗震以及可加工工性来决定。同同时，还应考虑虑接头的强度、、变形特性、防防水、材料以及及细部构造。沉管隧道设计总体几何设计；；结构设计；通风设计；照明设计；内装设计；给排水设计；供电设计；运行管理设施设设计；圆形沉管、矩形形沉管沉管结构设计钢壳沉管；外壁或内外壁均均为钢壳，中间间为钢筋混凝土土或混凝土，钢钢壳和混凝土共共同受力结构。。钢筋混凝土沉管管。主要有钢筋混凝凝土组成，外涂涂防水涂料。材料截面形状空间利用率造价抗腐蚀性耐久性钢壳沉管钢壳、钢混、混凝土圆形较低高较差较差钢混沉管钢筋混凝土矩形大较低较好较好钢壳与混凝土沉沉管对比沉管结构所受的的荷载结构自重、水压压力、土压力、、浮力、施工荷荷载、波浪和水水流压力、沉降降摩擦力、车辆辆活荷载、沉船船荷载，地基反反力、温度应力力、不均匀沉降降所产生的附加加应力、地震等等作用。作用在沉管上的的水压力是主要要荷载。序号荷载类型横向竖向1水土压力、结构自重、管段内外压载重√√2管内建筑及车辆荷载√√3混凝土收缩应力√4浮力和地基反力√√5施工荷载√√6温差应力√√7不均匀沉降产生的应力√8沉船抛锚及河道疏浚产生的特殊荷载√√9地震荷载√√沉管荷载水压力分别计算正常的的高、低潮水位位的水压力；台风或百年一遇遇的特大洪水位位水压力。浮力等于沉管排水量量。施工荷载端封墙；定位塔；压载。沉船荷载50—130KN/m2地基反力分布假假设反力按直线分布布；反力强度与各点点地基沉降量成成正比；地基为半无限弹弹性体，按弹性性理论计算反力力。浮力设计1）干舷管段在浮运时，，为了保持稳定定，必须使管顶顶面露出水面，，其露出高度称为为干舷。具有一定干舷的的管段，与风浪浪后产生反向力力矩，保持平衡衡。干舷的高度应适适中，过小则稳稳定性差，过大大时沉设困难。。浮力设计时，按照最大混凝土容重重、最大混凝土土体积和最小河河水的比重来计算干舷。2）抗浮安全系数数在管段沉设施工工阶段，应采用用1.05～1.1的抗浮安全系数数。管段沉设完毕后后，务必大于1.05，防止“复浮””。设计时需要按照照最小混凝土容重重、最小混凝土土体积和最大河河水的比重来计计算抗浮安全系系数。3）沉管结构的外外廓尺寸沉管结构的外廓廓尺寸，必须通过浮力设设计才能确定;沉管结构的外廓廓高度，往往超超过车道净空高高度与顶底板厚厚度之和。沉管结构设计横向结构设计管段横断面内力力一般按照弹性性支撑箱形框架架结构计算；假定构件尺寸分析内力修正尺寸复算内力纵向结构设计施工阶段计算浮运、沉设设施工荷载所引引起的内力。使用阶段按照弹性地基梁梁理论进行计算算；沉管基础设计开槽前槽底上的的压力管段沉设、覆土土完毕后基础施工方法:现有三种不同的的基础，欧洲普普遍使用喷砂和和注砂基础（后后铺法），美国国普遍使用样板板刮平的砾石基基础（先铺法））。样板刮平的砾石石基础一般用于北美的的钢壳管段隧道道。地槽浚瓦好好后，接着便在在地槽底上铺一一层粗砂或砾石石。砾石和砂的的粒度级配必须须与水力条件相相适应：即水流流越大级配越高高。这层厚度约约0.7mm。必须注意砾石石基础的刮平度度。要求的平顺顺精度为±3cm，这取决于当地地条件、砂或砾砾石的级配以及及使用的设备。。刮平是用一块块样板来进行的的，样板从滑架架上的绞盘车上上悬挂下来，滑滑架沿支承在两两个浮筒上的轨轨道滚动。这套套设备锚定在要要刮平处的水面面上，样板的的的悬挂高度可以以调节以补偿潮潮汐水位的变化化。为了尽可能能排除来自水面面的影响，可以以采用按半潜水水的原则制成的的特殊设备。这这种方法允许样样板直接连到锚锚墩上。喷砂基础建造砂基础的第第一个系统用的的是C&N法（ChrisTIAni&Nielson法），即使用在在隧道管段上方方滚动的钢门架架，与门架相连连的为三根毗邻邻的管子，这三三根管子被引入入到隧道管段底底部与地槽之间间的空间。最大大的管子在中间间，通过这根管管子，砂水混合合物被泵送到隧隧道管段下面。。位于大管子两两侧的两根管子子又将水吸回去去，从而形成一一种流动作用，，使砂在隧道管管段下面以一种种良好限定和良良好控制的型样样沉淀下来。门门架位于隧道管管段上面并可使使管子绕一垂直直轴转动，这样样就可以做到隧隧道管段下面的的整个空间都可可以达到。隧道道管段下面需有有约1m的空间以便移动动管子。砂必须须是干净的，砂砂的平均粒径约约为0.5mm。砂水混合物的的浓度和排除口口速度与喷出形形成的砂饼的直直径有直接关系系，必须很好地地控制。注砂基础为了避免使用门门架（因门架可可能妨碍航运交交通），以及为为了在更深的隧隧道下面铺设基基础，开发出砂砂流注砂法。这这种方法像喷砂砂法一样把砂水水混合物泵送到到管段下面的空空间里。只不过过不是使用可移移动的系统，而而是在隧道管段段底板上开许多多孔口，这些孔孔口与放在管段段里面相连。当当管道从岸上经经过隧道通到这这些孔口处进行行充填砂基时，，不会影响航运运。砂水混合物物通过在隧道管管段内的孔口泵泵出，去填充隧隧道管段下面的的空间直到砂堆堆接触到隧道管管段的底部为止止。这样就在隧隧道管段下面形形成一个扩大的的砂饼。直到砂砂饼内部的水压压超过了预先指指定的最大值，，然后才打开下下一个孔口，同同时将前一个孔孔口关闭。这种种方法速度快，，能在24小时内填满一个个隧道管段下面面的整个空间，，这样就能避免免管段放置后产产生淤积的危险险。样板刮平的砾石石基础一般用于北美的的钢壳管段隧道道。地槽浚瓦好好后，接着便在在地槽底上铺一一层粗砂或砾石石。砾石和砂的的粒度级配必须须与水力条件相相适应：即水流流越大级配越高高。这层厚度约约0.7mm。必须注意砾石石基础的刮平度度。要求的平顺顺精度为±3cm，这取决于当地地条件、砂或砾砾石的级配以及及使用的设备。。刮平是用一块块样板来进行的的，样板从滑架架上的绞盘车上上悬挂下来，滑滑架沿支承在两两个浮筒上的轨轨道滚动。这套套设备锚定在要要刮平处的水面面上，样板的的的悬挂高度可以以调节以补偿潮潮汐水位的变化化。为了尽可能能排除来自水面面的影响，可以以采用按半潜水水的原则制成的的特殊设备。这这种方法允许样样板直接连到锚锚墩上。喷砂基础建造砂基础的第第一个系统用的的是C&N法（ChrisTIAni&Nielson法），即使用在在隧道管段上方方滚动的钢门架架，与门架相连连的为三根毗邻邻的管子，这三三根管子被引入入到隧道管段底底部与地槽之间间的空间。最大大的管子在中间间，通过这根管管子，砂水混合合物被泵送到隧隧道管段下面。。位于大管子两两侧的两根管子子又将水吸回去去，从而形成一一种流动作用，，使砂在隧道管管段下面以一种种良好限定和良良好控制的型样样沉淀下来。门门架位于隧道管管段上面并可使使管子绕一垂直直轴转动，这样样就可以做到隧隧道管段下面的的整个空间都可可以达到。隧道道管段下面需有有约1m的空间以便移动动管子。砂必须须是干净的，砂砂的平均粒径约约为0.5mm。砂水混合物的的浓度和排除口口速度与喷出形形成的砂饼的直直径有直接关系系，必须很好地地控制。注砂基础为了避免使用门门架（因门架可可能妨碍航运交交通），以及为为了在更深的隧隧道下面铺设基基础，开发出砂砂流注砂法。这这种方法像喷砂砂法一样把砂水水混合物泵送到到管段下面的空空间里。只不过过不是使用可移移动的系统，而而是在隧道管段段底板上开许多多孔口，这些孔孔口与放在管段段里面相连。当当管道从岸上经经过隧道通到这这些孔口处进行行充填砂基时，，不会影响航