沉管结构解析

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）按管段制作作方法：分分为船台型型和干坞型型。干坞型：在临时干干坞中制作作钢筋混凝凝土管段，，制成后往往坞内灌水水使之浮起起并拖运至至隧址沉放放。主要制作矩矩形钢筋混混凝土沉管管。优点：不占船厂设设备，不影影响造船生生产；断面面利用率高高，车道数数多，4-8车道；隧道道埋深减小小，全长缩缩短，土方方量小；节节约钢材，，降低造价价。缺点：必须建造临临时干坞；；混凝土工工艺要求高高（干舷、、抗浮安全全系数）；；普通混凝凝土难以防防水，需考考虑防水措措施。13.1.2沉管隧道的的分类13.1概述13.2沉管结构设设计几何尺寸设设计尤为重重要，取决决于：使用要求和和辅助设施施；施工条条件和施工工要求，即管段的浮浮运和沉放放要求。首先根据使使用要求，，确定净空空尺寸，然然后，外廓廓尺寸满足足浮运要求。管段的长度则需要考虑虑经济条件件、航道条条件、断面面形状、施施工及技术术条件。13.2.1沉管的断面面形状和尺尺寸沉管结构设设计时，必必须处理好好浮力与重量量的关系，这这就是浮力力设计。浮浮力设计包包括干舷的的选定和抗抗浮安全系系数的验算算。13.2沉管结构设设计13.2.2沉管的浮力力设计1）干舷管段在浮运运时，为了了保持稳定定，必须使使管顶面露露出水面，，其露出高度度称为干舷舷。具有一定干干舷的管段段，遇风浪浪后发生倾倾斜而自动动产生反向向力矩，保保持平衡。。矩形断面管管段，干舷舷为10~15cm；圆形断面面管段多为为40~50cm。干舷的高度度应适中，过小则稳稳定性差，，过大时沉沉设困难。。有些情况下下，由于管管段的结构厚度较较大，无法自浮浮，可以设设置浮筒、钢或或木围堰助浮。浮力设计时时，按照最最大混凝土土容重、最最大混凝土土体积和最最小河水的的比重来计计算干舷。。13.2沉管结构设设计13.2.2沉管的浮力力设计1）干舷2）抗浮安全全系数抗浮安全系系数K＝管段总重重/管段排水重重(浮力)在管段沉设设施工阶段段，应采用用1.05～1.1的抗浮安全全系数。在覆土完毕毕后的使用用阶段，抗浮安全系系数应采用1.2～1.5。设计时需要要按照最小混凝土土容重、最最小混凝土土体积和最最大河水的的比重来计计算抗浮安安全系数。。13.2沉管结构设设计13.2.2沉管的浮力力设计3）沉管结构构的外廓尺尺寸总体设计只只能确定隧隧道的内净宽度以以及车道净净空高度；沉管结构的的外廓尺寸寸，必须通过浮力设计才能确定；；在浮力设计计中，既要保持一一定的干舷舷，又要保保证一定的的抗浮安全全系数。沉管结构的的外廓高度度，往往超超过车道净空高度与与顶底板厚厚度之和。13.2沉管结构设设计13.2.2沉管的浮力力设计作用在沉管管上的荷载载有：结构自重、、水压力、、土压力、、浮力、施施工荷载、、波浪压力力、水流压压力、沉降降摩擦力、、车辆活荷荷载、沉船船荷载，以以及地基反反力、温度度应力、不不均匀沉降降所产生的的附加应力力、地震等等作用。作用在沉管管上的水压力是主要荷载载。分别计算高高、低潮位位和特大洪洪水位的水水压力。垂直向土压压力：一般为河河床底到沉沉管顶面间间的土体重重量；水平平向土压力力，随着土土的固结发发展而减小小。施工荷载：压载、封封端墙、定定位塔等施施工设施的的重量。13.2沉管结构设设计13.2.3作用在沉管管结构上的的荷载波浪力和水水流压力对结构设计计影响很小小，但对于于水流压力力，须进行行水工模型试试验予以确定，，据此设计计沉设工艺艺及设备。。沉降摩擦力力则是由于回回填后，沉沉管沉降和和沉管侧土土体沉降并并不同步，，管侧土体大大于沉管，因此在沉沉管侧壁外外承受向下下摩擦力。。为了降低低摩擦系数数，常在在侧壁外喷涂软沥青青，以减少少摩擦。13.2沉管结构设设计13.2.3作用在沉管管结构上的的荷载在水底隧道道中，车辆交通荷荷载则往往可以以忽略。沉船荷载由于产生的的几率太小小，对此项项荷载是否否计算，计计算采用荷荷载值的大大小仍在探探讨之中。。地基反力的分布规律律有不同的的假定：（（1）直线分布，反力强度度和各点沉沉降量成正正比，即温温克尔假定定，又可以以分为单一一系数和多多种地基系系数两种；；（2）假定地基基为半无限限弹性体，，按弹性理论计计算反力。沉管内外壁壁之间存在在温差，外外壁基本上上与周围土土体一致，，可以视作作恒温，而而内壁的温温度与外界界一致，四四季变化化。一般冬冬季外高内内低，夏天天外低内高高，温差将产生生温度应力力。13.2沉管结构设设计13.2.3作用在沉管管结构上的的荷载沉管的结构构设计，按按纵断面和和横断面分分别进行，，大多数是是多孔箱型结结构。结构内力分分析须经过过“假定截面尺尺寸——分析内力——修正尺寸——复算内力””的几次循环，工作作量较大。。为了避免采采用剪力钢钢筋，改改善结构性性能，减少少裂缝出现现，常采用用变截面或折折拱形结构构。各处截面所所受的水、、土压力可可能不同，，不能只以以一个断面面的结构分分析来代表表整节管段段。13.2沉管结构设设计13.2.4管段结构设设计13.2沉管结构设设计13.2.4管段结构设设计1）钢壳方方式的管段段设计（（1）横断面设设计设计特征：：钢壳同时时作为混凝凝土灌注时时的模板。钢壳很难视视为承载的的有效构件件，多按临时构件设计。横断面方向向的钢壳断断面，一般般取决于混凝土灌注注时的应力。。13.2沉管结构设设计13.2.4管段结构设设计1）钢壳方方式的管段段设计（（2）纵断面设设计把整个钢壳壳视为纵向的梁，按施工荷荷载研究强强度和变形形。设计状态：：进水时，混混凝土灌注注时，拖航航停泊时。钢壳在船台台上制作，，纵向进水时会产生较较大应力，，故多由此此状态决定定断面尺寸寸。13.2沉管结构设设计13.2.4管段结构设设计2）钢筋混混凝土管段段的设计（（1）横断面设设计横断面尺寸寸，一般采采用平面骨架结结构进行应力计计算。横断面构件件的厚度，，一般按钢筋混凝土土构件的计算即可可，同时要要考虑施工钢筋的布置。13.2沉管结构设设计13.2.4管段结构设设计2）钢筋混混凝土管段段的设计（（2）纵断面设设计管段的纵向向设计，考考虑混凝土土灌注时、牵牵引时、沉沉放时的状态；；还要考虑完完成后的地震影响、、地层下沉沉影响、温温度变化的影响等。。沉管结构的的混凝土强强度，宜采采用C30-C40。由于沉管结结构对贯通通裂缝非常常敏感，非非贯通裂缝缝宜控制在在0.15-0.2mm以下，因此此采用钢筋筋等级不宜宜过高，不宜采用HRB400及以上的钢钢筋。13.2沉管结构设设计13.2.4管段结构设设计3）配筋一般情况下下，沉管隧隧道采用普通混凝土土结构而不不用预应力力混凝土结结构。因沉管的的结构厚度并并非强度决决定，而是由抗浮安全系系数决定。施加预应力力虽然能提高抗渗性性，但不经济济。当隧道跨度度较大，达达三车道以以上，或者者水、土压压力又较大大时，沉管管结构的顶顶板、底板板受到的剪剪力相对大大，此时可可采用预应力混凝凝土结构。13.2沉管结构设设计13.2.4管段结构设设计4）预应力力的作用管段接头应应具有以下下功能和要要求：第一，满足足水密性的的要求；第二，应具具有抵抗各各种荷载作作用和变形形的能力；；第三，各构构件功能明明确，造价价适度；第四，施工工性好，施施工质量能能够保证，，并尽量做做到能检修修。13.2沉管结构设设计13.2.5管段接头设设计（1）连续构造接接头-接头与管段段具有同样样的强度、、刚性。（2）可挠性接头头-又称柔性接接头，接头头和管段之之间能够相相互伸缩、、转动。13.2沉管结构设设计13.2.5管段接头设设计1）接头类类型连续构造造接头在管段的接接头处，不不管是哪种种接头形式式，都要进进行止水构构造的设计计。一般说说，橡胶密封垫垫的一次止水水构造，是是最基本的的构造。决定橡胶密密封垫的材材质、形状状、尺寸时时，要满足足以下条件件：止水构件材材质的长期期稳定性和和耐久性；；管段接合合时具有所所规定的止止水性；水水力压接时时具有合适适的荷载—压缩变形特特性；有永永久的止水水性能等。采用可挠性性接头时，，要在设计计的伸缩量量条件下，，能确保止水性性；接合后，，对外侧水水压是安全全的。13.2沉管结构设设计13.2.5管段接头设设计2）止水构构造沉管隧道的的接头，一一般分为中中间接头、、与竖井的的接头及最最后接头3类，其结构构形式有些些差异。最后接头是是最后一节管管段与前设设管段的接接头，与管段一一般段的接接头不完全全相同。最后接头的的位置，一一般设在管段与竖井井处。从目前采用用的最后接接头的施工工方法看，，大致有以以下几种方方式：干施工方式式；水下混混凝土方式式；接头箱箱体方式；；止水板方方式；楔形形箱体方式式。13.2沉管结构设设计13.2.5管段接头设设计3）最后接接头地面建筑中中，如果基基底地质条条件差，可可能会发生生过量沉降降，甚至发发生坍塌。。在水底沉沉管隧道道中，作作用在沟沟槽底部部的荷载载，在设设置沉管管后，非非但未增增加，反而减小小了。沉管隧道道对各种种地质条条件的适适应性很很强。13.2沉管结构构设计13.2.6基础设计计1）地质质条件和和沉管基基础原因：因为在开开槽作业业中，挖挖成后的的槽底表表面总有有不同程程度的不平整。使槽底底表面与与沉管底底面之间间存在着着很多不不规则的的空隙。会导致致地基土土受力不不均而局局部破坏坏，从而而引起不不均匀沉降降，使沉管管结构受受到较高高的局部应力力，而致致开裂。目的：是垫平，消除槽槽底表面面的不平平整。方法：大体可分分为先铺法和和后填法法两类。先铺法：在管段段沉放之之前，先先在槽底底铺上砂砂、石垫垫层，然然后将管管段沉放放在垫层层上。适适用于底宽较小小的沉管管隧道。先铺法法有刮砂法，，刮石法法等。后填法：在管段段沉放完完毕后，，再进行行垫平工工作。适适用于底宽较大大的沉管管隧道。后填法法有灌砂法、、喷砂法法、压浆法，，压砂法法等。13.2沉管结构构设计13.2.6基础设计计2）基础处处理如果沉管管隧道下下的地基基土特别别软弱，，容许承承载力非非常小，，仅做做垫平处理理是不够的的。解决决办法有有：以砂置换软软土层；；打砂桩桩，并加加荷预压压；减轻轻沉管重重量；采用桩基基。沉管隧道道采用桩桩基后，也会会遇到一一些通常常地面建建筑所碰碰不到的的问题。基桩桩顶顶标高在在实际施施工中不可能达达到完全全齐平。在管段沉沉置完毕毕后，难难以保证证所有桩顶与管管底接触触。13.2沉管结构构设计13.2.6基础设计计3）软弱弱土层中中的沉管管基础为使各桩桩能均匀匀受力，，采取以以下措施施：水下混凝凝土传力力法；砂砂浆灌囊囊传力法法；活动桩顶顶法。水下混凝凝土传力力法：基桩打好好后，先先浇一、、二层水下混凝凝土将桩顶裹裹住。而而后再在在水下铺铺上一层层砂石垫层层，使沉管管荷载经经砂石垫垫层和水水下混凝凝土层传传通到桩桩基上去去。砂浆灌囊囊传力法法：在管段底底部与桩桩顶之间间，用大型化纤纤囊袋灌注水泥泥砂浆加加以垫实实，使所所有基桩桩均能同同时受力力。13.2沉管结构构设计13.2.6基础设计计3）软弱弱土层中中的沉管管基础1-钢管桩；；2-桩靴；3-水泥浆；；4-活动桩顶顶；5-预制混凝凝土桩；；6-导向管；7-尼龙布囊；8-压浆管13.2沉管结构设计计13.2.6基础设计3）软弱土层层中的沉管基基础活动桩顶法竖井分别位于于沉管隧道的的两端，是沉沉管隧道和陆陆上隧道的接接续点。对公公路隧道，还还具有风井的功能。对其其它用途的隧隧道．多用于于排水设施和电电气设施，以及附属设设施等的收容容空间。竖井设计的主主要任务是确确保其稳定性。竖井的稳定定，一般是由由地震及施工工时的稳定性性所决定的。。竖井基础形式是多种多多样的，要根根据地质条件件、隧道规模模、埋深以及及竖井的功能能要求等条件件选定。13.2沉管结构设计计13.2.7竖井和引道设设计1）竖井引道构造，通通常都是明渠式的。此时，视视引道深度的的变化，可采采用U型挡墙、L型挡墙或反T型挡墙、重力力式挡墙等多种形式的的构造。采用挡墙形式式的区间，其其开挖深度，，一般不要超超过15m。陆上隧道，—般用明挖法施工，如深度很深深，可采用沉沉箱法。引道设计应特特别注意的是是U型挡墙的上浮浮性。13.2沉管结构设计计13.2.7竖井和引道设设计2）引道沉管隧道容易易因隧道的纵向变形而导致开裂；；不均匀沉降等影响也易致致管段开裂。。这类纵向变变形引起的裂缝对隧道防防水极为不利利，必须采取适适当措施加以以防止。最有效的措施施是设置垂直于隧道轴轴线方向的变变形缝，将每节管段段分割成若干干节段。根据据实践经验，，节段的长度度不宜过大，，一般为15～20m左右。13.3接缝管段处理理与防水措施施13.3.1变形缝的布置置与构造1.能适应一定幅幅度的线变形与角变变形。2.在浮运、沉设设时能传递纵向弯矩矩。3.在任何情况下下能传递剪力。4.变形前后均能防水，一般在变形形缝处设置一一道或二道止止水缝带。13.3接缝管段处理理与防水措施施13.3.1变形缝的布置置与构造变形缝构造，，满足以下4点要求：止水带的种类类与形式很多多，有铜片止止水带、塑料料止水带，使使用较普遍的的是橡胶止水带和和钢边橡胶止止水带。橡胶止水带可可用含胶率大大于70％的天然橡胶制成。形式有有平板形的和带带管孔的。所有的橡胶止止水带均由本体部与锚着着部两部分组成。。13.3接缝管段处理理与防水措施施13.3.2止水缝带(止水带)钢边橡胶止水水带是在橡胶胶止水带两侧侧锚着部中加镶一段薄钢板，其厚度仅0.7mm左右。13.3接缝管段处理理与防水措施施13.3.2止水缝带(止水带)沉管外防水和和沉管自防水水两类。外防水包括了了钢壳，钢板防防水，卷材防防水，涂料防防水等不同方法；；自防水主要是是采用防水混凝土。13.3接缝管段处理理与防水措施施13.3.3管段外壁的防防水措施钢壳防水：在沉管的三三面（底和两两侧墙）甚至至四面（包括括顶面）用钢板包裹的防水方法。。耗钢量大、、焊缝防水可可靠性不高、、钢材防锈等等问题仍未切切实解决，已已日趋淘汰，，改用钢板防防水的工程增增多。钢板防水：排除了焊接接质量问题，，用钢量低。。13.3接缝管段处理理与防水措施施13.3.4钢壳与钢板防防水卷材防水层：用胶料粘结结多层沥青卷卷材或合成橡橡胶类卷材而而成的粘结式防水层。沥青类卷材一一般均用浇油摊铺法粘结，卷材粘结完毕后，须在在外边加设保保护层。保护护层构成视部部位不同而异异。管段底板板下用卷材防防水层时，可可在干坞底面面上先铺设一一层混凝土砖砖，后铺素混混凝土作为保保护层，再在在混凝土保护护层上摊铺卷卷材。卷材防水的主主要缺点是施工工工艺较繁，而且在施工工操作工程中中稍有不慎就就会造成“起壳”而返返工，返工时时耗时、耗力力。若在管段段沉设过程中中发现防水层层“起壳”，，根本无法补补救。13.3接缝管段处理理与防水措施施13.3.5卷材防水预制场制作管段拖运至隧址沉放管段管段水下连接覆土回填内部设备安装沟槽浚挖、支座设置13.4沉管隧道施工工过程管段制作的基基本要求：本身不漏水水，承受最大大水压时也不不漏水；管段段本身是均质质的，重量对对称，以保证证浮运时稳定定、结构牢固固。制作方式：干干坞方式；船船台方式。船台方式：这种管段通通常是只在造造船厂的码头头、船台或岸岸壁等处制作钢壳，而后，将其其牵引，停泊泊在悬浮状态态下，灌注内内部混凝土而而完成的。干坞方式：管段是在管管段制作码头头制作，完成成后牵引。在在装配码头处处搭载各种沉沉放设备并沉沉放的。一般般说，在这种种情况下，管管段的制作是是几个管段同同时制作的，，因此，干坞坞的规模要求求很大。13.4沉管隧道施工工过程13.4.1管段制作沉放前要先在在预沉放地点点开挖沟槽。沟槽开挖比比通常的航道道疏浚开挖深深度要深，而而且对底面的的平整度精度度要求较高。。因此，要仔仔细选择疏通通方法，一般般使用各种疏疏浚船进行施施工。特别要注意的的是：不要扰动海底底沟槽面的土土质，在沉放过程程中始终保持持良好的状态态。沟槽施工的费费用，通常占占总费用的很很小一部分，，但航道的变变更、管体泊泊位以及拖航航水路的疏浚浚等的处理量量是很大的。。因此要规划划各阶段的疏疏浚土量和弃弃碴场，选择择疏浚方法和和作业设备。。13.4沉管隧道施工工过程13.4.2沟槽施工管段制作完成成后，开始向向干坞内注水水，此时需检检查管段是否漏水水。一旦发现漏水水，应立即停止注水，查明原因并并做修补。注水完毕后，，调整好各节节管段，打开开干坞坞门，，用拖船将管管段拖出，浮运到隧址处。13.4沉管隧道施工工过程13.4.3管段的浮运管段沉放不但但受到气候、、河道条件的的直接影响，，还受到航道道、设备条件件的制约，需需选用最经济的沉设方案。。沉设方法有吊沉法和拉沉沉法，其中吊沉法法又分为分吊法、扛吊吊法和骑吊法法。沉埋作业的主要环节有：拖运管段段到沉放现场场；用缆绳定定位管段，以以便精确沉放放；施加下沉沉力。13.4沉管隧道施工工过程13.4.4管段的沉放与与水下连接1）管段的沉沉放作业在管段制作时时，预埋3~4个吊点，在沉设作业业中采用用2～4艘起重船提着着各个吊点，，将管段沉沉放到设计