沉管设计许完整版本

中国地质大学（北京）地下建筑结构课程设计沉管设计目录TOC\o"1-2"\h\z\u\t"标题4,3"1设计资料 31.1工程概况 31.2设计内容和要求 31.3工程地质和水文地质 31.4设计依据 32沉管设计 52.1管段结构的外轮廓尺寸设计 52.1.1设计要求 52.1.2沉管结构的浮力设计验算 52.1.3沉管结构抗浮安全系数验算 62.2荷载计算 72.2.1沉管的荷载计算 72.3内力计算 92.3.1计算模型的简化 92.4.2弯矩分配法计算 102.4.3设计弯矩、剪力及轴力的计算 122.4.4内力图 132.5截面计算与配筋 142.5.1设计依据 142.5.2材料的选用 152.5.3顶板配筋设计 152.5.4底板配筋设计 182.5.5侧墙配筋计算 212.5.6纵筋的配置 243干坞设计 243.1干坞平面设计 243.2干坞基坑的边坡稳定 244基槽施工 255接头和防水设计 255.1防水薄膜做整体防水 255.2变形缝设计 255.3管段间接头 26

1设计资料1.1工程概况工程名称：宿迁汴河区新城地下交通隧道宿迁市汴河区新城是该市近几年来一直发展的重点地区，现在已经列入了当地十二五发展的重点规划项目。但一条横贯该城东西的汴河阻碍了旧城与新城之间的联系，为了两城方便交流共同发展当地政府决定在汴河上修建交通系统。经过工程地质勘查结合当地的实际情况，桥隧方案比较之后决定采取城管隧道方案。汴河为32米宽，拟建地点在场地条件好汴河区中段，该地区还没有发展起来因此有大范围的限制空地用于修建干坞。干坞距离施工现场仅仅20米左右很方便施工。该地的冬天有一点时间的枯水期，气温条件也比较，一次选择在十月份开始施工，能够避开航运期以免影响到航运。1.2设计内容和要求某公路隧道建设时经过河流，该河流宽32m，在经过河流时，隧道要求建在水底。已知隧道顶部与河流表面平行且距水面5.2m，预采用钢筋混凝土矩形沉管结构。使用要求：内净跨7m，内净高2.7m。工期设置合理，不能打扰到市民生产生活，同时保证工程质量为明年的建市十五周年贺礼。1.3工程地质和水文地质工程规模及水文地质概貌

宿迁汴河隧道过江段采用沉管法施工，长32m，由四节管段组成，其中每节节长8m。

汴河属感潮河流，潮型呈不规则半日潮。根据近隧址处宿迁水文站的统计，该处河段的平均高潮位为1.28m，平均低潮位为-0.48m，历年最高潮位3.31m，历年最低潮位-1.72m，最大涨潮流速为1.3m/s，最大落潮流速为1.2m/s。

工程江北段主要穿越灰色填土（Ⅰ3）、褐黄色至灰黄色粘土（Ⅱ）和灰色淤泥质粘土（Ⅲ1）等；江中段隧道将穿越灰色淤泥（Ⅰ1）、灰色淤泥质粘土（Ⅲ1，Ⅳ1），部分遇到灰色粉质粘土（Ⅳ1′）；江南段隧道则将穿越灰色填土（Ⅰ3）、褐黄色至灰黄色粘土（Ⅱ）、灰色淤泥质粘土（Ⅲ1）和灰色粘质粉土（Ⅲ2）。场地浅部地下水属潜水类型，-42.13m以上无承压含水层。1.4设计依据1.《混凝土结构设计规范》2、《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）3、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）4、《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）

2沉管设计2.1管段结构的外轮廓尺寸设计2.1.1设计要求该公路隧道建设时经过河流，该河流宽32m，在经过河流时，隧道要求建在水底。已知隧道顶部与河流表面平行且距水面5.2m，预采用钢筋混凝土矩形沉管结构。使用要求：内净跨7m，内净高2.7m。经过反复的验算很断面的设计轮廓如下：具体断面图见施工图纸，尺寸如下:隧道横跨为8.2m，高位4m，上板厚600，下板厚700mm，左右侧壁厚600mm。2.1.2沉管结构的浮力设计验算按最大混凝土重度，最大混凝土体积和最小河水密度来计算干舷）沉管自重（沿管段长度取1延米计算）：（浮运阶段）沉管浮力干舷高度：（为1延米沉管的底面积）不满足要求，因此要增加另外的钢围堰来提供浮运阶段的干舷。干舷设计在沉管浮运阶段可知道干舷不能满足规范设计要求的在10到15厘米之间，所以增加外接钢围堰水箱来提供必要的浮力，设计如下：要产生150mm的干舷则:根据计算可知在每延米的沉管设计要提供体积为2.6立方米的钢围堰，实际施工时沉管每节长为8m，那么每节要用两个高3m，长2m，宽3.46m的钢围堰。2.1.3沉管结构抗浮安全系数验算（应按最小的混凝土容重和体积，最大的河水比重来计算抗浮安全系数）管段沉入水底使用以后，路面结构计入结构自重，此时的管段的自重（按每延米计算）：（使用阶段）抗浮安全系数计算中尚未考虑两侧填土的部分负摩擦力作用与车辆荷载，满足安全系数在之间的要求。所以此种预设计完全符合规范要求，工程中将采用这种设计。2.2荷载计算根据当地的地质条件和沉管设计相关规范，拟定沉管上覆图的厚度为1m。荷载计算的结构见图如下：2.2.1沉管的荷载计算1顶板荷载的计算河流水深5.2m,板顶覆盖厚度1m的河底淤泥土顶板自重顶板上的荷载为2侧板压力的计算1.侧板土压力由于沉管结构刚度较大，在侧向土压力和水压力作用下可认为不发生侧向位移，土压力为静止土压力。侧向土压力其中静止土压力系数为0.5可以求得顶板处与底板处的土压力强度分别为2.侧向水压力取1，求得顶板与底板的水压力强度为所以，作用在侧墙上的荷载为：顶板与底板处的侧向荷载分别为：3底板荷载计算一般情况下，沉管工程中的结构刚度都比较大，而地基相对来说较松软，所以假定地基反力为直线分布。作用于底板上的荷载可按下式计算式中——结构顶板以下，顶板以上的两边墙及中间柱等重量——结构横断面的宽度求得汽车荷载产生的垂直压力计算。根据规范要求汽-10加重车重量为150kN，后轮轮压着地宽度着地长度轮距1.8m。则2.3内力计算2.3.1计算模型的简化当不考虑线位移影响时，可以将计算模型简化，按下图用力矩分配法进行手算。根据结构的对称性，我们可以把它简化入下得结构模型：2.4.2弯矩分配法计算1.固端弯矩计算2.抗弯刚度的计算抗弯劲度计算3.杆端弯矩的分配系数计算4.弯矩计算用弯矩分配法进行弯矩的手算结点ABCD杆端ABBABCCBCDDC分配系数0.20.80.70.3传递系数-10.5-1固端弯矩-251.95-503.91119.5137657328.51-76763071532-235.55-471.1-2022023-4747188.4494.224-32.98-65.954-28.2728.275-6.5956.59526.38413.26-4.26-9.2-4-47-0.920.923.6961.8488-0.647-1.29-0.5880.5889-0.130.130.5180.29510-0.09-0.18-0.060-0611-0.020.020.070.03512-0.01-0.02-0.0150.015恒载弯矩合计-382.6373.24-373.24-422422563.4035.剪力计算1取隔离体BA有平和关系可得：2取隔离体BCD“有平和关系可得：3取隔离体CBA有平和关系可得：4取隔离体CD有平和关系可得：6.轴力计算：根据力的平衡原理，顶板轴向力等于侧墙上端剪力；底板轴向力等于侧墙下端剪力；侧墙轴向力等于顶板及底板板端剪力。则2.4.3设计弯矩、剪力及轴力的计算根据计算简图求解超静定结构时，直接求得的是节点处的内力，然后利用平衡条件可以求得各杆任意截面处的内力。节点弯矩虽然比附近截面的弯矩为大，但其对应的截面高度是侧墙的高度，所以，实际不利的截面则是侧墙边缘处的截面，对应这个截面的弯矩称为设计弯矩。可按下面公式计算设计弯矩：式中——设计弯矩；——计算弯矩；——计算剪力；——支座宽度；——作用于杆件上的均布载荷。由静载引起的设计轴力按下式计算：式中——由静载引起的计算轴力。设计弯矩：顶板底板侧墙边跨中边跨中上下弯矩（KN·m）跨间-377398503-626377503剪力（KN）387494201252轴向力（KN）2012524942.4.4内力图2.5截面计算与配筋2.5.1设计依据根据《混凝土结构设计规范》，管段的混凝土28天强度等级，宜采用C30C45，不宜采用Ⅲ级以上的钢筋。纵向钢筋一般不应少于。本工程中沉管的板件为受压构件且承受变号弯矩的作用，故采用对称配筋形式。配筋计算公式柱按对称配筋单向偏心受压构件正截面强度计算。计算公式：按《混凝土结构设计规范GB50010-2002》规定的公式计算。基本公式：由于对称配筋，令和代入得，X要满足：和当不满足此条件时，应满足下式；的2知：公式中的M用代替时为大偏心，时为小偏心。2.5.2材料的选用C30混凝土，,,钢筋：受力筋为HRB400，,箍筋为HRB235，取1延米的管段长度，计算框架结构的配筋情况。2.5.3顶板配筋设计跨中：钢筋按左、右对称，用最不利荷载计算。已知，同样取1延米的管段长度，计算框架结构的配筋情况。侧板：截面尺寸，，计算长度，内力设计值，，采用C30级混凝土，纵筋采用HRB400级钢筋。取附加偏心距，则初始偏心距考虑偏心距怎大系数取1因此为大偏心受压构件。查阅资料可得，等效矩形图形系数，考虑到偏心矩太大就按照，轴力对配筋的影响较小，因此按纯弯配筋。计算配筋则不要配置受压钢筋则查表可得采用用8Φ20的钢筋面积为，偏安全。双排布置。验算最小配筋率验算间距要求抗剪配筋按构造设置，在顶板下侧配置受拉钢筋，其他钢筋按构造钢筋，并加上分布钢筋。上板角点：用最不利荷载计算。已知，同样取1延米的管段长度，计算框架结构的配筋情况。侧板：截面尺寸，，计算长度，内力设计值，，采用C30级混凝土，纵筋采用HRB400级钢筋取附加偏心距，则初始偏心距考虑偏心距怎大系数取1因此为大偏心受压构件。查阅资料可得，等效矩形图形系数，考虑到偏心矩太大就按照，轴力对配筋的影响较小，因此按纯弯配筋。计算配筋则不要配置受压钢筋则查表可得采用用8Φ20的钢筋面积为，偏安全。双排布置。验算最小配筋率验算间距要求抗剪配筋按构造设置。2.5.4底板配筋设计a底板跨中用最不利荷载计算。已知，同样取1延米的管段长度，计算框架结构的配筋情况。侧板：截面尺寸，，计算长度，内力设计值，，采用C30级混凝土，纵筋采用HRB400级钢筋。取附加偏心距，则初始偏心距考虑偏心距怎大系数取1因此为大偏心受压构件。查阅资料可得，等效矩形图形系数，考虑到偏心矩太大就按照，轴力对配筋的影响较小，因此按纯弯配筋。计算配筋则不要配置受压钢筋则查表可得采用用10Φ20的钢筋面积为，偏安全。双排布置。验算最小配筋率验算间距要求抗剪配筋按构造设置。b底板角点用最不利荷载计算。已知，同样取1延米的管段长度，计算框架结构的配筋情况。侧板：截面尺寸，，计算长度，内力设计值，，采用C30级混凝土，纵筋采用HRB400级钢筋。取附加偏心距，则初始偏心距考虑偏心距怎大系数取1因此为大偏心受压构件。查阅资料可得，等效矩形图形系数，考虑到偏心矩太大就按照，轴力对配筋的影响较小，因此按纯弯配筋。计算配筋则不要配置受压钢筋则查表可得采用用10Φ20的钢筋面积为，偏安全。双排布置。验算最小配筋率验算间距要求抗剪配筋按构造设置。2.5.5侧墙配筋计算侧墙上角点用最不利荷载计算。已知，同样取0.5延米的管段长度，计算框架结构的配筋情况。侧板：截面尺寸，，计算长度，内力设计值，，采用C30级混凝土，纵筋采用HRB400级钢筋。取附加偏心距，则初始偏心距考虑偏心距怎大系数取1因此为大偏心受压构件。查阅资料可得，等效矩形图形系数，计算配筋查表受拉侧采用10Φ18，双排布置，受拉侧采用5Φ20。，偏安全，双排布置。验算最小配筋率验算间距要求抗剪配筋按构造设置。b下侧墙角点配筋用最不利荷载计算。已知，同样取1米的管段长度，计算框架结构的配筋情况。侧板：截面尺寸，，计算长度，内力设计值，，采用C30级混凝土，纵筋采用HRB400级钢筋。取附加偏心距，则初始偏心距考虑偏心距怎大系数取1因此为大偏心受压构件。查阅资料可得，等效矩形图形系数，计算配筋查表受拉侧采用10Φ22布置，受拉侧采用5Φ20。，偏安全。双排布置。验算最小配筋率验算间距要求抗剪配筋按构造设置。2.5.6纵筋的配置沿框架周边各构件的内、外两侧布置，选用12，间距200m的钢筋。框架角部，分布钢筋应适当加强。结构断面厚度较大，可不配置箍筋。3干坞设计3.1干坞平面设计用于管段制作的干坞选址在汴河南岸的隧址处，坞口轴线与隧道轴线重合。干坞的规模为一次可制作全部（四节）管段，平面形状为正方形，南北长度为60m，东西宽度为60m，开挖深度为6m。总占地面积约0.36万m2，坞底面积0.25万m2。干坞的坞底标高为-7.50m，可满足在一定水位条件下管段1小时移位至坞口深槽位置的要求。为了保证管段起浮、移位后在坞内舾装、系泊过程中遇低水位不搁底，坞口处设坑底标高为-9.67m的舾装深槽。干坞施工的总土方开挖量2万立方米。干坞施工的关键是边坡的稳定和基底沉降的控制。3.2干坞基坑的边坡稳定根据计算和基坑试挖的结果，干坞分一级放坡，综合坡度为1:2。边坡采用干砌块石水泥砂浆勾缝的护坡方式，并在块石护坡体中设置纵横向钢筋混凝土梗格。干坞土方施工时的临时边坡控制在1:2左右。边坡土体的排水采用石屑倒滤层，并以梗格底角处放置的1m长毛竹排水管作为泄水孔。边坡坡面每级平台上设横向截水沟，与顺坡向排水沟构成坡面排水系统，可及时将坡面汇集的和泄水孔流出的水引排到坞底排水系统中，确保边坡的安全。为提高干坞边坡的稳定性，减少地下水的渗入，沿干坞周边，在干坞底平台位置处设置一排φ700mm深层搅拌桩，穿过Ⅲ2灰色粘质粉土透水层作为隔水帷幕。为了保证临江侧干坞边坡和大堤的稳定，临江侧岸壁保护结构采用宽2m的格构型搅拌桩重力式结构。干坞施工过程中加强对干坞地表和各平台处的沉降和位移的监测，并应用角点效应的概念，采用角点效应比分析干坞边坡变形和变形速率，以判断基坑的稳定性。当实测的变形量或变形速率比计算值大10%~20%时，即报警并采取稳定边坡措施。2.2干坞坞底处理为了避免管段制作因干坞地基变形产生裂缝，干坞施工时对干坞的坞底基础作了换填处理，换填厚度为0.5m。由于坞底基础不但要满足承载变形要求，而且要能消除管段起浮时的吸附力，因此管段下换填基础的上层为30cm的碎石起浮层。根据现场试验所得参数进行的三维有限元分析，采用换填基础可满足管段制作时差异沉降不大于20mm的要求。4基槽施工

河中基槽浚挖和基槽内回淤处理是管段沉放前的重要工作，其完成质量是沉放成功的保证。

4.1基槽浚挖

采用双GPSRTK定位定深系统可对船舶进行三维精确定位，其平面定位精度为2~3cm，高程精度4~6cm。系统能以平面和剖面的图形数据形式将泥斗位置和深度显示在监控屏幕上指导操作者挖泥。基槽浚挖分普挖与精挖两步进行。普挖深度为基槽底面以上2m至河床顶面的部分，精挖为剩余部分。开挖面横坡面图

4.2基槽清淤技术基槽清淤采用由自航耙吸船和抓斗挖泥船联合组船的方案，利用抓斗挖泥船的6只锚控制自航耙吸船的船位和清淤点的进点。

清淤采用定点、分层施工。施工过程中采用回声测深仪检测，吸完一遍检测一次，一般需往复清淤3~4遍，才能清至要求的水样比重和水深度。5接头和防水设计5.1防水薄膜做整体防水使用防水薄膜时，管段做成整体的，用规则的垂直施工缝，具有连续的纵向钢筋。防水薄膜沿管段全长做成连续的。全深的横向混凝土裂缝有可能发展，特别是在垂直施工缝处。按下列方案使用防水薄膜：在底板下设钢钣，在边墙和顶盖上涂沥青或塑料薄膜；·在底板下和两侧设钢钣，仅在顶盖上用沥青或塑料薄膜；·四周都用钢钣包围；·四月都用塑料薄膜。设在两侧用于防水的钢钣皮层也作为浇注管段墙体混凝土的永久留存模板。当钢钣防水膜覆盖顶部区域为了浇灌和振动混凝土可能在板上留下一些洞眼，以后要挖洞眼封上。顶部钢盖板可采用在浇灌顶部混凝土后才覆盖的方法，另一种方法是把钢轨局部地嵌入混凝土的顶部，把钢钣焊接到这些钢轨上，然