第九章 沉管、顶管结构

1、第九章第九章 沉管、顶管结构沉管、顶管结构 特殊地下结构包括特殊地下结构包括沉井、沉箱、盾构施工结构沉井、沉箱、盾构施工结构、沉管、顶管沉管、顶管等等 沉井、沉箱沉井、沉箱在基础工程中讲，在基础工程中讲，盾构盾构在十章讲在十章讲 沉管沉管是修建水底隧道的一种方法；是修建水底隧道的一种方法；顶管顶管往往用往往用于建造穿越铁路、公路的隧道。于建造穿越铁路、公路的隧道。9-1 沉管结构沉管结构 跨越江河有三种方法跨越江河有三种方法 轮渡、桥梁、隧道。轮渡、桥梁、隧道。轮渡轮渡基建费用低，运营费用也较低，但通行量不大；基建费用低，运营费用也较低，但通行量不大；桥梁桥梁单位长度造价低（同隧道比），但有海

2、轮通过时，单位长度造价低（同隧道比），但有海轮通过时，要造得高，而坡度又不能过大，故引桥要长，从而总要造得高，而坡度又不能过大，故引桥要长，从而总造价高。此时用造价高。此时用隧道隧道则较经济。（见图）则较经济。（见图）明挖明挖，需建造围堰（如南京玄武湖隧道），技，需建造围堰（如南京玄武湖隧道），技术较简单，但围堰工程量较大，有时还需导流术较简单，但围堰工程量较大，有时还需导流渠道（如三峡工程）渠道（如三峡工程）盾构法盾构法（如英吉利海峡隧道）（如英吉利海峡隧道）沉管法沉管法（上海穿越黄浦江的隧道）（上海穿越黄浦江的隧道）水底隧道施工方法概述：水底隧道施工方法概述：沉管施工方法：沉管施工方法：施

3、工中的施工中的 黄浦江沉管隧道黄浦江沉管隧道1 1、在临时干坞预制管段，一般、在临时干坞预制管段，一般100100米左右（目前最米左右（目前最长长268268米）。两端用临时封墙封闭（钢板，易拆米）。两端用临时封墙封闭（钢板，易拆除）除）2 2、向干坞灌水使管段浮起，（下铺碎石，否则水不、向干坞灌水使管段浮起，（下铺碎石，否则水不能进入，则难浮起），用拖轮拖到指定位置。能进入，则难浮起），用拖轮拖到指定位置。3 3、在设计隧道位置，事先在水下挖好沟槽、在设计隧道位置，事先在水下挖好沟槽4 4、待管段就位，向其内灌水，使下沉到位。、待管段就位，向其内灌水，使下沉到位。5 5、将沉没到位的管段在水

4、下连接，再回填覆土即基、将沉没到位的管段在水下连接，再回填覆土即基本完成施工。本完成施工。 一般一天沉一节，间隔准备时间一个月。一般一天沉一节，间隔准备时间一个月。沉管施工方法：沉管施工方法：应用历史应用历史：1919世纪末便有应用，世纪末便有应用，2020世纪初向大型管段发展，世纪初向大型管段发展，但因几个关键技术问题未能较好解决，如管段的但因几个关键技术问题未能较好解决，如管段的水下连接技术，故应用不多。水下连接技术，故应用不多。自自2020世纪世纪5050年代以来，沉管技术有飞跃性突破，年代以来，沉管技术有飞跃性突破，得到越来越多的应用。得到越来越多的应用。沉设过程控制沉设过程控制：(

5、(不能无控制下沉）不能无控制下沉） 沉设时设计水箱灌水量，以便控制。沉设时设计水箱灌水量，以便控制。 分分初步下沉初步下沉、靠拢下沉靠拢下沉与与着地下沉着地下沉。 方法有：方法有：分吊法分吊法用浮筒吊住沉放，用浮筒吊住沉放，扛吊下沉扛吊下沉（方驳扛吊）。（方驳扛吊）。 管段上设定位索，可在岸上拉动控制来定位，管段上设定位索，可在岸上拉动控制来定位，河中设地锚使锚索折转。河中设地锚使锚索折转。拖航前要在坞中沉没拖航前要在坞中沉没2424小时以上检漏。小时以上检漏。特点特点:1 1、质量高质量高：预制管段本身的结构及防水质量易保证；：预制管段本身的结构及防水质量易保证；接缝少（同盾构比），再用水力

6、压接法可滴水接缝少（同盾构比），再用水力压接法可滴水不漏。不漏。2 2、单价和总造价低单价和总造价低：水下挖土较在暗挖花费小；整：水下挖土较在暗挖花费小；整段预制、拖航较预制、运输、拼装管片花费小；段预制、拖航较预制、运输、拼装管片花费小；覆土薄，埋深小，使长度小，故总造价低。覆土薄，埋深小，使长度小，故总造价低。3 3、现场工期短、现场工期短4 4、操作条件好，基本无地下作业，水下作业也较少，、操作条件好，基本无地下作业，水下作业也较少，气压下作业则完全没有。气压下作业则完全没有。5 5、对土层的适用性强，在流砂层中施工也无困难、对土层的适用性强，在流砂层中施工也无困难（如围堰，开挖则难）（

7、如围堰，开挖则难）6 6、水深无特殊限制，如以潜水最大深度为限，则、水深无特殊限制，如以潜水最大深度为限，则可达可达7070米米7 7、断面形状、大小无特别限制，可有、断面形状、大小无特别限制，可有4-84-8个车道个车道但是：但是：1 1、急流时难施工，需作业台；、急流时难施工，需作业台；2 2、施工时如何保证通航亦需考虑，并需同航道管理、施工时如何保证通航亦需考虑，并需同航道管理部门讨论。部门讨论。四、设计四、设计包括包括总体几何总体几何设计，设计，结构结构设计，设计，内装修内装修设计，设计，通通风、照明、给排水、供电风、照明、给排水、供电等设计，等设计，运行管理设施运行管理设施设计等。设

8、计等。总体设计总体设计很重要，如尽力减小覆盖率、峒口移到很重要，如尽力减小覆盖率、峒口移到水边，虽增加引道挡墙高度，但减小隧道长度，水边，虽增加引道挡墙高度，但减小隧道长度，有时由此可省去通风设备，使总造价大大降低。有时由此可省去通风设备，使总造价大大降低。这里主要讲结构设计，包括以下几个方面。这里主要讲结构设计，包括以下几个方面。沉管结构设计沉管结构设计 1、拖航时的浮力设计、拖航时的浮力设计要保证要保证干舷高度干舷高度，有一，有一定的干舷高度，倾斜时定的干舷高度，倾斜时产生抗倾力矩，才稳定。产生抗倾力矩，才稳定。一般干舷高度为一般干舷高度为10-15cm10-15cm，对圆形、八角形则对圆

9、形、八角形则40-40-50cm50cm。过大则沉设时灌。过大则沉设时灌水量大。水量大。特殊情况下，结构厚度大，浮力不足，则需浮筒或特殊情况下，结构厚度大，浮力不足，则需浮筒或在顶部设钢围堰。在顶部设钢围堰。沉管结构设计沉管结构设计2、抗浮计算、抗浮计算施工阶段：施工阶段： K=1.05-1.1K=1.05-1.1，要针对覆土前的情况来，要针对覆土前的情况来计算，即土未覆，索具、定位塔等已拿走。计算，即土未覆，索具、定位塔等已拿走。使用阶段：使用阶段：K=1.2-1.5K=1.2-1.5，此时考虑侧摩阻力，用最，此时考虑侧摩阻力，用最大水容重、最小混凝土容重计算。如压载混凝土大水容重、最小混凝

10、土容重计算。如压载混凝土密实度差，一般按密实度差，一般按2.25t/m2.25t/m3 3计算。计算。计算时要考虑到混凝土的容重误差、河水容重可计算时要考虑到混凝土的容重误差、河水容重可能的变化等。能的变化等。沉管结构设计沉管结构设计3、结构设计、结构设计荷载荷载：土、水压力，水压要考虑一定重现期的洪：土、水压力，水压要考虑一定重现期的洪水位；上覆土压力也在变化，因河床淤积或冲刷水位；上覆土压力也在变化，因河床淤积或冲刷等。侧土压力开始小，以后逐渐增大到静止土压等。侧土压力开始小，以后逐渐增大到静止土压力。力。浮力浮力一般等于排水量，但对粘性土，由于一般等于排水量，但对粘性土，由于“滞后滞后现

11、象现象”可大于排水量。可大于排水量。施工阶段的弯矩验算施工阶段的弯矩验算：由端封闭墙、定位塔等引：由端封闭墙、定位塔等引起。起。沉管结构设计沉管结构设计波浪力波浪力影响不大，一般不会改变配筋。影响不大，一般不会改变配筋。沉船荷载：沉船荷载：大小与船型、装载、沉没方式、覆土厚大小与船型、装载、沉没方式、覆土厚度、河底情况等有关。一般取度、河底情况等有关。一般取5-13t/m5-13t/m。目前认为。目前认为可不考虑，因几率很小。可不考虑，因几率很小。反力分布反力分布有均布、文克尔、弹性理论等。有均布、文克尔、弹性理论等。计算分析计算分析有横向分析及纵向分析，纵向分析一般主有横向分析及纵向分析，纵

12、向分析一般主要考虑沉设阶段由端墙与定位塔（在管段两端竖立要考虑沉设阶段由端墙与定位塔（在管段两端竖立的钢架，上有定位标志）等引起的纵向弯曲。的钢架，上有定位标志）等引起的纵向弯曲。沉管结构设计沉管结构设计最大裂缝宽度最大裂缝宽度0.15-0.2mm0.15-0.2mm，所以强度较高的，所以强度较高的IIIIII级以上钢筋不用。级以上钢筋不用。预应力预应力：一般不用，但荷载大时，用预应力较经：一般不用，但荷载大时，用预应力较经济。而荷载在沉设后才作用，故加预应力又会使济。而荷载在沉设后才作用，故加预应力又会使另一面开裂，解决方法之一是在内部用钢筋对拉，另一面开裂，解决方法之一是在内部用钢筋对拉，

13、代替荷载作用，沉设后再将它取走。（图）代替荷载作用，沉设后再将它取走。（图）沉管结构设计沉管结构设计4 4、变形缝和管段接头、变形缝和管段接头设浇注温度设浇注温度5-155-15度，使用时外侧温度度，使用时外侧温度1010度，内侧度，内侧0-250-25度，无变形缝时温度应力可达度，无变形缝时温度应力可达4MPa4MPa，会严重开裂。又，会严重开裂。又，一般先浇底板，再浇侧墙与顶板，后浇混凝土不能自一般先浇底板，再浇侧墙与顶板，后浇混凝土不能自由收缩，也会开裂；地震、不均匀沉降也会使管段开由收缩，也会开裂；地震、不均匀沉降也会使管段开裂。所以每节管段内要设变形缝，一般间距裂。所以每节管段内要设

14、变形缝，一般间距15-2015-20米。米。变形缝应满足变形缝应满足：有一定的线变形和角变形能力；变形：有一定的线变形和角变形能力；变形前后均能防水；施工阶段能传递弯矩。前后均能防水；施工阶段能传递弯矩。沉管结构设计沉管结构设计变形缝构造变形缝构造：间隙不小于：间隙不小于2 2厘米，其间用防水材料填厘米，其间用防水材料填充。为抵抗施工阶段弯矩，内侧钢筋连通，沉设就充。为抵抗施工阶段弯矩，内侧钢筋连通，沉设就位后再割断。还设一道止水袋。位后再割断。还设一道止水袋。 11钢筋接头用接头用水力压接法水力压接法，加拿大人首创，管端装橡胶垫，加拿大人首创，管端装橡胶垫，其形状由荷兰人提出的为好（见图）其

15、形状由荷兰人提出的为好（见图） 5 5、沉管防水、沉管防水以往用钢壳防水，近年来用柔性防水（如氯丁橡胶以往用钢壳防水，近年来用柔性防水（如氯丁橡胶卷材）。也有防水涂料，但延伸率不够。卷材）。也有防水涂料，但延伸率不够。变形缝处设一道止水带，一般用橡胶止水带或钢边变形缝处设一道止水带，一般用橡胶止水带或钢边橡胶止水带。以往的金属止水带已不用，塑料止水橡胶止水带。以往的金属止水带已不用，塑料止水带弹性差，也不用。带弹性差，也不用。6、沉管的基础、沉管的基础荷载小，一般不用作基础。但开槽不平，要对地基荷载小，一般不用作基础。但开槽不平，要对地基持力层进行处理。（与水下管段对接是沉管施工的持力层进行处

16、理。（与水下管段对接是沉管施工的两项关键技术）。两项关键技术）。地基持力层处理方法：地基持力层处理方法：1 1）后铺法后铺法，底面较窄时用，包括刮铺砂、石；，底面较窄时用，包括刮铺砂、石；2 2）先铺法先铺法，底面较宽时用（宽时难后铺），包括，底面较宽时用（宽时难后铺），包括灌砂、喷砂、压浆、压混凝土、灌囊法等。压浆、灌砂、喷砂、压浆、压混凝土、灌囊法等。压浆、砂、混凝土法较简单可靠。砂、混凝土法较简单可靠。 在土层过软时，则要作基础。因荷载虽较原来减小，在土层过软时，则要作基础。因荷载虽较原来减小，但不均匀。方法有：但不均匀。方法有：（1 1）换土，工程量不宜大；）换土，工程量不宜大；（2

17、2）砂桩预压，费时；）砂桩预压，费时；（3 3）减轻自重，会有抗浮问题；）减轻自重，会有抗浮问题；（4 4）桩基础，多用。）桩基础，多用。用桩基时，一般在其上浇一层混凝土，再铺砂石用桩基时，一般在其上浇一层混凝土，再铺砂石垫层，以保证状与管段接触。也有用砂浆囊袋、垫层，以保证状与管段接触。也有用砂浆囊袋、活动桩顶等方法（荷兰人提出）。活动桩顶等方法（荷兰人提出）。一、顶管施工方法一、顶管施工方法在工作坑中将预制混凝土箱涵顶入，多用于穿过在工作坑中将预制混凝土箱涵顶入，多用于穿过铁路路基的隧道。铁路路基的隧道。工作坑工作坑：对曲线铁路，工作坑要设在曲线外侧。：对曲线铁路，工作坑要设在曲线外侧。滑

18、板滑板：混凝土板，上有：混凝土板，上有导向墩导向墩、润滑层润滑层，下要防，下要防滑，例设滑，例设防滑梁防滑梁。11的仰坡，因推出后前端一般的仰坡，因推出后前端一般要下沉。要防止滑板拉断。要下沉。要防止滑板拉断。有时用简易滑板，如平铺片石，再灌水泥浆；用有时用简易滑板，如平铺片石，再灌水泥浆；用钢轨，轨间填砂，再用水泥砂浆抹面；土硬时，钢轨，轨间填砂，再用水泥砂浆抹面；土硬时，用灰土垫层再铺粗砂亦可。用灰土垫层再铺粗砂亦可。润滑层润滑层：由润滑剂及塑料薄膜组成：由润滑剂及塑料薄膜组成二、箱涵制作二、箱涵制作与一般混凝土箱涵的区别只是在表面要喷石蜡，与一般混凝土箱涵的区别只是在表面要喷石蜡，做顶板防水层（因顶上会积水），前端装刃角做顶板防水层（因顶上会积水），前端装刃角（图（图8-68-6）。顶板防水层外可浇一层混凝土，以）。顶板防水层外可浇一层混凝土，以保护之。保护之。断面高度大时，要设断面高度大时，要设挖土平台挖土平台，减小挖土坡面高，减小挖土