lecture9沉管结构

1、地地 下下 工工 程程 设设 计计 原原 理理第09章 沉管结构 主讲教师主讲教师 ：胡敏云：胡敏云浙江工业大学建筑工程学院n什么是沉管法和沉管结构什么是沉管法和沉管结构n沉管结构设计沉管结构设计n接缝管段处理与防水措施接缝管段处理与防水措施n管段沉设与水下连接管段沉设与水下连接n管段接头管段接头n沉管基础沉管基础主要内容主要内容浙江工业大学建筑工程学院沉管结构沉管结构n沉管法是一种水底隧道的施工方法沉管法是一种水底隧道的施工方法n沉管法亦曾称作沉管法亦曾称作预制管段沉放法预制管段沉放法n先在隧址以外的先在隧址以外的预制预制场制作隧道场制作隧道管段管段，两端用临时封墙密封，制成以，两端用临时封

2、墙密封，制成以后用拖轮后用拖轮拖运到隧址拖运到隧址指定位置上。指定位置上。n预先在设计位置处，预先在设计位置处，挖好水底沟槽挖好水底沟槽。待管段定位就绪后，往管段中。待管段定位就绪后，往管段中注注水加载水加载，使之下沉，然后将沉设完毕的管段在，使之下沉，然后将沉设完毕的管段在水下连接水下连接起来，覆土回起来，覆土回填，完成隧道，此之谓填，完成隧道，此之谓“沉管隧道沉管隧道”。 n 两项关键技术两项关键技术水力压接法和基础处理水力压接法和基础处理，的解决为沉管法的应用提供，的解决为沉管法的应用提供了支撑。了支撑。浙江工业大学建筑工程学院沉管结构施工步骤沉管结构施工步骤浙江工业大学建筑工程学院发展

3、概况发展概况n世界上第一条沉管铁路隧道建于世界上第一条沉管铁路隧道建于1910年，穿越美国年，穿越美国Michigan州和州和加拿大加拿大Ontario省之间的省之间的Detroit河；河；n沉管法是十九世纪五十年代起普遍应用沉管法是十九世纪五十年代起普遍应用,如今共有如今共有100多座沉管隧多座沉管隧道道 。n二十世纪二十世纪50年代解决了年代解决了两项关键技术两项关键技术水力压接法和基础处理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。沉管法已经成为水底隧道最主要的施工方法，尤其在荷兰。 n我国沉管法隧道：上海金山供水隧道，宁波甬江水底隧道、广州我国沉管法隧道：

4、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。珠江水底隧道、香港西区、东区沉管隧道等。 浙江工业大学建筑工程学院广州第三条过江沉管隧道广州第三条过江沉管隧道浙江工业大学建筑工程学院 跨海逾跨海逾3535公里，成为世界最长公里，成为世界最长的跨海大桥。大桥将建的跨海大桥。大桥将建6 6公里多长的公里多长的海底隧道，施工难度世界第一；港海底隧道，施工难度世界第一；港珠澳大桥建成后，使用寿命长达珠澳大桥建成后，使用寿命长达120120年，可以抗击八级地震。年，可以抗击八级地震。 港珠澳大桥港珠澳大桥浙江工业大学建筑工程学院沉管结构的类型沉管结构的类型n沉管隧道有圆形

5、和矩形两类，其设计、施工及所用材料有所不同。n（1）圆形沉管隧道：）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；n （2）矩形沉管隧道：）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。 浙江工业大学建筑工程学院n什么是沉管法和沉管结构什么是沉管法和沉管结构n沉管结构设计沉管结构设计n接缝管段处理与防水措施接缝管段处理与防水措施n管段沉设与水下连接管段沉设与水下连接n管段接头管段接头n沉管基础沉管基础主要内容主要内容浙江工业大学建筑工程学院二、沉管结构设计二、沉管结构设计n几何设计几何设计n通风设计通风设计n照

6、明设计照明设计n结构设计结构设计n内装设计内装设计n给排水设计给排水设计n供电设计供电设计n运营安全设计运营安全设计-沉管式水底隧道的设计浙江工业大学建筑工程学院1. 沉管结构所受的荷载沉管结构所受的荷载n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。加应力、地震等作用。n水压力水压力是作用在沉管上的主要荷载是作用在沉管上的主要荷载n土压力土压力包括垂直向和水

7、平向的土压力包括垂直向和水平向的土压力n施工荷载施工荷载是压载、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；的纵向弯矩时，这些荷载是主要荷载；n波浪力和水流压力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对结构设计影响很小，对沉设工艺和设备设计需要考虑；虑；n沉降摩擦力沉降摩擦力指的是在管侧产生向下的摩擦力；指的是在管侧产生向下的摩擦力；n车辆活荷载车辆活荷载往往可以忽略；往往可以忽略；n沉船荷载沉船荷载的作用尚不明确；的作用尚不明确；n地基反力地基反力可以采用线性分布、弹性地基和弹性理

8、论等不同的假定进行计可以采用线性分布、弹性地基和弹性理论等不同的假定进行计算；算；n温度应力温度应力有内外壁温差引起，随季节变化。有内外壁温差引起，随季节变化。浙江工业大学建筑工程学院2. 浮力设计浮力设计1）干舷）干舷n管段在浮运时，为了保持稳管段在浮运时，为了保持稳定，必须使管顶面露出水面，定，必须使管顶面露出水面，其露出高度称为干舷。其露出高度称为干舷。n具有一定干舷的管段，与风具有一定干舷的管段，与风浪后产生反向力矩，保持平浪后产生反向力矩，保持平衡。衡。n干舷的高度应适中，过小则干舷的高度应适中，过小则稳定性差，过大时沉设困难。稳定性差，过大时沉设困难。n按照按照最大混凝土容重、最大

9、最大混凝土容重、最大混凝土体积和最小河水的比混凝土体积和最小河水的比重重来计算干舷。来计算干舷。-包括干舷，抗浮，外廓尺寸包括干舷，抗浮，外廓尺寸浙江工业大学建筑工程学院2）抗浮安全系数）抗浮安全系数n在管段沉设施工阶段，应采用在管段沉设施工阶段，应采用1.051.1的抗浮安全系数。的抗浮安全系数。 n管段沉设完毕后，务必大于管段沉设完毕后，务必大于1.05，防止，防止“复浮复浮”。n在覆土使用阶段，抗浮安全系数应采用在覆土使用阶段，抗浮安全系数应采用1.21.5，且计算时可以考，且计算时可以考虑两侧填土的负摩擦力。虑两侧填土的负摩擦力。n设计时需要按照设计时需要按照最小混凝土容重、最小混凝土

10、体积和最大河水的比最小混凝土容重、最小混凝土体积和最大河水的比重来计算抗浮安全系数。重来计算抗浮安全系数。 n沉管结构的外廓尺寸，沉管结构的外廓尺寸，必须通过浮力设计才能确定必须通过浮力设计才能确定 ;n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。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）沉管结构的外廓尺寸浙江工业大学建筑工程学院3. 结构分析与配筋结构分析与配筋1）断面结构分析）断面结构分析n沉管结构的断面结构型式大多采用沉管结构的断面结构型式大多采用多孔箱型刚构多孔箱型刚构；n结构内力分析过程：结构内力分析过程：假定截面尺寸假定截面尺寸

11、分析内力分析内力修正尺度修正尺度复算复算内力。内力。一般采用电算；一般采用电算；n为了避免采用剪力钢筋为了避免采用剪力钢筋 ,常采用常采用变截面或折拱形结构变截面或折拱形结构 。n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。的横断面配筋计算。 浙江工业大学建筑工程学院2）纵向结构分析）纵向结构分析n施工阶段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、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。波浪力所引起的内力。n使用阶段使用阶段的沉管纵向受力分析，一般

12、的沉管纵向受力分析，一般按照弹性地基梁理论按照弹性地基梁理论进行计算。进行计算。3） 配配 筋筋n沉管结构的混凝土强度等级，宜采用沉管结构的混凝土强度等级，宜采用C30-C40。n由于沉管结构对贯通裂缝非常敏感，非贯通裂缝宜控制在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，以下，因此采用钢筋等级不宜过高，因此采用钢筋等级不宜过高，不宜采用不宜采用III级和级和III级以上的钢筋。级以上的钢筋。浙江工业大学建筑工程学院4）预应力的应用）预应力的应用n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

13、构。因沉管的构。因沉管的结构厚度并非强度决定结构厚度并非强度决定，而是由抗浮安全系数决定。，而是由抗浮安全系数决定。n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，采用预应力预应力 。 (a)(a)古巴古巴AlmendaresAlmendares隧道隧道 (b) (b) 加拿大加拿大LafontaineLafontaine隧道隧道1-1-预应力索；预应力索；2 2临时拉索；临时拉索；3 3防水层防水层浙江工业大学建筑工程学院n什么是沉管法和沉管结构什么是沉管法和沉管结构n沉管结构设计沉管结构设计n接缝管段处理与防水措施接缝管段处

14、理与防水措施n管段沉设与水下连接管段沉设与水下连接n管段接头管段接头n沉管基础沉管基础主要内容主要内容浙江工业大学建筑工程学院三、接缝管段处理与防水措施三、接缝管段处理与防水措施1. 变形缝的布置与构造变形缝的布置与构造n缝的产生缝的产生n管身混凝土二次浇筑 ，常易发生收缩裂缝 。n纵向不均匀沉降等影响也易致管段开裂 。n变形缝的设置变形缝的设置n每节管段分割成若干节段，一般为1520m左右 。浙江工业大学建筑工程学院变形缝的要求变形缝的要求 1.1.能适应一定幅度的线变形与角变能适应一定幅度的线变形与角变形。形。2.2.在浮运、沉设时能传递纵向弯矩。在浮运、沉设时能传递纵向弯矩。 外排纵向钢

15、筋全部切断。而内排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沉设完毕后再将跨越变形缝之内排纵向钢筋，全部切断。内排纵向钢筋，全部切断。 3.3.在任何情况下能传递剪力在任何情况下能传递剪力 4.4.变形前后均能防水，变形前后均能防水， 1 1沉管外侧；沉管外侧；2 2沉管内侧；沉管内侧；3 3卷材防水层；卷材防水层；4 4钢边橡胶止水带；钢边橡胶止水带；5 5沥青防水；沥青防水；6 6沥青填料；沥青填料；7 7钢筋混凝土保护层钢筋混凝土保护层浙江工业大学建筑工程学院2. 止水缝带止水缝带1) 橡胶止水带橡胶止水带n天然橡胶天然橡胶

16、（含胶率）（含胶率）70）或）或合成橡胶合成橡胶（如（如氯丁橡胶等）制成，具有优良的耐久性。氯丁橡胶等）制成，具有优良的耐久性。n均由本体与锚着部两部分组成均由本体与锚着部两部分组成;n本体部：平板式的，带孔管的，带曲槽的；n锚着部:节肋型，哑铃型；n变形缝的张开度、本体部的宽度。这两个因变形缝的张开度、本体部的宽度。这两个因素共同决定着止水带所受拉力。素共同决定着止水带所受拉力。n本体部的宽度宜小不宜大，但也不能太窄；n本体部的管孔外径与缝宽应匹配，内径不宜过小；n本体部的厚度一般68mm，n止水带的宽度一般230300mm。铜片止水带，塑料（聚氯乙烯）止水带，铜片止水带，塑料（聚氯乙烯）止

17、水带，橡胶橡胶止水带止水带和和钢边橡胶止水带钢边橡胶止水带。浙江工业大学建筑工程学院2)钢边橡胶止水带钢边橡胶止水带n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，其厚度仅钢板，其厚度仅0.7mm左右；左右；n20世纪世纪50年代初于荷兰的凡尔逊（年代初于荷兰的凡尔逊（Velsen,1957）水底道路隧）水底道路隧道中初次成功应用。道中初次成功应用。 浙江工业大学建筑工程学院3. 管段外壁的防水措施管段外壁的防水措施n沉管外防水和沉管自防水两类沉管外防水和沉管自防水两类;n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；

18、n自防水主要是采用防水混凝土。 n钢壳与钢板防水钢壳与钢板防水日趋淘汰日趋淘汰n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 ;n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;n卷材防水卷材防水易易“起壳起壳”且在沉设过程中难以补救且在沉设过程中难以补救n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。n均用浇油摊铺法粘贴 ;n卷材粘贴完毕后，须在外边加设保护层。浙江工业大学建筑工程学院n什么是沉管法和沉管结构什么是沉管法和沉管结构n沉管结构设计沉管结构设计n接缝管段处理与防水措施接缝管段处理与防水措施n管段沉设与水下连接管段沉设与水下连接n

19、管段接头管段接头n沉管基础沉管基础主要内容主要内容浙江工业大学建筑工程学院四、管段沉设与水下连接四、管段沉设与水下连接1. 1. 沉设方法与设备沉设方法与设备1)1)分吊法分吊法n2 24 4艘起重船或浮箱艘起重船或浮箱n浮筒吊沉法浮筒吊沉法n浮箱吊沉法浮箱吊沉法浙江工业大学建筑工程学院2 2）扛吊法）扛吊法n最主要的大型工具就是四艘小型方驳；最主要的大型工具就是四艘小型方驳； 浙江工业大学建筑工程学院3）骑吊法）骑吊法 SEP 浙江工业大学建筑工程学院4）拉沉法）拉沉法1 1拉合千斤顶；拉合千斤顶；2 2拉沉卷扬机；拉沉卷扬机；3 3拉沉索；拉沉索；4 4压载水压载水浙江工业大学建筑工程学院

20、2. 水下连接水下连接n早期采用灌筑水下混凝土施工法早期采用灌筑水下混凝土施工法 ；n二十世纪五十年代末，加拿大的台司隧道采用二十世纪五十年代末，加拿大的台司隧道采用水力压接法水力压接法。n用水力压接法进行水下连接的主要工序是：用水力压接法进行水下连接的主要工序是：对位对位拉合拉合压接压接拆除端封墙拆除端封墙浙江工业大学建筑工程学院浙江工业大学建筑工程学院n什么是沉管法和沉管结构什么是沉管法和沉管结构n沉管结构设计沉管结构设计n接缝管段处理与防水措施接缝管段处理与防水措施n管段沉设与水下连接管段沉设与水下连接n管段接头管段接头n沉管基础沉管基础主要内容主要内容浙江工业大学建筑工程学院五、管段接

21、头五、管段接头（1）刚性接头）刚性接头n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，形成一个个永久性接头永久性接头。n刚度较大，但沉降不匀易开裂渗漏。刚度较大，但沉降不匀易开裂渗漏。 管段接头的构造主要有管段接头的构造主要有刚性接头刚性接头和和柔性接头柔性接头两种。两种。浙江工业大学建筑工程学院“先柔后刚先柔后刚” 浙江工业大学建筑工程学院（2）柔性接头）柔性接头n主要是利用水力压接时所用的主要是利用水力压接时所用

22、的胶垫胶垫，吸收变温伸缩与地基不，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。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。 浙江工业大学建筑工程学院n什么是沉管法和沉管结构什么是沉管法和沉管结构n沉管结构设计沉管结构设计n接缝管段处理与防水措施接缝管段处理与防水措施n管段沉设与水下连接管段沉设与水下连接n管段接头管段接头n沉管基础沉管基础主要内容主要内容浙江工业大学建筑工程学院六、沉管基础六、沉管基础1. 沉管基础的特点沉管基础的特点n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，

23、相反，却有所减小。所增加，相反，却有所减小。 浙江工业大学建筑工程学院2. 基础处理基础处理垫平垫平n沉管隧道的基础处理方法，大体上分为沉管隧道的基础处理方法，大体上分为先铺法和后填法先铺法和后填法两大类；两大类；n先铺法有先铺法有刮砂法，刮石法刮砂法，刮石法等；等；n后填法有后填法有灌囊法，压浆法，压砂法灌囊法，压浆法，压砂法等。等。浙江工业大学建筑工程学院1) 先铺法先铺法n先铺法实际上是利用先铺法实际上是利用刮铺机刮铺机将铺垫材料（砂或石）设置成平整的将铺垫材料（砂或石）设置成平整的垫层。垫层。 n1方环形浮箱；2砂石喂料管；3刮板；4砂石垫层（0.6-0.9m）； n5-锚块；6沟槽底面；7钢轨；8移形钢梁浙江工业大学建筑工程学院2）后填法）后填法n在后填法中，安设水底在后填法中，安设水底临时支座，临时支座，临时支座大多数为道渣堆上设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。置钢筋混凝土支承板，也可以采用短桩简易墩。n灌砂法灌砂法n喷砂法喷砂法n灌囊法灌囊法n压浆法压浆法n压砂法压砂