沉管隧道结构的设计与施工

第9章沉管结构地下结构工程第9章沉管隧道结构沉管隧道施工过程接缝管段处理与防水措施沉管结构设计概述UndergroundStructureEngineeringChapter139.1概述什么是沉管法？修建水底隧道的方法之一。由若干个预制的管段（节）组成，管段依次浮运到施工水面现场，一个接一个地沉放在预先挖好的地槽（基槽）内,连接后成为水底隧道。其施工方法为“沉管法”。UndergroundStructureEngineeringChapter13沉管法隧道的发展状况沉管隧道开始于191O年，美国跨越底特律河的世界第一座双线铁路沉管隧道；荷兰1941年开始鹿特丹Maas隧道施工，标志欧洲开始使用沉管隧道；世界上已建和在建的沉管隧道有100多座；台湾高雄过港隧道；香港西区、东区海底隧道；香港海底隧道；广州珠江地铁沉管隧道；宁波甬江公路沉管隧道；宁波常洪隧道；上海外环沉管隧道；天津海河沉管隧道（在建）；港珠澳沉管隧道（在建）。UndergroundStructureEngineeringChapter13沉管法隧道的优点与桥梁相比：从航运角度看，沉管隧道优势明显，桥梁由于净空高度问题对航运的影响较大；其次从船舶航行和大桥安全角度看，在某一段距离内建多座桥梁不利于安全，如南京新旧大桥相距约5km，若在其中再建造一座大桥，船舶碰撞桥墩的几率将会大大增加；从气象条件看，大风及雾对船舶过桥影响较大，而水下隧道则不受气象条件的影响，可全天候运行。UndergroundStructureEngineeringChapter13与盾构法相比：沉管法对地层条件要求不高，基本上不受地质条件的限制，对地基要求的允许承载力也低；沉管埋深很浅，一般管段的顶部离河床1m即可，而盾构法一般要求在10m左右；沉管断面空间利用率高，可采用4～8车道；沉埋法工序可平行作业，缩短工期，如基槽开挖、管段预制、浮运沉放等可平行作业；沉埋法采用先进Gina止水带，再加上整体预制可大大提高质量并加外防水，其防水性能在大大优于管片作衬砌的盾构隧道，可做到滴水不漏。UndergroundStructureEngineeringChapter13沉管法就位示意图浮船压顶石或覆土基础管段就位临时干坞一般情况下需自己在工程现场附近建造一个与工程规模相适应的临时干船坞。管段的制作作沉管隧道有有圆形和矩矩形两类，，其设计、、施工及所所用材料有有所不同。。（1）圆形沉管管隧道：这这类沉管内内边均为圆圆形、外边边则为圆形形、八角形形或花篮形形，多半用用钢壳作为为防水层；；（2）矩形沉管管隧道：在在每个断面面内可以同同时容纳2－8个车道，矩矩形断面的的空间利用用率较高，，圆形沉管、、矩形沉管管广州市第二二条过江沉沉管隧道仑仑头—生物岛隧道道，首段55米长的沉管管箱体成型型广州生物岛岛——大学城沉管管隧道管段段预制干坞注水与与管段检漏漏调整宁波甬江沉沉管隧道管管段预制管段内部检检漏西区海底隧隧道，一九九九三三年九九月展展开，，在一一九九九七年年四月月完成成铸造隧隧道沉沉管的的石澳澳干船船坞上海外环隧隧道工程投投资17.48亿元人民币币。它东起浦东东三岔港，，西至浦西西吴淞公园园附近，距吴淞口约2公里，全长2880米。外环隧道江中段由7节管段组成，每节节自重4.5万吨，相当于一个标准足足球场面积.chenguan\jiaxing111.rmvbchenguan\gc004.rmvb上海外环沉管隧道道隧道断面图上海外环沉管隧道道管节在黄埔江上运运输中管节在黄埔江上运运输中港珠澳大桥设计使使用寿命是120年，建成后可抗八级地震?。世界最长：跨海逾逾35公里根据近期批复的大大桥工程可行性报报告，港珠澳大桥桥全长约50公里，主体工程““海中桥隧”长35.578公里，超越现时世世界上最长的跨海海大桥——杭州湾跨海大桥，，建成后成为世界界最长的跨海大桥桥。6公里海底隧道，港港珠澳大桥主体工工程耗资约327亿元人民币，整体体工程估计逾700亿元。9.2沉管结构设计9.2.1沉管的断面形状和和尺寸隧道截面尺寸取决于使用要求、使用要求和辅助设设施；同时还取决于施工条件和施工要要求，即管段的浮运和和沉放要求。管段的长度则需要考虑经济条件、航道条件、管段纵纵、横断面形状、、施工及技术条件件等。UndergroundStructureEngineeringChapter139.2.2沉管的浮力设计1.干弦的计算管段浮运时，露出出水面的高度，称称为干舷。作用：产生反倾力矩保持持管段稳定。尺寸：矩形断面干舷10－15cm（不宜太小或太大大）圆形40～50cm。个别情况况用浮筒筒助浮。。UndergroundStructureEngineeringChapter13考虑到混混凝土容容重、模模壳尺寸寸的误差差以及水水流比重重的变化化，计算算干舷时时，按最大混凝凝土容重重、最大大混凝土土体积、、最小水水流比重重计算。UndergroundStructureEngineeringChapter13干舷2.抗浮安全全系数计计算管段沉设设阶段，，抗浮安安全系数数1.05－1.1。抛土回填填时，考考虑到水水流比重重增加导导致浮力力增加，，抗浮安安全系数数需确保保大于1.05。施工阶段段的抗浮浮计算，，不考虑虑临时施施工设备备的重量量。使用阶段段，抗浮浮安全系系数1.2－1.5。各个阶段段的抗浮浮安全系系数按照照最小的混混凝土容容重和体体积，最最大的河河水比重重计算。UndergroundStructureEngineeringChapter139.2.3沉管结构构荷载结构自重重水压力（（主要））高、低潮潮位；若若干年一一遇的特特大洪水水水位等等土压力（主要））浮力施工荷荷载：：定位塔塔、封封端墙墙、出出入筒筒、压压载水水柜、、索具具浮箱箱等重重量；；吊索索拉力力、支支座反反力等等波浪力力（一般般不大大）：：波长长等于于管段段全长长，波波高1m，顶部部浸水水长度度为管管段60％UndergroundStructureEngineeringChapter13水流压压力负摩擦擦力车辆活活载（（忽忽略））沉船荷荷载50～130kN/m2投锚与与拖锚锚荷载载覆土厚厚度超超过2m时，可可不考考虑投投锚垂垂直荷荷载拖锚水水平荷荷载根根据锚锚链的的极限限强度度确定定UndergroundStructureEngineeringChapter13隧道内内爆炸炸荷载载地基反反力混凝土土收缩缩影响响温度应应力：：沉管外外壁内内外温温差引引起不均匀匀沉降降影响响：软弱地地层、、不均均匀地地层等等地震荷荷载UndergroundStructureEngineeringChapter13沉降摩摩擦力力地基反反力的的分布布规律律（1）直线线分布布；（2）反力力强度度和各各点沉沉降量量成正正比，，即文文克尔尔假定定，又又可以以分为为单一一系数数和多多种地地基系系数的的两种种；（3）假定定地基基为半半无限限弹性性体，，按弹弹性理理论计计算反反力。。9.2.4管段结结构设设计1.横向内内力分分析假定截截面尺尺寸－－分析析内力力－修修正尺尺寸－－复算算内力力；常采用用变截截面或或拱形形结构构，用用以改改善结结构的的受力力；弹性地地基上上的葙葙形框框架，，应选选取若若干个个代表表截面面计算算；超静定定结构构：弯弯矩矩分配配法，，矩阵阵位移移法（（杆系系有限限元））、连连续体体有限限元。。UndergroundStructureEngineeringChapter132.纵向内内力分分析施工阶阶段的的沉管管纵向向受力力分析析，主主要是是计算算浮运运、沉沉设时时施工工荷载载（定定位塔塔、端端封墙墙等））所引引起的的内力力。使用阶阶段的的纵向向受力力分析析，一一般按弹性性地基基梁理理论进进行计计算。沉管隧道纵纵断面设计计需要考虑虑温度荷载载和地基不不均匀沉降降以及其他他各种荷载载，根据隧隧道性能要要求进行合合理组合。。UndergroundStructureEngineeringChapter133.结构验算及及配筋沉管结构的的截面和配配筋设计，，应遵照交交通部《公路桥涵设设计规范》进行。沉管结构的的混凝土28天强度等级级，宜采用C30～C45。采用较高的的强度等级级，主要是是为了抗剪剪的需要。。设计时可根根据施工进进度计划的的安排，尽尽量充分利利用后期强强度。在干干坞规模较较小，需分分批浇筑时时，尤可按按更长的龄龄期计算。。沉管结构在在外防水层层保护下的的最大容许裂裂缝宽度为为0.15～0.2mm，不宜采用III级或III级以上的钢钢筋。UndergroundStructureEngineeringChapter134.预应力的应应用当隧道跨度度较大，达达三车道以以上或者水水压力、土土压力又较较大时，沉沉管结构的的顶板、底底板受到的的剪力相对对大。采用预应力力混凝上结结构可得到到较经济的的解决。有两种做法法。一种是是全预应力力，一种是是部分预应应力。比较多的是是采用部分预应力力的。但一般般仍配置一一定数量的的普通非预预应力钢筋筋，以作临临时杭衡之之用，数量量可少些。。UndergroundStructureEngineeringChapter13(a)Almendares(b)Lafontaine1-预应力索；2－临时拉索；；3－防水层9.2.5管段接头设计计管段沉设完毕毕之后，须与与前面已沉设设好的管段（（简称既设管管段）或竖井井接合起来。。这项联接工工作在水下进进行，故亦称称水下联接。管段接头应具具有以下功能和要求：水密性；接头应具有抵抵抗各种荷载载作用和变形形的能力；接头的各构件件功能明确，，造价适度；；接头的施工性性好，施工质质量能够保证证，并尽量做做到能检修。。常用的接头有GINA止水带、OMEGA止水带以及水水平剪切键、、竖直剪切键键、波形连接接件、钢壳及及相应的连接接件。UndergroundStructureEngineeringChapter13接头的构造：：连续构造形式式扩大管段端部部断面的形式式；在管段外周设设置橡胶密封封垫的止水装装置；和本体形成同同一断面的结结构形式；等断面的形式式。UndergroundStructureEngineeringChapter13可挠性接头形形式柔性接头是能能使管段接头头处产生伸缩缩、转动的结结构。但不容容许无限制的的位移，要根根据止水性及及交通功能等等，规定出容容许的位移值值，使接头的的位移在容许许范围之内。。UndergroundStructureEngineeringChapter13“先柔后刚”柔性接头GINA主要是利用水水力压接时所所用的胶垫，吸收变温伸伸缩与地基不不均匀沉降所所致角变，以以消除或减小小管段所受变变温或沉降应应力。水力压接接头头胶垫——GINA（吉那）尖肋肋形橡胶垫OMEGA止水带研制能承受大于47米深水压力；；满足120年产品使用寿寿命要求；通过产品水密密封功能试验验；质量稳定可靠靠，可批量生生产。研发目标产品组成橡胶（丁苯、、氯丁）；尼龙帘布；硬质橡胶条等等。3条密封筋2层帘布OMEGA止水带研制产品可满足水水深大于45m、最大张开量量达85mm的要求自主研发了水水压和张开量量均可调的试试验台架（取取得了专利）），通过了最最大水压达1.2MPa和最大张开量量达85mm的水密封实验验；试验水压压和张开量为为设计最大值值的2.5倍。通过了大比尺尺（1/3），最大水压压超过1.2MPa的水密封实验验。水密封试验9.2.6基础设计1.地质条件与沉沉管基础在一般地面建建筑中，如果果建筑物基底底下的地质条条件差，就得得做适当的基基础。在水底沉管隧隧道中，情况就完全不不同。首先，不会产产生由于土壤壤固结或剪切切破坏所引起起的沉降；很少需要构筑筑人工基础以以解决沉降问问题；沉管隧道施工工时是在水下下开挖沟槽的的，没有产生流砂砂现象的可能能；对各种地质条条件的适应性性很强；UndergroundStructureEngineeringChapter13基槽开挖一般般采用吸泥船船进行，如链链斗式挖泥船船、绞吸式挖挖泥船、自自航耙吸式挖挖泥船、抓抓斗挖泥船、、铲扬式挖挖泥船等等。。浚挖设备：大挖深铰吸挖挖泥船2.基础处理其目的是因为为在开槽作业业中，不论是是使用哪一种种类型的挖泥泥船，挖成后后的槽底表面总有有相当程度的的不平整。使槽底表面与沉管底底面之间存在着很很多不规则的空隙隙。会导致地基土受力不匀而局部破坏，从而而引起不均匀沉降降，使沉管结构受受到较高的局部应应力，而致开裂。。在沉管隧道中必须进行基础处理理——垫平，以消灭这些有害害的空隙。UndergroundStructureEngineeringChapter13沉管隧道的各种基基础处理方法，大大体上可分为先铺法和后填法二大类。先铺法是在管段沉设之前前，先在槽底上铺铺好砂、石垫层，，然后将段沉设在在这垫层上。适用用于底宽较小的沉沉管工程。后填法是在管段沉沉设完毕之后，再再进行垫平作业。。后填法大多（除除灌砂法之外）适适用于底宽较大的的沉管工程。各种不同的基础处处理方法之间的差差别，仅是“垫平平”途径的不同而而己。UndergroundStructureEngineeringChapter131)先铺法先铺法实际上是利利用刮铺机将铺垫材料（砂或或石）设置成平整整的垫层。1－方环形浮箱；2－砂石喂料管；3－刮板；4－砂石垫层（0.6-0.9m）；5-锚块；6－沟槽底面；7－钢轨；8－移形钢梁美国普遍使用样板板刮平的砾石基础础。地槽挖好后，接着着便在地槽底上铺铺一层粗砂或砾石石。砾石和砂的粒粒度级配必须与水水力条件相适应。。厚度约0.7m。砾石基础的刮平平度要求为±3cm，这取决于当地条件件、砂或砾石的级级配以及使用的设设备后铺法已经成为沉沉管隧道基底处理理的发展趋势，我我国已建的珠江隧道道采用砂流法，，甬江隧道采用用注浆法。2）后填法在后填法中，安安设水底临时支座，临时支座大多数数为道渣堆上设设置钢筋混凝土土支承板，也可可以采用短桩简简易墩。灌砂法喷砂法灌囊法压浆法压砂法（1）、灌砂法（2）、喷砂法1－预制支承板；；2－喷砂台架；3－喷砂管；4－喷入砂垫层喷砂法钢门架相连的3根毗邻的管子，这3根管子被引入到到隧道管段底部部与地槽之间的的空间。最大的管子在中中间，通过这根根管子，砂水混混合物被泵送到到隧道管段下面面。位于大管子子两侧的两根管管子又将水吸回回去，从而形成成一种流动作用用，使砂在隧道道管段下面以一一种良好的限定定和良好的控制制的型样沉淀下下来。门架位于隧道管管段上面，并可可使管子绕垂直直轴转动，这样样就可以达到隧隧道管段下面的的整个空间以便便移动管子。砂的平均粒径约约为0.5mm。砂水混合物的的浓度和排出速速度与喷出形成成的砂饼的直径径有直接关系。（3）、灌囊法灌囊法系于砂、、石垫层面上用用砂浆囊袋将剩剩余空隙切实垫垫密。空囊下沉，水面面灌注混合砂浆浆。防止顶管，需严严密观测。（4）压浆法压压砂法隧道内部用通常的压浆设备备，经预埋在管管段底板上带单向阀的压浆孔孔，向管底空隙隙压注混合砂浆浆。3.软弱土层中的沉沉管基础如果沉管下的地基土特别软弱弱，容许承载力非非常小，则仅作作“垫平”处理理是不够的。以砂置换软弱土土层；打砂桩并加荷预预压；减轻沉管重量；；采用桩基。UndergroundStructureEngineeringChapter13沉管隧道采用桩桩基后，也会遇遇到一些通常地地面建筑所碰不不到的向题。基桩桩顶标高在在实际施工中不可能达到完全全齐平。在管段沉置完毕毕后，难以保证证所有桩顶与管底底接触。为使基桩受力均均匀，在沉管基基础设计中必须须采取一些措施施。解决的办法法大体上有三种：UndergroundStructureEngineeringChapter13水下混凝土传力力法基桩打好后，先先浇一、二层水水下混凝土将桩桩顶裹住。而后后再在水下铺上上一层砂石垫层层，使沉管荷载载经砂石垫层和和水下混凝土层层传通到桩基上上去。砂浆囊袋传力法法在管段底部与桩桩顶之间，用大大型化纤囊袋灌灌注水泥砂浆加加以垫实，使所所有基桩均能同同时受力。一般均在水泥砂浆中掺掺入斑脱土泥浆浆。UndergroundStructureEngineeringChapter13UndergroundStructureEngineeringChapter13活动桩顶法在所有的基桩顶顶端设一小段预制混凝凝土活动桩顶。在管段沉设完完毕后，向活动动桩顶与桩身之之间的空腔中灌灌注水泥砂浆，，将活动桩顶顶升升到与管底密贴贴接触为止。UndergroundStructureEngineeringChapter131－钢管桩；2－桩靴；3－水泥浆；4－活动桩顶；5－预制混凝土桩桩；6－导向管；7－尼龙布囊；8－灌水；9－压浆管9.2.7竖井和引道设计计1.竖井在公路沉管隧道道中，在竖井中中通常要设置以以下设备：通风、电力、、监视控制及排排水设备。而在在铁路沉管隧道道中，这些设备备的规模要小很很多。基础形式是多种多样样的，要根据地地质条件、隧道道规模、埋深以以及竖井的功能能要求等条件选选定。2.引道构造通常是明渠渠式的。引道设计应特别别注意是U形挡墙的上浮性性。UndergroundStructureEngineeringChapter13沉管隧道在纵断断面上一般由敞敞开段、暗埋段段、沉埋段以及及岸边竖井等部部分。沉管隧道的纵断断面结构沉管隧道纵断面面一般结构示意意图香港海底沉管隧隧道纵剖面图广州珠江沉管隧隧道纵剖面图9.3接缝管段处理与与防水措施1.变形缝的布置与与构造钢筋混凝土的沉沉管结构，如无无适当的措施，，很容易因隧道道的纵向变形而而开裂。管段在干坞中预预制时，两次浇筑的混凝凝土，易发生裂缝。。不均匀沉降、地地震影响等都可能导致管管段开裂。UndergroundStructureEngineeringChapter13最有效的措施是是设置垂直于隧道道轴线方向的变变形缝，把每节管段分分剖成若干节段段。根据各国的的实践经验，节节段的长度不宜宜过大，一般为15～20m左右。变形缝的构造要满足三个主要要要求:能适应一定幅度度的线变形与角角变形；施工阶阶段能能传递递弯矩矩，使使用阶阶段能能传递递剪力力；变形前前后均均能防防水。。UndergroundStructureEngineeringChapter13变形缝缝每节管管段分分割成成若干干节段段，一一般为为15～20m左右。台阶形变形缝缝1－沉管外侧；；2－沉管内侧；；3－卷材防水层层；4－钢边橡胶止止水带；5－沥青防水；；6－沥青填料；；7－钢筋混凝土土保护层橡胶止水带UndergroundStructureEngineeringChapter13变形缝的各组组成部分中，，最为主要的的是既能适应应变形，又能能有效地堵住住渗漏的止水水缝带，又简简称作止水带。止水带的种类类与型式很多多。铜片等金属止水带带现已很少采采用。塑料（聚氯乙烯））止水带弹性性较差，只能能适应幅度较较小的变形，，预制管段中中用得不多。。在管段中用得得较普遍的是是橡胶止水带和和钢边橡胶止止水带。橡胶止水带的的型式，有平平板形的，有有带管孔的。。带管孔的具具有较高的柔柔度，能承受受较大的剪切切差动变形。。2.止水缝带形式：均由本体与锚锚着部两部分分组成;变形缝的张开开度、本体部部的宽度。这这两个因素共共同决定着止止水带所受拉拉力。钢边橡胶止水水带，系于橡橡胶止水带两两侧锚着部中中加镶一段薄薄钢板，其厚厚度仅0.7mm左右，初于荷荷兰的凡尔逊逊（Velsen,1957）。3.钢壳与防水钢钢板钢壳防水虽已已不再常用，，但到七十年年代仍有一些些工例继续采采用它，目的的是缩小干坞规模模。钢壳的缺点：：耗钢量大焊接质量不保保证防锈问题仍未未切实解决钢板与混凝土土之间粘结不不良UndergroundStructureEngineeringChapter134.卷材防水与涂涂料防水卷材防水层是用胶料把多多层沥青类卷卷材或合成橡橡胶类卷材胶胶合成的粘贴贴式防水层。。沉管隧道外防防水用的卷材材，以选用织织物卷材为宜宜，取其强度度大，韧性好好。尤其是玻玻璃纤维布油油毡更适于水水下或地下工工程，目前涂料在管段段防水上尚尚未普遍推推广，UndergroundStructur