地下建筑结构(中国地质大学孙金山)7

7沉管隧道

7.1概述沉管法亦曾称作预制管段沉放法。先在干坞中或船台上预制大型混凝土箱形构件或是混凝土和钢的组合箱形构件，并于两端用临时隔墙封闭，舾装好拖运、定位，然后将这些浮运并沉放在河床上预先挖好的沟槽并联接起来，最后回填砂石，并拆除隔墙形成隧道。a)在沉埋管段制作场或干船坞内制作；b)将从船坞运出的沉管管段装上沉放作业用的锚索装置；c)用拖船拖到沉放预制地点；d)用沉放作业船沉放到预先浚挖好的沟槽内的预定位置，与预先沉放的沉埋管段进行水中连接；e)用砂土回填（1）水平衡镇重箱；（2）临时支撑用混凝土块；（3）水平衡镇重物；（4）沉放预定部分；（5）沉放管段；（6）陆上隧道部分沉管隧道的使用历史开始于1910年，用双线铁路隧道跨越美国和加拿大之间的底特律河。大约在其后的30年实际上所有建造的沉管隧道都在美国，在此期间一种特殊的钢壳管段技术问世了,一种至今仍长期持续未变的技术。1941年在荷兰鹿特丹开始了Maas隧道的施工，标志欧洲开始使用沉管隧道。国内已经建成了广州珠江沉管隧道和宁波甬江沉管隧道。此外，我国香港已建成5座越海隧道，它们全部采用沉管隧道的型式。目前正在兴建的港珠澳接线工程

1沉管隧道定义

沉管隧道是由若干个预制的管段，分别浮运到现场，一个接一个地沉放安装，并在水下将其互相连接而成。沉管隧道通常是安置在地槽内，地槽是结构物在地面制造期间在水下预先用挖泥机挖好的。

槽底面和隧道底部之间的空间应事先准备好砾石垫层、或在隧道下面泵送砂垫层或喷射砂垫层。当地槽为土体时，有时需要使用桩基作基础。在施工进行中，对隧道上面进行回填，完工的隧道经常是在顶板上覆盖一层保护层。几个重要的概念沉管法的主要特点

（1）隧道深度与其它隧道相比，因能够设置在只要不妨碍通航的深度下，故隧道全长可以缩短；（2）隧道管段是预制的，质量好，水密性高；（3）因有浮力作用在隧道上，所以总比重小，要求的地层承载力不大，故也适用于软弱地层；（4）断面形状无特殊限制，可按用途自由选择，特别适应较宽的断面形式；（5）沉管的沉放，虽然需要时间，但基本上可在1～3日内完成，对航运的限制较小；（6）不需要沉箱法和盾构法的压缩空气作业，在相当水深的条件下，能安全施工；（7）因采用预制方式施工，效率高，工期短。但在挖掘沟槽时，会出现妨碍水上交通和弃碴处理等问题。断面形状和结构形式

沉管隧道有圆形和矩形两类，其设计、施工及所用材料有所不同。按设计断面可分为：（1）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a)圆形；b)八角形；c)花篮形a)六车道的矩形沉管b)八车道的矩形沉管（2）钢筋混凝土矩形断面：因在干船坞内制造节段，对节段大小无很大限制。故可制造大宽度的节段。与圆形断面比，无效空间大为减小。从力学角度看，对外压来说，弯矩是主要的。因此，断面要比圆形厚些。因节段的宽度大，基底的处理要困难些。（3）预应力混凝土长方形断面：其最大的特点是，因导入预应力而减少开裂，提高了水密性。与钢筋混凝土相比，构件厚度小些，节段重量也轻些。因而节段高度变小，故土方量减少。但在制造节段时，要注意钢材锚固段的防水处理和预应力的偏心等。除上述断面外，尚有一些变化断面，如眼镜断面、长方形的变形断面等。7.2荷载作用在沉管结构上的荷载有：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加应力、地震等作用。上述荷载中，作用在沉管上的水压力是主要荷载。尤其是覆土高度较小时，水压力常是最大荷载。水压力又非定值，常受高低潮位的影响，还需要考虑台风时和特大洪峰时的水位压力。荷载作用在沉管上的垂直向土压力，一般为河床底到沉管顶面间的土体重量。在河床不稳定地区，还要考虑到水位变迁的影响。作用在沉管侧面上的水平土压力并非常量，在隧道建成初期，土的侧压力较大，以后随着土的固结发展而减小。设计时按照不利组合分别取用。施工荷载是压载、端封墙、定位塔等施工设施的重量。在计算浮运阶段的纵向弯矩时，这些荷载是主要荷载，通过调整压载水箱的位置可以改变弯矩的分布。波浪力和水流压力对结构设计影响很小，但对于水流压力，须进行水工模型试验予以确定，据此设计沉设工艺及设备。荷载沉降摩擦力则是由于回填后，沉管沉降和沉管侧沉降并不同步，管侧大于沉管，因此在沉管侧壁外承受向下摩擦力（图10-4）。为了降低摩擦系数，常在侧壁外喷涂软沥青，以减少摩擦。在水底隧道中，车辆交通荷载则往往可以忽略。沉船荷载由于产生的几率太小，对此项荷载是否计算，计算采用荷载值的大小仍在探讨之中。荷载地基反力的分布规律，有各种不同的假设：

（1）直线分布；

（2）反力强度和各点沉降量成正比，即文克尔假定，又可以分为单一系数和多种地基系数两种；

（3）假定地基为半无限弹性体，按弹性理论计算反力。荷载沉管内外壁之间存在温差，外壁基本上与周围土体一致，可以视作恒温，而内壁的温度与外界一致，四季变化。一般冬季外高内低，夏天外低内高，温差将产生温度应力。由于内外壁之间的温度递变需要一个过程，一般设计需要考虑持续5～7天的最高温度和最低温度的温差。7.3浮力计算沉管结构设计中必须考虑浮力设计，内容包括干舷的选定和抗浮安全系数的验算，浮力设计后，可以确定沉管结构的高度与轮廓尺寸。（1）干舷管段在浮运时，为了保持稳定，必须使管顶面露出水面，其露出高度称为干舷。具有一定干舷的管段，遇风浪后产生力矩。一般矩形断面管段，干舷为10cm～15cm,而圆形和八角形断面的管段，则多为40cm～50cm。浮力设计有些情况下，由于沉管的结构厚度较大，无法自浮，可以设置浮筒、钢或木围堰助浮。另外，管段制作时，按照最大混凝土容重、最大混凝土体积和最小河水的比重来计算干舷。浮力设计在进行干舷设计时，干舷计算的理论值也受到很多因素影响，其计算公式如下：对于矩形断面的管节，根据浮力平衡的原则有：即，

浮力设计（2）抗浮安全系数在管段沉设施工阶段，应采用1.05～1.1的抗浮安全系数。管段沉设完毕后，回填土时，周围河水与砂、土相混，其比重大于原来河水比重，浮力亦相应增大。因此施工阶段的抗浮安全系数，务必大于1.05，防止“复浮”。在覆土完毕以后的使用阶段，抗浮安全系数应采用1.2～1.5，计算时可以考虑两侧填土所产生的负摩阻力。浮力设计设计时需要按照最小混凝土容重、最小混凝土体积和最大河水的比重来计算抗浮安全系数，其计算公式为：式中，管体重量已包括内部压载的混凝土重量，为最大河水密度。在实际情况中，如果考虑到覆土重量与管段侧面的负摩檫力的作用，抗浮安全系数会增大。浮力设计（3）沉管结构的外轮廓尺寸

在沉管式水底隧道中，总体几何设计只能确定隧管的内净宽度以及车道净空高度。沉管结构的外轮廓尺寸，必须通过浮力设计才能确定。

在浮力设计中，既要保持一定的干舷，又要保证一定的抗浮安全系数。所以沉管结构的外廓高度，往往超过车道净空高度与顶底厚度之和。7.4结构设计沉管段的结构设计，按横截面和纵截面分别进行。

外轮廓

配筋

防水等

沉管结构计算与配筋（一）横向结构计算横截面多是多孔（单孔的极少）箱形框架.管段横断面内力一般按弹性支承箱形框架结构计算。由于荷载组合的种类较多，而箱形框架的结构分析必须经过“假定构件尺寸—分析内力―修正尺寸―复算内力”的几次循环，而且即使在同一节管段（一般为100m长）中，因隧道纵坡和河底标高变化的关系，各处断面所受水、土压力不同（尤其是接近岸边时，荷载常急剧地变化）。不能仅按一个横断面的结构分析结果来进行整节管段的横向配筋。图11-8沉管的结构截面（二）纵向结构计算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（定位塔、端封墙等）所引起的内力。使用阶段的纵向受力分析，一般按弹性地基梁理论进行计算。沉管隧道纵断面设计需要考虑温度荷载和地基不均匀沉降以及其他各种荷载，根据隧道性能要求进行合理组合。（三）结构验算及配筋沉管结构的截面和配筋设计，应遵照交通部《公路桥涵设计规范》进行。沉管结构的混凝土28天强度等级，宜采用C30～C45。采用较高的强度等级，主要是为了抗剪的需要。设计时可根据施工进度计划的安排，尽量充分利用后期强度。在干坞规模较小，需分批浇筑时，尤可按更长的龄期计算。沉管结构在外防水层保护下的最大容许裂缝宽度为0.15～0.2mm，不宜采用III级或III级以上的钢筋。7.5沉管的防水设计7.5.1沉管的防水措施早期的沉管隧道都是采用钢壳，既是施工阶段的外模，又是管段沉设以后使用阶段的防水层。最初的矩形钢筋混凝土管段，还是用四边包裹的钢壳。不但底板下边及二侧墙外边用钢板防水，连顶板上面亦用钢板防水。五十年代以后，开始改用三边包裹的钢壳，顶板上的钢板改以柔性防水层代替，不但节省了钢材，降低了造价，而且也便利了施工。从

1956年以后，又发展成为单边钢板防水加三边柔性防水的做法，只在底板之下仍保留钢板作防水层（取其在施工阶段不易披损坏）。到六十年代初，全部采用柔性防水，完全不用钢板。柔性防水层最初使用的沥青油毡；五十年代开始采用了玻璃纤维布油毡；六十年代后期，异丁橡胶卷材开始应用于管段防水上。近年来又发展了涂料防水代替施工较麻烦的卷材防水。沉管自身防水亦是一项极为重要的防水措施。自身防水在一定条件下也可以取代外防水。7.6变形缝与管段接头设计7.6.1变形缝的布置与构造钢筋混凝土的沉管结构，如无适当的措施，很容易因隧道的纵向变形而开裂。假定混凝土浇筑温度为5～15ºC，沉管外侧温度为10ºC，内侧温度为0～25ºC，而整个沉管隧道又是整体无缝的