地下建筑结构--第11章

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1、深圳大学地下建筑结构第11章沉管结构11 沉管结构n1 概述n水底隧道的施工方法：n围堤明挖法、矿山法、气压沉箱法、盾构法以及沉 管法。 n世界上第一条沉管铁路隧道建于1910年，穿越美 国Michigan州和加拿大Ontario省之间的Detroit河 ；n沉管法是十九世纪五十年代起普遍应用,如今共有 100多座沉管隧道 。n二十世纪50年代解决了两项关键技术水力 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。 n我国现有6条沉管法隧道：上海金山供水隧道， 另外5条在宁波（宁波甬江水底隧道）、广州（ 广州珠江水底隧道）、香港（香港西区沉管隧 道、香港东区沉管隧道）和

2、台湾。 优点n1.贴河床，隧道短n2.水密性好n3.对地基适应性强n4.接头少，防水好缺点n1.干坞，场地需求大n2.开挖基槽，清淤n3.需考虑水文，气象项目盾构法沉管法隧道埋深应保持一定的覆土厚 度最小宜为0.61D可紧贴河床甚至高出河 床隧道长度相对较长相对较短断面形状基本为圆形，一般容 纳两车道断面形状多为矩形，可 容纳4、6或更多车 道防水性能纵、环向接头数量多 、防水性能相对较 差接头数量少，防水性能 好对航运影响无影响有影响水文、气象条件不受限制要考虑水文、气象条件 影响 地质条件影响与地质条件密切相关较弱地层均可适应 施工期间对地面的 影响可能产生地面变形施工期岸边隧道开挖有 影

3、响过程n沉管法亦曾称作预制管段沉放法；n先在隧址以外的预制场制作隧道管段，两端用临时 封墙密封，制成以后用拖轮拖运到隧址指定位置上 。n预先在设计位置处，挖好水底沟槽。待管段定位就 绪后，往管段中注水加载，使之下沉，然后将沉设 完毕的管段在水下连接起来，覆土回填，完成隧道 ，此之谓“沉管隧道”。 n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。n（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；n （2）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， 圆形沉管、矩形沉管 n沉管结构有两种基本类型:钢壳

4、沉管和 钢筋混凝土沉管。 n优点：n缺点：9.2 沉管结构设计n沉管式水底隧道的设计：n包括几何设计、通风设计、照明设计、 结构设计、内装设计、给排水设计、供 电设计、运营安全等设计。9.2.1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。n作用在沉管上的水压力是主要荷载 。沉降摩擦力地基反力的分布规律 n（1）直线分布；n（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 多种地基系数的两种；n（3）假定地基为半无限弹性体，按弹 性理论计算

5、反力。9.2.2浮力设计n在沉管结构设计中，有一个与其它地下建筑迥然 不同的特点，就是必须处理好浮力与重量间的关 系，这就是所谓的浮力设计。浮力设计的内容包 括干舷的选定和抗浮安全系数的验算，其目的是 最终确定沉管结构的高度和外廓尺寸。9.2.2浮力设计n1）干舷n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， 与风浪后产生反向力 矩，保持平衡。n干舷的高度应适中， 过小则稳定性差，过 大时沉没困难。n一般矩形断面的管段，干舷多为1015cm， 而圆形、八角形或花篮形断面的管段（图11 7)，则因顶宽较小，故干舷高度多采用40 50cm。干舷

6、高度不宜过小，否则稳定性差 。但也不宜过大 n在制作管段时，混凝土的重度和模板尺 寸，总不免有一定幅度的变动和误差， 同时，在涨潮、落潮以及各不同施工阶 段中，河水比重也会有一定幅度的变动 。 n浮力设计时，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。2）抗浮安全系数n在管段沉设施工阶段，应采用1.05 1.1的抗浮安全系数。 n管段沉设完毕后，务必大于1.05，防止 “复浮”。n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。 3）沉管结构的外廓尺寸n根据沉管隧道使用阶段的通风要求及行车限 界等确定隧孔的内净宽度，以及车行道净空 高度

7、。而沉管结构的全高以及其它外廓尺寸 的确定必须满足沉管的抗浮设计要求，因此 这些尺寸都必须经过浮力计算和结构分析的 多次试算与复算，才能予以确定。11.2.4沉管结构计算与配 筋 n1）.断面结构分析n其结构内力分析须经过“假定截面尺寸分析内 力修正尺度复算内力”的几次循环。n避免采用剪力钢筋 ,常采用变截面或折拱形结构 。n不能只以一个断面的结构分析来代表整节管段， 以及河中段全长的横断面配筋计算，所以目前一 般采用电算分析。 沉管折拱形结构 2）纵向结构分析n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、波浪力所引 起的内力。n使用阶段的沉管纵向受力分析，一般按照 弹性地

8、基梁理论进行计算。3） 配 筋n沉管结构的混凝土强度等级，宜采用C30- C45。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0.15-0.2mm以下，因此采用 钢筋等级不宜过高，不宜采用III级和III级 以上的钢筋。4）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构。因沉管 的结构厚度并非强度决定，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，采用预应力 。 n(a)Almendares (b)Lafontainen1-预应力索；2临时拉索；3防水层本讲要点n沉管运输中干舷设计的意义。n沉管结构设计的方法和原则。

9、接缝管段处理与防水措施n变形缝的布置与构造n沉管结构一般都是二 次浇筑 ，常易发生收 缩裂缝 。不均匀沉降 等影响也易致管段开 裂 。 变形缝 n每节管段分割成若 干节段，一般为15 20m左右 。变形缝须满足 n1.能适应一定幅度的线变形与角变形。n2.在浮运、沉设时能传递纵向弯矩。n外排纵向钢筋全部切断。而内排纵向钢筋则暂时不予切断，待沉 设完毕后再将跨越变形缝之内排纵向钢筋，全部切断。 n3.在任何情况下能传递剪力 n变形前后均能防水， 台阶形变形缝回幻片13n1沉管外侧；2沉管内侧；3卷材防水层；4钢边橡胶止水带；n5沥青防水；6沥青填料；7钢筋混凝土保护层9.3.2止水缝带n普遍的是

10、橡胶止水带和钢边橡胶止水带 。n1)橡胶止水带n橡胶止水带可用天然橡胶（含胶率） 70）制成。亦可用合成橡胶（如氯 丁橡胶等）制成。橡胶止水带的寿命 n潮湿、无日照及温度较低 等环境理想。n地下工程中的橡胶止水带的耐用寿命应 在六十年以上。n经老化加速实验亦可断定其安全年限超 过100年。形式： n均由本体与锚着部两部分组成;n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。 2)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板，其厚度仅0.7mm 左右，初于荷兰的凡尔逊（Velsen,1957） 。 9.3.3管段外壁的防水措施n沉管外防水和沉管

11、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；n自防水主要是采用防水混凝土。 9.3.4钢壳与钢板防水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 9.3.5卷材防水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。n到幻片6 9.3.6涂料防水n施工工艺较繁，施工操作工程中会造成“ 起壳” ，无法补救；n抗拉伸能力较差。9.4管段沉设与水下连接n1)分吊法n24艘起重船或浮 箱 浮筒吊沉法

12、 浮箱吊沉法 2）扛吊法n最主要的大型工具就是四艘小型方驳； 3）骑吊法 SEP 4）拉沉法1拉合千斤顶；2拉沉卷扬机；3拉沉索；4压载水本讲要点n理解变形缝的设置原则n了解防水措施；n了解沉设方法。9.4.2水下连接n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 采用水力压接法。n用水力压接法进行水下连接的主要工序是 ：n对位拉合压接拆除端封墙9.5 管段接头n管段接头的构造，主要有刚性接头和柔性 接头两种。n9.5.1刚性接头n刚性接头系于水下连接（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，形成一个永久

13、性接头。n刚度较大，但沉降不匀易开裂渗漏。 “先柔后刚” 9.5.2柔性接头n主要是利用水力压接时所用的胶垫，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。 9.6 沉管基础n在水底沉管隧道中，因作用在沟槽 底面的荷载，不因设置沉管而有所 增加，相反，却有所减小。 9.6.2基础处理垫平n沉管隧道的基础处理方法，大体上分为 先铺法和后填法两大类；n先铺法有刮砂法，刮石法等；n后填法有灌囊法，压浆法，压砂法等。1)先铺法n先铺法实际上是利用刮铺机将铺垫材 料（砂或石）设置成平整的垫层。 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-

14、锚块；6沟槽底面；7钢轨；8移形钢梁2）后填法n在后填法中，安设水底临时支座 ，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。n灌砂法n喷砂法n灌囊法n压浆法n压砂法（1）、灌砂法（2）、喷砂 法n1预制支承板；2喷砂台架；n3喷砂管；4喷入砂垫层（3）、灌囊法n灌囊法系于砂、石 垫层面上用砂浆囊 袋将剩余空隙切实 垫密。n 空囊下沉，水面灌 注混合砂浆。n防止顶管，需严密 观测。（4）压浆法 压砂法隧道内部用通常的压浆设备，经预埋在管段底板上带 单向阀的压浆孔，向管底空隙压注混合砂浆。 9.6.3软弱土层上的沉管基 础n一般的解决办法有：n（1）以粗砂置换软弱土层；n（2）打砂桩，并加荷预压；n（3）减轻沉管重量n（4）采用桩基。n沉管隧道中 ，群桩的桩顶标高不等；n采取措施以使各桩能均匀受力 ：n水下混凝土传力法；n灌囊传力法；n活动桩顶法n1钢管桩；2桩靴；3水泥浆；4活动桩顶；5预制混凝土桩；n6导向管；7尼龙布囊；8灌水；9压浆管本讲要点n理解水下连接的原理；n了解基础垫平及处理措施；