地下結(jié)構(gòu)工程第九章-沉管結(jié)構(gòu)

1、地地 下下 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 工工 程程第09章9 沉管結(jié)構(gòu)沉管結(jié)構(gòu)n9.1 概述概述n水底隧道的施工方法：n圍堤明挖法、礦山法、氣壓沉箱法、盾構(gòu)法以及沉管法。 n世界上第一條沉管鐵路隧道建于1910年，穿越美國(guó)Michigan州和加拿大Ontario省之間的Detroit河；n沉管法是十九世紀(jì)五十年代起普遍應(yīng)用,如今共有100多座沉管隧道 。n二十世紀(jì)50年代解決了兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)水力壓接法和基礎(chǔ)處理，沉管法已經(jīng)成為水底隧道最主要的施工方法，尤其在荷蘭。 n我國(guó)現(xiàn)有6條沉管法隧道：上海金山供水隧道，另外5條在寧波（寧波甬江水底隧道）、廣州（廣州珠江水底隧道）、香港（香港西區(qū)沉管隧道、香港東區(qū)沉管隧道）

2、和臺(tái)灣。 過程n沉管法亦曾稱作預(yù)制管段沉放法；n先在隧址以外的預(yù)制場(chǎng)制作隧道管段，兩端用臨時(shí)封墻密封，制成以后用拖輪拖運(yùn)到隧址指定位置上。n預(yù)先在設(shè)計(jì)位置處，挖好水底溝槽。待管段定位就緒后，往管段中注水加載，使之下沉，然后將沉設(shè)完畢的管段在水下連接起來，覆土回填，完成隧道，此之謂“沉管隧道”。 n沉管隧道有圓形和矩形兩類，其設(shè)計(jì)、施工及所用材料有所不同。n（1）圓形沉管隧道：）圓形沉管隧道：這類沉管內(nèi)邊均為圓形、外邊則為圓形、八角形或花籃形，多半用鋼殼作為防水層；n （2）矩形沉管隧道：在每個(gè)斷面內(nèi)可以同時(shí)容）矩形沉管隧道：在每個(gè)斷面內(nèi)可以同時(shí)容納納28個(gè)車道，矩形斷面的空間利用率較高，個(gè)車道

3、，矩形斷面的空間利用率較高， 圓形沉管、矩形沉管 9.2 沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)n沉管式水底隧道的設(shè)計(jì)： 包括幾何設(shè)計(jì)、通風(fēng)設(shè)計(jì)、照明設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)裝設(shè)計(jì)、給排水設(shè)計(jì)、供電設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)安全等設(shè)計(jì)。9.2.1沉管結(jié)構(gòu)所受的荷載沉管結(jié)構(gòu)所受的荷載n結(jié)構(gòu)自重、水壓力、土壓力、浮力、施工荷載、波浪和水流壓力、沉降摩擦力、車輛活荷載、沉船荷載，地基反力、溫度應(yīng)力、不均勻沉降所產(chǎn)生的附加應(yīng)力、地震等作用。n作用在沉管上的水壓力是主要荷載 。沉降摩擦力地基反力的分布規(guī)律 n（1）直線分布；n（2）反力強(qiáng)度和各點(diǎn)沉降量成正比，即文克爾假定，又可以分為單一系數(shù)和多種地基系數(shù)的兩種；n（3）假定地基為半無(wú)限彈

4、性體，按彈性理論計(jì)算反力。9.2.2浮力設(shè)計(jì)浮力設(shè)計(jì)n1）干舷）干舷n管段在浮運(yùn)時(shí)，為了保持穩(wěn)定，必須使管頂面露出水面，其露出高度稱為干舷。具有一定干舷的管段，與風(fēng)浪后產(chǎn)生反向力矩，保持平衡。n干舷的高度應(yīng)適中，過小則穩(wěn)定性差，過大時(shí)沉設(shè)困難。n浮力設(shè)計(jì)時(shí)，按照最大混凝土容重、最大混凝土體積和最小河水的比重來計(jì)算干舷。2）抗浮安全系數(shù)）抗浮安全系數(shù)n在管段沉設(shè)施工階段，應(yīng)采用1.051.1的抗浮安全系數(shù)。 n管段沉設(shè)完畢后，務(wù)必大于1.05，防止“復(fù)浮”。n設(shè)計(jì)時(shí)需要按照最小混凝土容重、最小混凝土體積和最大河水的比重來計(jì)算抗浮安全系數(shù)。 3）沉管結(jié)構(gòu)的外廓尺寸）沉管結(jié)構(gòu)的外廓尺寸n沉管結(jié)構(gòu)的外

5、廓尺寸，必須通過浮力設(shè)計(jì)才能確定 ;n沉管結(jié)構(gòu)的外廓高度，往往超過車道凈空高度與頂?shù)装搴穸戎汀?.2.3結(jié)構(gòu)分析與配筋結(jié)構(gòu)分析與配筋n1）.斷面結(jié)構(gòu)分析斷面結(jié)構(gòu)分析n其結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析須經(jīng)過“假定截面尺寸分析內(nèi)力修正尺度復(fù)算內(nèi)力”的幾次循環(huán)。n避免采用剪力鋼筋 ,常采用變截面或折拱形結(jié)構(gòu) 。n不能只以一個(gè)斷面的結(jié)構(gòu)分析來代表整節(jié)管段，以及河中段全長(zhǎng)的橫斷面配筋計(jì)算，所以目前一般采用電算分析。 沉管折拱形結(jié)構(gòu) 2）縱向結(jié)構(gòu)分析）縱向結(jié)構(gòu)分析n施工階段的沉管縱向受力分析，主要是計(jì)算浮運(yùn)、沉設(shè)時(shí)，施工荷載、波浪力所引起的內(nèi)力。n使用階段的沉管縱向受力分析，一般按照彈性地基梁理論進(jìn)行計(jì)算。3） 配配 筋

6、筋n沉管結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，宜采用C30-C40。n由于沉管結(jié)構(gòu)對(duì)貫通裂縫非常敏感，非貫通裂縫宜控制在0.15-0.2mm以下，因此采用鋼筋等級(jí)不宜過高，不宜采用III級(jí)和III級(jí)以上的鋼筋。4）預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用）預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用n一般情況下，沉管隧道采用普通混凝土結(jié)構(gòu)而不用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。因沉管的結(jié)構(gòu)厚度并非強(qiáng)度決定，而是由抗浮安全系數(shù)決定。n當(dāng)隧道跨度較大，達(dá)三車道以上，或者水、土壓力又較大時(shí)，采用預(yù)應(yīng)力 。 n(a)Almendares (b)Lafontainen1-預(yù)應(yīng)力索；2臨時(shí)拉索；3防水層本講要點(diǎn)n沉管運(yùn)輸中干舷設(shè)計(jì)的意義。n沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和原則。9.3 接縫管段處理與防水措施

7、接縫管段處理與防水措施n9.3.1變形縫的布置與變形縫的布置與構(gòu)造構(gòu)造n沉管結(jié)構(gòu)沉管結(jié)構(gòu)一般都是二次澆筑 ，常易發(fā)生收縮裂縫 。不均勻沉降等影響也易致管段開裂 。 變形縫 n每節(jié)管段分割成若干節(jié)段，一般為1520m左右 。變形縫須滿足 n1.能適應(yīng)一定幅度的線變形與角變形。n2.在浮運(yùn)、沉設(shè)時(shí)能傳遞縱向彎矩。 （1）外排縱向鋼筋全部切斷。而內(nèi)排縱向鋼筋則暫時(shí)不予切斷，待沉設(shè)完畢后再將跨越變形縫之內(nèi)排縱向鋼筋，全部切斷。 （2）浮運(yùn)之前安設(shè)臨時(shí)的縱向預(yù)應(yīng)力索（筋），待沉設(shè)完畢后再行撤去n3.在任何情況下能傳遞剪力，如圖 n4 .變形前后均能防水， 臺(tái)階形變形縫回幻片24n1沉管外側(cè)；2沉管內(nèi)側(cè)；

8、3卷材防水層；4鋼邊橡膠止水帶；n5瀝青防水；6瀝青填料；7鋼筋混凝土保護(hù)層9.3.2止水縫帶止水縫帶n普遍的是橡膠止水帶和鋼邊橡膠止水帶。n1)橡膠止水帶橡膠止水帶n橡膠止水帶可用橡膠止水帶可用天然橡膠天然橡膠（含膠率）（含膠率）70）制成。亦可用）制成。亦可用合成橡膠合成橡膠（如氯（如氯丁橡膠等）制成。丁橡膠等）制成。橡膠止水帶的壽命 n潮濕、無(wú)日照及溫度較低 等環(huán)境理想。n地下工程中的橡膠止水帶的耐用壽命應(yīng)在六十年以上。n經(jīng)老化加速實(shí)驗(yàn)亦可斷定其安全年限超過100年。形式： n均由本體與錨著部?jī)刹糠纸M成;n變形縫的張開度、本體部的寬度。這兩個(gè)因素共同決定著止水帶所受拉力。 2)鋼邊橡膠止

9、水帶鋼邊橡膠止水帶n鋼邊橡膠止水帶，系于橡膠止水帶兩側(cè)錨著部中加鑲一段薄鋼板，其厚度僅0.7mm左右，初于荷蘭的凡爾遜（Velsen,1957）。 9.3.3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兩類;n外防水包括了鋼殼，鋼板防水，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鋼殼與鋼板防水鋼殼與鋼板防水n在沉管的三面（底和二側(cè)）甚至四面（包括頂面）用鋼板包覆的防水 ;n耗鋼量大、焊縫防水可靠性不高、鋼材防銹問題仍未切實(shí)解決;9.3.5卷材防水卷材防水n用膠料粘結(jié)多層瀝青類卷材或合成橡膠類卷材而成的粘貼式（亦稱外貼式）防水層。n均用澆油攤鋪法粘貼

10、 ;n卷材粘貼完畢后，須在外邊加設(shè)保護(hù)層。n到幻片6 9.3.6涂料防水涂料防水n施工工藝較繁，施工操作工程中會(huì)造成“起殼” ，無(wú)法補(bǔ)救；n抗拉伸能力較差。9.4管段沉設(shè)與水下連接管段沉設(shè)與水下連接n1)分吊法n24艘起重船或浮箱 浮筒吊沉法 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駁； 3）騎吊法 SEP 4）拉沉法1拉合千斤頂；2拉沉卷?yè)P(yáng)機(jī)；3拉沉索；4壓載水本講要點(diǎn)n理解變形縫的設(shè)置原則n了解防水措施；n了解沉設(shè)方法。9.4.2水下連接水下連接n早期采用灌筑水下混凝土施工法 ；n二十世紀(jì)五十年代末，加拿大的臺(tái)司隧道采用水力壓接法。n用水力壓接法進(jìn)行水下連接的主要工序是：n對(duì)

11、位拉合壓接拆除端封墻9.5 管段接頭管段接頭n管段接頭的構(gòu)造，主要有剛性接頭和柔性接頭兩種。n9.5.1剛性接頭剛性接頭n剛性接頭系于水下連接（不論采用何法）完畢后，于相鄰兩節(jié)管段端面之間，沿隧道外壁（二側(cè)與頂、底板）以一圈鋼筋混凝土連接起來，形成一個(gè)永久性接頭。n剛度較大，但沉降不勻易開裂滲漏。 “先柔后剛” 9.5.2柔性接頭柔性接頭n主要是利用水力壓接時(shí)所用的膠墊，吸收變溫伸縮與地基不均勻沉降所致角變，以消除或減小管段所受變溫或沉降應(yīng)力。 9.6 沉管基礎(chǔ)沉管基礎(chǔ)n在水底沉管隧道中，因作用在溝槽底面的荷載，不因設(shè)置沉管而有所增加，相反，卻有所減小。 9.6.2基礎(chǔ)處理基礎(chǔ)處理墊平墊平n沉

12、管隧道的基礎(chǔ)處理方法，大體上分為先鋪法和后填法兩大類；n先鋪法有刮砂法，刮石法等；n后填法有灌囊法，壓漿法，壓砂法等。1)先鋪法n先鋪法實(shí)際上是利用刮鋪機(jī)將鋪墊材料（砂或石）設(shè)置成平整的墊層。 n1方環(huán)形浮箱；2砂石喂料管；3刮板；4砂石墊層（0.6-0.9m）； n5-錨塊；6溝槽底面；7鋼軌；8移形鋼梁2）后填法n在后填法中，安設(shè)水底臨時(shí)支座，臨時(shí)支座大多數(shù)為道渣堆上設(shè)置鋼筋混凝土支承板，也可以采用短樁簡(jiǎn)易墩。n灌砂法n噴砂法n灌囊法n壓漿法n壓砂法（1）、灌砂法（2）、噴砂法n1預(yù)制支承板；2噴砂臺(tái)架；n3噴砂管；4噴入砂墊層（3）、灌囊法n灌囊法系于砂、石墊層面上用砂漿囊袋將剩余空隙切實(shí)墊密。n 空囊下沉，水面灌注混合砂漿。n防止頂管，需嚴(yán)密觀測(cè)。（4）壓漿法 壓砂法隧道內(nèi)部用通常的壓漿設(shè)備，經(jīng)預(yù)埋在管段底板上帶單向閥的壓漿孔，向管底空隙壓注混合砂漿。 9.6.3軟弱土層上的沉管基礎(chǔ)軟弱土層上