沉管隧道結構的設計與施工105

第9章沉管結構地下結構工程第9章沉管隧道結構沉管隧道施工過程接縫管段處理與防水措施沉管結構設計概述UndergroundStructureEngineeringChapter139.1概述什么是沉管法？修建水底隧道的方法之一。由若干個預制的管段（節(jié)）組成，管段依次浮運到施工水面現場，一個接一個地沉放在預先挖好的地槽（基槽）內,連接后成為水底隧道。其施工方法為“沉管法”。UndergroundStructureEngineeringChapter13沉管法隧道的發(fā)展狀況沉管隧道開始于191O年，美國跨越底特律河的世界第一座雙線鐵路沉管隧道；荷蘭1941年開始鹿特丹Maas隧道施工，標志歐洲開始使用沉管隧道；世界上已建和在建的沉管隧道有100多座；臺灣高雄過港隧道；香港西區(qū)、東區(qū)海底隧道；香港海底隧道；廣州珠江地鐵沉管隧道；寧波甬江公路沉管隧道；寧波常洪隧道；上海外環(huán)沉管隧道；天津海河沉管隧道（在建）；港珠澳沉管隧道（在建）。UndergroundStructureEngineeringChapter13沉管法隧道的優(yōu)點與橋梁相比：從航運角度看，沉管隧道優(yōu)勢明顯，橋梁由于凈空高度問題對航運的影響較大；其次從船舶航行和大橋安全角度看，在某一段距離內建多座橋梁不利于安全，如南京新舊大橋相距約5km，若在其中再建造一座大橋，船舶碰撞橋墩的幾率將會大大增加；從氣象條件看，大風及霧對船舶過橋影響較大，而水下隧道則不受氣象條件的影響，可全天候運行。UndergroundStructureEngineeringChapter13與盾構法相比：沉管法對地層條件要求不高，基本上不受地質條件的限制，對地基要求的允許承載力也低；沉管埋深很淺，一般管段的頂部離河床1m即可，而盾構法一般要求在10m左右；沉管斷面空間利用率高，可采用4～8車道；沉埋法工序可平行作業(yè)，縮短工期，如基槽開挖、管段預制、浮運沉放等可平行作業(yè)；沉埋法采用先進Gina止水帶，再加上整體預制可大大提高質量并加外防水，其防水性能在大大優(yōu)于管片作襯砌的盾構隧道，可做到滴水不漏。UndergroundStructureEngineeringChapter13沉管法就位示意圖浮船壓頂石或覆土基礎管段就位臨時干塢一般情況下需自己在工程現場附近建造一個與工程規(guī)模相適應的臨時干船塢。管段的制制作沉管隧道道有圓形形和矩形形兩類，，其設計計、施工工及所用用材料有有所不同同。（1）圓形沉沉管隧道道：這類類沉管內內邊均為為圓形、、外邊則則為圓形形、八角角形或花花籃形，，多半用用鋼殼作作為防水水層；（2）矩形沉沉管隧道道：在每每個斷面面內可以以同時容容納2－8個車道，，矩形斷斷面的空空間利用用率較高高，圓形沉管管、矩形形沉管廣州市第第二條過過江沉管管隧道侖侖頭—生物島隧隧道，首首段55米長的沉沉管箱體體成型廣州生物物島——大學城沉沉管隧道道管段預預制干塢注水水與管段段檢漏調調整寧波甬江江沉管隧隧道管段段預制管段內部部檢漏西區(qū)海底底隧道，，一九九九三三年年九月月展展開，，在一一九九九七七年年四月月完完成鑄造隧隧道道沉管管的的石澳澳干干船塢塢上海外環(huán)環(huán)隧道工工程投資資17.48億元人民民幣。它東起浦浦東三岔岔港，西西至浦西西吳淞公公園附近近，距吳淞口口約2公里，全全長2880米。外環(huán)環(huán)隧道江江中段由7節(jié)管段組組成，每每節(jié)自重重4.5萬噸，相當于一一個標準準足球場場面積.chenguan\jiaxing111.rmvbchenguan\gc004.rmvb上海外環(huán)環(huán)沉管隧隧道隧道道斷面圖圖上海外環(huán)環(huán)沉管隧隧道管節(jié)在黃黃埔江上上運輸中中管節(jié)在黃黃埔江上上運輸中中港珠澳大大橋設計計使用壽壽命是120年，建成成后可抗八級地地震?。世界最長長：跨海海逾35公里根據近期期批復的的大橋工工程可行行性報告告，港珠珠澳大橋橋全長約約50公里，主主體工程程“海中中橋隧””長35.578公里，超超越現時時世界上上最長的的跨海大大橋——杭州灣跨跨海大橋橋，建成成后成為為世界最最長的跨跨海大橋橋。6公里海底底隧道，，港珠澳澳大橋主主體工程程耗資約約327億元人民民幣，整整體工程程估計逾逾700億元。9.2沉管結構構設計9.2.1沉管的斷斷面形狀狀和尺寸寸隧道截面尺寸寸取決于使用要求求、使用要求求和輔助助設施；同時還還取決于于施工條件件和施工工要求，即管段段的浮運運和沉放放要求。。管段的長度則需要考考慮經濟條件件、航道條件件、管段段縱、橫橫斷面形形狀、施施工及技技術條件件等。UndergroundStructureEngineeringChapter139.2.2沉管的浮浮力設計計1.干弦的計計算管段浮運運時，露露出水面面的高度度，稱為為干舷。作用：產生反傾傾力矩保保持管段段穩(wěn)定。。尺寸：矩形斷面面干舷10－15cm（不宜太太小或太太大）圓圓形40～50cm。個別情況況用浮筒筒助浮。。UndergroundStructureEngineeringChapter13考慮到混混凝土容容重、模模殼尺寸寸的誤差差以及水水流比重重的變化化，計算算干舷時時，按最大混凝凝土容重重、最大大混凝土土體積、、最小水水流比重重計算。UndergroundStructureEngineeringChapter13干舷2.抗浮安全全系數計計算管段沉設設階段，，抗浮安安全系數數1.05－1.1。拋土回填填時，考考慮到水水流比重重增加導導致浮力力增加，，抗浮安安全系數數需確保保大于1.05。施工階段段的抗浮浮計算，，不考慮慮臨時施施工設備備的重量量。使用階段，，抗浮安全全系數1.2－1.5。各個階段的的抗浮安全全系數按照照最小的混凝凝土容重和和體積，最最大的河水水比重計算。UndergroundStructureEngineeringChapter139.2.3沉管結構荷荷載結構自重水壓力（主主要）高、低潮位位；若干年年一遇的特特大洪水水水位等土壓力（主要）浮力施工荷載：：定位塔、封封端墻、出出入筒、壓壓載水柜、、索具浮箱箱等重量；；吊索拉力力、支座反反力等波浪力（一般不大大）：波長長等于管段段全長，波波高1m，頂部浸水水長度為管管段60％UndergroundStructureEngineeringChapter13水流壓力負摩擦力車輛活載（（忽略））沉船荷載50～130kN/m2投錨與拖錨錨荷載覆土厚度超超過2m時，可不考考慮投錨垂垂直荷載拖錨水平荷荷載根據錨錨鏈的極限限強度確定定UndergroundStructureEngineeringChapter13隧道內爆炸炸荷載地基反力混凝土收縮縮影響溫度應力：：沉管外壁內內外溫差引引起不均勻沉降降影響：軟弱地層、、不均勻地地層等地震荷載UndergroundStructureEngineeringChapter13沉降摩擦力力地基反力的的分布規(guī)律律（1）直線分布布；（2）反力強度度和各點沉沉降量成正正比，即文文克爾假定定，又可以以分為單一一系數和多多種地基系系數的兩種種；（3）假定地基基為半無限限彈性體，，按彈性理理論計算反反力。9.2.4管段結構設設計1.橫向內力分分析假定截面尺尺寸－分析析內力－修修正尺寸－－復算內力力；常采用變截截面或拱形形結構，用用以改善結結構的受力力；彈性地基上上的葙形框框架，應選選取若干個個代表截面面計算；超靜定結構構：彎矩矩分配法，，矩陣位移移法（桿系系有限元））、連續(xù)體體有限元。。UndergroundStructureEngineeringChapter132.縱向內力分分析施工階段的的沉管縱向向受力分析析，主要是是計算浮運運、沉設時時施工荷載載（定位塔塔、端封墻墻等）所引引起的內力力。使用階段的的縱向受力力分析，一一般按彈性地基基梁理論進進行計算。沉管隧道縱縱斷面設計計需要考慮慮溫度荷載載和地基不不均勻沉降降以及其他他各種荷載載，根據隧隧道性能要要求進行合合理組合。。UndergroundStructureEngineeringChapter133.結構驗算及及配筋沉管結構的的截面和配配筋設計，，應遵照交交通部《公路橋涵設設計規(guī)范》進行。沉管結構的的混凝土28天強度等級級，宜采用C30～C45。采用較高的的強度等級級，主要是是為了抗剪剪的需要。。設計時可根根據施工進進度計劃的的安排，盡盡量充分利利用后期強強度。在干干塢規(guī)模較較小，需分分批澆筑時時，尤可按按更長的齡齡期計算。。沉管結構在在外防水層層保護下的的最大容許裂裂縫寬度為為0.15～0.2mm，不宜采用III級或III級以上的鋼鋼筋。UndergroundStructureEngineeringChapter134.預應力的應應用當隧道跨度度較大，達達三車道以以上或者水水壓力、土土壓力又較較大時，沉沉管結構的的頂板、底底板受到的的剪力相對對大。采用預應力力混凝上結結構可得到到較經濟的的解決。有兩種做法法。一種是是全預應力力，一種是是部分預應應力。比較多的是是采用部分預應力力的。但一般般仍配置一一定數量的的普通非預預應力鋼筋筋，以作臨臨時杭衡之之用，數量量可少些。。UndergroundStructureEngineeringChapter13(a)Almendares(b)Lafontaine1-預應力索；；2－臨時拉索索；3－防水層9.2.5管段接頭設設計管段沉設完完畢之后，，須與前面面已沉設好好的管段（（簡稱既設設管段）或或豎井接合合起來。這這項聯接工工作在水下下進行，故故亦稱水下聯接。。管段接頭應應具有以下下功能和要求求：水密性；接頭應具有有抵抗各種種荷載作用用和變形的的能力；接頭的各構構件功能明明確，造價價適度；接頭的施工工性好，施施工質量能能夠保證，，并盡量做做到能檢修修。常用的接頭頭有GINA止水帶、OMEGA止水帶以及及水平剪切切鍵、豎直直剪切鍵、、波形連接接件、鋼殼殼及相應的的連接件。。UndergroundStructureEngineeringChapter13接頭的構造造：連續(xù)構造形形式擴大管段端端部斷面的的形式；在管段外周周設置橡膠膠密封墊的的止水裝置置；和本體形成成同一斷面面的結構形形式；等斷面的形形式。UndergroundStructureEngineeringChapter13可撓性接頭頭形式柔性接頭是是能使管段段接頭處產產生伸縮、、轉動的結結構。但不不容許無限限制的位移移，要根據據止水性及及交通功能能等，規(guī)定定出容許的的位移值，，使接頭的的位移在容容許范圍之之內。UndergroundStructureEngineeringChapter13“先柔后剛”柔性接頭GINA主要是利用用水力壓接接時所用的的膠墊，吸收變溫溫伸縮與地地基不均勻勻沉降所致致角變，以以消除或減減小管段所所受變溫或或沉降應力力。水力壓接接接頭膠墊——GINA（吉那）尖尖肋形橡膠膠墊OMEGA止水帶研制制能承受大于于47米深水壓力力；滿足120年產品使用用壽命要求求；通過產品水水密封功能能試驗；質量穩(wěn)定可可靠，可批批量生產。。研發(fā)目標產品組成橡膠（丁苯苯、氯?。荒猃埡煵?；；硬質橡膠條條等。3條密封筋2層簾布OMEGA止水帶研制制產品可滿足足水深大于于45m、最大張開開量達85mm的要求自主研發(fā)了了水壓和張張開量均可可調的試驗驗臺架（取取得了專利利），通過過了最大水水壓達1.2MPa和最大張開開量達85mm的水密封實實驗；試驗驗水壓和張張開量為設設計最大值值的2.5倍。通過了大比比尺（1/3），最大水水壓超過1.2MPa的水密封實實驗。水密封試驗驗9.2.6基礎設計1.地質條件與與沉管基礎礎在一般地面面建筑中，，如果建筑筑物基底下下的地質條條件差，就就得做適當當的基礎。。在水底沉管管隧道中，，情況就完全全不同。首先，不會會產生由于于土壤固結結或剪切破破壞所引起起的沉降；；很少需要構構筑人工基基礎以解決決沉降問題題；沉管隧道施施工時是在在水下開挖挖溝槽的，，沒有產生流流砂現象的的可能；對各種地質質條件的適適應性很強強；UndergroundStructureEngineeringChapter13基槽開挖一一般采用吸吸泥船進行行，如鏈斗斗式挖泥船船、絞吸式式挖泥船、、自航耙耙吸式挖泥泥船、抓抓斗挖泥船船、鏟揚揚式挖泥船船等等?？Ｍ谠O備：：大挖深鉸吸吸挖泥船2.基礎處理其目的是因因為在開槽槽作業(yè)中，，不論是使使用哪一種種類型的挖挖泥船，挖挖成后的槽底表面總總有相當程程度的不平平整。使槽底表面與與沉管底面面之間存在在著很多不不規(guī)則的空空隙。會導致地基土受力力不勻而局部破壞壞，從而引引起不均勻勻沉降，使使沉管結構構受到較高高的局部應應力，而致致開裂。在沉管隧道道中必須進行基基礎處理——墊平，以消滅這這些有害的的空隙。UndergroundStructureEngineeringChapter13沉管隧道的的各種基礎礎處理方法法，大體上上可分為先鋪法和后后填法二大類。先鋪法是在管段沉沉設之前，，先在槽底底上鋪好砂砂、石墊層層，然后將將段沉設在在這墊層上上。適用于于底寬較小小的沉管工工程。后填法是在在管段沉設設完畢之后后，再進行行墊平作業(yè)業(yè)。后填法法大多（除除灌砂法之之外）適用用于底寬較較大的沉管管工程。各種不同的的基礎處理理方法之間間的差別，，僅是“墊墊平”途徑徑的不同而而己。UndergroundStructureEngineeringChapter131)先鋪法先鋪法實際際上是利用用刮鋪機將鋪墊材料料（砂或石石）設置成成平整的墊墊層。1－方環(huán)形浮浮箱；2－砂石喂料料管；3－刮板；4－砂石墊層層（0.6-0.9m）；5-錨塊；6－溝槽底面面；7－鋼軌；8－移形鋼梁梁美國普遍使使用樣板刮刮平的礫石石基礎。地槽挖好后后，接著便便在地槽底底上鋪一層層粗砂或礫礫石。礫石石和砂的粒粒度級配必必須與水力力條件相適適應。厚度約0.7m。礫石基礎礎的刮平度度要求為±3cm，這取決于當當地條件、、砂或礫石石的級配以以及使用的的設備后鋪法已經經成為沉管管隧道基底底處理的發(fā)發(fā)展趨勢，，我國已建的珠江江隧道采用用砂流法，，甬江隧道道采用注漿漿法。2）后填法在后填法中中，安設水水底臨時支座，，臨時支座大大多數為道道渣堆上設設置鋼筋混混凝土支承承板，也可可以采用短短樁簡易墩墩。灌砂法噴砂法灌囊法壓漿法壓砂法（1）、灌砂法法（2）、噴砂法法1－預制支承承板；2－噴砂臺架架；3－噴砂管；；4－噴入砂墊墊層噴砂法鋼門架相連連的3根毗鄰的管管子，這3根管子被引引入到隧道道管段底部部與地槽之之間的空間間。最大的管子子在中間，，通過這根根管子，砂砂水混合物物被泵送到到隧道管段段下面。位位于大管子子兩側的兩兩根管子又又將水吸回回去，從而而形成一種種流動作用用，使砂在在隧道管段段下面以一一種良好的的限定和良良好的控制制的型樣沉沉淀下來。。門架位于隧隧道管段上上面，并可可使管子繞繞垂直軸轉轉動，這樣樣就可以達達到隧道管管段下面的的整個空間間以便移動動管子。砂的平均粒粒徑約為0.5mm。砂水混合合物的濃度度和排出速速度與噴出出形成的砂砂餅的直徑徑有直接關關系。（3）、灌囊法法灌囊法系于于砂、石墊墊層面上用用砂漿囊袋袋將剩余空空隙切實墊墊密。空囊下沉，，水面灌注注混合砂漿漿。防止頂管，，需嚴密觀觀測。（4）壓漿法壓壓砂砂法隧道內部用用通常的壓漿漿設備，經經預埋在管管段底板上上帶單向閥的壓壓漿孔，向向管底空隙隙壓注混合合砂漿。3.軟弱土層中中的沉管基基礎如果沉管下下的地基土特別別軟弱，容許承載載力非常小小，則僅作作“墊平””處理是不不夠的。以砂置換軟軟弱土層；；打砂樁并加加荷預壓；；減輕沉管重重量；采用樁基。。UndergroundStructureEngineeringChapter13沉管隧道采采用樁基后后，也會遇遇到一些通通常地面建建筑所碰不不到的向題題。基樁樁頂標標高在實際際施工中不可能達到到完全齊平平。在管段沉置置完畢后，，難以保證證所有樁頂與與管底接觸觸。為使基樁受受力均勻，，在沉管基基礎設計中中必須采取取一些措施施。解決的的辦法大體上有三三種：UndergroundStructureEngineeringChapter13水下混凝土土傳力法基樁打好后后，先澆一一、二層水水下混凝土土將樁頂裹裹住。而后后再在水下下鋪上一層層砂石墊層層，使沉管管荷載經砂砂石墊層和和水下混凝凝土層傳通通到樁基上上去。砂漿囊袋傳傳力法在管段底部部與樁頂之之間，用大大型化纖囊囊袋灌注水水泥砂漿加加以墊實，，使所有基基樁均能同同時受力。。一般均在水泥砂漿漿中摻入斑斑脫土泥漿漿。UndergroundStructureEngineeringChapter13UndergroundStructureEngineeringChapter13活動樁頂法法在所有的基基樁頂端設設一小段預制制混凝土活活動樁頂。在管段沉沉設完畢后后，向活動動樁頂與樁樁身之間的的空腔中灌灌注水泥砂砂漿，將活動樁頂頂頂升到與與管底密貼貼接觸為止止。UndergroundStructureEngineeringChapter131－鋼管樁；；2－樁靴；3－水泥漿；；4－活動樁頂頂；5－預制混凝凝土樁；6－導向管；；7－尼龍布囊囊；8－灌水；9－壓漿管9.2.7豎井和引道道設計1.豎井在公路沉管管隧道中，，在豎井中中通常要設設置以下設備：通風、電電力、監(jiān)視視控制及排排水設備。。而在鐵路路沉管隧道道中，這些些設備的規(guī)規(guī)模要小很很多?；A形式是多種種多樣的，，要根據地地質條件、、隧道規(guī)模模、埋深以以及豎井的的功能要求求等條件選選定。2.引道構造通常是是明渠式的的。引道設計應應特別注意意是U形擋墻的上上浮性。UndergroundStructureEngineeringChapter13沉管隧道在在縱斷面上上一般由敞敞開段、暗暗埋段、沉沉埋段以及及岸邊豎井井等部分。。沉管隧道的的縱斷面結結構沉管隧道縱縱斷面一般般結構示意意圖香港海底沉沉管隧道縱縱剖面圖廣州珠江沉沉管隧道縱縱剖面圖9.3接縫管段處處理與防水水措施1.變形縫的布布置與構造造鋼筋混凝土土的沉管結結構，如無無適當的措措施，很容容易因隧道道的縱向變變形而開裂裂。管段在干塢塢中預制時時，兩次澆筑的的混凝土，易發(fā)生裂裂縫。不均勻沉降降、地震影影響等都可能導導致管段開開裂。UndergroundStructureEngineeringChapter13最有效的措措施是設置垂直于于隧道軸線線方向的變變形縫，把每節(jié)管管段分剖成成若干節(jié)段段。根據各各國的實踐踐經驗，節(jié)節(jié)段的長度度不宜過大大，一般為15～20m左右。變形縫的構構造要滿足三個個主要要求求:能適應一定定幅度的線線變形與角角變形；施工階段能能傳遞彎矩矩，使用階階段能傳遞遞剪力；變形前后均均能防水。。UndergroundStructureEngineeringChapter13變形縫每節(jié)管段分分割成若干干節(jié)段，一一般為15～20m左右右。。臺階階形形變變形形縫縫1－沉沉管管外外側側；；2－沉沉管管內內側側；；3－卷卷材材防防水水層層；；4－鋼鋼邊邊橡橡膠膠止止水水帶帶；；5－瀝瀝青青防防水水；；6－瀝瀝青青填填料料；；7－鋼鋼筋筋混混凝凝土土保保護護層層橡膠膠止止水水帶帶UndergroundStructureEngineeringChapter13變形形縫縫的的各各組組成成部部分分中中，，最最為為主主要要的的是是既既能能適適應應變變形形，，又又能能有有效效地地堵堵住住滲滲漏漏的的止止水水縫縫帶帶，，又又簡簡稱稱作作止水水帶帶。止水水帶帶的的種種類類與與型型式式很很多多。。銅片片等金金屬屬止止水水帶帶現現已已很很少少采采用用。。塑料料（聚聚氯氯乙乙烯烯））止止水水帶帶彈彈性性較較差差，，只只能能適適應應幅幅度度較較小小的的變變形形，，預預制制管管段段中中用用得得不不多多。。在管管段段中中用用得得較較普普遍遍的的是是橡膠膠止止水水帶帶和和鋼鋼邊邊橡橡膠膠止止水水帶帶。。橡膠膠止止水水帶帶的的型型式式，，有有平平板板形形的的，，有有帶帶管管孔孔的的。。帶帶管管孔孔的的具具有有較較高高的的柔柔度度，，能能承承受受較較大大的的剪剪切切差差動動變變形形。。2.止水水縫縫帶帶形式式：：均由由本本體體與與錨錨著著部部兩兩部部分分組組成成;變形形縫縫的的張張開開度度、、本本體體部部的的寬寬度度。。這這兩兩個個因因素素共共同同決決定定著著止止水水帶帶所所受受拉拉力力。。鋼邊邊橡橡膠膠止止水水帶帶，，系系于于橡橡膠膠止止水水帶帶兩兩側側錨錨著著部部中中加加鑲鑲一一段段薄薄鋼鋼板板，，其其厚厚度度僅僅0.7mm左右右，，初初于于荷荷蘭蘭的的凡凡爾爾遜遜（（Velsen,1957）。。3.鋼殼殼與與防防水水鋼鋼板板鋼殼殼防防水水雖雖已已不不再再常常用用，，但但到到七七十十年年代代仍仍有有一一些些工工例例繼繼續(xù)續(xù)采采用用它它，，目目的的是是縮小小干干塢塢規(guī)規(guī)模模。鋼殼殼的的缺缺點點：：耗鋼鋼量量大大焊接接質質量量不不保保證證防銹銹問問題題仍仍未未切切實實解解決決鋼板板與與混混凝凝土土之之間間粘粘結結不不良良UndergroundStructureEngineeringChapter134.卷材材防防水水與與涂涂料料防防水水卷材材防防水水層層是用用膠膠料料把把多多層層瀝瀝青青類類卷卷材材或或合合成成橡橡膠膠類類卷卷材材膠膠合合成成的的粘粘貼貼式式防防水水層層。。沉管管隧隧道道外外防防水水用用的的卷卷材材，，以以選選用用織織物物卷卷材材為為宜宜，，取取其其強強度度大大，，韌韌性性好好。。尤尤其其是是玻玻璃璃纖纖維維布布油油氈氈更更適適于于水水下下或或地地下下工工程程，，目前前涂料料在在管管段段防防水水上上尚尚未未普普遍遍推推廣廣，UndergroundStructureEngineeringChapter139.4沉管管隧隧道道施施工工過過程