1、9 沉管结构,9.1 概述 水底隧道的施工方法： 围堤明挖法、矿山法、气压沉箱法、盾构法以及沉管法。 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； 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 。,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。 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）和台湾。,过程,沉管法亦曾称作预制管段沉放法； 先在隧址以
2、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。 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”。,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。 （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；（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,9.2 沉管结构设计,沉管式水底隧道的设计： 包括几何设计、通风设计、照明设计、结构设计、内装设计、给排
3、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,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。 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,（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的两种； （3）假定地基为半无限弹性体，按弹性理论计算反力。,9.2.2浮力设计,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，与风浪后产生反向力矩，保持平衡。
4、 干舷的高度应适中，过小则稳定性差，过大时沉设困难。,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,在管段沉设施工阶段，应采用1.051.1的抗浮安全系数。 管段沉设完毕后，务必大于1.05，防止“复浮”。 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,沉管结构的外廓尺寸，必须通过浮力设计才能确定 ; 沉管结构的外廓高度，往往超过车道净空高度与顶底板厚度之和。,9.2.3结构分析与配筋,1）.断面结构分析 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。 避免采用
5、剪力钢筋 ,常采用变截面或折拱形结构 。 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,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。 使用阶段的沉管纵向受力分析，一般按照弹性地基梁理论进行计算。,3） 配 筋,沉管结构的混凝土强度等级，宜采用C30-C40。 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,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
6、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。 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 。,(a)Almendares (b)Lafontaine 1-预应力索；2临时拉索；3防水层,9.3 接缝管段处理与防水措施,9.3.1变形缝的布置与构造 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,每节管段分割成若干节段，一般为1520m左右 。,变形缝须满足,1.能适应一定幅度的线变形与角变形。2.在浮运、沉设时能传递纵向弯矩。 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
7、排纵向钢筋，全部切断。 3.在任何情况下能传递剪力 变形前后均能防水，,台阶形变形缝回幻片13,1沉管外侧；2沉管内侧；3卷材防水层；4钢边橡胶止水带； 5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,普遍的是橡胶止水带和钢边橡胶止水带。 1)橡胶止水带 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,潮湿、无日照及温度较低 等环境理想。 地下工程中的橡胶止水带的耐用寿命应在六十年以上。 经老化加速实验亦可断定其安全年限超过100年。,形式：,均由本体与锚着部两部分组成; 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
8、带所受拉力。,2)钢边橡胶止水带,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,沉管外防水和沉管自防水两类; 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； 自防水主要是采用防水混凝土。,9.3.4钢壳与钢板防水,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 ; 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;,9.3.5卷材防水,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。 均用浇油摊铺法粘贴 ; 卷材粘贴完毕后，须
9、在外边加设保护层。 到幻片6,9.3.6涂料防水,施工工艺较繁，施工操作工程中会造成“起壳” ，无法补救； 抗拉伸能力较差。,9.4管段沉设与水下连接,1)分吊法 24艘起重船或浮箱,浮筒吊沉法,浮箱吊沉法,2）扛吊法,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,9.4.2水下连接,早期采用灌筑水下混凝土施工法 ； 二十世纪五十年代末，加拿大的台司隧道采用水力压接法。 用水力压接法进行水下连接的主要工序是： 对位拉合压接拆除端封墙,9.5 管段接头,管段接头的构造，主要有刚性接头和柔性接头两种。 9.5.1刚性接头 刚性接
10、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，形成一个永久性接头。 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,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,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,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； 先铺法有刮砂法，刮石法等； 后填法有灌囊法，压浆法，压砂法等。,1)先铺法,先铺法实际上是利用刮铺机
11、将铺垫材料（砂或石）设置成平整的垫层。,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,2）后填法,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。,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,（3）、灌囊法,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。空囊下沉，水面灌注混合砂浆。 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,一般的解决办法有： （1）以粗砂置换软弱土层； （2）打砂桩，并加荷预压； （3）减轻沉管重量 （4）采用桩基。,沉管隧道中 ，群桩的桩顶标高不等； 采取措施以使各桩能均匀受力 ： 水下混凝土传力法； 灌囊传力法； 活动桩顶法,1钢管桩；2桩靴；3水泥浆；4活动桩顶；5预制混凝土桩； 6导向管；7尼龙布囊；8灌水；9压浆管,
