《地下建筑结构》第二版(朱合华)中文课件(11).ppt

11 沉管结构,同济大学地下建筑与工程系,,11.1 概述 11.2 沉管结构的设计 11.3 沉管的防水设计 11.4 变形缝与管段接头设计 11.5 沉 管 基 础 设 计,,11.1 概述 江河湖海、港湾渡越有轮渡、桥梁、水底隧道等 桥梁跨度、桥下净空高度、引桥长度都受到水文地质条件和航道要求的制约桥梁的运营条件也受气候条件的影响 水底隧道经济、合理，运营可以是全天候的，不需地面土地动迁、影响环境11.1.1 水底隧道的主要施工方法 构筑围堰，明挖施工最为简单，较常用的是盾构法和沉管法 沉管法的主要优点是： （1）隧道可紧贴河床最低点设置，隧道较短； （2）隧道主体结构在干坞中工厂化预制，因而可保持良好的制作质量和水密性； （3）对地基的适应性强； （4）接头数量少，只有管节之间的连接接头，由于采用了GINA和OMEGA止水带两道防水屏障，隧道的防水性能好沉管的主要缺点有： （1）需要一个站用较大场地的干坞，这在市区内有时很难实施，需在远离市区较远的地方建造干坞； （2）基槽开挖数量较大且需进行清淤，对航运和市区环境的影响较大另外，河（海）床地形地貌复杂的情况下，会大幅增加施工难度和造价 （3）管节浮运、沉放作业需考虑水文、气象条件等的影响，有时需短期局部封航。

另外，水体流速会影响管段沉放的准确度，超过一定的流速可能导致沉管无法施工11.1.2 沉管隧道施工,（一）沉管施工法简介 先在隧址以外建造临时干坞，在干坞内制作钢筋混凝土的隧道管段（道路隧道用的管段每节长60～140m 两端用临时封墙封闭 向临时干坞内灌水，使管段逐节浮出水面，并用拖轮拖运到指定位置 于设计隧位处预先挖好一个水底沟槽 待管段定位就绪后，向管段里灌水压载，使之下沉 沉设完毕的管段在水下联接起来 进行基础处理，经覆土回填后，便筑成了隧道a）沉管隧道的施工工艺流程图,,,（b）沉管施工场景图 图11-2 沉管施工法,,（二）沉管隧道的特点 1．隧道的施工质量容易控制 预制管段在临时干坞里浇筑，施工场地集中，管理方便，沉管结构和防水层的施工质量均比其它施工方法易于控制 在隧址现场施工的隧管接缝非常少，漏水的机会亦相应地大为减少 采用水力压接法，接缝能够保证达到“滴水不偏”2．建筑单价和工程总价均较低 （1）水上挖土单价比地下挖土低； （2）每节长达 100m左右的管段，整体制作，完成后从水面上整体拖运，所需的制作和运输费用比大量管片分块制作，完成后用汽车运送到隧址工地所需的费用要低得多； （3）接缝数量少，费用随之亦少等。

（4）沉管所需覆土很薄，甚至可以没有，水底沉管隧道的全长总比盾构隧道短得多，工程总价乃相应大幅度降低3．隧位现场的施工期短在市区里建设水底隧道时，城市生活因施工作业而受干扰和影响的时间，以沉管隧道为最短 4．操作条件好基本上没有地下作业，水下作业亦极少，气压作业则完全不用施工较为安全 5．对地质条件的适应性强，能在流砂层中施工，不需特殊设备或措施 6．适用水深范围几乎是无限制的，以潜水作业的最大深度作为限度，则沉管隧道的最大深度可达70m7．断面形状选择的自由度较大，断面空间的利用率较高一个断面内可容纳4～8个车道 8．水流较急时，沉设困难，须用作业台施工 9．施工时须与航道部门密切配合，采取措施（如暂时的航道迁移等）以保证航道畅通11.1.3 沉管隧道的设计 水底道路用的沉管隧道，设计内容较多，涉及面较广，主要有： 总体几何设计；结构设计；通风设计；照明设计；内装设计；给排水设计；供电设计；运行管理设施设计等 其中总体几何设计非常重要，常是决定隧道工程设计成败的一个关键 总体几何设计的构思是否先进，对整个工程的经济性和合理性常带来根本性的影响图11-3 沉管隧道的断面（矩形）,11.2 沉管结构的设计 11.2.1 沉管结构的类型,钢壳沉管和钢筋混凝土沉管。

钢壳沉管为外壁或内外壁均为钢壳，中间为钢筋混凝土或混凝土，钢壳和混凝土共同受力的复杂结构 钢壳在船坞内预制，下水后浮在水面浇灌钢壳内的大部分混凝土，钢壳既是浇灌混凝土的外模板又是隧道的防水层，省去了钢筋混凝土管段预制所需的干坞工程 隧道耗钢量大，钢壳制作的焊接工作量大，防水质量难以保证； 钢壳的防腐蚀、钢壳与混凝土组合结构受力等问题不易得到较好解决，且施工工序复杂；钢壳沉管由于制造工艺及结构受力等原因，断面一般为园型，每孔一般只能容纳两车道，断面利用率很低，不经济钢筋混凝土沉管主要由钢筋混凝土组成，外涂防水涂料 沉管预制一般在干坞内进行，临时干坞工程量较大；管段预制时须采取严格的施工措施防止混凝土产生裂缝 钢筋混凝土沉管用钢量少，造价相对较低钢筋混凝土管段一般采用矩形断面，断面利用率高，多管孔可随意组合11.2.2 沉管结构的荷载 作用在沉管结构上的荷载计有： 结构自重；水压力；土压力；浮力；施工荷载；预应力；波浪和水流压力；沉降摩擦力；车辆活载；沉船荷载；地基反力；混凝土收缩影响；变温影响；不均匀沉陷影响；地震荷载等只有结构自重及其相应的地基反力是恒载 水压力是主要荷载之一设计时要按各种荷载组合情况分别计算正常的高、低潮水位的水压力，以及台风时或若干年一遇（如100年一遇）的特大洪水位的水压力。

土压力是另一主要荷载，且常不是恒载要考虑河床变迁所产生的附加土荷载作用在管段侧边上的水平土压力，在隧道刚建成时，侧向土压力往往较小，以后逐渐增加，最终可达静止土压力设计时应按不利组合分别取用其最小值与最大值 浮力也不是个常量浮力应等于排水量，但作用于沉设在粘性土层中的管段上的浮力，有时也会由于“滞后现象”的作用而大于排水量施工荷载主要是端封墙、定位塔、压载等重量 波浪力一般不大，不致影响配筋 水流压力对结构设计影响亦不大，但必须进行水工模拟试验予以确定，以便据以设计沉设工艺及设备 沉降摩擦力是在覆土回填之后，沟槽底部受荷不均，沉降亦不均的情况下发生的在沉管侧壁防水层之外再喷涂一层软沥青，则可使此项沉降摩擦力大为减小图11-4 沉降摩擦力,,车辆活载在进行横断面结构分析、道路隧道的纵断面结构分析时，常略去不计 沉船荷载是船只失事后恰巧沉在隧道顶上时，所产生的特殊荷载 应视船只的类型、吨位、装载情况、沉设方式、覆土厚度、隧顶土面是否突出于两侧河床底面等等许多因素而定，常假定为50～130kN/m2左右 其发生的机率太小，犹如设计地上建筑时没有必要考虑飞机的失事荷载一样地基反力的分布规律，有不同的假定 反力按直线分布； 反力强度与各点地基沉降量成正比（文克尔氏假定） 假定地基为半无限弹性体，按弹性理论计算反力。

图11-5 地基反力假设的一例,,有采用单一地基系数的，亦有采用多种地基系数的 混凝土收缩影响系由施工缝两侧不同龄期混凝土的（剩余）收缩差所引起，应按初步的施工计划，规定龄期差并设定收缩差 变温影响主要由沉管外璧的内外侧温差所引起设计时可按持续5～7天的最高气温或最低气温计算计算时可采用日平均气温，不必按昼夜最高或最低气温计算计算变温应力时，还应考虑徐变影响 管段计算应根据管段在预制、浮运、沉设和运营等各不同阶段进行荷载组合，一般考虑以下三种： A基本荷载； B 基本荷载+附加荷载； C 基本荷载+偶然荷载11.2.3 沉管结构的浮力设计 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 （一）干舷 管段在浮运时，为了保持稳定，必须使其管顶露出水面，露出的高度就称作为干舷 具有一定干舷的管段，遇到风浪而发生倾侧后，它就会自动产生一个反倾力矩M，使管段恢复平衡 一般矩形断面的管段，干舷多为10～15cm，而圆形、八角形或花篮形断面的管段，则因顶宽较小，故干舷高度多采用40－50cm图11-6 管段的干弦与反倾力矩,,,干舷高度不宜过小，否则稳定性差。

也不宜过大，因为管段沉设时，首先要灌注一定数量的压载水，以消除上述干舷所代表的浮力而下沉干舷越大，所需压载水罐〔或水柜）的容量就越大，就不经济图11-7 圆形、八角形和花篮形断面,,极个别的情况下，由于沉管的结构厚度较大，无法自浮（即没有干舷），则须于顶部设置浮筒助浮，或在管段顶上设置钢围堰，以产生必要的干舷 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; 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 应按最大的混凝土重度，最大的混凝土体积和最小的河水比重来计算干舷二）抗浮安全系数 在管段沉设施工阶段，应采用1.05～1.10的抗浮安全系数 由于在管段沉设完毕，进行抛土回填时，周围的河水会一时混浊，其比重将大于原来的河水比重，浮力亦即相应增加 施工阶段的抗浮安全系数，应针对覆土回填开始前的情况进行计算，务必确保在1.05 以上，否则很易导致“复浮”、使施工遭受麻烦 临时安设在管段上的施工设备（如索具，定位塔，出入筒，端封墙等）的重量，均应不计在覆土完毕后的使用阶段，应采用1.2～1.5的抗浮安全系数 计算使用阶段的抗浮安全系数时，可考虑两侧填土的部分负摩擦力作用。

进行浮力设计时，应按最小的混凝土容重和体积，最大的河水比重来计算各个阶段的抗浮安全系数三）沉管结构的外轮廓尺寸 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 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，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 （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级以上的钢筋钢筋的容许应力一般限于135～160MPa，设计时采用的容许应力可按不同的荷载组合条件，分别加以相应的提高率： A 结构自重＋保护层、路面、压载重量＋覆土荷载十土压力＋高潮水压力 0% B 结构自重＋保护层、路面、压载重量＋覆土荷载＋土压力＋低潮水压力 0% C 结构自重＋保护层、路面、压载重量十覆土荷载＋土压力＋台风时或特大洪水位水压力 30 % D A＋变温影响 15％ E A十特殊荷载（如沉船、地震等）混凝土的主拉应力 30％ 其他应力 50％ 沉管结构的纵向钢筋，一般不应少于0.25％。

11.2.5 预应力的应用 当隧孔跨度较大（例如车道数较多，达三车道以上。