第七章沉管结构

安徽建筑工业学院地下结构工程主讲教师：席培胜第7章沉管结构（亦曾称作预制管段沉放法）沉管法是在水底建筑隧道的一种施工方法。其施工顺序是先在船台上或干坞中制作隧道管段（用钢板和混凝土或钢筋混凝土），管段两端用临时封墙密封后滑移下水(或在坞内放水)，使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。定位后,向管段内加载,使其下沉至预先挖好的水底沟槽内。管段逐节沉放，并用水力压接法将相邻管段连接。最后拆除封墙，使各节管段连通成为整体的隧道。在其顶部和外侧用块石覆盖，以保安全。水底隧道的水下段，采用沉管法施工具有较多的优点。50年代起，由于水下连接等关键性技术的突破而普遍采用，现已成为水底隧道的主要施工方法。用这种方法建成的隧道称为沉管隧道。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。（解决了两项关键技术——水力压接法和基础处理，）混凝土管段沉管隧道大多数在欧洲，其中约有一半在荷兰。日本第一座沉管隧道是1944年为大阪地铁网修建的。至1994年11月，共修建了18座沉管隧道。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。沉管法的主要优点、缺点与建桥相比1、不影响任何航运；2、不受恶劣气候影响；3、抵抗战争破坏和抗自然灾害的能力强；4、能做到不拆迁或少拆迁，可降低造价；5、超载能力远高于桥梁；6、对生态环境干扰影响小，不会引起河床的变化；7、水下隧道结构抗腐蚀性强，耐久性好；8、结构维护保养费用比桥梁低得多；9、建设用钢量比桥梁少；10、设计时比较容易做到一隧多用，可以安排城市供水、供电、供气、通信管道等通过。基槽开挖方法:对开挖来说，人们所熟悉的技术例如戽斗式挖泥机、带切泥头或吸泥头的吸泥机或挖泥机和带抓斗的起重机都是可以选择的。切泥头挖泥机是对要浚挖的泥土进行混搅成浆后吸走。如使用浮放管路排泥时，这种挖泥机的垂直运输是封闭的，而且最后的水平运输也是封闭的。这样对环境的影响就比较小。戽斗式挖泥机在垂直运输泥土时，以及当泥土卸进驳船中供水平运走时产生的溢出都会对环境造成污染。与戽斗式挖泥机一样，带抓斗的起重机对环境也有同样不利的影响。接头设计和处理技术是沉管隧道的关键技术之一，接头的设计应能承受温度变化、地震力以及其它作用并保证隧道接头具有良好的水密性。接头可分为两种形式：一种接头具有与其连接管段相似的断面刚度和强度——刚性接头；另一种接头则允许在三个主轴方向上有相对位移——柔性接头。接头的位置、间距和形式应按照土壤条件、基础形式、抗震以及可加工性来决定。同时，还应考虑接头的强度、变形特性、防水、材料以及细部构造。沉管隧道设计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；圆形沉管、矩形沉管沉管结构设计钢壳沉管；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结构。钢筋混凝土沉管。主要有钢筋混凝土组成，外涂防水涂料。材料截面形状空间利用率造价抗腐蚀性耐久性钢壳沉管钢壳、钢混、混凝土圆形较低高较差较差钢混沉管钢筋混凝土矩形大较低较好较好钢壳与混凝土沉管对比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。序号荷载类型横向竖向1水土压力、结构自重、管段内外压载重√√2管内建筑及车辆荷载√√3混凝土收缩应力√4浮力和地基反力√√5施工荷载√√6温差应力√√7不均匀沉降产生的应力√8沉船抛锚及河道疏浚产生的特殊荷载√√9地震荷载√√沉管荷载水压力分别计算正常的高、低潮水位的水压力；台风或百年一遇的特大洪水位水压力。浮力等于沉管排水量。施工荷载端封墙；定位塔；压载。沉船荷载50—130KN/m2地基反力分布假设反力按直线分布；反力强度与各点地基沉降量成正比；地基为半无限弹性体，按弹性理论计算反力。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。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1.05～1.1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。沉管结构设计横向结构设计管段横断面内力一般按照弹性支撑箱形框架结构计算；假定构件尺寸分析内力修正尺寸复算内力纵向结构设计施工阶段计算浮运、沉设施工荷载所引起的内力。使用阶段按照弹性地基梁理论进行计算；沉管基础设计开槽前槽底上的压力管段沉设、覆土完毕后基础施工方法:现有三种不同的基础，欧洲普遍使用喷砂和注砂基础（后铺法），美国普遍使用样板刮平的砾石基础（先铺法）。样板刮平的砾石基础一般用于北美的钢壳管段隧道。地槽浚瓦好后，接着便在地槽底上铺一层粗砂或砾石。砾石和砂的粒度级配必须与水力条件相适应：即水流越大级配越高。这层厚度约0.7mm。必须注意砾石基础的刮平度。要求的平顺精度为±3cm，这取决于当地条件、砂或砾石的级配以及使用的设备。刮平是用一块样板来进行的，样板从滑架上的绞盘车上悬挂下来，滑架沿支承在两个浮筒上的轨道滚动。这套设备锚定在要刮平处的水面上，样板的的悬挂高度可以调节以补偿潮汐水位的变化。为了尽可能排除来自水面的影响，可以采用按半潜水的原则制成的特殊设备。这种方法允许样板直接连到锚墩上。喷砂基础建造砂基础的第一个系统用的是C&N法（ChrisTIAni&Nielson法），即使用在隧道管段上方滚动的钢门架，与门架相连的为三根毗邻的管子，这三根管子被引入到隧道管段底部与地槽之间的空间。最大的管子在中间，通过这根管子，砂水混合物被泵送到隧道管段下面。位于大管子两侧的两根管子又将水吸回去，从而形成一种流动作用，使砂在隧道管段下面以一种良好限定和良好控制的型样沉淀下来。门架位于隧道管段上面并可使管子绕一垂直轴转动，这样就可以做到隧道管段下面的整个空间都可以达到。隧道管段下面需有约1m的空间以便移动管子。砂必须是干净的，砂的平均粒径约为0.5mm。砂水混合物的浓度和排除口速度与喷出形成的砂饼的直径有直接关系，必须很好地控制。注砂基础为了避免使用门架（因门架可能妨碍航运交通），以及为了在更深的隧道下面铺设基础，开发出砂流注砂法。这种方法像喷砂法一样把砂水混合物泵送到管段下面的空间里。只不过不是使用可移动的系统，而是在隧道管段底板上开许多孔口，这些孔口与放在管段里面相连。当管道从岸上经过隧道通到这些孔口处进行充填砂基时，不会影响航运。砂水混合物通过在隧道管段内的孔口泵出，去填充隧道管段下面的空间直到砂堆接触到隧道管段的底部为止。这样就在隧道管段下面形成一个扩大的砂饼。直到砂饼内部的水压超过了预先指定的最大值，然后才打开下一个孔口，同时将前一个孔口关闭。这种方法速度快，能在24小时内填满一个隧道管段下面的整个空间，这样就能避免管段放置后产生淤积的危险。样板刮平的砾石基础一般用于北美的钢壳管段隧道。地槽浚瓦好后，接着便在地槽底上铺一层粗砂或砾石。砾石和砂的粒度级配必须与水力条件相适应：即水流越大级配越高。这层厚度约0.7mm。必须注意砾石基础的刮平度。要求的平顺精度为±3cm，这取决于当地条件、砂或砾石的级配以及使用的设备。刮平是用一块样板来进行的，样板从滑架上的绞盘车上悬挂下来，滑架沿支承在两个浮筒上的轨道滚动。这套设备锚定在要刮平处的水面上，样板的的悬挂高度可以调节以补偿潮汐水位的变化。为了尽可能排除来自水面的影响，可以采用按半潜水的原则制成的特殊设备。这种方法允许样板直接连到锚墩上。喷砂基础建造砂基础的第一个系统用的是C&N法（ChrisTIAni&Nielson法），即使用在隧道管段上方滚动的钢门架，与门架相连的为三根毗邻的管子，这三根管子被引入到隧道管段底部与地槽之间的空间。最大的管子在中间，通过这根管子，砂水混合物被泵送到隧道管段下面。位于大管子两侧的两根管子又将水吸回去，从而形成一种流动作用，使砂在隧道管段下面以一种良好限定和良好控制的型样沉淀下来。门架位于隧道管段上面并可使管子绕一垂直轴转动，这样就可以做到隧道管段下面的整个空间都可以达到。隧道管段下面需有约1m的空间以便移动管子。砂必须是干净的，砂的平均粒径约为0.5mm。砂水混合物的浓度和排除口速度与喷出形成的砂饼的直径有直接关系，必须很好地控制。注砂基础为了避免使用门架（因门架可能妨碍航运交通），以及为了在更深的隧道下面铺设基础，开发出砂流注砂法。这种方法像喷砂法一样把砂水混合物泵送到管段下面的空间里。只不过不是使用可移动的系统，而是在隧道管段底板上开许多孔口，这些孔口与放在管段里面相连。当管道从岸上经过隧道通到这些孔口处进行充填砂基时，不会影响航运。砂水混合物通过在隧道管段内的孔口泵出，去填充隧道管段下面的空间直到砂堆接触到隧道管段的底部为止。这样就在隧道管段下面形成一个扩大的砂饼。直到砂饼内部的水压超过了预先指定的最大值，然后才打开下一个孔口，同时将前一个孔口关闭。这种方法速度快，能在24小时内填满一个隧道管段下面的整个空间，这样就能避免管段放置后产生淤积的危险。软土层中沉管基础置换法；砂桩预压；减轻沉管重量；桩基。