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1、08建筑与土木工程（上海）工程硕士课程,地下建筑结构（第五讲）Tunneling Mechanics and Engineering,第五讲：沉管隧道设计理论与施工技术1 沉管法简介2 沉管隧道的特点3 沉管隧道的类型4 沉管隧道结构设计5 沉管隧道管段制作6 沉管隧道水底浚挖7 沉管沉设及水下连接,主要内容,1 沉管法简介,什么是沉管法？修建水底隧道的方法之一（盾构法、矿山法、气压沉箱法、围堰明挖法）由若干个预制的管段（节）组成，管段依次浮运到施工水面现场，一个接一个地沉放在预先挖好的地槽（基槽）内,连接后成为水底隧道。其施工方法为“沉管法”,1 沉管法简介,船台或临时干圬内制作隧道管段（6
2、0140 m）管段两端加临时封堵墙封堵将管段拖运到设计隧址隧址处水底基槽浚挖和基础处理（同步）管段定位、压载、沉放管段水下连接覆土回填,1 沉管隧道简介,沉管法隧道的发展状况沉管隧道开始于191O年，美国跨越底特律河的世界第一座双线铁路沉管隧道；荷兰1941年开始鹿特丹Maas隧道施工，标志欧洲开始使用沉管隧道；沉管隧道在经济、技术上的独特优点，并随着一些关键技术（防水技术、浮运沉放技术等）的逐步解决和日趋完善，沉管隧道受到很多国家重视，并已被广泛采用；世界上已建和在建的沉管隧道有100多座；沉管隧道的管段尺寸一般很大，所处的环境条件也较复杂。,台湾高雄l座；香港已建5座（至1998年）；广州
3、已建有珠江地铁沉管隧道（1993年）：长120 m，总宽33 m；浙江宁波建有甬江公路沉管隧道（1995年）；上海外环沉管隧道,1 沉管隧道简介,2 沉管隧道的特点,沉管法隧道的优点与桥梁相比：从航运角度看，沉管隧道优势明显，桥梁由于净空高度问题对航运的影响较大；其次从船舶航行和大桥安全角度看，在某一段距离内建多座桥梁不利于安全，如南京新旧大桥相距约5 km，若在其中再建造一座大桥，船舶碰撞桥墩的几率将会大大增加；从气象条件看，大风及雾对船舶过桥影响较大，而水下隧道则不受气象条件的影响，可全天候运行。,拆迁费用、造价,2 沉管隧道的特点,沉管法隧道的优点与盾构法相比：沉管法对地层条件要求不高，
4、它不怕松软的地层，基本上不受地质条件的限制，对地基要求的允许承载力也低；沉管埋深很浅，一般管段的顶部离河床1 m即可，而盾构法一般要求在10 m左右；沉管断面空间利用率高，可采用48车道；沉埋法工序可平行作业，缩短工期，如基槽开挖、管段预制、浮运沉放等可平行作业；沉埋法采用先进Gina止水带，再加上整体预制可大大提高质量并加外防水，其防水性能在大大优于管片作村砌的盾构隧道。可做到滴水不漏。,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
5、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。,3 沉管隧道的类型,按断面形状：圆形矩形等按建筑材料：钢壳混凝土 钢筋混凝土按管段的制作方式：船台型干圬型,3 沉管隧道的类型,船台型1）造船厂船台上预制钢壳2）滑行下水，水上悬浮状态灌注混凝土3）横断面一般为圆形、八角形、花篮形优点：1）圆形，弯矩较小；水深大时，较经济2）管段底宽小，基础容易处理3）钢外壳既是外模，又是防水层，同时保护内侧混凝土4）工期短，特别是需要的管段较多时缺点：1）断面空间不能充分利用；车道数
6、少2）隧道深度增加，基槽土方量增加3）耗钢量大，造价高，焊接质量无法保证，没完没了的堵漏4）钢壳防锈问题、防水问题。,3 沉管隧道的类型,干圬型1）临时干圬中制作钢筋混凝土管段，外涂 防水涂料2）圬内灌水，管段上浮；拖运到隧址陈设3）断面多为矩形优点：1）不占船厂设备，不影响造船生产2）断面利用率高，车道数多，48车道3）隧道埋深减小，全长缩短，土方量小4）节约钢材缺点：1）混凝土工艺要求高（干舷、抗浮安全系数）2）普通混凝土难以防水，需考虑防水措施,沉管隧道的设计 设计内容主要有：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
7、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。,4 沉管隧道结构设计,沉管隧道的浮力设计干舷计算管段浮运时，露出水面的高度，称为干舷作用：产生反倾力矩保持管段稳定尺寸：矩形断面干舷1015 cm（不宜太小或太大）圆形4050 cm考虑到混凝土容重、模壳尺寸的误差以及水流比重的变化，计算干舷时，按最大混凝土容重、最大混凝土体积、最小水流比重计算个别情况用浮筒助浮,4 沉管隧道结构设计,沉管隧道的浮力设计抗浮安全系数计算管段沉设阶段，抗浮安全系数1.051.1抛土回填时，考虑到水流比重增加导致浮力增加，抗浮安全系数需确保大于
8、1.05施工阶段的抗浮计算，不考虑临时施工设备的重量使用阶段，抗浮安全系数1.21.5各个阶段的抗浮安全系数按照最小的混凝土容重和体积，最大的河水比重计算混凝土的重度取值：？怎样兼顾：浮运、下沉、运行时的抗浮？配置压载水箱、路面混凝土压载,4 沉管隧道结构设计,沉管结构的荷载（17种）结构自重水压力（主要）高、低潮位；若干年一遇的特大洪水水位等土压力（主要）浮力施工荷载定位塔、封端墙、出入筒、压载水柜、索具浮箱等重量；吊索拉力、支座反力等波浪力（一般不大）波长等于管段全长，波高1 m，顶部浸水长度为管段60,4 沉管隧道结构设计,沉管结构的荷载水流压力负摩擦力管段底部沉降小，两侧沉降大喷涂软沥
9、青降阻车辆活载（忽略）沉船荷载 50130 kN/m2投锚与拖锚荷载覆土厚度超过2 m时，可不考虑投锚垂直荷载拖锚水平荷载根据锚链的极限强度确定,隧道内爆炸荷载地基反力可按直线分布、文克尔假定、半无限弹性体理论等计算混凝土收缩影响温度应力沉管外壁内外温差引起不均匀沉降影响软弱地层、不均匀地层等地震荷载,4 沉管隧道结构计算,沉管结构内力计算横向内力分析假定截面尺寸分析内力修正尺寸复算内力常采用变截面或拱形结构，用以改善结构的受力弹性地基上的葙形框架，应选取若干个代表截面计算超静定结构：弯矩分配法，矩阵位移法（杆系有限元）、连续体有限元,沉管结构内力计算纵向内力分析浮运、沉设等阶段时主要由施工荷
10、载引起的内力使用阶段：弹性地基梁理论计算纵向内力混凝土 C30 C45裂缝宽度：控制0.150.2 mm,4 沉管隧道结构计算,5 沉管隧道管段制作,临时干坞干坞构造（1）规模取决于管段节数、管段宽度与长度、管段预制批量小型干圬：分批制作瑞典Tingstad隧道（5节管段，长93.5 m，80 m，宽30 m）：干圬3500 平米（10035 m）大型干圬：一批制作日本东京港水底隧道（9节管段，长115 m，宽37.4 m）：干圬81270 平米（645126 m）,5 沉管隧道管段制作,临时干坞干坞构造（2）深度保证管段制作好后能顺利浮运出圬。低水位时露出顶面；高水位时有足够水深安设浮箱；中
11、水位时管段可自由浮升（3）边坡需进行边坡稳定性分析可采用防渗墙及井点系统分批制作时，需分析干圬排水时边坡的稳定性（4）坞底23-30 cm无筋混凝土或钢筋混凝土（铺砂砾或碎石层）或1-2.5 m的黄砂；上覆20-30 cm砂砾或碎石一般坞底强度不存在问题,5 沉管隧道管段制作,临时干坞干坞构造（5）坞首、闸门一批制作时：土围堰、钢板桩围堰；局部拆除围堰，将管段拖运出圬分批制作时：双排钢板桩围堰；单排钢板桩作坞门,干坞中主要设备：包括：混凝土搅拌站、水平运输车辆、起重设备、钢筋成型设备等,5 沉管隧道管段制作,管段制作钢筋混凝土结构施工缝、变形缝的控制纵向施工缝：竖墙下端30-50cm处横向施工
12、缝：垂直缝（水密性难以保证）设置垂直于隧道轴线方向的变形缝，以防止管段开裂，长短一般为15-20 m,变形缝的构造要满足三个主要要求：（1）能适应一定幅度的线变形与角变形；变形缝左右二侧管段节段的端面之间，要留一小段间隙，间隙的宽度，应按变温幅度与角变量来决定，一般不少于2cm。（2）施工阶段能传递湾矩，使用阶段能传递剪力；变形缝一定要能传递由波浪引起的纵向弯矩。可将变形缝处的外侧纵向钢筋切断，而临时保留内侧纵向钢筋，待沉设完毕后，再予切断为传递横向剪力，宜采用台阶缝，（3）变形前后均能防水。为保证变形前后均能防水，一般均于变形缝处设置一道止水缝带,5 沉管隧道管段制作,管段制作钢筋混凝土结构
13、施工缝、变形缝的控制变形缝的止水措施：1）设置一至二道止水缝；2）止水缝要求既能变形，又能有效截止渗流,图 11-16 刚边橡胶止水带 1刚边（0.7mm厚钢板）,5 沉管隧道管段制作,管段制作封端墙设置于管段两端50-100 cm处木料、钢材或钢筋混凝土制成设计时按最大静水压力考虑封端墙上需设排水阀（下部）、进气阀（上部）、人员出入孔压载设备石碴、矿碴或者水在管段内安设压载容器（小型浮筒、木板水箱等）水箱容量取决于干舷大小、下沉力、基础压重等每只管段4只水箱，均匀布置于四角,6 沉管隧道水底浚挖,沉管基槽基槽断面底宽：大于管段宽度46 m深度：覆盖层厚+管段高度+基础处理所需超挖深度坡度：土
14、层条件、基槽留置时间、水流情况等,6 沉管隧道水底浚挖,浚挖方式挖泥船选择吸扬式挖泥船生产效率高；成本低；开挖面平整度好抓扬式挖泥船造价低；浚挖深度大（沉管隧道常用船舶）；可开挖硬土链斗式挖泥船生产效率高；成本低；能浚挖硬土；平整度好；占用水面大铲扬式挖泥船浚挖费用高；占用水面小,6 沉管隧道水底浚挖,浚挖方式浚挖顺序分层、分段浚挖方式，避免早挖、多挖断面上：23层逐层浚挖平面上：沿隧道轴向，划若干段，分段分批进行浚挖最上1、2层，抓斗式挖泥船粗挖最下1层细挖层（3 m），吸扬式挖泥船,7 沉管沉设及水下连接,沉设方法影响因素：管段尺寸、地形、水流条件、气象条件、航运条件 起重船吊沉法 浮箱吊
15、沉法 SEP吊沉法 船组抗沉法 拉沉法,7 沉管沉设及水下连接,沉设方法 起重船吊沉法早期使用较多，存在指挥不便的缺点1980年，荷兰Botlek水底隧道,7 沉管沉设及水下连接,沉设方法 浮箱吊沉法（最常用的方式）用浮筒代替船组设备简单、特别适用于宽度较大的大型管段,7 沉管沉设及水下连接,沉设方法 SEP吊沉法SEP：水上作业平台用于外海沉设沉管，或内河流速较大时采用缺点：设备费高,7 沉管沉设及水下连接,沉设方法 船扛沉法（常用）利用船组扛起沉管，完成沉设“四驳抗沉法”,7 沉管沉设及水下连接,沉设方法 船组抗沉法（常用）“双驳抗沉法”船体尺寸大，整体稳定性好，管段的定位索可取消，操作方
16、便，设备费大，一般用于：1）工程规模大，需沉设管段较多2）计划附近连续建造多条沉管隧道3）方驳工程结束后可移作他用,7 沉管沉设及水下连接,沉设方法 拉沉法不用浮吊、方驳、浮筒、浮箱等设备，不靠压载水取得下沉力；利用预先设置的水下桩墩，利用卷扬机，通过钢索将管段拉下水，沉设到指定位置缺点：费用大,7 沉管沉设及水下连接,沉设作业沉设前的准备清槽、清淤；交通管制管段就位定位、灌水管段下沉全程24h；1）初步下沉（45m）2）靠拢下沉（0.5-1m）3）着地下沉,7 沉管沉设及水下连接,水下连接方法：1水下混凝土联接法，2 水力压接法。目前多采用水力压接法水力压接法 利用作用在管段上的巨大水压力使
17、安装在管段前断面周边上的一圈橡胶垫圈压缩变形，形成水密性较好的管段接头,7 沉管沉设及水下连接,水下连接GINA橡胶止水带,7 沉管沉设及水下连接,水下连接水力压接法橡胶垫圈外环线越江隧道管段接头全部采用GINA橡胶止水带和0MEGA橡胶止水带组成的双道密封线,其中，GINA橡胶止水带为管段接头的首道防线,7 沉管沉设及水下连接,水下连接水力压接的步骤1）对位2）拉合3）压接4）拆除端墙5）连接精度保证,7 沉管沉设及水下连接,水下连接最终接头,沉 管 基 础 设 计在水底沉管隧道中，一般地基能满足强度要求，但还需要地基处理。可分为先铺法和后填法二大类:,沉管隧道的各种基础处理方法，大体上可分为先铺法和后填法二大类。先铺法是在管段沉设之前，先在槽底上铺好砂、石垫层，然后将段沉设在这垫层上。适用于底宽较小的沉管工程。后填法是在管段沉设完毕之后，再进行垫平作业。后填法大多（除灌砂法之外）适用于底宽较大的沉管工程。各种不同的基础处理方法之间的差别，仅是“垫平”途径的不同而己。其效率、效果以及费用上的出入都很大，因此设计时必须详作比较。,沉管的回填,第五讲结束,
