沉管结构.ppt

,第九章沉管结构,第一节概述第二节沉管结构设计第三节沉管的防水第四节变形缝与管段接头设计第五节沉管基础设计,第九章沉管结构,,第一节概述,一、沉管施工法先在隧址以外的干坞中或船台上预制隧道管段，并在两端用临时隔墙封闭，然后舾装好拖运、定位、沉放等设备，将其拖运至隧址位置，沉放到江河中预先浚挖好的沟槽中，并连接起来，最后充填基础和回填砂石将管段埋入原河床中。用这种方法修建的隧道又称水下隧道或沉管隧道。,沉管法施工的一般工艺流程如下所示，其中管段制作、基槽浚挖、管段的沉放与水下连接、管段基础处理、回填覆盖是施工的主体。,沉管隧道施工工艺流程,第一节概述,,二、沉管隧道的优点对地质水文条件适应性强，施工方法简单。沉管隧道不怕软弱地层，基本上不受地质条件的限制，对地基允许承载力的要求也很低，能适应各种地质条件。施工工期短，对航运干扰最小，施工质量容易保证。管段在干坞中呈长段预制，沉放连接时间短，对航运干扰次数少、时间短。沉管隧道的主要工序可平行作业，各工序间干扰少，可缩短工期。工程造价较低。沉管隧道的埋深很浅，水底需要进行的土方工程量较小，沉管隧道的长度也相对缩短，造价也因而降低。,第一节概述,二、沉管隧道的优点有利于多车道和大断面布置。沉管隧道的断面既可做成圆形，也可做成矩形或其它形状，十分灵活。接头少、密实度高、隧道防渗效果好。由于沉管隧道的管节比较长，节数少，因而接头数量少。具有很强的抵抗战争破坏和抗自然灾害的能力。,第一节概述,三、适应性沉管隧道在施工时，将受气象、水文条件的制约，一定程度上影响航运。选择沉管隧道要考虑以下原则与城市总体规划要求的两岸交通疏解方案相协调。要保证隧道与两岸所需衔接的道路具有良好的连接。具有较为合适的河（海）航道、水文及河（海）床条件。沉管隧道多在江河的下游修建，因下游河床较平坦，水流缓。水流急或不稳定，河床有深沟、陡壁，都会给管节的沉放与对接造成困难。施工条件满足要求。如航道能否有足够的水深和宽度实施浮运、转向和储放；隧址附近有无合适的干坞修建地带等。,第一节概述,,整体坐落于河（海）水底，由管段基槽、基础、管段、覆盖层等组成，,1沉管隧道的基本结构,覆盖层,,管段,,基础,基槽,,,第二节沉管结构设计,沉管隧道的管段断面结构形式按制作材料分，主要有钢壳混凝土管段和钢筋混凝土管段两种；按断面形状分有圆形、矩形和混合形；按断面布局有单孔式和多孔组合式。,二、沉管隧道的结构类型,,,,（a）圆形（单孔式）（b）矩形（组合式）（c）混合形（组合式）,第二节沉管结构设计,第二节沉管结构设计,二、沉管结构类型钢壳沉管钢筋混凝土沉管,1钢壳沉管,是钢壳与混凝土的组合结构。钢壳有单层和双层两种，单层钢壳管段的外层为钢板，内层为钢筋混凝土环；双层钢壳管段的内层为圆形钢壳，外层为多边形钢壳，内外层之间浇注抗浮压重混凝土。钢壳管段的内断面为圆形，外轮廓有圆形、八角形等多种，一般用于双车道，若需设4车道，则可采用双筒双圆形组合式断面。,第二节沉管结构设计,1钢壳沉管,优点外轮廓断面为圆形或接近圆形，沉没完毕后，荷载作用下所产生的弯矩较小；管段的底宽较小，基础处理的难度不大；管段外壳为钢板，浮运过程中不易碰损；钢壳可在造船厂的船台上制作，充分利用船厂设备，工期较短。缺点管段的规模较小，一般为2车道，内径一般不超过10m；圆形断面的空间利用率低，且由于车道上方必须空出一个限界之外的空间，车道的路面高程不得不相应压低，使隧道的深度增加，基槽浚挖的量加大；管段耗钢量大，造价较高；钢壳存在焊接拼装的问题，防水质量不保证；钢壳本身的防锈问题尚未完善解决。,,横断面多为矩形，可同时容纳2～8个车道，有的还设置有维修、避险、排水设施等的专用管廊。。矩形管段一般比圆形管段经济，故目前国内外多采用矩形沉管。优点隧道横断面空间利用率高，建造多车道（4～8车道）隧道时，优势显著；车道路面最低点的高程较高，隧道的全长相应较短，所需浚挖的土方量亦较小；不用钢壳防水，节约大量钢材；利用管段自身防水的性能，能做到隧道内无渗漏水。缺点需要修建临时干坞，征地搬迁及施工费用高；制作管段时，对混凝土施工要求严格，保证干舷和抗浮安全系数；须另加混凝土防水措施。,2钢筋混凝土沉管,第二节沉管结构设计,三、沉管隧道的纵断面,沉管隧道纵断面一般结构示意图,第二节沉管结构设计,第二节沉管结构设计,四、沉管结构的荷载,基本荷载水土压力、结构自重、管段内外压载重管内建筑及车辆混凝土收缩应力浮力、地基反力附加荷载施工荷载、温差应力、不均匀沉降产生应力偶然荷载沉船抛锚及河道疏浚产生的荷载地震荷载,结构自重管段重量钢筋混凝土重度浮运阶段24.6KN/m3，使用阶段24.2KN/m3。压载混凝土重量22.5KN/m3水压力主要荷载之一，分别计算高、低潮位和百年一遇的特大洪水位的水压力。,第二节沉管结构设计,四、沉管结构的荷载,土压力主要荷载，但常不是恒载。一般顶面垂直土压力为河床底面到管段顶面的土重。侧向土压力刚建成时很小，以后逐渐增加，最终达静止土压力。设计时按不利组合取最大值和最小值。浮力等于排水量施工荷载端封墙、定位塔、压载等重量，浮力设计时考虑。波浪力确定沉埋工艺及设备依据，水工模拟试验确定。沉降摩擦力沉管侧壁外侧土层沉降大于底部沉降，沉管外侧受到向下的摩擦力作用。车辆荷载结构分析忽略。沉船荷载以往50130kN/m2。,第二节沉管结构设计,四、沉管结构的荷载,地基反力计算（1）反力按直线分布；（2）文克勒模型（3）半无限弹性体模型,第二节沉管结构设计,四、沉管结构的荷载,荷载组合原则预制、浮运、沉设和运营阶段（1）基本荷载；（2）基本荷载附加荷载（3）基本荷载偶然荷载,设计内容干舷选定和抗浮安全系数验算，目的是最终确定沉管结构的高度和外廓尺寸。,第二节沉管结构设计,五、沉管结构的浮力设计,1干舷管段浮运时，为保持稳定使管顶露出水面的高度。对矩形截面管段，高度多为10～15cm，圆形为40～50cm。太小，稳定性差，制作困难；太大，消除干舷下沉的压载水容量太大。计算方法按最大的砼容重，最大的砼体积和最小的河水比重计算干舷,第二节沉管结构设计,五、沉管结构的浮力设计,2抗浮安全系数K＝管段总重／管段排水重K1.05～1.10管段沉放阶段K1.2～1.5管段使用阶段设计计算时，应按最小的混凝土容重和体积，最大的河水比重来计算各阶段的抗浮安全系数。,第二节沉管结构设计,六、沉管结构的计算与配筋,（1）横向结构分析沉管的横断面结构形式绝大多数是多孔箱形刚性结构，按弹性支撑箱形框架计算内力，必须经过“假定（构件尺度）－分析（内力）－修正（尺度）－复算（内力）”几次循环。由于同一节管段很长，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（接近岸边时，荷载常急剧地变化），不能只按一个横断面的结构分析结果来进行整节管段，甚至整个水底隧道的横向配筋。,第二节沉管结构设计,（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（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。（3）结构验算及配筋采用公路桥涵设计规范。因抗剪的需要，沉管应采用较高标号的混凝土，一般采用C30C45强度等级。由于沉管结构不容许出现任何通透性的裂缝；非通透性的裂缝开展的宽度应控制在0.15～0.2mm以下。因此不宜采用Ⅲ级及Ⅲ级以上的钢筋。容许应力135160MPa，见教材P290。,第三节沉管的防水,沉管防水包括结构防水和接缝防水。（一）结构自防水混凝土的抗渗等级满足要求，不低于S10,渗透系数小于810-12m/s；控制裂缝的发展,不得出现贯通裂缝。合理控制配筋.工程的降温及干缩裂缝都是横向的,说明与纵向水平配筋方式有很大关系。在满足规范的条件下,纵向筋直径小而间距密的配置,使混凝土的干缩变形更趋于均匀化,提高极限拉伸,减少干缩变形。,第三节沉管的防水,（二）结构外防水（1）钢壳和钢板利用船台或干坞制作钢壳，在其内浇注混凝土，使用阶段钢壳作为防水层；或采用钢板拼接贴封于沉管底板封水。钢壳防水缺点（1）耗钢量大；（2）焊接质量不易保证；（3）防锈问题；（4）钢板与混凝土之间连接不良。,第三节沉管的防水,（2）卷材防水与涂料防水利用多层（3-6层）沥青类卷材或合成橡胶类卷材胶合成的粘贴式防水层。或利用聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸等防水涂料作为外防水层。缺点（1）卷材防水层施工复杂，易起包；（2）涂料防水层的延伸率小，在潮湿的混凝土表面涂布粘结不良。,第四节变形缝与管段接头设计,（一）变形缝接缝与构造在垂直于隧道轴线方向设置，把每一管段分割成若干节段，每一段节段的长度一般在15～20m。用于较长的混凝土管段（节）单元连接和抵抗差异沉降和由温差所造成的变形。接缝应设在混凝土结构的中断处。,,第四节变形缝与管段接头设计,（一）变形缝接缝与构造要求（1）能适应一定幅度的线变形和角变形；（2）施工阶段能传递弯矩，使用阶段能传递剪力；（3）变形前后均能防水；,,第四节变形缝与管段接头设计,（一）变形缝接缝与构造止水带能适应变形，又能堵水。常用橡胶或钢边橡胶止水带。,第四节变形缝与管段接头设计,（二）管段接头1管段接头的功能和要求水密性要求；具有抵抗各种荷载作用和变形的能力；接头各构件功能明确，造价适度；接头施工性好，施工质量能保证，尽量做到能检修。常用接头GINA止水带、OMEGA止水带、水平和竖直剪切键、波形连接件、端钢壳,管段接头结构示意图,第四节变形缝与管段接头设计,GINA橡胶止水带结构是管段接头防水的第一道防线。尖肋作初步止水用;本体是承受水压力的主体,底翼缘是为安装专门设计的,局部用纤维织物加强;底肋是用来解决管段端面不平整时而可能产生的漏水问题.优点1在管段拉合时,在较低压力下能初步止水;2压接后,能抵抗巨大水压产生的轴向力及横向力;3具有良好的抗老化性能,能长期保持橡胶的特性,确保止水。,水力压接法原理是利用作用在管段上的巨大水压力，使安装在管段前端面靠近既设管段的那一端周边上的一圈胶垫发生压缩变形，形成一个水密性相当良好可靠的接头。工序对位、拉合、压接、拆除隔墙。,第四节变形缝与管段接头设计,第五节沉管基础设计,一、沉管基础特点沉管下的地基在沉管埋设后，所受荷载减小，不会产生地层的固结沉降和剪切破坏。因此沉管隧道对各种地质条件适应性强。尽管沉管隧道基础所承受的荷载通常较低，但由于在基槽开挖过程中，不论使用哪一种挖槽方法，槽底表面都不会太平整，槽底表面与沉管底面之间必将存在很多不规则的空隙，导致地基土受力不均匀而局部破坏，从而引起不均匀沉降，使沉管结构受到局部应力而开裂，故必须进行基础处理（基础填平）。,第五节沉管基础设计,二、沉管基础处理先铺法刮铺砂或石垫层。缺点是须有专用设备；须以设计高程和坡度在水底架设导轨；刮铺完成后，回淤土和坍坡的泥土常覆盖在铺好的垫层上；在流速大、回淤快的河道上施工困难。适用于底宽较小的垫层。,第五节沉管基础设计,二、沉管基础处理后填法挖沟槽时，先超挖100cm，在沟槽底面安设临时支座，沉管沉设到支座上，待对接完毕后，在沉管底部回填垫料。方法常见方法有灌砂法、喷砂法、灌囊法、压砂浆法、压混凝土法.适用于底宽较大的沉管工程。,喷砂法沉管宽度大时，从水面上用砂泵将砂、水混合料通过喷砂管喷注填满空隙，喷砂法所构成的垫层厚度为1m。,灌囊法,不需水下作业的基础处理方法压浆法和压砂法,超挖1m,摊铺碎石层，设支座，沿管侧边、后边抛砂石混合料，封闭四周，从内部预埋的压浆孔压注混合砂浆。,第五节沉管基础设计,三、软弱地基处理方法砂置换软弱地层，缺点地震液化。打砂桩并加荷预压固结时间长，影响工期。减轻沉管重量不实用。采用桩基解决桩顶与管底接触问题。,,,桩顶与管底接触处理方法,,概念沉管施工法干舷水力压接法沉管隧道的特点。了解沉管按材料的分类及优缺点。沉管结构浮力设计内容及计算要点。沉管变形缝设置要求。沉管基础处理方法,第9章沉管结构,