沉管结构

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。
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。
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。
I
K1 K1
II
K1 K2 K1
III
K1
IV
K1
K2
K2
K2
K2
V
K2 K1 K2
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。
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：
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
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。
20.2
图11-8 沉管的结构截面
断面形状多为矩形，可容纳 4、6 或更多车道 接头数量少，防水性能好 有影响 要考虑水文、 气象条件 影响
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。
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。
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
临时干坞 管段制作
出坞、系泊、舾 装 沉放、水下连接
基槽浚挖 沉放、 水下连 接
基础处理 沉放、 水下连 接 回填、覆盖 沉放、 水下连 接
（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。
§ 11
沉
管
结
构
目录
§ 11.1 概述 § 11.2 沉管结构的设计 § 11.3 沉管的防水设计 § 11.4 变形缝与管段连接设计
§ 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
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。
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。
沉 管 荷 载 表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 荷 载 类 型
表 11-2 横 ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ 向 纵 ★ ★ 向
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
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70m。
7．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。
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。
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）。
F
F
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。
（b）沉管施工场景图
（图11-2 沉管施工法）
（二）沉管隧道的特点
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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”。
盾构法与沉管法优缺点对照表 项目 隧道埋深 隧道长度 断面形状 盾构法 应保持一定的覆土厚度最 小宜为 0.6~1D 相对较长 基本为圆形， 一般容纳两车 道 纵、环向接头数量多、防水 防水性能 对航运影响 水文、气象条件 性能相对较差 无影响 不受限制
表 11 -1 沉管法 可紧贴河床甚至高出 河床 相对较短
图11-6 管段的干弦与反倾力矩
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。
干舷高度不宜过小，否则稳定性差。
a)
b)
c)
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
（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。
（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。
水土压力、结构自重、管段内外压载重 管内建筑及车辆荷载 混凝土收缩应力 浮力、地基反力 施工荷载 温差应力 不均匀沉降产生的应力 沉船抛锚及河道疏浚产生的特殊荷载 地震荷载
注：表中“★”标记表示作用有该种荷载。 表中 1、2、3、4 项为基本荷载；5、6、7 为附加荷载；8、9 为偶然荷载。
只有结构自重及其相应的地基反力是恒载。
VI
K1 K2
VII
K1 K1 K2
=5kN/m2 =50kN/m2
III IV VI K=50kN/m2
0
200
400
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