第10章 沉管结构

当地槽为土体时，有时需要使用桩基作基础。在施
工进行中，对隧道上面进行回填，完工的隧道经常 是在顶板上覆盖一层保护层。
沉管法的主要特点
（1）隧道深度与其它隧道相比，因能够设置在只
要不妨碍通航的深度下，故隧道全长可以缩短； （2）隧道管段是预制的，质量好，水密性高； （3）因有浮力作用在隧道上，所以视比重小，要 求的地层承载力不大，故也适用于软弱地层； （4）断面形状无特殊限制，可按用途自由选择， 特别适应较宽的断面形式；
结构分析
横断方向的钢壳断面，一般决定于混凝土灌注时的
应力。随着混凝土的灌注，吃水深度增加，而水压
增大。设计断面也随之变化。因此，应对每一施工 阶段的混凝土重量和水压进行应力计算，而后按最 危险状态，决定钢壳断面。 在横断方向的混凝土灌注顺序，一般都是从下向上 灌注的。灌注顺序的自由度不大。但对长方形断面 的管段，因壁的混凝土是按集中荷载作用的，为不 使变形和应力过大，仔细安排灌注量和灌注顺序。
沉管隧道设计施工主要内容

基础资料分析 工程可行性研究报告的编制 沉管隧道的几何设计 沉管隧道的结构与防水设计 抗震设计 基础设计及处理 岸上段、口部附属建筑及内部装修 道路沉管隧道照明系统 沉管隧道通风系统 道路沉管隧道的交通与设备监控系统 道路沉管隧道的给排水、消防及供电系统 管节预制 沉管段基槽开挖 管节浮运、沉放及水下对接
几个重要的概念
1 沉管隧道 定义 沉管隧道是由若干个预制的管段，分别浮运到现场，
一个接一个地沉放安装，并在水下将其互相连接而 成。沉管隧道通常是安置在地槽内，地槽是结构物 在地面制造期间在水下预先用挖泥机挖好的。
槽底面和隧道底部之间的空间应事先准备好砾石垫
层、或在隧道下面泵送砂垫层或喷射砂垫层。
荷载
沉降摩擦力则是由于回填后，沉管沉降和沉管侧沉降并不同
步，管侧大于沉管，因此在沉管侧壁外承受向下摩擦力（图 10-4）。为了降低摩擦系数，常在侧壁外喷涂软沥青，以减 少摩擦。
F F
在水底隧道中，车辆交通荷载则往往可以忽略。沉船荷载由
于产生的几率太小，对此项荷载是否计算，计算采用荷载值 的大小仍在探讨之中。
1.2～1.5，计算时可以考虑两侧填土所产生的负摩 阻力。
浮力设计
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，其计算公 式为：
管体重量 抗浮安全系数 管体所占的空间 w max
式中，管体重量已包括内部压载的混凝土重量，为
最大河水密度。在实际情况中，如果考虑到覆土重 量与管段侧面的负摩檫力的作用，抗浮安全系数会 增大。
结构分析
横断面构件的厚度，一般按钢筋混凝土构件的计算即可。
但因沉管隧道主要是受水压、土压的作用，设计的荷载大 半是常荷载。同时，在水下维修也是困难的。因此，混凝 土和钢筋的应力，要根据开裂宽度、混凝土的流变影响等， 加以充分研究后选定设计的目标值。 计算构件的厚度时，要考虑施工时的钢筋的布置，特别上 水深大的沉管隧道和大断面的沉管隧道，应按大径钢筋， 小间隔配置，使必要的钢筋量大于200kg/m。
结构分析
（2）纵断方向的设计 管段的纵断面设计，除考虑混凝土灌注时、牵引时、
沉放时的状态外，还有考虑完成后的地震影响、地 层下沉影响、温度变化的影响等。 与横断面设计一样，一般地，施工时没有支配设计 的状态。混凝土灌注时因是大体积灌注混凝土，会 因温度开裂和混凝土的干燥收缩，产生开裂。在设 计阶段应加以研究。
浮力设计
沉管结构设计中必须考虑浮力设计，内容包括干舷的选定和
抗浮安全系数的验算，浮力设计后，可以确定沉管结构的高源自文库度与轮廓尺寸。 （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，遇风浪后产生反
向力矩。 一般矩形断面管段，干舷为10cm～15cm,而圆形和八角形断 面的管段，则多为40cm～50cm。
浮力设计
（3）沉管结构的外轮廓尺寸 在沉管式水底隧道中，总体几何设计只能确定隧
管的内净宽度以及车道净空高度。沉管结构的外 轮廓尺寸，必须通过浮力设计才能确定。 在浮力设计中，既要保持一定的干舷，又要保证 一定的抗浮安全系数。所以沉管结构的外廓高度， 往往超过车道净空高度与顶底厚度之和。
有所不同。 按设计断面可分为： （1）圆形沉管隧道：这类沉管内边均为圆形、外边则为 圆形、八角形或花篮形，多半用钢壳作为防水层
b)
a)圆形； b)八角形 ；c)花篮形
a)
c)
a)
a)
b)
a)六车道的矩形沉管 b)八车道的矩形沉管
（3）钢筋混凝土长方形断面：因在干船坞内制造节段，
对节段大小无很大限制。故可制造大宽度的节段。与圆 形断面比，无效空间大为减小。从力学角度看，对外压 来说，弯矩是主要的。因此，断面要比圆形厚些。因节 段的宽度大，基底的处理要困难些。 （4）预应力混凝土长方形断面：其最大的特点是，因导 入预应力而减少开裂，提高了水密性。与钢筋混凝土相 比，构件厚度小些，节段重量也轻些。因而节段高度变 小，故土方量减少。但在制造节段时，要注意钢材锚固 段的防水处理和预应力的偏心等。除上述断面外，尚有 一些变化断面，如眼镜断面、长方形的变形断面等。
荷载
作用在沉管上的垂直向土压力，一般为河床底到沉
管顶面间的土体重量。在河床不稳定地区，还要考 虑到水位变迁的影响。作用在沉管侧面上的水平土 压力并非常量，在隧道建成初期，土的侧压力较大， 以后随着土的固结发展而减小。设计时按照不利组 合分别取用。 施工荷载是压载、端封墙、定位塔等施工设施的重 量。在计算浮运阶段的纵向弯矩时，这些荷载是主 要荷载，通过调整压载水箱的位置可以改变弯矩的 分布。 波浪力和水流压力对结构设计影响很小，但对于水 流压力，须进行水工模型试验予以确定，据此设计 沉设工艺及设备。
（5）沉管的沉放，虽然需要时间，但基本上可在
1～3日内完成，对航运的限制较小； （6）不需要沉箱法和盾构法的压缩空气作业，在 相当水深的条件下，能安全施工； （7）因采用预制方式施工，效率高，工期短。 但在挖掘沟槽时，会出现妨碍水上交通和弃碴处理 等问题。
断面形状和结构形式
沉管隧道有圆形和矩形两类，其设计、施工及所用材料
荷载
地基反力的分布规律，有各种不同的假设：
（1）直线分布；
（2）反力强度和各点沉降量成正比，即文克尔假
定，又可以分为单一系数和多种地基系数两种； （3）假定地基为半无限弹性体，按弹性理论计算 反力。
荷载
沉管内外壁之间存在温差，外壁基本上与周
围土体一致，可以视作恒温，而内壁的温度 与外界一致，四季变化。一般冬季外高内低， 夏天外低内高，温差将产生温度应力。由于 内外壁之间的温度递变需要一个过程，一般 设计需要考虑持续5～7天的最高温度和最低 温度的温差。
结构分析
除土压、水压、自重外，还要考虑地震、地层下沉、温度
等影响。因回填土比既有地层重量大，所以，管段侧面的 地层会下沉。它对横断面的应力会产生一些影响。此影响， 要按管段底面的下沉和作用在管段侧面的摩擦力来研究。
温度变化的影响，表现在构件内的温差所产生的应力和隧
道外周构件和中壁的温差所产生的应力，应加以研究。

BG f WL w
浮力设计
（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，回填土时，周围河水与 砂、土相混，其比重大于原来河水比重，浮力亦相 应增大。因此施工阶段的抗浮安全系数，务必大于 1.05，防止“复浮”。
在覆土完毕以后的使用阶段，抗浮安全系数应采用
港区侧通风塔
（1） （5） （2）
横断面 南漕侧通风塔
（3）
（4） （1） （2）
采用浮船式沉放
（1）
e)
d)
a) 在沉埋管段制作场或干船坞内制作；b) 将从船坞运出的沉管管段装上沉放作业 用的锚索装置；c) 用拖船拖到沉放预制地点；d) 用沉放作业船沉放到预先浚挖好 的沟槽内的预定位置，与预先沉放的沉埋管段进行水中连接；e) 用砂土回填 （1）水平衡镇重箱；（2）临时支撑用混凝土块；（3）水平衡镇重物；（4）沉放 预定部分；（5）沉放管段；（6）陆上隧道部分
浮力设计
有些情况下，由于沉管的结构厚度较大，无
法自浮，可以设置浮筒、钢或木围堰助浮。 另外，管段制作时，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。
浮力设计
在进行干舷设计时，干舷计算的理论值也受
到很多因素影响，其计算公式如下： 对于矩形断面的管节，根据浮力平衡的原则 有： B G WLf w 即，
注地点、灌注顺序，有很大的变化，因此，一次灌 注混凝土的区段和灌注顺序，要按使断面力最小的 原则决定。 混凝土灌注产生的变形，因各灌注阶段的变形是重 合的。在最终阶段，即使荷载分布是均匀的，也会 有残留变形。所以，在决定灌注顺序时，要注意管 段轴向的变形。 除上述状态外，还有研究牵引时波浪产生的应力； 停泊时波浪产生的应力等，这些状态会产生局部集 中应力而需加强。
结构分析
2、干船坞方式管段设计
（1）横断面的设计
用干船坞制作的钢筋混凝土管段，从施工的角度看，
在应力方面是不会有问题的。决定横断面时，就是 要注意对浮力的平衡。 决定断面尺寸时，一般都按采用平面骨架结构进行 应力计算。此时，作为结构系的支撑条件，要设定 地基的反力系数。但其值的采用，要考虑地层的性 质、基础的宽度等。
沉管隧道的使用历史开始于1910年，用双线铁路
隧道跨越美国和加拿大之间的底特律河。大约在 其后的30年实际上所有建造的沉管隧道都在美国， 在此期间一种特殊的钢壳管段技术问世了,一种至 今仍长期持续未变的技术。 1941年在荷兰鹿特丹开始了Maas隧道的施工，标 志欧洲开始使用沉管隧道。 国内已经建成了广州珠江沉管隧道和宁波甬江沉 管隧道。此外，我国香港已建成5座越海隧道，它 们全部采用沉管隧道的型式。
第十章
沉管结构
10.1 概述
沉管法亦曾称作预制管段沉放法。
先在干坞中或船台上预制大型混凝土箱形构
件或是混凝土和钢的组合箱形构件，并于两 端用临时隔墙封闭，舾装好拖运、定位，然 后将这些浮运并沉放在河床上预先挖好的沟 槽并联接起来，最后回填砂石，并拆除隔墙 形成隧道。
a)
b)
c) (6)
侧面
结构分析
沉管段的结构设计，按横截面和纵截面分别进行。 （1）横断面的设计
1、钢壳方式管段的设计
钢壳方式管段的设计特征是钢壳同时要作为混凝土
灌注时的模板。而灌注后的管段与干船坞方式的管 段是一样的。 钢壳要与混凝土成为一体，作为永久构件存在。但 在设计上，因存在腐蚀、残留应力的问题与混凝土 成为一体等问题，很难视为承载是一个有效的构件。 因此，目前多按临时构件来设计。
10.2

沉管结构设计简介
沉管结构所受的荷载 作用在沉管结构上的荷载有：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。 上述荷载中，作用在沉管上的水压力是主要荷载。 尤其是覆土高度较小时，水压力常是最大荷载。水 压力又非定值，常受高低潮位的影响，还需要考虑 台风时和特大洪峰时的水位压力。
结构分析
沉管隧道设置后，沿纵向有不均匀荷载作用时以及
基础地层有压密下沉时，要考虑地层下沉的影响。 荷载之所以不均匀是因为护岸附近的沉管隧道上部 回填到地层高度所致。此时沉管隧道会产生弹性下 沉。因此，隧道可按支撑在弹性地基梁上来设计。
（2）纵断方向的设计
结构分析
把整个钢壳视为纵断方向的梁，按施工荷载研究
强度和变形。设计状态可分为：进水时、混凝土 灌注时、拖航停泊时等状态。 钢壳在船台上制作，及纵向进水时状态，会产生 比较大的应力，故多由此状态决定断面尺寸。但 也应研究其它状态下的应力和变形。
结构分析
混凝土灌注时的应力，视一次混凝土的灌注量、灌