13 沉管结构解析

世界上第一条沉管铁路隧道建于1910年，穿越美国密歇根州和 加拿大安大略省之间的底特律河。

截止2011年底，我国共建成8条沉管隧道：上海外环越江隧道， 另外有宁波甬江水底隧道、广州珠江水底隧道、香港海底隧道、 香港西区海底隧道、香港东区海底隧道和台湾高雄过港隧道。
13.1 概述
施工过程

13.1 概述
13.1.2 沉管隧道的分类



3）按管段制作方法：分为船台型和干坞型。 干坞型：在临时干坞中制作钢筋混凝土管段，制成后往坞内 灌水使之浮起并拖运至隧址沉放。主要制作矩形钢筋混凝土 沉管。 优点： 不占船厂设备，不影响造船生产；断面利用率高，车道数多， 4-8车道；隧道埋深减小，全长缩短，土方量小；节约钢材， 降低造价。 缺点： 必须建造临时干坞；混凝土工艺要求高（干舷、抗浮安全系 数）；普通混凝土难以防水，需考虑防水措施。
13.2.2 沉管的浮力设计

沉管结构设计时，必须处理 好浮力与重量的关系，这就 是浮力设计。浮力设计包括 干舷的选定和抗浮安全系数 的验算。


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，遇风浪后发 生倾斜而自动产生反向力矩，保持平衡。
13.2 沉管结构设计
13.2 沉管结构设计
13.2.3 作用在沉管结构上的荷载

作用在沉管上的荷载有：结构自重、水压力、土压力、 浮力、施工荷载、波浪压力、水流压力、沉降摩擦力、 车辆活荷载、沉船荷载，以及地基反力、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。分别计算高、低潮 位和特大洪水位的水压力。 垂直向土压力：一般为河床底到沉管顶面间的土体重量； 水平向土压力，随着土的固结发展而减小。 施工荷载：压载、封端墙、定位塔等施工设施的重量。
沉管法亦曾称作预制管段沉放法。
沉管施工时，先在隧址附近修建的临时干坞内(或船厂的船台) 预制管段，预制管段采用临时隔墙封闭； 然后将此管段浮运到隧址的设计位置； 预先在隧址处，挖好水底基槽； 待管段定位就绪后，向管段中灌水、压载，使其下沉到设计 位置； 将此管段与相邻管段在水下连接并经基础处理； 最后回填覆土，完成水底隧道。
13.2.2 沉管的浮力设计

1）干舷
矩形断面管段，干舷为 10~15cm ；圆形断面管段多为 40~50cm 。干舷的高度应适中，过小则稳定性差，过大 时沉设困难。 有些情况下，由于管段的结构厚度较大，无法自浮，可 以设置浮筒、钢或木围堰助浮。 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。
13.2 沉管结构设计
13.2.2 沉管的浮力设计
3）沉管结构的外廓尺寸


总体设计只能确定隧道的内净宽度以及车道净空高度；
沉管结构的外廓尺寸，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。 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。


1 ）按断面形状：沉管隧道有圆形、半圆形、椭圆形、矩 形、组合型等。 2）按制作材料：沉管有钢壳混凝土和钢筋混凝土。
13.1 概述
13.1.2 沉管隧道的分类





3）按管段制作方法：分为船台型和干坞型。 船台型：施工时，先在造船厂的船台上预制钢壳，而后将其 牵引、停泊在悬浮状态下，灌注内部混凝土。主要制作圆形、 半圆形、椭圆形钢壳沉管。 优点： 圆形断面，受力合理，弯矩较小；管段底宽小，基础容易处 理；钢外壳既是外模，又是防水层，同时保护内侧混凝土； 工期短，特别是需要的管段较多时。 缺点： 断面空间利用率不高，车道数少；隧道深度增加，基槽土方 量增加；耗钢量大，造价高；钢壳制作时，焊接质量无法保 证，堵漏困难；钢壳抗蚀能力差。


13.1 概述
干坞

干坞：修建沉管水下隧道时，应先修筑专门的预 制管段的场地，既能分节预制管段，又能在管段 制成后灌水将其浮起，我们把这个场地称为干坞。 干坞一般由坞墙、坞底、坞首及坞门、排水系统、 车道组成。 干坞施工一般采用“干法”进行干坞内的土方开 挖。


13.1 概述
13.1 概述
13.1.1 沉管隧道的特点

(1)对地质水文条件适应能力强。 (2)可浅埋，与两岸道路衔接容易。 (3)沉管隧道的防水性能好。 (4)沉管法施工工期短。 (5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ沉管隧道造价低。
(6)施工条件好。
(7)可做成大断面多车道结构。
13.1 概述
13.1.2 沉管隧道的分类



13.2 沉管结构设计
13.2.2 沉管的浮力设计
2）抗浮安全系数

抗浮安全系数K＝管段总重/管段排水重(浮力)
在管段沉设施工阶段，应采用1.05～1.1的抗浮安全系数。
在覆土完毕后的使用阶段，抗浮安全系数应采用1.2～1.5。 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。



13.2 沉管结构设计
13.2.3 作用在沉管结构上的荷载


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。 沉降摩擦力则是由于回填后，沉管沉降和沉管侧土体沉 降并不同步，管侧土体大于沉管，因此在沉管侧壁外承 受向下摩擦力。为了降低摩擦系数， 常在侧壁外喷涂软 沥青，以减少摩擦。
13.2 沉管结构设计
13.2.1 沉管的断面形状和尺寸

几何尺寸设计尤为重要，取决于：使用要求和辅 助设施；施工条件和施工要求，即管段的浮运和 沉放要求。

首先根据使用要求，确定净空尺寸，然后，外廓 尺寸满足浮运要求。
管段的长度则需要考虑经济条件、航道条件、断 面形状、施工及技术条件。

13.2 沉管结构设计
地下结构工程
第13章 沉管结构
主讲教师 ： 白 哲

13.1 概述
13.2 沉管结构设计 13.3 接缝管段处理与防水措施 13.4 沉管隧道施工过程 13.5 工程实例
13.1 概述

水底隧道的施工方法：围堤明挖法、矿山法、气压沉箱法、盾 构法以及沉管法。 二十世纪50年代解决了两项关键技术——水力压接法和基础处 理，沉管法已经成为水底隧道最主要的施工方法