地下建筑結(jié)構(gòu)(中國地質(zhì)大學(xué)孫金山)7

7沉管隧道

7.1概述沉管法亦曾稱作預(yù)制管段沉放法。先在干塢中或船臺上預(yù)制大型混凝土箱形構(gòu)件或是混凝土和鋼的組合箱形構(gòu)件，并于兩端用臨時隔墻封閉，舾裝好拖運、定位，然后將這些浮運并沉放在河床上預(yù)先挖好的溝槽并聯(lián)接起來，最后回填砂石，并拆除隔墻形成隧道。a)在沉埋管段制作場或干船塢內(nèi)制作；b)將從船塢運出的沉管管段裝上沉放作業(yè)用的錨索裝置；c)用拖船拖到沉放預(yù)制地點；d)用沉放作業(yè)船沉放到預(yù)先浚挖好的溝槽內(nèi)的預(yù)定位置，與預(yù)先沉放的沉埋管段進(jìn)行水中連接；e)用砂土回填（1）水平衡鎮(zhèn)重箱；（2）臨時支撐用混凝土塊；（3）水平衡鎮(zhèn)重物；（4）沉放預(yù)定部分；（5）沉放管段；（6）陸上隧道部分沉管隧道的使用歷史開始于1910年，用雙線鐵路隧道跨越美國和加拿大之間的底特律河。大約在其后的30年實際上所有建造的沉管隧道都在美國，在此期間一種特殊的鋼殼管段技術(shù)問世了,一種至今仍長期持續(xù)未變的技術(shù)。1941年在荷蘭鹿特丹開始了Maas隧道的施工，標(biāo)志歐洲開始使用沉管隧道。國內(nèi)已經(jīng)建成了廣州珠江沉管隧道和寧波甬江沉管隧道。此外，我國香港已建成5座越海隧道，它們?nèi)坎捎贸凉芩淼赖男褪?。目前正在興建的港珠澳接線工程

1沉管隧道定義

沉管隧道是由若干個預(yù)制的管段，分別浮運到現(xiàn)場，一個接一個地沉放安裝，并在水下將其互相連接而成。沉管隧道通常是安置在地槽內(nèi)，地槽是結(jié)構(gòu)物在地面制造期間在水下預(yù)先用挖泥機挖好的。

槽底面和隧道底部之間的空間應(yīng)事先準(zhǔn)備好礫石墊層、或在隧道下面泵送砂墊層或噴射砂墊層。當(dāng)?shù)夭蹫橥馏w時，有時需要使用樁基作基礎(chǔ)。在施工進(jìn)行中，對隧道上面進(jìn)行回填，完工的隧道經(jīng)常是在頂板上覆蓋一層保護層。幾個重要的概念沉管法的主要特點

（1）隧道深度與其它隧道相比，因能夠設(shè)置在只要不妨礙通航的深度下，故隧道全長可以縮短；（2）隧道管段是預(yù)制的，質(zhì)量好，水密性高；（3）因有浮力作用在隧道上，所以總比重小，要求的地層承載力不大，故也適用于軟弱地層；（4）斷面形狀無特殊限制，可按用途自由選擇，特別適應(yīng)較寬的斷面形式；（5）沉管的沉放，雖然需要時間，但基本上可在1～3日內(nèi)完成，對航運的限制較??；（6）不需要沉箱法和盾構(gòu)法的壓縮空氣作業(yè)，在相當(dāng)水深的條件下，能安全施工；（7）因采用預(yù)制方式施工，效率高，工期短。但在挖掘溝槽時，會出現(xiàn)妨礙水上交通和棄碴處理等問題。斷面形狀和結(jié)構(gòu)形式

沉管隧道有圓形和矩形兩類，其設(shè)計、施工及所用材料有所不同。按設(shè)計斷面可分為：（1）圓形沉管隧道：這類沉管內(nèi)邊均為圓形、外邊則為圓形、八角形或花籃形，多半用鋼殼作為防水層a)圓形；b)八角形；c)花籃形a)六車道的矩形沉管b)八車道的矩形沉管（2）鋼筋混凝土矩形斷面：因在干船塢內(nèi)制造節(jié)段，對節(jié)段大小無很大限制。故可制造大寬度的節(jié)段。與圓形斷面比，無效空間大為減小。從力學(xué)角度看，對外壓來說，彎矩是主要的。因此，斷面要比圓形厚些。因節(jié)段的寬度大，基底的處理要困難些。（3）預(yù)應(yīng)力混凝土長方形斷面：其最大的特點是，因?qū)腩A(yù)應(yīng)力而減少開裂，提高了水密性。與鋼筋混凝土相比，構(gòu)件厚度小些，節(jié)段重量也輕些。因而節(jié)段高度變小，故土方量減少。但在制造節(jié)段時，要注意鋼材錨固段的防水處理和預(yù)應(yīng)力的偏心等。除上述斷面外，尚有一些變化斷面，如眼鏡斷面、長方形的變形斷面等。7.2荷載作用在沉管結(jié)構(gòu)上的荷載有：結(jié)構(gòu)自重、水壓力、土壓力、浮力、施工荷載、波浪和水流壓力、沉降摩擦力、車輛活荷載、沉船荷載、地基反力、溫度應(yīng)力、不均勻沉降所產(chǎn)生的附加應(yīng)力、地震等作用。上述荷載中，作用在沉管上的水壓力是主要荷載。尤其是覆土高度較小時，水壓力常是最大荷載。水壓力又非定值，常受高低潮位的影響，還需要考慮臺風(fēng)時和特大洪峰時的水位壓力。荷載作用在沉管上的垂直向土壓力，一般為河床底到沉管頂面間的土體重量。在河床不穩(wěn)定地區(qū)，還要考慮到水位變遷的影響。作用在沉管側(cè)面上的水平土壓力并非常量，在隧道建成初期，土的側(cè)壓力較大，以后隨著土的固結(jié)發(fā)展而減小。設(shè)計時按照不利組合分別取用。施工荷載是壓載、端封墻、定位塔等施工設(shè)施的重量。在計算浮運階段的縱向彎矩時，這些荷載是主要荷載，通過調(diào)整壓載水箱的位置可以改變彎矩的分布。波浪力和水流壓力對結(jié)構(gòu)設(shè)計影響很小，但對于水流壓力，須進(jìn)行水工模型試驗予以確定，據(jù)此設(shè)計沉設(shè)工藝及設(shè)備。荷載沉降摩擦力則是由于回填后，沉管沉降和沉管側(cè)沉降并不同步，管側(cè)大于沉管，因此在沉管側(cè)壁外承受向下摩擦力（圖10-4）。為了降低摩擦系數(shù)，常在側(cè)壁外噴涂軟瀝青，以減少摩擦。在水底隧道中，車輛交通荷載則往往可以忽略。沉船荷載由于產(chǎn)生的幾率太小，對此項荷載是否計算，計算采用荷載值的大小仍在探討之中。荷載地基反力的分布規(guī)律，有各種不同的假設(shè)：

（1）直線分布；

（2）反力強度和各點沉降量成正比，即文克爾假定，又可以分為單一系數(shù)和多種地基系數(shù)兩種；

（3）假定地基為半無限彈性體，按彈性理論計算反力。荷載沉管內(nèi)外壁之間存在溫差，外壁基本上與周圍土體一致，可以視作恒溫，而內(nèi)壁的溫度與外界一致，四季變化。一般冬季外高內(nèi)低，夏天外低內(nèi)高，溫差將產(chǎn)生溫度應(yīng)力。由于內(nèi)外壁之間的溫度遞變需要一個過程，一般設(shè)計需要考慮持續(xù)5～7天的最高溫度和最低溫度的溫差。7.3浮力計算沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮浮力設(shè)計，內(nèi)容包括干舷的選定和抗浮安全系數(shù)的驗算，浮力設(shè)計后，可以確定沉管結(jié)構(gòu)的高度與輪廓尺寸。（1）干舷管段在浮運時，為了保持穩(wěn)定，必須使管頂面露出水面，其露出高度稱為干舷。具有一定干舷的管段，遇風(fēng)浪后產(chǎn)生力矩。一般矩形斷面管段，干舷為10cm～15cm,而圓形和八角形斷面的管段，則多為40cm～50cm。浮力設(shè)計有些情況下，由于沉管的結(jié)構(gòu)厚度較大，無法自浮，可以設(shè)置浮筒、鋼或木圍堰助浮。另外，管段制作時，按照最大混凝土容重、最大混凝土體積和最小河水的比重來計算干舷。浮力設(shè)計在進(jìn)行干舷設(shè)計時，干舷計算的理論值也受到很多因素影響，其計算公式如下：對于矩形斷面的管節(jié)，根據(jù)浮力平衡的原則有：即，

浮力設(shè)計（2）抗浮安全系數(shù)在管段沉設(shè)施工階段，應(yīng)采用1.05～1.1的抗浮安全系數(shù)。管段沉設(shè)完畢后，回填土?xí)r，周圍河水與砂、土相混，其比重大于原來河水比重，浮力亦相應(yīng)增大。因此施工階段的抗浮安全系數(shù)，務(wù)必大于1.05，防止“復(fù)浮”。在覆土完畢以后的使用階段，抗浮安全系數(shù)應(yīng)采用1.2～1.5，計算時可以考慮兩側(cè)填土所產(chǎn)生的負(fù)摩阻力。浮力設(shè)計設(shè)計時需要按照最小混凝土容重、最小混凝土體積和最大河水的比重來計算抗浮安全系數(shù)，其計算公式為：式中，管體重量已包括內(nèi)部壓載的混凝土重量，為最大河水密度。在實際情況中，如果考慮到覆土重量與管段側(cè)面的負(fù)摩檫力的作用，抗浮安全系數(shù)會增大。浮力設(shè)計（3）沉管結(jié)構(gòu)的外輪廓尺寸

在沉管式水底隧道中，總體幾何設(shè)計只能確定隧管的內(nèi)凈寬度以及車道凈空高度。沉管結(jié)構(gòu)的外輪廓尺寸，必須通過浮力設(shè)計才能確定。

在浮力設(shè)計中，既要保持一定的干舷，又要保證一定的抗浮安全系數(shù)。所以沉管結(jié)構(gòu)的外廓高度，往往超過車道凈空高度與頂?shù)缀穸戎汀?.4結(jié)構(gòu)設(shè)計沉管段的結(jié)構(gòu)設(shè)計，按橫截面和縱截面分別進(jìn)行。

外輪廓

配筋

防水等

沉管結(jié)構(gòu)計算與配筋（一）橫向結(jié)構(gòu)計算橫截面多是多孔（單孔的極少）箱形框架.管段橫斷面內(nèi)力一般按彈性支承箱形框架結(jié)構(gòu)計算。由于荷載組合的種類較多，而箱形框架的結(jié)構(gòu)分析必須經(jīng)過“假定構(gòu)件尺寸—分析內(nèi)力―修正尺寸―復(fù)算內(nèi)力”的幾次循環(huán)，而且即使在同一節(jié)管段（一般為100m長）中，因隧道縱坡和河底標(biāo)高變化的關(guān)系，各處斷面所受水、土壓力不同（尤其是接近岸邊時，荷載常急劇地變化）。不能僅按一個橫斷面的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果來進(jìn)行整節(jié)管段的橫向配筋。圖11-8沉管的結(jié)構(gòu)截面（二）縱向結(jié)構(gòu)計算施工階段的沉管縱向受力分析，主要是計算浮運、沉設(shè)時施工荷載（定位塔、端封墻等）所引起的內(nèi)力。使用階段的縱向受力分析，一般按彈性地基梁理論進(jìn)行計算。沉管隧道縱斷面設(shè)計需要考慮溫度荷載和地基不均勻沉降以及其他各種荷載，根據(jù)隧道性能要求進(jìn)行合理組合。（三）結(jié)構(gòu)驗算及配筋沉管結(jié)構(gòu)的截面和配筋設(shè)計，應(yīng)遵照交通部《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行。沉管結(jié)構(gòu)的混凝土28天強度等級，宜采用C30～C45。采用較高的強度等級，主要是為了抗剪的需要。設(shè)計時可根據(jù)施工進(jìn)度計劃的安排，盡量充分利用后期強度。在干塢規(guī)模較小，需分批澆筑時，尤可按更長的齡期計算。沉管結(jié)構(gòu)在外防水層保護下的最大容許裂縫寬度為0.15～0.2mm，不宜采用III級或III級以上的鋼筋。7.5沉管的防水設(shè)計7.5.1沉管的防水措施早期的沉管隧道都是采用鋼殼，既是施工階段的外模，又是管段沉設(shè)以后使用階段的防水層。最初的矩形鋼筋混凝土管段，還是用四邊包裹的鋼殼。不但底板下邊及二側(cè)墻外邊用鋼板防水，連頂板上面亦用鋼板防水。五十年代以后，開始改用三邊包裹的鋼殼，頂板上的鋼板改以柔性防水層代替，不但節(jié)省了鋼材，降低了造價，而且也便利了施工。從

1956年以后，又發(fā)展成為單邊鋼板防水加三邊柔性防水的做法，只在底板之下仍保留鋼板作防水層（取其在施工階段不易披損壞）。到六十年代初，全部采用柔性防水，完全不用鋼板。柔性防水層最初使用的瀝青油氈；五十年代開始采用了玻璃纖維布油氈；六十年代后期，異丁橡膠卷材開始應(yīng)用于管段防水上。近年來又發(fā)展了涂料防水代替施工較麻煩的卷材防水。沉管自身防水亦是一項極為重要的防水措施。自身防水在一定條件下也可以取代外防水。7.6變形縫與管段接頭設(shè)計7.6.1變形縫的布置與構(gòu)造鋼筋混凝土的沉管結(jié)構(gòu)，如無適當(dāng)?shù)拇胧苋菀滓蛩淼赖目v向變形而開裂。假定混凝土澆筑溫度為5～15oC，沉管外側(cè)溫度為10oC，內(nèi)側(cè)溫度為0～25oC，而整個沉管隧道又是整體無縫的