上海外环沉管隧道设计(十一)——管段接头设计_pdf

上海外环沉管隧道设计

上海外环沉管隧道设计 (十一 )——

管段接头设计

陈鸿贺春宁乔宗昭 (海市隧道工程轨道交通设计研究院)上

摘

要

介绍上海外环沉管隧道管段间柔性接头构造特点以及最终接头的设计思路和方法，点对管段接重柔性接头钢拉索最终接头

头预应力钢拉索的设计、试验和安装方法进行论述，希望能为今后同类型隧道的设计施工提供有益的借鉴。 关键词沉管隧道1概述

角色外，和 n止水带一起承担永久运营阶段管段还柔性接头的防水功能。GI NA止水带在一次舾装时安装， Q止水带则在管段沉放后及端封墙拆除前完成。

沉管隧道预制管段依靠水力压接技术在水中连接，管管段之间的接头是实现水力压接的重要构沉造，也是沉管隧道设计的重点。外环隧道是上海城市

外环线穿越黄浦江下游的一个 8车道沉管法隧道，隧道总长 282 8 8m,中江中沉管段长 7 6m。 8 .2 其 3 根据总体布置和结构受力需要，环隧道江中外

垂直剪切键和水平剪切键是约束相邻管段竖向

沉管段由 7节管段组成，设置了 2个管段与岸边共段问的柔性接头、 6个管段与管段问的柔性接头和一

和水平向相对变形的受力构件。外环隧道中隔墙上设置 4组混凝土垂直剪切键、侧墙上设置 2组钢外垂直剪切键，外，个接头在管段压舱混凝土层中另每设置 6组混凝土水平剪切键。键与键之间均设置四

个江中最终接头。

氟板橡胶支座，以适应管段接头的伸缩和转动变形。 垂直剪切键的设计分施工阶段与使用阶段。施工阶段中隔墙的垂直剪切键 (上键与中键 )为对接作

柔性接头是最为典型的沉管接头型式，它要求在确保管段接头水密性的前提下，许接头适应较允大的变形。一般的地下结构沿纵向均设置变形缝以

端的支承点与自由端垂直千斤顶共同承担管段全部的负浮力。使用阶段剪切键的设计荷载主要根据纵向静力计算工况和地震工况确定。

减小不均匀沉降、温度变化和地震作用产生的结构次内力。对于沉管隧道而言，柔性接头也起到了结构变形缝的作用。 最终接头是指沉管段最后施工的一个接头，它与管段问柔性接头不同，

一般是指一小段整体现浇的管节，沉管段实现合龙贯通的关键构造。是2柔性接头构造柔性接头需要满足水力压接、头防水、接适应变

由于水力压接的作用，柔性接头一般都处于完全受压状态， I A止水带承担着巨大的水力压接力。 GN

在地震作用下，性接头有可能出现较大的轴向变柔形。如果地震作用产生的接头变形使 GN止水带 IA的压缩量小于保证水密性的最小压缩量，会出现接将头漏水的严重情况。为此，位于抗震设防区的沉管隧道，其柔性接头必须设置抗震纵向限位装置。

形三方面的功能，构造与功能密切相关。外环隧其道柔性接头主要由端钢壳、 NA橡胶止水带和 Q GI 橡胶止水带、直剪切键、垂水平剪切键和抗震纵向限

位装置组成，参见图 1。水力压接过程就是 GI NA止水带在相邻管段接头端钢壳之间受压缩变形的过程。端钢壳的平整度

和倾斜度直接关系到水力压接成功与否和沉放后管段轴线的精度。外环沉管隧道设计要求端钢壳的面不平整度小于 31I,米面不平整度小于 1HI II每 TT l1 I,端面的垂直和水平倾斜误差小于 3mn。 ' l

G N止水带除了在水力压接过程中扮演重要 IA

图 1外环隧道柔性接头构造示意图(部轴测)局

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柔性接头抗震纵向限位装置主要有钢索型和钢板型两种。钢板型构造的缺点是在提供轴向抗拉约束的同时会产生抗剪和抗弯的附加约束，附加约束产生的次内力会造成结构局部应力增高；次，其钢板型构造需要进行大量的现场焊接，接产生的局部焊

东京港沉管隧道亦采用钢板型抗震纵向限位装置，

但目前普遍采用预应力钢拉索形式的接头抗震纵向 限位装置，日本的京叶线台场沉管隧道、如多摩川和川崎航道沉管隧道等。 近阶段的研究表明，用钢索型抗震纵向限位采

高温会对接头区域的混凝土构成伤害。由于温度变化等原因，在钢板型构造中产生的纵向约束力有可能会使部分材料进入塑性阶段。为了改善其应力状态，长疲劳寿命，延以往通常采用改变钢板外形 ( Q型、型) M的方式来降低刚度，限制应力水平。另外，型构造需采用特殊钢材制作，钢板

因而成本高， 施工工艺复杂。针对这些问题，环隧道设计过程外中自行研制了钢索型抗震纵向限位装置，申请了并发明专利。

装置具有更高的性价比，其优势主要体现在： () 1在相邻管段之间形成受拉的约束条件，避免管段接头在地震发生时由于受拉张开而危及接头的防水可靠性；

() 2在形成受拉约束的同时不对管段接头产生其它附加约束，免在地震工况下对管段接头部位避造成有害的次内力；

() 3施工的速度较快，安装过程中无需采用焊接工艺，对接头部位的混凝土不会产生不利影响。 3 2预应力钢拉索的构造 .

接头预应力钢拉索根据地震作用工况接头受

拉、弯的需要配置，受每套钢拉索设计承载力为 2 0 N。每个接头共布置 5套预应力钢拉索， 0k 2 2考虑到与接头部位其他构造的协调和钢拉索受力的自身特点，顶板和底板各布置 2。 6套3预应力钢拉索

由于无具体的资料可供借鉴，外环隧道预应力钢拉索的构造完全由设计人员根据其功能要求并结合工程的实际情况而设计。

预应力钢拉索主要由一对索体和连接套筒组

3 1预应力钢拉索的优点 .我国大陆地区已建的珠江、甬江沉管隧道都采用 Q型钢板作为抗震纵向限位装置。日本早期的

成。索的主体由 1 2根 1.4的高强度低松弛钢 52绞线构成，体的两端为固定端锚环和 P锚挤压索头，两侧的索体通过中间的一对定位套环实现和连接套筒的连接，见图 2参。

图 2预应力钢拉索构造不意图

管段接头受拉时，靠近钢拉索外端的固定端锚环紧扣在预埋件端板上，近中间的固定端锚环则靠紧扣在定位套环上，定位套环通过螺纹与连接套筒相连。索体内承受的拉力通过固定端锚环传递给定

成其它附加约束的功能要求。 为了配合钢拉索的安装，专门设计了钢拉索还预埋件、钢拉索预紧装置和钢拉索防腐保护措施。33预应力钢拉索试验 .

位套环，由定位套环传递给连接套筒，再最终实现两端拉力的传递。由于索体和定位套环之间没有固定的连接，因此当管段接头受压时，近中间的固定端靠

预应力钢拉索设计完成后进行了 11:的实体模型试验，以检

验预应力钢拉索的承载能力是否达到设计要求，了解其刚度特性，时，验预应力钢并同检

锚环与定位套环之间完全脱开，因此，两侧的索体不会因为中间的连接套筒而传递压力。此外，整套钢拉索几乎没有抗弯刚度。如此，便实现了预应力钢拉索只提供单一的受拉约束条件而不对管段接头造

拉索的构造能否满足现场安装的要求。 试验的主要测量设备为 4 0t 0 穿心千斤顶、加载台架、测力传感器和位移传感器。试验加载系统和测量系统布置参见图 3。

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图 3预应力钢拉索试验装置布置图

试验分三组进行，每组均分级加载，大加载量最为 230k 3 N。从试验结果可得出以下结论 (见图 4: ) () 1钢拉索满足设计要求的抗拉承载能力； () 2钢拉索在承载力范围内的受力变形满足线性关系；

() 4采用定制的工具扳手将两侧定位套环与连接套简旋紧，以保证旋紧程度相同； () 5释放张拉千斤顶的顶力，除张拉千斤顶；拆 () 6进行连接拉索的防腐蚀处理。4最终接头设计

() 3钢拉索的抗拉刚度为：.0 0 4 7×1 N/ m;

4 1实施方案选择 .

() 4钢拉索在低应力状态下的拉伸变形松弛率小于 2 0 0。 .×1 _。

最终接头实施方案的选择，涉及河床、水文、航道、岸线、工期等多方面的因素。对于在水深比较浅的区域施工最终接头，目前常用的是“作施工方干式”“水板方式”种施工工艺。“作施工方和止二干式”的最终接头在岸边段与沉管段交接处，由于是在近岸边排水后施工，以水下作业量小，所接头的施工质量比较高；“而止水板方式”最终接头可设在靠的

近中间位置的管段内，以实现双向沉放，可可缩短工期。悉尼港隧道、香港西区公路沉管隧道都曾采用止水板方式最终接头。

外环隧道如采用“干作施工方式”最终接头，必须在所有管节沉放完毕后才能施工，法满足工期无图 4预应力钢拉索加卸载变形图

的要求。因此，外环隧道设计采用了“水板方式”止 最终接头。并且，据管段沉放次序确定最终接头根的位置设在 E 6管段内近 E 5管段侧。如此， 6分 E为三段： 6 (0 3、 6—2 3 51

) E—1 121 )E 3 ( . 3和最终接头 3( .。 2 5m)

34预应力钢拉索的安装 .

设计确定了预应力钢拉索如下的安装步骤与要求：

() 1打开拉索预埋件外端的封盖，出索体；拉 ( )连接套简与两端的拉索初步连接。要求 2将

浇筑 E 5管段的同时比邻浇筑 E 6—2管段，并

索体充分拉出，拉索头部的定位套环与连接套筒基本旋紧，且两侧定位套环旋人连接套筒的深度基本一

在坞内放水前将 E—2与 E 6 5拉合、接在一起。连 沉放就位后， E在 6—2与先期沉放的 E 6—1之间架设临时支撑，安装临时钢围堰 (同时也是最终接头的外模板 )及周边止水装置。再抽去最终接头间的水， 拆除钢端封墙，连接最终接头之间的钢筋，并浇筑混凝土，参见图 5。4 2施工工艺及主要设计工况 .

致，即连接套筒位于管段接头中心位置；

() 3将特制小吨位张拉千斤顶安装于两侧的接头拉索钢护套和拉索预埋件端部之间，同时开启两侧张拉千斤顶，将两侧千斤顶顶力调整至 5 N, 0k保持该顶力直至两侧拉索稳定调直；

最终接头浇筑完成后即为 E 6管段的一部分，

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由于 E—2与 E 6 5之间的接头在施工阶段几乎

就是标准的管段柔性接头构造，因此， 6与 E E—2 5起沉放不可以作为一个刚性管段 (如初步设计 )的一

沉放来看待。必须仔细分析整个沉放过程中该柔性接头的受力情况，以确保沉放安全。

设计时主要针对钢拉索、 NA止水带和垂直 GI剪切键的受力变化过程，行如下不同工况的计算，进 以判断 E 5与 E—2接头的张拉状态和承载能力。 6 ( )内放水阶段 1坞

工况 lE—2管段钢端封墙等施工 (:6放水前 );图 5最终接头布置不恿图

其受力条件与一般管段结构相同，是施工时 E—但 6 2必须与 E 5连在一起沉放，况比较复杂。情

工况 2: 5 6 E+E—2管段坞内坐底 (水位达平均大汛高潮位+4 0 ; .2m)工况 3E: 5+E—2管段坞内坐底 (位达平均 6水大汛低潮位+0 7 。 .2m) () 2管段浮运阶段

初步设计阶段曾考虑 E 6—2与 E 5在坞内拉合后，采用钢拉杆将两者连在一起，但是

钢拉杆会约束了接头的压缩变形。为保证最终接头施工不导致 E 6和 E 5之间的压接力受到损失，用这样的方案采必须要求拉合力一次达到沉放后的压接力 ( 7约 3

工况 4系泊状态 (:干舷高度 1 m) 0c;工况 5浪压力作用 (舷高度 1 m,:干 0c按水工建筑物荷载设计规范 );

00k。如此，于施工材料的要求相当高，合 0 N)对拉施工的风险也很大。 施工图设计阶段，计者考虑充分利用柔性接设

工况 6波高影响 (舷高度 1 m,高 0 6:干 0c波 .m);

头预应力钢拉索的作用， E—即 6 2与 E之间拉合 5后至最终接头施工结束期间的临时连接就依靠接头部位 5预应力钢拉索。拉合阶段在保证浮运阶 2根段的接头水密性安全前提下，可能减小拉合力 (尽约 1 0 N)降低拉合施工难度和风险。在管段沉 800k,放后充分利用了钢拉索只提供抗拉不提供抗压约束的特性，依靠水压力的增加继续压缩该接头，完成自 然的水力压接全过程，保证接头的水密性。

工况 7浪压力及水流力作用 (:干舷高度 1 m, 0c 波高 0 6m, .流速 15m/) . s;工况 8波高影响及水流力作用 (舷高度 l:干 0 c波高 06m,速 15m ) m, .流 .。( )段沉放后 3管

工况 9水位达平均大汛高潮位+40 : .2m;工况 l: 0水位达平均大汛低潮位+0 7 . 2m。 4 3结果分析见表 l .

表 1 E 6—2和 E 5接头受力分析结果汇总表(单位：N) k工况 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0

接头轴力上排 (为+)下排拉

88 18 68 92 17 35

—14 4 7 93 90 1 17—3 7 07 98—9 0— 8 1o 73

2 4 19—6 8 11—5 6 0

19 1 8 3 233 0 0—5 6 0

2 8—13 6 13 9 0 10 —3 4 5 88 0 6 23 6 3 3 6 4—2 6 8—6 2—3 5 7—34 6 57 0 7 92 89 — 19—16 69—5 6 0—16 69—4 0 09—34 40

E—2所受剪力 6 (向上为+)

注：. 1接头轴力是

指顶板和底板位置预应力钢拉索或 GI A止水带受力的总和； N 2 F 2所受剪切为正、 .6负时分别表示 E 5下键、 5上键和 F E 6—2中键配对受力。

通过计算可知： () 1顶板钢拉索在沉放之前一般是受拉的，当仅坞内坐底并遇平均大汛高潮位和在极端浪压力作用下才发生松弛现象，沉放到位后顶板钢拉索即松在弛；

()板钢拉索在坞内放水后到沉放结束的过 2底程中是松弛的，只有在坞内放水前受拉； () E 3因 6—2无压舱水箱，剪切键受力变化从可知，部分情况下是 E大 5上键和 E 6—2中键配对受力；

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() 4钢拉索最大拉应力为 2 2MP, NA最大 7 a GI压缩量 1 0mm, 1均处于安全状态；

主知识产权的发明专利，补了国内钢索型管段接填头抗震纵向限位装置的空白。 3最终接头布置与管段沉放流程匹配，工工 )施

() 5沉放到位后， 6 E—2最大理论偏角 0 0。不 .3,影响最终接头止水板安装。5小结

艺合理，凝土浇筑质量有保证，保了 E混确 6管段的整体性。

1外环沉管隧道采用的柔性接头功能明确、 )构造简洁、工方便，够满足水力压接、头防水和施能接适应变形的要求。

4E ) 5与 E—2管段之间利用柔性接头间钢拉 6

索代替钢拉杆作为临时系紧构件的方案，降低了拉合施工难度，可确保接头压接力不损失。(收稿日期：0 6 1 4 20—0—0 )

2柔性接头预应力钢拉索的设计申请了具有自 )

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