关键词:潜浮隧道 桩基 预应力
一、潜浮隧道的特点
1、原理
隧道都是埋设在岩土地层中,采用暗挖或明挖法施工,圬工衬砌保持岩土的压力平衡,施工是逐步完成的。隧道断面形式都为拱形曲线,以利平衡承受的巨大压力。公路隧道的宽度大,水下隧道适合采用矩形单箱双室断面,以便加工预制。水下隧道的横断面积大,浮力巨大,能够基本平衡隧道的重量,需设桩基支持和固定,只能预制和水下安装。
为了平衡巨大的浮力,适合采用内衬钢板的预应力砼结构,无防护麻烦。假定为双向6车道,采用矩形单箱双室断面,中隔墙可设通道相通,单室净空为6x
所谓潜浮隧道是指水深在
2、桩基
在水深
3、构造
采用单箱双室的钢筋砼断面,施工预制简便,内力可按箱形刚架计算。隧道潜浮较深,水压力很大。普通钢筋砼要开裂,很适合采用防水砼和预应力365JT技术,防止钢筋砼开裂,有利于防止隧道漏水,可减少普通钢筋的用量。为保证潜浮隧道的绝对安全,采用
4、接头
潜浮隧道分节段预制,以便预制和浮运安装。为了便于安装和拼接,隧道管节接头部位应采用钢板材料,预埋在钢筋砼中,以便于内外焊接接头连接钢板。为了防止漏水,接头加设橡胶止水密封垫层,采用张拉连接预应力。为了接头安装方便,还需要焊接导向、定位和连接装置,完善安装和拼接方案。隧道管节接头的外部焊接钢板和安装钢模板,并压注砼以防护接头钢板的锈蚀。考虑在管节顶板开孔和安设竖向直径为
5、预制
潜浮隧道管节的接头处理较麻烦,故隧道管节的划分宜长,长度以
以减少接头的数量。预应力混凝土隧道管节的重量巨大,达18642吨,适合采用在干船坞内预制,利用浮力可以比较方便的实现浮运。为了减小干船坞的深度,可以采用分两期来预制,即先作底板和下半部实现成船浮运,只需
6、进出口
隧道进、出水口的节段吃水深度较浅,呈现出半潜浮状态,施工反而不方便,浮运和安装除利用高潮位的有利条件外,还应加设辅助浮筒进行安装,或者部分作成双壁钢套箱以减轻自重,安装以后再浇灌砼。由于隧道的浮力减小,则应增加桩基排架数目,以支承隧道的重量。为了防避潮差和浪高,隧道要露出水面相当的高度,此部分类似箱形桥梁,重量都支承在桩基排架上,排架间距为
7、通风、照明和排水
隧道的通风是极为重要的,故行车净空高度设为
8、管理
由于潜浮隧道很长,隧道的安全极为重要,故隧道应加强管理,必须有安全监控设备和安全事故应急设施,以保证365JT交通安全。在隧道口应加宽建设管理设施平台,也便于安装通风、照明、排水和发电等设备。
一、内力
1、水压
水压力是潜浮隧道内力计算的主要依据,首先应按航道的需要确定设计水深。琼州海峡采用<<便航式跨海浮桥>>方案,主航道需要设置水下潜浮隧道来解决,其位置按通航、地形、地质条件和施工方案来确定。海峡的特点是宽达
2、计算模式:隧道的单箱双室断面图形对称,可按箱形刚架公式计算。
箱壁厚度
K=(I1/I2)/(h/l)=(0.0427/0.0427)/(6.8/12.8)=0.5313
φ=20(1+2K)(6+K)/K=20x(1+2x0.5313)x(6+0.5313)/0.5313=507.1131
⑴顶、底板水压
顶板MA、E =Ql²/[12(1+2K)]=30.9x10x12.8²/[12x(1+2x0.5313)]=2045.42kn.m
底板MC、F =Ql²/[12(1+2K)]=38.5x10x12.8²/[12x(1+2x0.5313)]=4946.86kn.m
顶板MBA、BE=Ql²(1+3K)/[12(1+2K)]= 30.9x10x12.8²x(1+3x0.5313)/[12 x(1+2x0.5313)]
=5305.61kn.m
底板MDC、DF=Ql²(1+3K)/[12(1+2K)]= 38.5x10x12.8²x(1+3x0.5313)/[12x(1+2x0.5313)]
=6610.55kn.m
⑵侧墙均布水压
边墙MA、E、 C、F=Ql²K/[6(1+2K)]=30.9x10x6.8²x0.5313/[6x(1+2x0.5313)]= 613.41kn.m
隔墙MBA、BE、DC、DF=Ql²K/[12(1+2K)]=30.9x10x6.8²x0.5313/[12x(1+2x0.5313)]= 306.70kn.m
⑶侧墙三角形水压
顶板MA、E =Ql²(59+8 K)/(6φ)=7.6x10x6.8²(59+8x0.5313)/(6x507.1131)=73.05kn.m
MBA、BE=Ql²(31+7K)/(6φ)=7.6x10x6.8²x(31+7x0.5313)/(6x507.1131)=40.10kn.m
底板MC、F =Ql²(61+12K)/(6φ)=7.6x10x6.8²(61+12x0.5313)/(6x507.1131)=77.82kn.m
MDC、DF=Ql²(29+3K)/(6φ)=7.6x10x6.8²(29+3x0.5313)/(6x507.1131)=35.34kn.m
3、顶、底板自重: 顶板MBA、BE=Ql²(1+3K)/[12(1+2K)]=25x0.8x12.8²x(1+3x0.5313)/[12x(1+2x0.5313)]=343.41kn.m
底板MDC、DF=Ql²(1+3K)/[12(1+2K)]= -25x0.8x12.8²x(1+3x0.5313)/[12x(1+2x0.5313)]= -343.41kn.m
顶板MA、E =Ql²/[12(1+2K)]=25x0.8x12.8²/[12x(1+2x0.5313)]=132.39kn.m
底板MC、F =Ql²/[12(1+2K)] =-25x0.8x12.8²/[12x(1+2x0.5313)]= -132.39kn.m
4、墙体压力:顶板RA、E=Ql/2=(25x0.8+30.9x10)x12.8/2=2105.6 kn/m
墙底RC、F=Ql/2+QH=(25x0.8+30.9x10)x12.8/2+25x0.8x6.8=2241.6 kn/m
中隔墙RB=2 x 2105.6=4211.2 kn/m RD=4211.2+25x0.8x6.8=4347.2 kn/m
5、内力组合:无活载的水压内力最大。
⑴顶板MA、E =1.2x(2045.42+132.39+613.41+73.05)=-3437.12 kn.m
MBA、BE =1.2x(5305.61+343.41-306.70- 40.10)=-6363.01 kn.m
MMAX=1.2x[(30.9+2.5)x10x12.8²/8-0.5x(5302.51-2864.27)-2864.27]=2321.23kn.m
⑵底板MC、F =1.2x(4946.86-132.39+613.41+77.82)=-6606.84 kn.m
MDC、DF =1.2x(6610.55 -343.41-306.70-35.34)=-7110.12 kn.m
MMAX=1.2x[(38.5-2.5)x10x12.8²/8-0.5x(5925.10-5560.27)-5560.27]=218.90 kn.m
⑶侧墙MMAX=1.2x[30.9x10x6.8²/8+0.214x7.6x10x6. 8²-0.5x(5505.70-2864.27)-2864.27]
=-1976.30 kn.m
⑷墙体压力:顶板RA、E=1.2x2105.6 =2526.72kn/m 墙底RC、F=1.2x2241.6=2689.92 kn/m
中墙RB=1.2x4211.2 =5053.44kn/m RD=1.2x4347.2=5216.64 kn/m²
6、不同水深:隧道中部和进出口段,以
不同水深隧道框架杆件内力计算表 (kn.m)
水 深 |
Ms ACEF |
Mx BABE |
MCD ACEF |
MCD BABE |
MCS A E |
MCS BABE |
MCS C F |
MCS DCDF |
MSY A C |
MSY BADC |
MjZ MAX |
MCZ 墙中 |
MBZ 跨中 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
132 |
343 |
512 |
|
-274 |
257 |
343 |
389 |
-102 |
-264 |
|||||||||
5 |
|
|
8 |
4 |
73 |
40 |
78 |
35 |
213 |
299 |
512 |
752 |
73 |
625 |
859 |
579 |
554 |
|
54 |
||||||||
8 |
27 |
69 |
8 |
4 |
240 |
368 |
594 |
775 |
290 |
||||
1028 |
1374 |
981 |
991 |
1126 |
605 |
||||||||
11 |
225 |
504 |
68 |
34 |
498 |
773 |
1208 |
949 |
573 |
||||
1413 |
1889 |
1426 |
1476 |
1741 |
211 |
||||||||
14 |
424 |
1099 |
127 |
64 |
756 |
1339 |
1823 |
1122 |
757 |
||||
1799 |
2404 |
1871 |
1962 |
2355 |
439 |
||||||||
17 |
622 |
1614 |
187 |
93 |
1014 |
1824 |
2437 |
1295 |
1018 |
||||
2184 |
2918 |
2137 |
2447 |
2970 |
678 |
||||||||
20 |
821 |
2129 |
246 |
124 |
1272 |
2309 |
3052 |
1469 |
1261 |
||||
2570 |
3434 |
2761 |
2932 |
3584 |
738 |
||||||||
23 |
1019 |
2644 |
306 |
153 |
1531 |
2795 |
3666 |
1642 |
1503 |
||||
2955 |
3949 |
3206 |
3418 |
4198 |
886 |
||||||||
26 |
1218 |
3159 |
365 |
183 |
1789 |
3280 |
4280 |
1816 |
1746 |
||||
3341 |
4464 |
3651 |
3903 |
4813 |
1036 |
||||||||
29 |
1417 |
3674 |
425 |
212 |
2047 |
3765 |
4895 |
1989 |
1989 |
||||
3726 |
4979 |
4132 |
4388 |
5427 |
1167 |
||||||||
32 |
1615 |
4190 |
484 |
242 |
2305 |
4251 |
5509 |
2162 |
2231 |
||||
4112 |
5494 |
4541 |
4874 |
6042 |
1334 |
||||||||
35 |
1814 |
4705 |
544 |
272 |
2563 |
4736 |
6124 |
2336 |
2474 |
||||
4497 |
6010 |
4987 |
5359 |
6656 |
1483 |
||||||||
38.5 |
2045 |
5306 |
613 |
307 |
2864 |
5302 |
6840 |
2530 |
2757 |
||||
4947 |
6611 |
5506 |
5925 |
7373 |
1657 |
表中:未计荷载组合及安全系数,同一水深数字上栏为顶板、下栏底板,Ms、Mx——顶、底板水压力,MCD、MCD——侧壁等载水压力,MCS——侧壁三角形水压力,MSY——水压总内力,MjZ——顶、底板简支水压内力,MCZ——侧壁墙中水压内力,MBZ——顶、底板跨中水压内力。
7、水上与挂车-120内力组合
箱壁厚度
K=(I1/I2)/(h/l)=(0.0053/0.0053)/(6.4/12.4)=0.5161
顶板MA、E= 1.2Ql²/[12(1+2K)]=1.2x10x12.4²/[12x(1+2x0.5161)]= -75.66kn.m
底板MC、F =1.2Ql²/[12(1+2K)]+1.1x12x0.2451x(P/l)l²/[l2x(1+2K)]=1.2x10x12.4²/[12x(1+
2x0.5161)]+1.1x12x0.2451x(150/12.4)x12.4²/[12x(1+2x0.5161)]= -322.42kn.m
顶板MBA、BE=1.2Ql²(1+3K)/[12(1+2K)]=1.2x10x12.4²x(1+3x0.5161)/[12 x(1+2x0.5161)]
= -192.81kn.m
MMAX=1.2x10x12.4²/8-0.5x(75.66+192.81)=96.41kn.m
底板MDC、DF=[1.2Q+1.1x12x0.2451x(P/l)]l²(1+3K)/[12(1+2K)]=[1.2x10+1.1x12x0.2451x (150/12.4)] x 12.4²x(1+3x0.5161)/[12 x(1+2x0.5161)]= -640.83kn.m
MMAX=[1.2Q+1.1x12x0.2451x(P/l)]l²/8-0.5x(322.42+640.83)= [1.2x10+1.1x12x
0.2451x(150/12.4)] x 12.4²/8-0.5x(322.42+640.83)= 501.23 kn.m
8、纵向活载内力:按等跨连续梁和挂-120计算。
⑴水中:无限跨L=
MMAX=1.1(0.188PL)= 1.1x(0.188x2400x60)=29779.2 kn.m
Q=1.1(0.5P)=1.1x(0.5x2400)=1320 kn
R=1.1(1.274P)=1.1x(1.274x2400)=3363.36 kn
⑵水上:五跨L=
M=1.2(-0.105qL²)+1.1(-0.179PL)=1.2x(-0.105x784x30²)+1.1x(-0.179x2400x30)
= -103082.4 kn.m
MMAX=1.2(0.1qL²)+1.1(0.211PL)=1.2x(0.1x784x30²)+1.1x(0.211x2400x30)=101383.2 kn.m
Q=1.2(
R=1.2(1.183qL)+1.2(1.274P)=1.2x(1.183x784x30)+1.1x(1.274x2400)=36752.35 kn
二、截面配筋
1、水下框架
⑴顶板RgAg+RyAy=RabX b=
X= (RgAg+RyAy)/( Rab)=(240x100+0.6x1860x37.8)/(23x100)=
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x100x28.8x(65-28.8/2)x10ˉ³=2681.395kn.m> MMAX=2321.23kn.m
X=RyAy/( Rab)=0.6x1860x37.8/(23x100)=
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x100x18.3x(165-18.3/2) x10ˉ³=5247.781kn.m>M A=-3437.12 kn.m
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x100x18.3x(195-18.3/2) x10ˉ³=6257.941kn.m≌MBA=-6363 kn.m
⑵底板 RgAg+RyAy=RabX 钢绞线3x9Φj15.24
X= (RgAg+RyAy)/( Rab)=(240x100+0.6x1860x37.8)/(23x100)=
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x100x28.8x(40-28.8/2) x10ˉ³=1356.595kn.m>MMAX=218.90kn.m
X=RyAy/( Rab)=0.6x1860x50.4/(23x100)=
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x100x24.4x(165-24.4/2)x10ˉ³=6860.109kn.m>M C=-6606.84 kn.m
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x100x24.4x(165-24.4/2)x10ˉ³=6860.109kn.m≌MDC=-7110 kn.m
⑶侧墙 MA、E =-3437.12 kn.m MC、F =-6606.84 kn.m MMAX=-1976.30 kn.m
RA、E=2526.72kn/m RC、F=2689.92 kn/m b=
① 墙顶e=3437.12/2526.72=
RabX(e-ho+X /2)=ayRyAyey-RgˊAgˊegˊ ay=a/ξ-b =0.4/(X/ho)=0.4ho/X
23x100X(136-65+X/2)= 0.4x65/(X)x 0.6x1860x12.6x136-340x100x76
X³+0.0617X²+2247X-43236.4=0 X=
N=0.76RabX+0.76(RgˊAgˊ-RyAy)=0.76x23x100x17.1/10 +0.76x(100x340-0.6x
1860x12.6)/10=4504.4 kn> RA、E=2526.72kn/m
② 墙底e=6606.84/2689.92=
RabX(e-ho+X /2)= ayRyAyey-RgˊAgˊegˊ
23x100X(246-65+X/2)= 0.4x65/(X)x0.6x1860x12.6x246-340x100x186
X³+0.1574X²+5499.1X-79448.3=0 X=
N=0.76RabX+0.76(RgˊAgˊ-RyAy)=0.76x23x100x14/10 +0.76x(100x340-0.6x
1860x12.6)/10=4441 kn> RA、E=2689.92kn/m
③ 墙中部e=1976.30/0.5x(2526.72+2689.92)=
RabX(e-ho+X /2)= ayRyAyey-RgˊAgˊegˊ 钢绞线1x9Φj15.24
23x100X(76-40+X/2)= 0.4x40/(X)x0.6x1860x12.6x76-340x100x41
X³+0.0313X²+1212.2X-14868.6=0 X=
N=0.76RabX+0.76(RgˊAgˊ-RyAy)=0.76x23x100x11/10 +0.76x(340x100-0.6x
1860x12.6)/10=3438.1 kn> RA、E=2608.32kn/m
2、水上框架
⑴顶板RgAg+RyAy=RabX b=
X= (RgAg+RyAy)/( Rab)=(240x100+0.6x1860x12.6)/(23x100)=
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x100x16.5x(25-16.5/2)x10ˉ³=508.53kn.m>MMAX=96.41kn.m
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x100x16.5x(70-16.5/2) x10ˉ³=1874.73kn.m>M A、E =-75.66kn.m M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x100x16.5x(70-16.5/2) x10ˉ³=1874.73kn.m>MBA=-192.81kn.m
⑵底板 RgAg+RyAy=RabX 钢绞线2x9Φj15.24
X= RyAy/( Rab)=0.6x1860x25.2/(23x100)=
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x100x12.2x(30-12.2/2) x10ˉ³=525.28kn.m>MMAX=501.23 kn.m
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x100x12.2x(70-12.2/2)x10ˉ³=1434.43kn.m>M C、F=-322.42kn.m
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x100x12.2x(70-12.2/2)x10ˉ³=1434.43kn.m>MDC、DF=-640.83kn.m
⑶侧墙 MA、E =-75.66 kn.m MC、F =-322.42 kn.m
RA、E=10x12.4/2=62kn/m RC、F=62+10x6.4/2=94 kn/m b=
①墙顶e=-75.66/62=
RabX(e-ho+X /2)=ayRyAyey-RgˊAgˊegˊ ay=a/ξ-b =0.4/(X/ho)=0.4ho/X
23x100X(122-25+X/2)= 0.4x25/(X)x 0.6x1860x12.6x122-340x100x102
X³+0.0843X²+3015.7X-14917.5=0 X=
N=0.76RabX+0.76(RgˊAgˊ-RyAy)=0.76x23x100x5/10 +0.76x(100x340-0.6x
1860x12.6)/10=2867.8 kn> RA、E=62kn/m
②墙底e= -322.42/94=
RabX(e-ho+X /2)= ayRyAyey-RgˊAgˊegˊ
23x100X(343-25+X/2)= 0.4x25/(X)x0.6x1860x12.6x343-340x100x323
X³+0.2765X²+5499.1X-41940=0 X=
N=0.76RabX+0.76(RgˊAgˊ-RyAy)=0.76x23x100x7.5/10 +0.76x(100x340-0.6x
1860x12.6)/10=2826.3 kn> RA、E=94kn/m
3、隧道纵向
⑴水中 RyAy=RabX b=
X= RyAy/(Rab)=0.6x1860x100.8/(23x2640)=
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x2640x2x(720-2/2) x10ˉ³=69852.29kn.m>Mj=-27086.4kn.m
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x2640x2x(720-2/2) x10ˉ³=69852.29kn.m> MMAX=29779.2 n.m
Q=0.051√¯(R)bho=0.051√¯(40)x240x720=55737kn>Qj=1320 kn 截面满足要求
Q=0.05(0.95/1.25)Rlbho=0.05x0.76x2.15x240x720=14118kn> Qj=1320 kn箍筋按构造配置
⑵水上 RyAy=RabX b=
X= RyAy/(Rab)=0.6x1860x201.6/(23x2520)=
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x2520x3.9x(705-3.9/2) x10ˉ³=127136kn.m>M=-103082.4kn.m
M=0.8RabX(ho-X/2)=0.8x23x2640x3.9x(705-3.9/2) x10ˉ³=127136kn.m>MMAX=101383.2kn.m
Q=0.051√¯(R)bho=0.051√¯(40)x120x670=25933.21kn>Qj=18896.3kn 截面满足要求
Q=0.05(0.95/1.25)Rlbho=0.05x0.76x2.15x120x670=6568.68kn< Qj=36752.35kn钢绞线抗剪
三、工程数量:单位长度表示。
1、砼:C40 ⑴水中:v=
⑵水上:v=
⑶合计:V=217490+7526.4=
2、钢材:
⑴钢板:①隧道内衬:δ=
②接头:G=[30x(67.6x1.5+60.4x0.5)+2x (64.4x1.5+60.4x0.5)]x0.01x7850=329.826吨。
⑵型钢:①隧道内衬:加劲和锚固钢板,L80x50x6,g=(2x32.8+66)x5.935=
②接头:G=[30x(67.6+135x1.5)+2x(64.6+129x1.5)]x5.935=51.155吨
⑶钢绞线:Φj15.24,g=
2x12x26.4+1x9x2x7.6)x1000+(1x9x25.2+2x9x25.2+1x9x2x6.8)x240+2x6x12x3500+2x12x12x240]x1.102x1.07=7677.843吨
⑷钢筋:G=(1550x3500+1136x240+13676)x0.888+4717440x0.26=6298.183吨
⑸合计:G=28148.736+329.826+2920.94+51.155+7677.843+6298.183=45426.683吨,每延米12.146吨,未计下部桩基数量。
四、结束语
通过对跨海潜伏隧道的内力分析和配筋计算,有了更加清楚的认识。它安全可靠和经济合理,施工的技术可行,具有实用价值。实际应用时,还可以作进一步的优化和调整,使其更加完善。