一种负浮力沉管的设计方法与流程

[0001]
本发明涉及沉管隧道施工技术领域，特别涉及一种负浮力沉管的设计方法。


背景技术：

[0002]
沉管结构设计中必须考虑浮力设计，包括干舷的选定和抗浮安全系数的验算。现有技术中均采用的是正干舷管节，即管节在浮运时，管节能够在水中自浮，管节顶面须露出水面。为了保证浮运过程中管节的安全及稳定，在浮运之前需通过管节内部设置的压载水箱系统将管节调整至设计干舷值，设计干舷值(露出高度)通常在10-30cm左右，然后利用沉管本身可自浮的特性，用拖轮组将沉管从预制场浮运至安装地点。
[0003]
因此，为满足最小干舷值，常常导致管节的截面高度较大，进而使得主体结构及基槽回填等工程量增加、预制成本及施工成本增大；并且在管节起浮后，不但需要进行干舷值的测试，在浮运、沉放过程中为达到现有规范中对应的抗浮系数要求，还需要通过压载水箱系统在水中调节管节的负浮力，精度控制复杂，施工难度可想而知。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于克服现有技术中的沉管设计均采用正干舷的设计，导致管节的截面高度较大，进而使得主体结构及基槽回填等工程量增加、预制成本及施工成本增大、施工难度大的问题，提供一种负浮力沉管的设计方法。
[0005]
现有的沉管在设计阶段，均考虑正干舷值进行设计，本申请所述的一种负浮力沉管，即为一种负干舷沉管，也即是进入水域中会达到具有现有技术中的沉管在沉放、对接环节的负浮力状态的沉管。
[0006]
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
[0007]
一种负浮力沉管的设计方法，包括如下步骤：
[0008]
a、确定顶板设计厚度、底板设计厚度、行车道设计净空高度和风机设计高度，得到第一沉管；
[0009]
b、根据废水泵房的布置需求和横截沟段的布置需求中的较大者确定压载混凝土的设计厚度h
0
，压载混凝土设于第一沉管内部，保持行车道设计净空高度不变，得到第二沉管；
[0010]
c、验算第二沉管的设计自重是否大于设定的第一抗浮系数所需的重量，第二沉管的设计自重包含第二沉管的设计结构自重以及压载混凝土的设计自重；
[0011]
d、若满足要求，则根据等于第一抗浮系数所需的重量计算用于在沉管预制阶段浇筑的第一压载混凝土的设计厚度h
1
，并结合压载混凝土的厚度得到用于在沉管沉放后浇筑的第二压载混凝土的设计厚度h
2
，h
2
＝h
0-h
1
，完成负浮力沉管的设计。
[0012]
采用本设计方法相较于现有技术的设计，无需考虑干舷调整层的设计，也无需考虑干舷值与运营期抗浮的设计矛盾，根据废水泵房的布置需求和横截沟段的布置需求中的较大者确定压载混凝土的设计厚度，然后通过满足结构布置要求确定的压载混凝土的设计
厚度h
0
进而确定压载混凝土的重量，并根据行车道设计净空高度确定沉管结构尺寸参数结合沉管主体结构的材料参数确定第二沉管的设计结构自重，进而反算是否超出设定的第一抗浮系数的要求，以获得大于对应预设要求的负浮力，第一抗浮系数可根据现有规范要求进行选择，之后按照等于第一抗浮系数时计算出的厚度来分配在沉管预制阶段浇筑的第一压载混凝土的设计厚度和在沉管沉放后浇筑的第二压载混凝土的设计厚度，有效保证沉管自身能够达到现有规范规定的沉放、对接阶段的负浮力要求，又能达到现有规范规定的对接完成置换压载水箱后的负浮力要求，同时，降低运输船的承载力要求，还能降低沉管安装过程所需的吊力，减小安装风险，降低运输、安装的成本，沉管的其他结构参数设计参照现有技术中的设计方法进行。本设计方法打破了现有技术中必须采用自浮沉管的设计理念，从结构布置最小需求出发，无需考虑正干舷值的设计，同时取消压载水箱的设计，能够最大限度的降低结构高度，节省主体结构、基槽回填等工程量，并且有效降低抗浮安全设计的设计难度，简化对应设计步骤，减小安装风险，降低运输、安装的成本，具有重要的推广意义和良好的应用前景。
[0013]
优选的，若不满足要求，则增大压载混凝土的设计厚度h
0
得到第三沉管，然后重复步骤c，直至满足要求。
[0014]
进一步优选的，压载混凝土的设计厚度h
0
按每次增加5cm-10cm进行验算。
[0015]
优选的，第一抗浮系数满足规范中沉管沉放后的抗浮系数要求。
[0016]
进一步优选的，第一抗浮系数为1.05。
[0017]
优选的，压载混凝土的设计厚度h
0
包含考虑调坡需求的厚度。
[0018]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0019]
打破了现有技术中必须采用自浮沉管的设计理念，从结构布置最小需求出发，无需考虑正干舷值的设计，同时取消压载水箱的设计，能够最大限度的降低结构高度，节省主体结构、基槽回填等工程量，并且有效降低抗浮安全设计的设计难度，简化对应设计步骤，减小安装风险，降低运输、安装的成本，具有重要的推广意义和良好的应用前景。
附图说明：
[0020]
图1是本发明所述的一种负浮力沉管的断面结构示意图；
[0021]
图2是图1的局部放大图。
[0022]
附图标记：11-第一压载混凝土，12-第二压载混凝土。
具体实施方式
[0023]
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
[0024]
实施例
[0025]
本发明所述的一种负浮力沉管的设计方法，包括如下步骤：
[0026]
a、确定顶板设计厚度、底板设计厚度、行车道设计净空高度和风机设计高度，得到第一沉管；
[0027]
b、根据废水泵房的布置需求和横截沟段的布置需求中的较大者确定压载混凝土
的设计厚度h
0
，压载混凝土设于第一沉管内部，保持行车道设计净空高度不变，得到第二沉管；
[0028]
c、验算第二沉管的设计自重是否大于设定的第一抗浮系数所需的重量，第二沉管的设计自重包含第二沉管的设计结构自重以及压载混凝土的设计自重；
[0029]
d、若满足要求，则根据等于第一抗浮系数所需的重量计算用于在沉管预制阶段浇筑的第一压载混凝土的设计厚度h
1
，并结合压载混凝土的设计厚度得到用于在沉管沉放后浇筑的第二压载混凝土的设计厚度h
2
，h
2
＝h
0-h
1
，完成负浮力沉管的设计。
[0030]
如沉管隧道断面采用现有常用的两孔一管廊方案，如图1所示的管廊结构，可采用现有常规的设计方法设计管节的结构参数，包含结构尺寸、配筋、顶板设计厚度、底板设计厚度、行车道设计净空高度和风机设计高度，如获得的第一沉管的结构尺寸如下：长80m、宽42.8m，顶板和底板厚度均为1.5m，侧墙厚度1.4m，中墙厚度0.7m，行车道净宽18.3m(两侧各0.15m富余)，行车道设计净空高度6.6m(5m+1.6m风机)，风机高度根据风机型号确定，中廊道净宽2m，中廊道净高7m。
[0031]
然后确定压载混凝土的设计厚度h
0
，考虑路面横坡及水沟布设需求，如为1.5％路面横坡+外侧边沟布设所需最小高度为51.5cm；水泵房横截沟的设置需求为：横截沟排水管顶到路面高度最小值控制为25cm，横截沟排水管管径：dn200，外径为22cm，横截沟排水管反向横坡0.3％，高度5.9cm，泵房横截沟排水管不侵入底板(以便检修)，则横截沟所需压重层的最小设计厚度合计为80cm，管节以直代取，纵坡凹曲线处需通过压重层厚度调整拟合纵坡，因此，横截沟段所需压重层的最小设计厚度(控制工况)为80cm(设置需求)+5cm泵房处调坡)＝85cm。而废水泵房水泵液位需求，如：设计标高点至停泵水位最小值控制为95cm，停泵水位至泵坑底留65cm水泵布置空间，水泵房合计深度为设计标高点以下160cm，废水泵房结构受力需求根据计算结果，在考虑底板钢筋加强及横梁加高的情况下，废水泵房下方底板最小厚度为70cm，在维持行车孔结构底板厚度1.5m的情况下，因此由废水泵房反算的最小压重层厚度需求为80cm，考虑路线5cm调坡后，确定的压重层最小设计厚度为85cm。因此，压载混凝土的厚度h
0
根据废水泵房与横截沟布置需求共同控制后，最终确定压载混凝土的设计厚度h
0
为85cm，因此，得到第二沉管，截面高度为10.45m。
[0032]
然后进行抗浮安全验算，根据现行规范，沉管沉放、对接阶段的抗浮系数要求为1.01-1.02，对接完成后、稳定压载阶段为大于或等于1.05，因此，可根据设计需求设定第一抗浮系数，至少使沉管的沉放和对接阶段，不再需要压载水箱的压载，即可实现规范要求的负浮力。如前海湾内海水密度受河流影响，在1.00～1.015g/cm3之间变化，沉管预制时，海水密度应取上限值，如设定第一抗浮系数为1.05，验算第二沉管的管节设计自重是否大于验算重量(排水体积v
×
海水密度1.015
×
抗浮系数1.05)，第二沉管的设计自重包含第二沉管的设计结构自重以及压载混凝土的设计自重，即采用沉放就位后或稳定压载节段的抗浮系数1.05作为控制指标，能够最大限度的节省成本，同时保证满足沉放对接施工阶段的抗浮系数要求，完全取消压载水箱系统，避免水箱置换的安全风险。
[0033]
如满足验算要求，则压载混凝土的设计厚度满足要求，若不满足要求，则增大压载混凝土的设计厚度h
0
得到第三沉管，然后再次验算，直至满足要求，压载混凝土的设计厚度h
0
按每次增加5cm-10cm进行验算。
[0034]
如第二沉管的设计自重＝34334t(主体钢筋混凝土重量)+4228t(压载混凝土重
量)大于验算重量37441t，满足要求后，根据前述的验算重量反算第一压载混凝土11的设计厚度h
1
，并结合压载混凝土的设计厚度h
0
得到用于在沉管沉放后浇筑的第二压载混凝土12的设计厚度h
2
，h
2
＝h
0-h
1
，如图2所示。如根据验算重量得到h
1
为65cm，则第二压载混凝土12的设计厚度h
2
＝85-65＝20cm，完成负浮力沉管的设计。
[0035]
当然，如无需考虑运输设备要求、安装设备的吊力及经济性要求，也可以在工厂预制时，一次性将85cm的混凝土全部浇筑，即完成步骤c的验算，若满足要求，则完成负浮力沉管的设计。
[0036]
本设计方法打破了现有技术中必须采用自浮沉管的设计理念，从结构布置最小需求出发，无需考虑正干舷值的设计，同时取消压载水箱的设计，能够最大限度的降低结构高度，节省主体结构、基槽回填等工程量，并且有效降低抗浮安全设计的设计难度，简化对应设计步骤，减小安装风险，降低运输、安装的成本，具有重要的推广意义和良好的应用前景。
[0037]
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以的权利要求的保护范围为准。