CN111395396A - 一种抗潮汐荷载的沉管及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗潮汐荷载的沉管及其施工方法，属于沉管领域，本发明公开的一种抗潮汐荷载的沉管，包括顶板、底板以及侧板，顶板、底板以及侧板之间形成过车通道；还包括传导杆、承压活动板，传导杆滑动连接于侧板的内部，承压活动板固定于传导杆的一端，承压活动板位于侧板的外侧，且承压活动板与侧板之间设置有弹性垫层；底板处设置有阻尼承压器，传导杆的另一端与阻尼承压器相连，以将侧板位置压力传导至底板位置。通过传导杆的作用将潮汐载荷传导到底部的阻尼承压器，使得上下部分压力较为平衡，同时传导杆对承压活动板提供反向支撑力，从而使得在上端承载件较少时也可以较好的抵抗变化的潮汐载荷。

Description

一种抗潮汐荷载的沉管及其施工方法

技术领域

本发明涉及沉管领域，尤其涉及一种抗潮汐荷载的沉管及其施工方法。

背景技术

沉管法是预制管段沉放法的简称，是在水底建筑隧道的一种施工方法。其施工顺序是先在船台上或干坞中制作隧道管段(用钢板和混凝土或钢筋混凝土)，管段两端用临时封墙密封后滑移下水(或在坞内放水)，使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。定位后,向管段内加载,使其下沉至预先挖好的水底沟槽内。管段逐节沉放，并用水力压接法将相邻管段连接。最后拆除封墙，使各节管段连通成为整体的隧道。在其顶部和外侧用块石覆盖，以保安全。目前国内外有关沉管隧道管节在波浪荷载影响下的动力响应研究较多，而对潮汐荷载影响研究较少，仅有的研究主要集中在潮汐引起管节沉降实测分析，但未见对管节环向应变计算方法的研究。根据国内外工程案例，部分沉管隧道管节在运营期发生开裂并渗漏，对隧道正常使用带来极大危害。沉管隧道由于结构形式特殊，大量建造在大江大河中，因此潮汐荷载对管节应变影响较大。

中国专利文献公开号CN106682267A公开的一种潮汐荷载下沉管隧道管节环向应变的计算方法，将管节上回於层假定为不透水层，将潮汐水位的变化视做不透水层上部附加的大面积荷载p0，地下水位所在位置为不透水层顶面；不考虑横向潮流对管节结构的影响，计算作用在管节外壁的水、土压力和地基反力，采用温克尔地基模型，将环向应变计算视为平面应变问题，利用荷载-结构法对管节结构环向受力及变形进行分析；令：Hw(t)为随时间变化的潮汐水位，单位为m；H1为不透水层顶面至管节顶板距离，单位为m；H2为顶板顶面至底板底面距离，单位为m；pw1和pw2分别为顶板和底板所受竖向水压，单位为kPa；pe1为顶板所受竖向土压，单位为kPa；p1为地基反力，单位为kPa；qe1和qe2分别为顶板和底板处的侧向土压，单位为kPa；qw1和qw2分别为顶板和底板处的侧向水压，单位为kPa；步骤(1)：管节横向模型受力计算作用在不透水层顶面的等效大面积荷载为：p0＝γwHw(t)(1)式中：γw为水的重度，单位为kN/m3；顶板所受竖向水压和土压分别为：pw1＝γwH1(2)pe1＝p0+∑γi′hi(3)式中：γi′为管节上覆各土层有效重度，单位为kN/m3；hi为管节上覆各土层厚度，单位为m；底板所受竖向水压为：pw2＝γw(H1+H2)(4)假定管节侧向荷载沿高度成线性分布，则顶板处的侧向水压和土压分别为：qw1＝γwH1(5)qe1＝K0(p0+∑γi′hi)(6)式中：K0为静止土压力系数；底板处的侧向水压和土压分别为：qw2＝γw(H1+H2)(7)qe2＝K0(p0+∑γi′hi+∑γj′hj)(8)式中：γj′为管节所处各土层有效重度，单位为kN/m3；hj为管节所处各土层厚度，单位为m；步骤(2)：管节环向应力应变关系定义管节横向为x轴方向，竖向为y轴方向，将管节截面视为平面应变状态，通过管节所受外力计算其应力分布，根据广义胡克定律得到三向应力-应变关系。通过建立管节二维有限元模型进行计算，其中，地基采用弹簧单元模拟；最终，通过计算可以得到某一潮汐水位下管节内外壁环向应变分布及管节内外壁各点环向应变随潮汐水位变化的影响；计算结果可以用于预测运营阶段沉管隧道管节环向应变，预判可能产生裂缝的部位，并对其进行重点监控和预防。

在潮汐变化时，沉管顶板以及侧面所受到的载荷变化较大，导致压力差较大，且沉管上端部分支撑面较少，从而承载能力较弱，从而导致在潮汐变化时沉管上端部分更容易产生裂痕。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种抗潮汐荷载的沉管，可以将顶部和侧面的载荷同步传导到底面，使得压力较为平衡，同时底面可以提供反向的支撑力，使得上端部分承载能力更强。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种抗潮汐荷载的沉管，包括顶板、底板以及侧板，所述顶板、所述底板以及所述侧板之间形成过车通道；还包括传导杆、承压活动板，所述传导杆滑动连接于所述侧板的内部，所述承压活动板固定于所述传导杆的一端，所述承压活动板位于所述侧板的外侧，且所述承压活动板与所述侧板之间设置有弹性垫层；所述底板处设置有阻尼承压器，所述传导杆的另一端与所述阻尼承压器相连，以将所述侧板位置压力传导至底板位置。

本发明优选地技术方案在于，还包括塑性弧形板，所述塑性弧形板固定于所述顶板的外侧，所述塑性弧形板中部凸起，且与所述顶板之间存在空隙；所述塑性弧形板的两侧均连接在所述传导杆上，所述顶板两侧设置有凸起，所述凸起与所述塑性弧形板相抵。所述塑性弧形板与所述凸台的连接处设置有长条槽。

本发明优选地技术方案在于，所述阻尼承压器包括液压活塞，所述底板的下侧设置有密封腔，所述密封腔中充满液体，所述密封腔的一侧设置有压缩腔，所述液压活塞滑动连接于所述压缩腔中，所述液压活塞固定于所述传导杆的另一端。

本发明优选地技术方案在于，所述阻尼承压器包括密封橡胶块、挤压板；密封橡胶块延伸至沉管连接处，所述挤压板固定于所述传导杆的另一端，所述挤压板作用于所述密封橡胶块，以挤压所述密封橡胶块产生形变。

本发明优选地技术方案在于，所述顶板与所述侧板连接处设置有侧向斜面，所述承压活动板设置有相匹配的斜向板。

抗潮汐荷载的沉管的施工方法，步骤S00：传导杆的安装，制作沉管的侧板时预埋滑套，待沉管固化后将传导杆插入滑套中；步骤S10：阻尼承压器的设置，制作沉管的底板时，在所述底板底部预留空间，沉管两端留有开口，在沉管固化成型之后安装液压活塞或挤压板固定在传导杆上，然后将液压用液体或密封橡胶块填充满；步骤S20：承压活动板的安装，先将弹性垫层通过螺栓固定于侧板外侧，将承压活动板固定于传导杆上，并锁紧使得承压活动板挤压弹性垫层。

本发明优选地技术方案在于，在步骤S00中，传导杆安装时，塑性弧形板先安装在顶板的凸起处，塑性弧形板中部与顶板之间留有间隙；同时将塑性弧形板的两侧固定在两侧的传导杆上。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种抗潮汐荷载的沉管，包括顶板、底板以及侧板，顶板、底板以及侧板之间形成过车通道；还包括传导杆、承压活动板，传导杆滑动连接于侧板的内部，承压活动板固定于传导杆的一端，承压活动板位于侧板的外侧，且承压活动板与侧板之间设置有弹性垫层；底板处设置有阻尼承压器，传导杆的另一端与阻尼承压器相连，以将侧板位置压力传导至底板位置。通过传导杆的作用将潮汐载荷传导到底部的阻尼承压器，使得上下部分压力较为平衡，同时传导杆对承压活动板提供反向支撑力，从而使得在上端承载件较少时也可以较好的抵抗变化的潮汐载荷。

抗潮汐荷载的沉管还包括塑性弧形板，所述塑性弧形板固定于所述顶板的外侧，所述塑性弧形板中部凸起，且与所述顶板之间存在空隙；所述塑性弧形板的两侧均连接在所述传导杆上，所述顶板两侧设置有凸台，所述凸台与所述塑性弧形板相抵。当压力作用于塑性弧形板上时，塑性弧形板中部凸起部分往下挤压，从而使得塑性弧形板往两侧延展，在传导杆的限位作用下以及凸台的作用使得塑性弧形板发生形变，两侧往上翘起，从而反向作用于传导杆往上的推力，使得应力较多的集中在凸起部分，从而可以较好的抵抗载荷。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中提供的实施例一的结构原理示意图；

图2是本发明具体实施方式中提供的实施例二的结构原理示意图；

图中：

11、底板；12、顶板；13、侧板；14、侧向斜面；2、阻尼承压器；3、弹性垫层；4、承压活动板；5、塑性弧形板；6、传导杆；21、挤压板；22、密封橡胶块；23、液压活塞；24、密封腔；41、斜向板。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1所示，本实施例中提供的一种抗潮汐荷载的沉管，包括顶板12、底板11以及侧板13，所述顶板12、所述底板11以及所述侧板13之间形成过车通道；还包括传导杆6、承压活动板4，在制作沉管时，在侧板13内部安装有若干个滑套，所述传导杆6滑动连接于所述侧板13的内部，所述承压活动板4固定于一排多个所述传导杆6的一端，所述承压活动板4位于所述侧板13的外侧，且所述承压活动板4与所述侧板13之间设置有弹性垫层3；弹性垫层3采用耐腐蚀的橡胶材质，所述底板11处设置有阻尼承压器2，所述传导杆6的另一端与所述阻尼承压器2相连，以将所述侧板13位置压力传导至底板11位置。所述顶板12与所述侧板13连接处设置有侧向斜面14，所述承压活动板4设置有相匹配的斜向板41。传导杆6安装在侧向斜面14位置，承压活动板4在侧向斜面14位置与传导杆6连接，沉管安装在水底之后，根据潮汐变化作用于沉管外侧的压力会不断变化，潮汐变化在一定的范围之内，但这个范围只能通过以前记录的数据进行推导。使得载荷可能会出现过高的情况，同时由于混凝土长期在水底可能会出现承载性能下降的情况，而且在潮汐变化时，沉管上端部分所承受的载荷变化最大，然后上部分支撑面较少，承载能力稍弱。通过设置传导杆6的作用可以进一步的加强对上端承压部分的支撑力。潮汐变化时，载荷通过承压活动板4传导至弹性垫层3，通过弹性垫层3传导给沉管侧板13以及斜向板41，由于各位置压力载荷几乎相同，但是存在微小差异，承压活动板4会给传导杆6一个垂直于轴向的作用力，但是由于传导杆6在方向是限制位移的，从而会使得传导杆6有产生倾斜的作用，从而该部分作用力会通过传导杆6作用于滑套中。同时承压活动板4会给传导杆6一个沿轴向的作用力，该作用力会使得传导杆6产生轴向的位移，从而将作用力传导至阻尼承压器2，通过阻尼承压器2的作用将载荷传导至沉管的底板11部分，从而使得沉管上下部分载荷较为均匀，通过传导杆6可以反向给承压活动板4提供支撑作用力，从而使得承压活动板4作用于沉管上部分的载荷可以较多的作用于传导杆6，从而使得沉管可以更好的抵抗潮汐载荷。

为了更好的将载荷作用于承载能力较强的部分，还包括塑性弧形板5，所述塑性弧形板5固定于所述顶板12的外侧，所述塑性弧形板5中部凸起，且与所述顶板12之间存在空隙；所述塑性弧形板5的两侧均连接在所述传导杆6上，所述顶板12两侧设置有凸起，所述凸起与所述塑性弧形板5相抵。所述塑性弧形板5与所述凸台的连接处设置有长条槽。塑性弧形板5具有一定的弹性，其初始状态时中部凸起，当承受载荷时，由于中部距离支撑点较远承载能力较弱，在承载之后容易发生变形，从而使得塑性弧形板5有向两边延展的趋势，同时塑性弧形板5边缘部分向上微微抬起，从而使得在塑性弧形板5变形的过程中，两侧往上挑起，从而提供给传导杆6往上的支撑力，同时提供与侧向板相反的作用力，使得传导杆6受到的垂直于轴向的作用力相互制约。而塑性弧形板5的作用力点集中在凸台上，由于凸台厚度足够且不是沉管的主要承载位置，因此将载荷集中在该位置可以很好的保护其他位置。

优选的，所述阻尼承压器2包括液压活塞23，所述底板11的下侧设置有密封腔24，所述密封腔24中充满液体，所述密封腔24的一侧设置有压缩腔，所述液压活塞23滑动连接于所述压缩腔中，所述液压活塞23固定于所述传导杆6的另一端。传导杆6在潮汐载荷的作用下产生沿轴向的位移，从而推动液压活塞23挤压压缩内部的液体，可以采用水作用承压液体，从而通过液体将压力传导至底板11，使得底板11也承受较大的载荷，从而使得沉管整体载荷较为平衡，从而使得沉管更不容易损坏。

抗潮汐荷载的沉管的施工方法，步骤S00：传导杆6的安装，制作沉管的侧板13时预埋滑套，待沉管固化后将传导杆6插入滑套中；滑套采用钢材制作，使得与传导杆6作用时足够承载，滑套直接固化在侧板13内部使得强度足够。步骤S10：阻尼承压器2的设置，制作沉管的底板11时，在所述底板11底部预留空间，沉管两端留有开口，在沉管固化成型之后安装液压活塞23固定在传导杆6上，然后将内部用液体填充满；步骤S20：承压活动板4的安装，先将弹性垫层3通过螺栓固定于侧板13外侧，将承压活动板4固定于传导杆6上，并锁紧使得承压活动板4挤压弹性垫层3。弹性垫层3只安装在侧向斜面14位置，以及延伸至侧面一段距离，不覆盖全部的侧面。侧面上端部分载荷较大，而下端部分受潮汐变化载荷影响较少。优选的，在步骤S00中，传导杆6安装时，塑性弧形板5先安装在顶板12的凸起处，塑性弧形板5中部与顶板12之间留有间隙；同时将塑性弧形板5的两侧固定在两侧的传导杆6上。使得塑性弧形板5中间部分有一点的变形空间。

实施例二

本实施例区别于实施例一在于：阻尼承压器2采用不同的方式。

如图1所示，本实施例中提供的一种抗潮汐荷载的沉管，包括顶板12、底板11以及侧板13，所述顶板12、所述底板11以及所述侧板13之间形成过车通道；还包括传导杆6、承压活动板4，在制作沉管时，在侧板13内部安装有若干个滑套，所述传导杆6滑动连接于所述侧板13的内部，所述承压活动板4固定于一排多个所述传导杆6的一端，所述承压活动板4位于所述侧板13的外侧，且所述承压活动板4与所述侧板13之间设置有弹性垫层3；弹性垫层3采用耐腐蚀的橡胶材质，所述底板11处设置有阻尼承压器2，所述传导杆6的另一端与所述阻尼承压器2相连，以将所述侧板13位置压力传导至底板11位置。所述顶板12与所述侧板13连接处设置有侧向斜面14，所述承压活动板4设置有相匹配的斜向板41。传导杆6安装在侧向斜面14位置，承压活动板4在侧向斜面14位置与传导杆6连接，沉管安装在水底之后，根据潮汐变化作用于沉管外侧的压力会不断变化，潮汐变化在一定的范围之内，但这个范围只能通过以前记录的数据进行推导。使得载荷可能会出现过高的情况，同时由于混凝土长期在水底可能会出现承载性能下降的情况，而且在潮汐变化时，沉管上端部分所承受的载荷变化最大，然后上部分支撑面较少，承载能力稍弱。通过设置传导杆6的作用可以进一步的加强对上端承压部分的支撑力。潮汐变化时，载荷通过承压活动板4传导至弹性垫层3，通过弹性垫层3传导给沉管侧板13以及斜向板41，由于各位置压力载荷几乎相同，但是存在微小差异，承压活动板4会给传导杆6一个垂直于轴向的作用力，但是由于传导杆6在方向是限制位移的，从而会使得传导杆6有产生倾斜的作用，从而该部分作用力会通过传导杆6作用于滑套中。同时承压活动板4会给传导杆6一个沿轴向的作用力，该作用力会使得传导杆6产生轴向的位移，从而将作用力传导至阻尼承压器2，通过阻尼承压器2的作用将载荷传导至沉管的底板11部分，从而使得沉管上下部分载荷较为均匀，通过传导杆6可以反向给承压活动板4提供支撑作用力，从而使得承压活动板4作用于沉管上部分的载荷可以较多的作用于传导杆6，从而使得沉管可以更好的抵抗潮汐载荷。

为了更好的将载荷作用于承载能力较强的部分，还包括塑性弧形板5，所述塑性弧形板5固定于所述顶板12的外侧，所述塑性弧形板5中部凸起，且与所述顶板12之间存在空隙；所述塑性弧形板5的两侧均连接在所述传导杆6上，所述顶板12两侧设置有凸起，所述凸起与所述塑性弧形板5相抵。所述塑性弧形板5与所述凸台的连接处设置有长条槽。塑性弧形板5具有一定的弹性，其初始状态时中部凸起，当承受载荷时，由于中部距离支撑点较远承载能力较弱，在承载之后容易发生变形，从而使得塑性弧形板5有向两边延展的趋势，同时塑性弧形板5边缘部分向上微微抬起，从而使得在塑性弧形板5变形的过程中，两侧往上挑起，从而提供给传导杆6往上的支撑力，同时提供与侧向板相反的作用力，使得传导杆6受到的垂直于轴向的作用力相互制约。而塑性弧形板5的作用力点集中在凸台上，由于凸台厚度足够且不是沉管的主要承载位置，因此将载荷集中在该位置可以很好的保护其他位置。

优选的，本实施例阻尼承压器2包括密封橡胶块22、挤压板21；密封橡胶块22延伸至沉管连接处，所述挤压板21固定于所述传导杆6的另一端，所述挤压板21作用于所述密封橡胶块22，以挤压所述密封橡胶块22产生形变。传导杆6在潮汐载荷的作用下产生沿轴向的位移，从而推动挤压板21挤压密封橡胶块22，从而使得密封橡胶块22变形从而更好的堵住连接处密封，同时配合水密法，从内外同时施压密封。

抗潮汐荷载的沉管的施工方法，步骤S00：传导杆6的安装，制作沉管的侧板13时预埋滑套，待沉管固化后将传导杆6插入滑套中；滑套采用钢材制作，使得与传导杆6作用时足够承载，滑套直接固化在侧板13内部使得强度足够。步骤S10：阻尼承压器2的设置，制作沉管的底板11时，在所述底板11底部预留空间，沉管两端留有开口，在沉管固化成型之后安装挤压板21固定在传导杆6上，然后将内部用密封橡胶块22填充满；步骤S20：承压活动板4的安装，先将弹性垫层3通过螺栓固定于侧板13外侧，将承压活动板4固定于传导杆6上，并锁紧使得承压活动板4挤压弹性垫层3。弹性垫层3只安装在侧向斜面14位置，以及延伸至侧面一段距离，不覆盖全部的侧面。侧面上端部分载荷较大，而下端部分受潮汐变化载荷影响较少。优选的，在步骤S00中，传导杆6安装时，塑性弧形板5先安装在顶板12的凸起处，塑性弧形板5中部与顶板12之间留有间隙；同时将塑性弧形板5的两侧固定在两侧的传导杆6上。使得塑性弧形板5中间部分有一点的变形空间。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种抗潮汐荷载的沉管，包括顶板(12)、底板(1)以及侧板(13)，所述顶板(12)、所述底板(1)以及所述侧板(13)之间形成过车通道；其特征在于：

还包括传导杆(6)、承压活动板(4)，所述传导杆(6)滑动连接于所述侧板(13)的内部，所述承压活动板(4)固定于所述传导杆(6)的一端，所述承压活动板(4)位于所述侧板(13)的外侧，且所述承压活动板(4)与所述侧板(13)之间设置有弹性垫层(3)；

所述底板(1)处设置有阻尼承压器(2)，所述传导杆(6)的另一端与所述阻尼承压器(2)相连，以将所述侧板(13)位置压力传导至底板(1)位置。

2.根据权利要求1所述的抗潮汐荷载的沉管，其特征在于：

还包括塑性弧形板(5)，所述塑性弧形板(5)固定于所述顶板(12)的外侧，所述塑性弧形板(5)中部凸起，且与所述顶板(12)之间存在空隙；所述塑性弧形板(5)的两侧均连接在所述传导杆(6)上，所述顶板(12)两侧设置有凸台，所述塑性弧形板(5)固定于所述凸台上。

3.根据权利要求2所述的抗潮汐荷载的沉管，其特征在于：

所述塑性弧形板(5)与所述凸台的连接处设置有长条槽。

4.根据权利要求1-3任一项所述的抗潮汐荷载的沉管，其特征在于：

所述阻尼承压器(2)包括液压活塞(23)，所述底板(1)的下侧设置有密封腔(24)，所述密封腔(24)中充满液体，所述密封腔(24)的一侧设置有压缩腔，所述液压活塞(23)滑动连接于所述压缩腔中，所述液压活塞(23)固定于所述传导杆(6)的另一端。

5.根据权利要求1-3任一项所述的抗潮汐荷载的沉管，其特征在于：

所述阻尼承压器(2)包括密封橡胶块(22)、挤压板(21)；密封橡胶块(22)延伸至沉管连接处，所述挤压板(21)固定于所述传导杆(6)的另一端，所述挤压板(21)作用于所述密封橡胶块(22)，以挤压所述密封橡胶块(22)产生形变。

6.根据权利要求1所述的抗潮汐荷载的沉管，其特征在于：

所述顶板(12)与所述侧板(13)连接处设置有侧向斜面(14)，所述承压活动板(4)设置有相匹配的斜向板(41)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的抗潮汐荷载的沉管的施工方法，其特征在于：

步骤S00：传导杆(6)的安装，制作沉管的侧板(13)时预埋滑套，待沉管固化后将传导杆(6)插入滑套中；

步骤S10：阻尼承压器(2)的设置，制作沉管的底板(1)时，在所述底板(1)底部预留空间，沉管两端留有开口，在沉管固化成型之后安装液压活塞(23)或挤压板(21)固定在传导杆(6)上，然后将液压用液体或密封橡胶块(22)填充满；

步骤S20：承压活动板(4)的安装，先将弹性垫层(3)通过螺栓固定于侧板(13)外侧，将承压活动板(4)固定于传导杆(6)上，并锁紧使得承压活动板(4)挤压弹性垫层(3)。

8.根据权利要求7所述的抗潮汐荷载的沉管的施工方法，其特征在于：

在步骤S00中，传导杆(6)安装时，塑性弧形板(5)先安装在顶板(12)的凸台处，塑性弧形板(5)中部与顶板(12)之间留有间隙；同时将塑性弧形板(5)的两侧固定在两侧的传导杆(6)上。

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