章　勇， 呂振綱， 楊銳銳， 禹海濤

(1. 南昌市政公用投資控股有限責(zé)任公司， 江西 南昌　330000； 2. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上?！?00092)

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紅谷沉管隧道GINA止水帶數(shù)值模擬分析

章勇1， 呂振綱1， 楊銳銳1， 禹海濤2，*

(1. 南昌市政公用投資控股有限責(zé)任公司， 江西 南昌330000； 2. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上海200092)

沉管隧道接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對于預(yù)制管段，管段接頭是沉管隧道的薄弱環(huán)節(jié)。管段的不均勻沉降會導(dǎo)致接頭處的張開與錯動，引起GINA止水帶的變形，造成接頭防水能力的降低甚至喪失，從而對隧道的安全運(yùn)營造成極大的危害。采用有限單元法針對沉管接頭GINA止水帶進(jìn)行建模，對多工況下GINA止水帶的受力變形機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)化研究，以期對沉管隧道接頭的防水設(shè)計(jì)和施工提供參考。主要結(jié)論如下： 1)運(yùn)營工況下，GINA的壓縮量不宜小于90 mm，接頭張開量不宜大于35 mm； 2)設(shè)計(jì)條件下管節(jié)相對水平錯動20 mm，相對豎向錯動35 mm時(shí)，不會影響GINA止水帶功能； 3)運(yùn)營工況下，GINA止水帶兩肩部的差異變形對其止水功能影響較小。

紅谷隧道； 沉管法； 管段接頭； GINA止水帶； 數(shù)值模擬

0　引言

沉管隧道是由預(yù)制管段通過接頭連接而成，由于其縱斷面埋深較小、斷面設(shè)置靈活，在大斷面越江跨海隧道中具有一定的優(yōu)越性。沉管隧道接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及到受力安全的接頭構(gòu)件主要包括端鋼殼、GINA止水帶、混凝土剪切鍵、鋼剪切鍵以及預(yù)應(yīng)力錨索等。在不均勻地基和不均勻受力情況下，沉管隧道變形易集中在剛度較小的接頭位置，管段接頭是影響沉管隧道施工質(zhì)量和運(yùn)營安全的關(guān)鍵因素，其受力和變形特性一直是沉管隧道研究的重點(diǎn)[1]。針對上述問題，研究人員開展了廣泛的研究工作，包括模型試驗(yàn)[2-3]、數(shù)值模擬[4-7]和理論推導(dǎo)[8-9]。文獻(xiàn)[10]對不同結(jié)構(gòu)形式的GINA止水帶受力變形規(guī)律進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[11]對TRELLEBORG型GINA止水帶的長期效應(yīng)進(jìn)行了有限元分析；文獻(xiàn)[12]對GINA改進(jìn)型止水帶的剩余壓縮量及安全評定等級進(jìn)行了分析研究；文獻(xiàn)[13]對3種結(jié)構(gòu)形式的GINA止水帶的止水效果進(jìn)行了對比分析；文獻(xiàn)[14]采用對數(shù)回歸得到相對沉降量隨時(shí)間的變化公式，根據(jù)沉管GINA止水帶當(dāng)前最大壓縮量與初始壓縮量的對比，對GINA 止水帶的使用壽命進(jìn)行了評估。

由于接頭剛度的不連續(xù)性，管段的不均勻沉降會導(dǎo)致接頭處的張開與錯動，使GINA止水帶的防水效果降低甚至喪失，從而對隧道的安全運(yùn)營造成極大的危害，因此，對沉管隧道GINA止水帶在受力情況下的變形分析顯得至關(guān)重要。隨著有限元法的不斷發(fā)展，采用有限單元法針對沉管接頭進(jìn)行精細(xì)化建模，對多工況下接頭結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)化研究成為可能。目前關(guān)于GINA止水帶的數(shù)值分析，主要考慮壓縮工況和壓縮+側(cè)向水壓力工況下的計(jì)算，而關(guān)于GINA止水帶兩側(cè)接頭差異變形以及轉(zhuǎn)動的分析，還未見諸文獻(xiàn)。本文采用有限單元法針對沉管接頭GINA止水帶進(jìn)行建模，對多工況下GINA止水帶的受力變形機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)化研究。指出當(dāng)GINA止水帶的壓縮量較小時(shí)，在水壓力作用下未得到充分壓縮，GINA止水帶應(yīng)力較小，與端鋼殼的接觸面積也較小，止水能力較弱；并根據(jù)分析給出GINA止水帶的建議最小壓縮量；同時(shí)指出在壓縮量充分的情況下，管節(jié)允許的錯動和轉(zhuǎn)動變形對GINA止水帶的止水能力影響較小。

1　工程概況

紅谷沉管隧道跨越贛江通道，隧道長2 635 m，其中沉管段長1 305 m，右岸側(cè)連續(xù)3節(jié)均為90 m管段，其他均為115 m管段。隧道平面位置如圖1所示。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

沉管管段橫斷面寬30 m，高8.3 m，該沉管隧道采用柔性接頭，主要受力部件有端鋼殼、GINA止水帶、預(yù)應(yīng)力鋼索、水平及垂直剪切鍵等。沉管隧道接頭構(gòu)件如圖2所示。

(a) 接頭橫斷面圖(單位: mm)

(b) 1-1剖面

(c) 2-2剖面

(d) 3-3剖面

2　GINA止水帶的精細(xì)化數(shù)值模型

管段接頭的止水效果由GINA止水帶決定，包括止水帶與管段的接觸壓力和接觸面積，從而GINA止水帶的止水效果與管段間的相對變形關(guān)系密切。GINA止水帶模型如圖3所示。

圖3　GINA止水帶模型

紅谷沉管隧道接頭采用的GINA止水帶有2種硬度，分別為G225/275-40型和G225/275-50型，其橫斷面尺寸相同，如圖4所示。在淺水區(qū)段，8—9管段之間及之前的接頭均為G225/275-40型的；在深水區(qū)段，即9—10管段之間及其后的管段結(jié)構(gòu)均為G225/275-50型的。由于GINA止水帶的幾何外形特征，GINA尖肋開始受力時(shí)，抵抗變形能力較弱。隨著GINA壓縮變形的不斷增大，抵抗變形能力逐漸增大。GINA止水帶如圖4所示。

(a) GINA止水帶橫斷面圖(單位： mm)

(b) GINA止水帶壓縮變形試驗(yàn)曲線

如圖2所示，根據(jù)設(shè)計(jì)要求的理想狀態(tài)，管段沉放就位時(shí)，GINA止水帶壓縮量約為125 mm。根據(jù)圖4(b)，由荷載/壓縮變形量得到GINA止水帶的割線剛度，并繪制如圖5所示的割線剛度-變形曲線。在壓縮量較小的情況下，由于主要是尖肋受力，此時(shí)GINA止水帶的割線剛度較小。隨著壓縮量的不斷增大，GINA止水帶的兩肩開始受力，GINA止水帶的割線剛度開始急劇增大。當(dāng)GINA止水帶的壓縮量達(dá)到125 mm及以上時(shí)，GINA止水帶的割線剛度已趨于穩(wěn)定?；诠こ虒?shí)用的目的，在誤差允許的范圍內(nèi)，采用彈性模型，考慮GINA的幾何非線性，對GINA止水帶的壓縮過程進(jìn)行了參數(shù)反演，得到GINA止水帶的彈性模量參數(shù)。G225/275-40型的彈性模量約為1 MPa，G225/275-50型的彈性模量約為1.25 MPa。模擬GINA止水帶的試驗(yàn)工況，得到如圖6所示的試驗(yàn)曲線與擬合曲線對比，兩者吻合較好，從而可以從本構(gòu)模型上簡化GINA止水帶的分析難度。

圖5　GINA止水帶割線剛度-壓縮變形關(guān)系曲線

Fig. 5Relationships between stiffness and compression of GINA water seal strip

圖6　GINA止水帶壓縮試驗(yàn)曲線與數(shù)值計(jì)算結(jié)果

Fig. 6Comparison between compression test results and numerical results of GINA water seal strip

3　GINA止水帶的數(shù)值結(jié)果分析

考慮到沉管接頭受力的復(fù)雜性，在進(jìn)行沉管接頭受力變形分析時(shí)，需要剝離一些次要因素，考慮沉管接頭構(gòu)造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文基于GINA止水帶的復(fù)雜性，主要考慮對接頭變形過程中GINA止水帶可能的受力和變形工況進(jìn)行分析。主要內(nèi)容包括： 1)對最基本的壓縮工況進(jìn)行分析； 2)分析最大水頭情況下(本工程最大洪水水頭約25 m)不同壓縮工況接頭與管段的相對變形； 3)對管段錯動情況下的GINA止水帶受力變形進(jìn)行分析； 4)進(jìn)行沉管管段轉(zhuǎn)動工況的研究。由于2種GINA止水帶的受力和變形的規(guī)律無明顯區(qū)別，故不再分別討論。下文主要討論G225/275-40型止水帶。

3.1GINA止水帶壓縮工況

3.1.1無水壓力工況

無水壓力情況下，對GINA止水帶壓縮66、100、125 mm后的Y方向應(yīng)力云圖如圖7所示。

壓縮量66 mm情況下，GINA止水帶兩肩應(yīng)力較小，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力約40 kPa；只有尖肋應(yīng)力較大，但接觸面積無法保證，無法確保防水的有效性。

(a) 壓縮66 mm

(b) 壓縮100 mm

(c) 壓縮125 mm

Fig. 7Nephograms of vertical stresses of GINA water seal strip without water pressure (kN/m2)

在壓縮量100 mm情況下，GINA兩肩和本體大部分區(qū)域的壓應(yīng)力約750 kPa，底部應(yīng)力約650 kPa。由于GINA止水帶的底部接觸面積較大，在荷載作用下，其應(yīng)力值略小于肩部。

在壓縮量125 mm情況下，GINA兩肩及本體Y方向壓應(yīng)力約2 900 kPa，底部Y方向壓應(yīng)力約2 500 kPa，接觸面積和應(yīng)力均能滿足止水的要求。

3.1.2水頭25 m情況下

在水頭25 m情況下(約為沉管底標(biāo)高至贛江最高水位標(biāo)高的距離)，對GINA止水帶壓縮66、100、125 mm后的Y方向應(yīng)力云圖如圖8所示。

在壓縮量66 mm情況下，GINA止水帶存在水壓力側(cè)的肩部局部應(yīng)力集中的壓應(yīng)力約為400 kPa，本體的應(yīng)力為250～400 kPa；而非承受水壓力側(cè)則為拉應(yīng)力。在25 m水頭，即250 kPa水壓力作用下，GINA止水帶出現(xiàn)較大的側(cè)向變形，尖肋的應(yīng)力集中也較無水壓力情況下小，接觸面積也較小，止水效果很難保證。

(a) 壓縮66 mm

(b) 壓縮100 mm

(c) 壓縮125 mm

Fig. 8Nephograms of vertical stresses of GINA water seal strip under water head of 25 m (kN/m2)

在壓縮量100 mm情況下，GINA兩肩和本體大部分區(qū)域的壓應(yīng)力約900 kPa，略大于無水壓力情況下的結(jié)果，這主要是因?yàn)閭?cè)向水壓力作用下引起的變形在一定程度上對GINA止水帶存在擠壓作用。

在壓縮量125 mm情況下，GINA承受水壓力側(cè)的肩部Y方向壓應(yīng)力約為3 500 kPa，另一側(cè)肩部Y方向壓應(yīng)力約為3 000 kPa。本體在水壓力作用下，出現(xiàn)對角線壓應(yīng)力集中的現(xiàn)象。底部Y方向壓應(yīng)力約2 500 kPa，接觸面積和應(yīng)力均能滿足止水的要求。

在純壓縮工況下，隨著水頭增加，尖肋相對于鋼殼的變形情況(尖肋可相對于鋼殼變形的情況下)如圖9所示。當(dāng)管段接頭在就位后(即GINA止水帶壓縮125 mm后)，如果因?yàn)槭艿胶奢d的作用而引起接頭張開，其張開量大于35 mm后(即GINA止水帶的壓縮量為90 mm情況下)，如圖9所示，并結(jié)合圖8分析，在水頭作用下，GINA止水帶的尖肋變形將比較大，影響GINA止水帶的止水效果。

圖9　不同壓縮工況下GINA止水帶相對端鋼殼變形

Fig. 9Relationships between relative deformation of end steel shell of GINA water seal strip and water head under different compression conditions

3.2GINA止水帶壓縮+錯動工況

當(dāng)管節(jié)接頭兩側(cè)發(fā)生不均勻沉降，或地震工況下的水平不均勻變形時(shí)，GINA止水帶同時(shí)出現(xiàn)壓縮+錯動工況，相當(dāng)于GINA止水帶的一條對角線受到了壓縮，另一條對角線得到拉伸。壓縮的對角線上的橡膠應(yīng)力增大，而GINA止水帶與端鋼殼的有效接觸面積(即應(yīng)力比較大的面積)轉(zhuǎn)而由受到壓縮的對角線方向的GINA止水帶來決定，從而其有效接觸面積減小。

水頭25 m情況下，對GINA止水帶壓縮66、100、125 mm，錯動50 mm后的Y方向應(yīng)力云圖如圖10所示。

在壓縮量66 mm情況下，GINA止水帶存在水壓力側(cè)的肩部壓應(yīng)力約為400 kPa，非水壓力側(cè)則為拉應(yīng)力。在水壓力作用下，GINA止水帶出現(xiàn)較大的側(cè)向變形，由3.1節(jié)可知，壓縮量為66 mm情況下，在水壓力作用下GINA止水帶的側(cè)向變形遠(yuǎn)大于50 mm，而在壓縮并在水壓力作用下充分變形后(如圖11所示)，水平錯動50 mm情況下尖肋的增量變形最大為壓縮量75 mm情況下的15.8 mm，這主要是因?yàn)閴嚎s量66 mm情況下，在管段相互錯動之前，GINA止水帶已經(jīng)在水壓力作用下發(fā)生了充分變形；而在GINA止水帶壓縮變形不小于90 mm的情況下，則GINA止水帶的尖肋充分壓縮變形后，其水平變形受到兩側(cè)肩部的約束，其變形與兩側(cè)肩部的變形趨于一致。不同壓縮工況下管段錯動引起的GINA尖肋水平位移見圖12。由圖12可知，在GINA止水帶壓縮變形為75 mm時(shí)，管段相對錯動引起的GINA尖肋變形增量最大。

在壓縮量100 mm情況下，GINA兩肩和本體大部分區(qū)域的壓應(yīng)力約950 kPa，略大于無相對錯動情況下的結(jié)果，這主要是因?yàn)楣芏蜗鄬﹀e動引起的變形在一定程度上對GINA止水帶存在擠壓作用。

(a) 壓縮66 mm+水平錯動50 mm

(b) 壓縮100 mm+水平錯動50 mm

(c) 壓縮125 mm+水平錯動50 mm

圖10水頭25 m及錯動50 mm情況下垂直方向應(yīng)力云圖(單位： kN/m2)

Fig. 10Nephograms of vertical stresses of GINA water seal strip under water head of 25 m and deformation of 50 mm (kN/m2)

圖11不同壓縮工況下管段接頭相對錯動與GINA水平位移關(guān)系

Fig. 11Relationships between horizontal displacement of GINA water seal strip and relative deformation of segment joints under different compression conditions

在壓縮量125 mm情況下，GINA承受水壓力側(cè)的肩部Y方向壓應(yīng)力約為4 000 kPa，另一側(cè)肩部Y方向壓應(yīng)力約為3 200 kPa。本體在水壓力和管段錯動作用下，出現(xiàn)對角線壓應(yīng)力集中的現(xiàn)象。底部Y方向壓應(yīng)力約2 700 kPa。與圖8相比，在水壓力和管段相對錯動的雙重作用下，GINA止水帶的變形和內(nèi)力均有所增大。

圖12　不同壓縮工況下管段錯動引起的GINA尖肋水平位移

Fig. 12Relationship between horizontal displacement of GINA rib and compression conditions

紅谷沉管隧道設(shè)計(jì)允許管節(jié)相對水平錯動20 mm，相對豎向錯動35 mm，這樣的錯動變形量不會影響GINA止水帶功能。

3.3管段轉(zhuǎn)動情況下GINA止水帶的受力分析

與盾構(gòu)隧道不同，沉管隧道只有縱向接頭，且管段整體預(yù)制。當(dāng)縱向出現(xiàn)轉(zhuǎn)動時(shí)，轉(zhuǎn)動方式如圖13所示。由于沉管結(jié)構(gòu)高度較大(8.3 m)，而GINA止水帶的尺寸較小，在GINA的容許變形條件下(見3.1、3.2節(jié))，沉管接頭容許轉(zhuǎn)動角度較小。在對應(yīng)工況下，圖13(b)頂?shù)装錑INA差異變形為30 mm(上部壓縮，下部未變形)，對應(yīng)的接頭轉(zhuǎn)動角度只有0.222°，對應(yīng)的GINA止水帶兩肩高差只有0.97 mm；圖13(c)頂?shù)装錑INA差異變形為90 mm(上部壓縮30 mm，下部張開60 mm)，對應(yīng)的接頭轉(zhuǎn)動角度為0.665°，對應(yīng)的GINA止水帶兩肩高差只有2.90 mm。從而在GINA止水帶受力條件下，其兩肩差異變形引起的GINA止水帶的內(nèi)力差異較小，壓縮125 mm后Y方向應(yīng)力云圖如圖14所示。

(a)　　　　　　　　　(b)　　　　　　　　　(c)

在GINA止水帶充分壓縮的情況下，沉管接頭轉(zhuǎn)動角度由0.2°逐漸增大到1.0°的過程中，GINA止水帶本體的應(yīng)力變化較小，并不影響GINA止水帶的止水能力。

(a) 轉(zhuǎn)動角度為0.2°

(b) 轉(zhuǎn)動角度為0.4°

(c) 轉(zhuǎn)動角度為0.6°

(d) 轉(zhuǎn)動角度為0.8°

(e) 轉(zhuǎn)動角度為1.0°

Fig. 14Nephograms of vertical stresses of GINA water seal strip after compression of 125 mm (kN/m2)

4　結(jié)論與建議

沉管隧道接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對于預(yù)制管段，管段接頭是沉管隧道的薄弱環(huán)節(jié)。管段的不均勻沉降會導(dǎo)致接頭處的張開與錯動，引起GINA止水帶的變形，造成接頭防水效果的降低甚至喪失，從而對隧道的安全運(yùn)營造成極大的危害，故沉管隧道接頭GINA止水帶在受力情況下的變形分析至關(guān)重要，但其受力變形規(guī)律仍處于研究階段，尚無通用的計(jì)算方法。本文通過有限元模型進(jìn)行多工況數(shù)值分析，對包括壓縮工況以及壓縮+側(cè)水壓力工況，以及目前尚未見諸文獻(xiàn)的接頭相對錯動工況以及轉(zhuǎn)動工況下GINA止水帶的受力和變形進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下。

1)當(dāng)GINA止水帶的壓縮量較小時(shí)，在水壓力作用下未得到充分壓縮，GINA止水帶應(yīng)力較小，與端鋼殼的接觸面積也較小，止水能力較弱。建議GINA使用工況下的壓縮量不能小于90 mm，即理想工況下管段就位后，考慮施工誤差等因素，同時(shí)應(yīng)考慮運(yùn)營過程中的張開量不能大于35 mm。

2)壓縮+錯動工況下，GINA止水帶在對角線上因受到約束應(yīng)力較壓縮工況略有增大，當(dāng)兩肩部充分受力后(即壓縮量不小于90 mm的情況下)，其錯動工況引起的變形較小。紅谷沉管隧道設(shè)計(jì)允許管節(jié)相對水平錯動為20 mm，相對豎向錯動為35 mm，這樣的錯動變形量不會影響GINA止水帶功能。

3)沉管隧道GINA止水帶兩肩差異變形的容許值較小，從而在GINA使用工況下，其兩肩部的差異變形對其內(nèi)力和止水功能影響較小。

本文通過建立精細(xì)化數(shù)值模型對GINA止水帶進(jìn)行多工況數(shù)值分析，對各工況下GINA止水帶的受力變形特點(diǎn)進(jìn)行了探討，結(jié)論可為類似工程參考。今后在進(jìn)一步的研究中，由于接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)行沉管隧道全三維數(shù)值分析時(shí)，需要對接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，本文精細(xì)化數(shù)值模型的成果可作為簡化分析的基礎(chǔ)，以便于進(jìn)一步深化對沉管隧道的研究。

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Numerical Analysis of GINA Water Seal Strips Used in Honggu Immersed Tunnel

ZHANG Yong1, LYU Zhengang1, YANG Ruirui1, YU Haitao2, *

(1.NanchangMunicipalPublicGroup,Nanchang330000,Jiangxi,China; 2.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

The joint structure of immersed tunnel is very complex; it is the weakness of immersed tunnel. The uneven settlement of the prefabricated segment would lead to the open and dislocation of segment joint, and would further affect the GINA water seal strip. The reducing and loose of the waterproofing capability of segment joint would lead to safety risk of tunnel running. The GINA water seal strip used in immersed tunnel is modeled by finite element method; and then the deformation mechanism of the GINA water seal strip under different construction conditions is studied. Some conclusions are drawn as follows: 1) The compression amount of GINA water seal strip should not be less than 90 mm and the opening amount of the segment joint structure should be less than 35 mm under operating condition. 2) The sealing function of the GINA water seal strip will not be affected under the conditions of the tangential dislocation of the joint structure less than 20 mm in horizontal direction and 35 mm in vertical direction. 3) The difference deformations of GINA water seal strip shoulders affect its sealing function little.

Honggu Tunnel; immersed tunnel; segment joint; GINA water seal strip; numerical analysis

2016-05-10;

2016-06-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378388 & 51208296 & 51478343)； 上海市科學(xué)技術(shù)委員會(13231200503 & 16DZ1200302 & 16DZ1201904)； 上海市教育發(fā)展基金會資助(13CG17)

章勇(1976—)，男，江西南昌人，2005年畢業(yè)于南昌大學(xué)，土木工程專業(yè)，碩士，高級工程師，主要從事工程項(xiàng)目管理工作。 E-mail： 24519135@qq.com。 *通訊作者： 禹海濤， E-mail： yuhaitaobest@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.004

U 45

A

1672-741X(2016)09-1045-07