大型沉管隧道柔性接頭受力分析

□文/袁有為 王艷寧

大型沉管隧道柔性接頭受力分析

□文/袁有為 王艷寧

橡膠止水帶是沉管法隧道接頭聯接中的關鍵技術，GINA止水帶的問世，使得水力壓接法廣泛應用于管節的聯接并使水下沉管隧道的建設有了巨大發展。天津海河隧道采用沉管法施工工藝，隧址位于8度區的軟土地基上，管段接頭在各種不利工況下的穩定性是整個工程安全的關鍵問題之一。依托天津濱海新區中央大道海河隧道工程，采用大型有限元軟件Hypermesh，分析了沉管柔性接頭在各種工況下的受力情況，對于GINA止水帶的選型具有較強的指導意義。

沉管；隧道；柔性；接頭；GINA止水帶；有限元；Hypermesh；受力

沉管法是指在干塢內或大型駁船上先預制管段，再浮運到指定位置下沉、對接、固定，進而建成水下隧道或水下構筑物的施工方法。采用沉管法施工的隧道叫沉管隧道。

1　工程概況

天津海河隧道路線全長4 132 m，隧道部分全長3 323 m，暗埋段全長2 988 m。穿越海河段采用沉管法施工工藝，沉管段全長255 m，由3節預制管段組成，單節管段長85 m，見圖1和圖2。

圖1　海河隧道沉管段橫斷面

圖2　海河隧道沉管段分節

海河沉管隧道管段與管段之間以及沉管段與兩岸暗埋段之間采用柔性接頭形式相聯接。柔性接頭包括鋼剪切鍵、混凝土剪切鍵、剪切鍵橡膠支座、GINA止水帶以及預應力拉索等多種構件，見圖3。

圖3　沉管隧道段橫斷面及管段接頭布置

海河隧道位于8度區IV類場地條件，屬于抗震不利地段。從沉管隧道自身的結構特點和埋設位置來看，其受地震作用比較明顯。沉管隧道是由多節位于水下的管段拼接而成，這對管段接頭的密封防漏性能有著非常苛刻的要求。地震期間，由于埋設于土層中沉管隧道不太可能像橋梁那樣發生垮塌式的結構破壞，其最容易出現問題并可能導致整個沉管喪失功能的薄弱環節就在于其接頭聯接的可靠性。因此保證其接頭在地震期間能夠抵抗住地震力的破壞作用對沉管隧道整體的抗震性能具有決定性的意義。

本文依托中央大道海河隧道工程，采用美國Altair公司的有限元分析軟件Hypermesh，針對管段接頭在各種工況下的受力進行全面的分析并指導關鍵構件的選型。

2　沉管柔性接頭數值分析

模型根據沉管的實際尺寸和土層分布建立，為減小人工邊界的影響，模型底部取至地面以下80 m的粉砂層，其中沉管結構和土體采用8節點六面體單元，沉管之間的聯接簡化為彈簧單元計算，整體模型見圖4。需說明的是，覆蓋層-85 m處剪切波速達到500 m/s，以此為地震波輸入面。

圖4　結構整體分析模型

2.1計算參數

2.1.1管段接頭參數

本次計算中將接頭簡化為彈簧進行處理，根據工程實際，分別對鋼拉索、水平剪切鍵、豎向剪切鍵以及GINA在相應自由度方向上提供的剛度進行折算，然后將上述等效剛度在各自由度方向疊加在一起，利用Dyna中的非線性彈簧單元來定義簡化彈簧的力學參數，簡化所得計算模型見圖5。

圖5　模型中的接頭

1）接頭鋼拉索的抗拉剛度。單根鋼拉索的抗拉剛度為4.7×107N/m，頂底板各設有26根鋼拉索，折算后頂板和底板36.6 m范圍內抗拉剛度為26×4.7×107÷ 36.6=3.34×107（N/m）。

2）水平剪切鍵。根據設計資料，單組水平剪切鍵的水平抗剪剛度為2 750 000÷0.02=1.375×108（N/m）。

其含義為產生0.02 m水平錯動需要施加2 750 000 N的力，考慮2組水平剪切鍵同時作用，底板36.6 m范圍內剪切剛度為2 750 000÷0.02×2÷36.6=3.64×107（N/m）。

3）垂直剪切鍵。考慮4組垂直剪切鍵同時受力，類似水平剪切鍵的折算方法，豎向范圍（高6.9 m）剪切剛度為4×（1 000 000/0.02）÷6.9=1.375×107（N/m）。

4）縱向限位裝置。頂板36.6 m范圍內共有13個縱向限位裝置，抗壓剛度為2000000/0.02×13/36.6=3.55× 107（N/m）。

5）GINA橡膠止水帶壓縮曲線。相鄰兩管節之間的管節接頭是影響沉管隧道安全使用的關鍵部位之一，也是沉管隧道的關鍵技術所在。中央大道海河隧道水中的4處柔性接頭是沉管隧道的重要環節，需要滿足以下要求：

（1）水密性，即在施工階段和日后運營階段不滲漏；

（2）具有抵抗各種作用的能力，這些作用包括各種荷載和強迫變形，諸如地震、溫度和地基變形等；

（3）受力明確，方便施工和保證施工質量。

在橡膠制品的有限元分析中，一般用應變能函數描述橡膠的力學性能。采用具有廣泛工程應用面的且最常見的Mooney-Rivlin橡膠材料模型，具體應變能函數形式

式中：I1、I2、I3為格林應變不變量；A、B為材料常數為柏松比。

GINA止水帶的基本材質為橡膠，主要材料性能參數見表1。橡膠是高度非線性的彈性體，應力應變關系較為復雜，見圖6。根據圖6定義非線性彈簧單元并考慮初始壓縮量為40 mm。

表1　GINA止水帶性能參數

圖6　GINA壓縮曲線

2.1.2沉管混凝土參數

沉管隧道的管段除要滿足結構強度的要求，還要滿足管段起浮、浮運、沉放時的要求。因此，對管段制作的尺寸精度、預埋件安裝精度、混凝土的重度和結構的防水要求相當高，以滿足管段在強度、防滲、抗裂、干舷高度等方面的要求。

本工程中管段混凝土為C40，抗滲等級為S10。具體參數見表2。

表2　混凝土C40主要性能參數

2.1.3地基土模型及參數

沉管隧道的地震響應很大程度上受附近地基土影響，因此在計算中地基土模型的選取非常重要。地基土在地震載荷作用下的變形，一般包括彈性變形（可恢復）和塑性變形（不可恢復）兩部分。工程中通常采用摩爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則和德魯克-普拉格（Drucker-Prager）屈服準則來反映地基土的屈服和破壞情況，見圖7。

圖7　屈服面

與摩爾-庫侖屈服準則相比，德魯克-普拉格屈服準則考慮靜水壓力可以引起巖土屈服的因素，另外避免摩爾-庫侖準則屈服面在角棱處引起的數值計算上的困難，即避免了奇異點（singularity）。因此本次計算采用德魯克-普拉格屈服準則。

德魯克-普拉格是一種經過修正的Mises屈服準則，其表達式為

式中：J1為應力張量的第一不變量為應力偏張量的第二不變量為材料的內聚力，φ為材料的內摩擦角；k為材料的屈服應力。

通常情況下，土層的物理化學性質具有非均勻性，動剪切模量G隨著深度的變化也呈一定的趨勢。比較好的函數表示方法是以指數函數來模擬動剪切模量隨地基土深度的變化，計算模型為

式中：G0為整體地基土的平均動剪切模量；Z為地基土的絕對深度。

進行土體參數的選取，其中內聚力和內摩擦角根據勘查報告取值。動剪切模量

式中：Es為壓縮模量；v為泊松比。

2.1.4地震波的選取

根據地震安全性評價報告提供的場地設計地震動參數，本次計算采用的100 a超越概率為10%的地震動，加速度時程曲線見圖8。加速度峰值為2.05 m/s2，與本工程的8度設防標準（最大加速度為0.2g）吻合。

圖8　輸入地震波

為更加全面地分析了解沉管隧道在地震時的動力響應性能，將地震波采取不同的角度入射，具體為0°、30°、45°和90°，對應每一個角度為一種工況，得到沉管在各種工況下的地震響應，然后加以比較，分析最不利工況下沉管的抗震性能。

2.2邊界條件

由于考慮地震波為水平入射，模型底部所有節點豎向位移約束為零，水平方向自由度將施加地震波加速度。

在進行動力分析時（以地震波響應為例），如果在四周施加常規的約束邊界條件，當地震波傳到邊界時將會受到邊界的反射作用，反射波與入射波疊加，將對模型的動力響應產生額外的附加的影響。為消除這種效應，有學者提出了用人工邊界、邊界元、無窮元、試函數等方法，取得了較好的效果。本文中將利用ls-dyna所提供的非反射邊界來消除這種影響，具體方法見圖9。

圖9　非反射邊界條件

3　計算結果

中央大道海河隧道處于天津市海河流域的下游，該流域平均低潮位約0.52 m，50 a一遇的高潮位約3.65 m，沉管管段接縫處沿橫斷面一周的GINA止水帶總長88.4 m，在不同計算水位下GINA的壓縮量見表3。

表3　GINA止水帶不同潮位下壓縮量計算mm

GINA止水帶的壓縮量除了受潮位高低影響較大外，還受到諸多其它因素的影響，諸如GINA自身松弛、干燥收縮、端面允許誤差、基礎沉降、溫差收縮、地震等因素的影響，相關計算見表4。

表4　GINA止水帶軸向總偏差量計算mm

4　結論

在對海河隧道沉管進行安全性評價時，管段間的接頭是最薄弱的環節，也是重點關注的對象。沉管隧道在地震波載荷的作用下，最可能發生的情況就是沉管之間的接頭部位會漏水，而GINA止水帶是整個沉管最重要的密封裝置，止水帶的壓縮量直接關系到沉管是否會漏水。從表3中可見，在平均潮位時，各管段接頭處的GINA的壓縮量為100～110 mm，足以滿足防滲要求（一般GINA壓縮量為20 mm就基本不會發生滲漏），在遇到50 a一遇的高潮位時，壓縮量有7～8 mm的增加，更加有利于GINA的密封性能。而進行安全性評價時，關心的是在最不利工況下止水帶是否會發生滲漏，當考慮各種不利因素共同作用時，引起的軸向總偏差有60 mm左右，這些因素包括松弛、干燥、溫度、沉降、地震等，其中影響最顯著的就是地震引起的軸向偏差，有限元分析結果為25 mm，其次是干燥收縮引起的偏差。在這些極端的最不利工況下，扣除總偏差，GINA的壓縮量減小到了40～45 mm，這個壓縮量值對防滲透來講仍然是足夠的，或者說在極端不利的工況下，GINA的密封性能仍然滿足要求。

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□王艷寧/天津市市政工程設計研究院。

U452

C

1008-3197（2016）04-58-04

2016-06-07

袁有為/男，1980年出生，高級工程師，碩士，天津市市政工程設計研究院，從事道橋設計工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.023