罗勇欢，冯正林，刘 佳，何波兴，郭红锋

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

沉管隧道的每一个管段都是一个预制件，在管段之间和管段与通风塔之间存在接头。管段接头是沉管隧道的重要部位，同时也是薄弱部位，其结构强度和刚度相对混凝土而言都显得非常脆弱。接头一般分为两种形式:一种接头具有与其连接管段相似的断面刚度和强度——刚性接头;另一种接头则允许在三个主轴方向上有相对位移——柔性接头。目前，国内外沉管隧道多采用柔性接头，柔性接头的防水体系一般采用“压缩式橡胶止水带(GINA)+内贴式橡胶止水带(OMEGA)”双层组合方式。管段接头结构断面示意如图1。

图1 管节接头结构断面(单位:mm)

1 内贴式橡胶止水带的结构及安装方法

1.1 内贴式橡胶止水带结构

如图2所示，内贴式橡胶止水带主体材料为橡胶，中间加设纤维层(帘布)以提高其耐水压能力，端头呈凸圆状，其内设有硬质胶条以确保在高水压下橡胶止水带不会发生滑移、内缩。此外，在止水带底边设有三排密封唇，使接触为线接触，从而提高止水带与混凝土等接触面的局部压应力，更好地满足压密止水功效。

图2 内贴式橡胶止水带结构示意

1.2 内贴式橡胶止水带安装方法

内贴式橡胶止水带的安装方法应根据管节接缝的构造特点，并考虑安装过程的便捷性。如图3所示，首先将套筒预埋在混凝土中，然后把内贴式橡胶止水带、压板和圆钢平铺在安装台上，最后用螺杆和螺母进行固定。本方法采用螺纹联结方式将内贴式橡胶止水带固定在沉管管节缝隙处，利用橡胶的高弹性，将内贴式橡胶止水带压板一端定位，拧紧螺母(扭矩根据实际需要设定)，螺母推动压板的另一端将止水带压紧，从而把作用力传递到止水带的两翼，压紧底部的3道密封唇，达到密封止水效果。

图3 内贴式橡胶止水带安装示意

2 模拟分析

为了合理确定内贴式橡胶止水带的结构，对于内贴式橡胶止水带在几种重要工况下的受力和变形情况进行了有限元模拟分析。

2.1 工作环境

工作水压:0.55 MPa;设计位移:水平方向30 mm，竖直方向50 mm。

2.2 计算工况

工况1:不断调整压板竖向位移，使止水带三道密封唇刚好被压平。

工况2:考虑地震等极限荷载作用，在工况1条件下水平张拉30 mm。

工况3:考虑地震等极限荷载作用，在工况1条件下竖向张拉50 mm。

2.3 结果分析

不断调整压板竖向位移，当竖向位移为7.5 mm时，止水带三道密封唇刚好被压平。止水带主要部位应力分布如图4所示，最大应力为34.53 MPa，出现在帘布上;三道密封唇与预埋钢板间的接触应力均大于工作水压0.55 MPa。

图4 工况1下应力分布(单位:MPa)

2)工况2

在地震等极限荷载作用下，压板竖向位移7.5 mm，止水带水平张拉30 mm，工作水压0.55 MPa。止水带主要部位应力分布如图5所示，最大应力为32.65 MPa，出现在帘布上;三道密封唇与预埋钢板间的接触应力均大于工作水压0.55 MPa。

图5 工况2下应力分布(单位:MPa)

3)工况3

在地震等极限荷载作用下，压板竖向位移7.5 mm，止水带竖向张拉50 mm，工作水压0.55 MPa。止水带主要部位应力分布如图6所示，最大应力为35.50 MPa，出现在帘布上;三道密封唇与预埋钢板间的接触应力均大于工作水压0.55 MPa。

图6 工况3下应力分布(单位:MPa)

从以上分析可知:①在各工况下，帘布的最大应力分别为 34.53 MPa、32.65 MPa和 35.50 MPa，远小于其试验断裂强度值134 MPa，能够保证帘布的安全;②在各工况下，止水带的密封唇与预埋钢板间的接触应力均大于工作水压0.55 MPa，能够保证该止水带的水密性要求。

4)螺栓预紧力分析

设d(f)=3, ch(f)=3-4=-1,事实上R3已经考虑到了3-面的所有情况,依次来讨论。若f是一个(3,3,3)-面,由引理1(3)和R3.1得若f是一个(3,3,k)-面(k=4,5,6),由引理1.3和R3.2得若f是一个(3,3,7+)-面,由R3.3得ch′(f)≥ch(f)+1=-1+1=0。若f是一个(3,4,4)-面,由引理1(2)和R3.4得 若f是一个(3,4,5+)-面,由R3.5得若f是一个(3,5+,5+)-面,由R3.6得 若f是一个(4+,4+,4+)-面,由R3.7得综上,3-面得证。

当压板竖向位移为7.5 mm时，刚好压平三道密封唇，取压板竖向位移为7.5 mm时的受力状况作为螺栓预紧力的设计依据。

竖向力与竖向位移曲线如图7所示。图中加载起点在(0，0)位置，X轴正负表示位移的方向，Y轴正负表示力的方向。

图7 竖向力与竖向位移曲线

通过仿真分析，得出当压板竖向位移为7.5 mm时，三道密封唇刚好被压平，此时对应的约束反力为66.2 N，压板的长L和宽B分别为1 mm和40 mm，因此在压板上需要施加的面压为

式中:σ为压板面压，MPa;F为工况1下压板的约束反力，N;L为模拟分析时压板单位长度，mm;B为压板宽度，mm。

安装时，压板实际长度L'为220 mm，因此螺栓设计预紧力P为

P=σL'B=1.655×220×40=14 564 N=14.6 kN式中，P为螺栓设计预紧力，N。

3 水密封试验验证

3.1 试验装置

试验装置(见图8)分为对称两块，通过变形缝连接成一个近似长方体，长×宽×高分别为900 mm×1 000 mm×1 000 mm。装置采用钢箱结构和截面比例为1∶1的止水带，通过往内腔加水来模拟止水带在实际工况下的水压力。试验通过机械装置调整两个钢箱的位置，准确模拟钢箱的相对位移，从而检验内贴式橡胶止水带在不同张开量、不同水压力和一定剪切量下的水密封性能。

3.2 试验工况

工况一:纯张拉，即沿试验装置水平方向张拉，判断在不同张开量、不同水压力值工况下的水密封性能。

工况二:剪切—张拉，即先沿试验装置前后张拉10 mm，然后再水平方向张拉，判断在10 mm剪切变形基础上，不同张开量、不同水压力值工况下的水密封性能。

图8 水密封试验装置

3.3 试验步骤

试验过程中，每当水压加到预设值后，先静置0.5 h，如果有压降就补充加压，以消除应力释放带来的误差，然后保压2 h，每隔20 min读取一次数据。具体试验步骤为:①检查止水带是否安装好，螺栓是否拧紧。②通过调节导轨，把装置调节到预设张开量。③打开钢箱顶部的进水阀，往密闭钢箱内充水。④打开加水压设备的卸压阀，检查压力表。⑤关闭空压机的出气阀，插上电源，让空压机工作。⑥施加第一级水压。打开空压机出气阀，缓慢调节驱动气压调节阀，使驱动气压慢慢升高到0.1 MPa，增压泵开始工作，继续缓慢调节驱动气压调节阀，当压力达到所需压力时，停止调节驱动气压。⑦保压和读取数据。本试验施加水压从预设值0.5 MPa开始，保压2 h，每隔20 min读取一次数据，并认真填写试验原始记录。⑧施加下一级水压。打开高压截止阀，打开驱动气压调节阀开关，继续⑥的操作。⑨关闭驱动气压调节阀开关，打开卸压阀，直到压力显示为0。⑩继续进行下一个张开量下的试验，直到试验结束。

3.4 试验结果

纯张拉工况下水密封试验结果见表1，剪切—张拉工况下水密封试验结果见表2。表中，完好表示水密封试验符合要求，空格表示不需要测试。

表1 纯张拉工况下水密封试验结果

表2 剪切—张拉工况下水密封试验结果

从表1和表2可看出:①在纯张拉和10 mm剪切量的剪切—张拉两种工况下，止水带样品的水密封性能均良好;②止水带样品在试验中和试验后均未发现明显的鼓包、裂痕及破损现象。

4 结语

大量的工程应用验证了采用内贴式橡胶止水带是解决沉管隧道密封止水问题的有效方法。通过对内贴式橡胶止水带分别在张拉和剪切两种工况下的模拟分析，以及按照实际工况进行的水密封试验，验证了内贴式橡胶止水带的结构形式和水密封特性均满足设计要求，可以很好地满足我国沉管隧道工程建设的需要。

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