□文/袁有为 王艳宁

大型沉管隧道柔性接头受力分析

□文/袁有为 王艳宁

橡胶止水带是沉管法隧道接头联接中的关键技术，GINA止水带的问世，使得水力压接法广泛应用于管节的联接并使水下沉管隧道的建设有了巨大发展。天津海河隧道采用沉管法施工工艺，隧址位于8度区的软土地基上，管段接头在各种不利工况下的稳定性是整个工程安全的关键问题之一。依托天津滨海新区中央大道海河隧道工程，采用大型有限元软件Hypermesh，分析了沉管柔性接头在各种工况下的受力情况，对于GINA止水带的选型具有较强的指导意义。

沉管；隧道；柔性；接头；GINA止水带；有限元；Hypermesh；受力

沉管法是指在干坞内或大型驳船上先预制管段，再浮运到指定位置下沉、对接、固定，进而建成水下隧道或水下构筑物的施工方法。采用沉管法施工的隧道叫沉管隧道。

1　工程概况

天津海河隧道路线全长4 132 m，隧道部分全长3 323 m，暗埋段全长2 988 m。穿越海河段采用沉管法施工工艺，沉管段全长255 m，由3节预制管段组成，单节管段长85 m，见图1和图2。

图1　海河隧道沉管段横断面

图2　海河隧道沉管段分节

海河沉管隧道管段与管段之间以及沉管段与两岸暗埋段之间采用柔性接头形式相联接。柔性接头包括钢剪切键、混凝土剪切键、剪切键橡胶支座、GINA止水带以及预应力拉索等多种构件，见图3。

图3　沉管隧道段横断面及管段接头布置

海河隧道位于8度区IV类场地条件，属于抗震不利地段。从沉管隧道自身的结构特点和埋设位置来看，其受地震作用比较明显。沉管隧道是由多节位于水下的管段拼接而成，这对管段接头的密封防漏性能有着非常苛刻的要求。地震期间，由于埋设于土层中沉管隧道不太可能像桥梁那样发生垮塌式的结构破坏，其最容易出现问题并可能导致整个沉管丧失功能的薄弱环节就在于其接头联接的可靠性。因此保证其接头在地震期间能够抵抗住地震力的破坏作用对沉管隧道整体的抗震性能具有决定性的意义。

本文依托中央大道海河隧道工程，采用美国Altair公司的有限元分析软件Hypermesh，针对管段接头在各种工况下的受力进行全面的分析并指导关键构件的选型。

2　沉管柔性接头数值分析

模型根据沉管的实际尺寸和土层分布建立，为减小人工边界的影响，模型底部取至地面以下80 m的粉砂层，其中沉管结构和土体采用8节点六面体单元，沉管之间的联接简化为弹簧单元计算，整体模型见图4。需说明的是，覆盖层-85 m处剪切波速达到500 m/s，以此为地震波输入面。

图4　结构整体分析模型

2.1计算参数

2.1.1管段接头参数

本次计算中将接头简化为弹簧进行处理，根据工程实际，分别对钢拉索、水平剪切键、竖向剪切键以及GINA在相应自由度方向上提供的刚度进行折算，然后将上述等效刚度在各自由度方向叠加在一起，利用Dyna中的非线性弹簧单元来定义简化弹簧的力学参数，简化所得计算模型见图5。

图5　模型中的接头

1）接头钢拉索的抗拉刚度。单根钢拉索的抗拉刚度为4.7×107N/m，顶底板各设有26根钢拉索，折算后顶板和底板36.6 m范围内抗拉刚度为26×4.7×107÷ 36.6=3.34×107（N/m）。

2）水平剪切键。根据设计资料，单组水平剪切键的水平抗剪刚度为2 750 000÷0.02=1.375×108（N/m）。

其含义为产生0.02 m水平错动需要施加2 750 000 N的力，考虑2组水平剪切键同时作用，底板36.6 m范围内剪切刚度为2 750 000÷0.02×2÷36.6=3.64×107（N/m）。

3）垂直剪切键。考虑4组垂直剪切键同时受力，类似水平剪切键的折算方法，竖向范围（高6.9 m）剪切刚度为4×（1 000 000/0.02）÷6.9=1.375×107（N/m）。

4）纵向限位装置。顶板36.6 m范围内共有13个纵向限位装置，抗压刚度为2000000/0.02×13/36.6=3.55× 107（N/m）。

5）GINA橡胶止水带压缩曲线。相邻两管节之间的管节接头是影响沉管隧道安全使用的关键部位之一，也是沉管隧道的关键技术所在。中央大道海河隧道水中的4处柔性接头是沉管隧道的重要环节，需要满足以下要求：

（1）水密性，即在施工阶段和日后运营阶段不渗漏；

（2）具有抵抗各种作用的能力，这些作用包括各种荷载和强迫变形，诸如地震、温度和地基变形等；

（3）受力明确，方便施工和保证施工质量。

在橡胶制品的有限元分析中，一般用应变能函数描述橡胶的力学性能。采用具有广泛工程应用面的且最常见的Mooney-Rivlin橡胶材料模型，具体应变能函数形式

式中：I1、I2、I3为格林应变不变量；A、B为材料常数为柏松比。

GINA止水带的基本材质为橡胶，主要材料性能参数见表1。橡胶是高度非线性的弹性体，应力应变关系较为复杂，见图6。根据图6定义非线性弹簧单元并考虑初始压缩量为40 mm。

表1　GINA止水带性能参数

图6　GINA压缩曲线

2.1.2沉管混凝土参数

沉管隧道的管段除要满足结构强度的要求，还要满足管段起浮、浮运、沉放时的要求。因此，对管段制作的尺寸精度、预埋件安装精度、混凝土的重度和结构的防水要求相当高，以满足管段在强度、防渗、抗裂、干舷高度等方面的要求。

本工程中管段混凝土为C40，抗渗等级为S10。具体参数见表2。

表2　混凝土C40主要性能参数

2.1.3地基土模型及参数

沉管隧道的地震响应很大程度上受附近地基土影响，因此在计算中地基土模型的选取非常重要。地基土在地震载荷作用下的变形，一般包括弹性变形（可恢复）和塑性变形（不可恢复）两部分。工程中通常采用摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则和德鲁克-普拉格（Drucker-Prager）屈服准则来反映地基土的屈服和破坏情况，见图7。

图7　屈服面

与摩尔-库仑屈服准则相比，德鲁克-普拉格屈服准则考虑静水压力可以引起岩土屈服的因素，另外避免摩尔-库仑准则屈服面在角棱处引起的数值计算上的困难，即避免了奇异点（singularity）。因此本次计算采用德鲁克-普拉格屈服准则。

德鲁克-普拉格是一种经过修正的Mises屈服准则，其表达式为

式中：J1为应力张量的第一不变量为应力偏张量的第二不变量为材料的内聚力，φ为材料的内摩擦角；k为材料的屈服应力。

通常情况下，土层的物理化学性质具有非均匀性，动剪切模量G随着深度的变化也呈一定的趋势。比较好的函数表示方法是以指数函数来模拟动剪切模量随地基土深度的变化，计算模型为

式中：G0为整体地基土的平均动剪切模量；Z为地基土的绝对深度。

进行土体参数的选取，其中内聚力和内摩擦角根据勘查报告取值。动剪切模量

式中：Es为压缩模量；v为泊松比。

2.1.4地震波的选取

根据地震安全性评价报告提供的场地设计地震动参数，本次计算采用的100 a超越概率为10%的地震动，加速度时程曲线见图8。加速度峰值为2.05 m/s2，与本工程的8度设防标准（最大加速度为0.2g）吻合。

图8　输入地震波

为更加全面地分析了解沉管隧道在地震时的动力响应性能，将地震波采取不同的角度入射，具体为0°、30°、45°和90°，对应每一个角度为一种工况，得到沉管在各种工况下的地震响应，然后加以比较，分析最不利工况下沉管的抗震性能。

2.2边界条件

由于考虑地震波为水平入射，模型底部所有节点竖向位移约束为零，水平方向自由度将施加地震波加速度。

在进行动力分析时（以地震波响应为例），如果在四周施加常规的约束边界条件，当地震波传到边界时将会受到边界的反射作用，反射波与入射波叠加，将对模型的动力响应产生额外的附加的影响。为消除这种效应，有学者提出了用人工边界、边界元、无穷元、试函数等方法，取得了较好的效果。本文中将利用ls-dyna所提供的非反射边界来消除这种影响，具体方法见图9。

图9　非反射边界条件

3　计算结果

中央大道海河隧道处于天津市海河流域的下游，该流域平均低潮位约0.52 m，50 a一遇的高潮位约3.65 m，沉管管段接缝处沿横断面一周的GINA止水带总长88.4 m，在不同计算水位下GINA的压缩量见表3。

表3　GINA止水带不同潮位下压缩量计算mm

GINA止水带的压缩量除了受潮位高低影响较大外，还受到诸多其它因素的影响，诸如GINA自身松弛、干燥收缩、端面允许误差、基础沉降、温差收缩、地震等因素的影响，相关计算见表4。

表4　GINA止水带轴向总偏差量计算mm

4　结论

在对海河隧道沉管进行安全性评价时，管段间的接头是最薄弱的环节，也是重点关注的对象。沉管隧道在地震波载荷的作用下，最可能发生的情况就是沉管之间的接头部位会漏水，而GINA止水带是整个沉管最重要的密封装置，止水带的压缩量直接关系到沉管是否会漏水。从表3中可见，在平均潮位时，各管段接头处的GINA的压缩量为100～110 mm，足以满足防渗要求（一般GINA压缩量为20 mm就基本不会发生渗漏），在遇到50 a一遇的高潮位时，压缩量有7～8 mm的增加，更加有利于GINA的密封性能。而进行安全性评价时，关心的是在最不利工况下止水带是否会发生渗漏，当考虑各种不利因素共同作用时，引起的轴向总偏差有60 mm左右，这些因素包括松弛、干燥、温度、沉降、地震等，其中影响最显著的就是地震引起的轴向偏差，有限元分析结果为25 mm，其次是干燥收缩引起的偏差。在这些极端的最不利工况下，扣除总偏差，GINA的压缩量减小到了40～45 mm，这个压缩量值对防渗透来讲仍然是足够的，或者说在极端不利的工况下，GINA的密封性能仍然满足要求。

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□王艳宁/天津市市政工程设计研究院。

U452

C

1008-3197（2016）04-58-04

2016-06-07

袁有为/男，1980年出生，高级工程师，硕士，天津市市政工程设计研究院，从事道桥设计工作。

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