1. 研究目的与意义
沉管隧道以其自身特点和优势在一定范围内得到广泛应用。沉管隧道水下接头是沉管隧道施工技术的核心所在,其工作性能和效果将直接影响到沉管隧道的质量及使用寿命,而GINA止水带普遍用作接头的第一道防水,对其正常工作性能分析显得尤为重要。由于沉管隧道技术发展时间比较短,目前尚无工程资料证明GINA止水带在100年后的实际工作性能,因而须对其进行耐久性分析。通过引用橡胶材料本构模型、Mooney-Rivlin二参数应变能函数公式和蠕应变率方程建立数学模型进行数值模拟分析,并比对水密性试验,依据计算得出的结果对GINA止水带的防水性能及耐久性做出判断,对实际工程具有指导意义。
2. 国内外研究现状分析
管道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管道而言都显得更加脆弱。目前，我国已建沉管隧道多采用柔性接头连接，但沉管和管道的不均匀沉降也容易导致柔性接头部位的错开和张开，使接头部位止水效果降低甚至失去止水效果，对沉管隧道的安全正常运营造成很大威胁，接头密封防水历来是沉管隧道进行研究的焦点。GINA止水带是沉管隧道接头密封防水及安全的重要屏障。按平均水压法和接触应力法两种方法计算了保证GINA止水带水密性要求的最小压缩量，并在此基础上针对GINA止水带长期压紧状态下的松弛，提出使用阶段GINA止水带最小压缩量的计算方式，估算了GINA止水带的当前压缩量水平和GINA止水带的剩余压缩量。根据GINA止水带当前压缩水平评估沉管隧道的接头止水性能，并由GINA止水带的剩余压缩量确定沉管隧道安全预警等级
3. 研究的基本内容与计划
根据所建立的接头结构力学模型，并考虑初始 条件的影响，即在所建立的接头力学模型中，将由 水力压接引起的轴向压力 N0 作为外部力施加在离 中性轴距离为初始偏心距 e0 的位置上，需要说明 的是，目前沉管隧道施工中均采用水力压接技 术[12]，即依靠管节水下对接排水后作用在后端封墙 上的巨大水压力将管段推向前方，使 GINA 止水带 产生压缩变形，起到止水作用。由于通常水力压接 引起的轴向压力 N0 巨大(约 107~108N)，因此沉管隧 道接头始终保持在压紧状态，即接头上各点的位移 始终为压缩。为了验证所建立的接头力学模型和推导的接 头刚度解析解，设定了能够表征接头三 维精细化构造的基准模型，为尽量模 拟实际情况，管节每个端面沿接头周长方向每米设 置一个节点，采用两组节点框架模拟管节接头，每 组节点与管节端点刚性连接。相邻两组节点框架则 根据 GINA 止水带的位置和特性采用非线性弹簧连接。所建立的基准模型采 用有限元方法计算，单元总数 162 个，其中 GINA 非线性弹簧单元 98 个，管节梁单元 64 个。
4. 研究创新点
接头是沉管隧道中很薄弱但是非常关键的环节,接头的防水则更是被重点关注的内容。管段的不均匀沉降会导致接头的错位和张开,给接头的安全止水带来很大威胁。采用三维数值模拟方法,考虑接头GINA止水带和管端混凝土的非线性接触,以历年监测数据所反映的沉管位移作为边界条件,分析了沉管隧道接头GINA止水带在接头处于压缩、剪切和扭转等变形及复合状态下的力学性态,得到了接触应力在接头断面上的分布规律。结果表明,GI-NA止水带渗水接触应力的控制点通常位于GINA止水带截面下缘;接触应力在顶板、底板和侧壁分部较均匀,在转角部位易集中;在现有沉降水平下,接头GINA止水带的安全止水性能是可靠的。
