红谷沉管隧道GINA止水带数值模拟分析

章　勇， 吕振纲， 杨锐锐， 禹海涛

(1. 南昌市政公用投资控股有限责任公司， 江西 南昌　330000； 2. 同济大学地下建筑与工程系， 上海　200092)



红谷沉管隧道GINA止水带数值模拟分析

章勇1， 吕振纲1， 杨锐锐1， 禹海涛2，*

(1. 南昌市政公用投资控股有限责任公司， 江西 南昌330000； 2. 同济大学地下建筑与工程系， 上海200092)

沉管隧道接头结构复杂，相对于预制管段，管段接头是沉管隧道的薄弱环节。管段的不均匀沉降会导致接头处的张开与错动，引起GINA止水带的变形，造成接头防水能力的降低甚至丧失，从而对隧道的安全运营造成极大的危害。采用有限单元法针对沉管接头GINA止水带进行建模，对多工况下GINA止水带的受力变形机制进行系统化研究，以期对沉管隧道接头的防水设计和施工提供参考。主要结论如下： 1)运营工况下，GINA的压缩量不宜小于90 mm，接头张开量不宜大于35 mm； 2)设计条件下管节相对水平错动20 mm，相对竖向错动35 mm时，不会影响GINA止水带功能； 3)运营工况下，GINA止水带两肩部的差异变形对其止水功能影响较小。

红谷隧道； 沉管法； 管段接头； GINA止水带； 数值模拟

0　引言

沉管隧道是由预制管段通过接头连接而成，由于其纵断面埋深较小、断面设置灵活，在大断面越江跨海隧道中具有一定的优越性。沉管隧道接头结构复杂，涉及到受力安全的接头构件主要包括端钢壳、GINA止水带、混凝土剪切键、钢剪切键以及预应力锚索等。在不均匀地基和不均匀受力情况下，沉管隧道变形易集中在刚度较小的接头位置，管段接头是影响沉管隧道施工质量和运营安全的关键因素，其受力和变形特性一直是沉管隧道研究的重点[1]。针对上述问题，研究人员开展了广泛的研究工作，包括模型试验[2-3]、数值模拟[4-7]和理论推导[8-9]。文献[10]对不同结构形式的GINA止水带受力变形规律进行了分析；文献[11]对TRELLEBORG型GINA止水带的长期效应进行了有限元分析；文献[12]对GINA改进型止水带的剩余压缩量及安全评定等级进行了分析研究；文献[13]对3种结构形式的GINA止水带的止水效果进行了对比分析；文献[14]采用对数回归得到相对沉降量随时间的变化公式，根据沉管GINA止水带当前最大压缩量与初始压缩量的对比，对GINA 止水带的使用寿命进行了评估。

由于接头刚度的不连续性，管段的不均匀沉降会导致接头处的张开与错动，使GINA止水带的防水效果降低甚至丧失，从而对隧道的安全运营造成极大的危害，因此，对沉管隧道GINA止水带在受力情况下的变形分析显得至关重要。随着有限元法的不断发展，采用有限单元法针对沉管接头进行精细化建模，对多工况下接头结构的相互作用机制进行系统化研究成为可能。目前关于GINA止水带的数值分析，主要考虑压缩工况和压缩+侧向水压力工况下的计算，而关于GINA止水带两侧接头差异变形以及转动的分析，还未见诸文献。本文采用有限单元法针对沉管接头GINA止水带进行建模，对多工况下GINA止水带的受力变形机制进行系统化研究。指出当GINA止水带的压缩量较小时，在水压力作用下未得到充分压缩，GINA止水带应力较小，与端钢壳的接触面积也较小，止水能力较弱；并根据分析给出GINA止水带的建议最小压缩量；同时指出在压缩量充分的情况下，管节允许的错动和转动变形对GINA止水带的止水能力影响较小。

1　工程概况

红谷沉管隧道跨越赣江通道，隧道长2 635 m，其中沉管段长1 305 m，右岸侧连续3节均为90 m管段，其他均为115 m管段。隧道平面位置如图1所示。

(a) 平面图

(b) 剖面图

沉管管段横断面宽30 m，高8.3 m，该沉管隧道采用柔性接头，主要受力部件有端钢壳、GINA止水带、预应力钢索、水平及垂直剪切键等。沉管隧道接头构件如图2所示。

(a) 接头横断面图(单位: mm)

(b) 1-1剖面

(c) 2-2剖面

(d) 3-3剖面

2　GINA止水带的精细化数值模型

管段接头的止水效果由GINA止水带决定，包括止水带与管段的接触压力和接触面积，从而GINA止水带的止水效果与管段间的相对变形关系密切。GINA止水带模型如图3所示。

图3　GINA止水带模型

红谷沉管隧道接头采用的GINA止水带有2种硬度，分别为G225/275-40型和G225/275-50型，其横断面尺寸相同，如图4所示。在浅水区段，8—9管段之间及之前的接头均为G225/275-40型的；在深水区段，即9—10管段之间及其后的管段结构均为G225/275-50型的。由于GINA止水带的几何外形特征，GINA尖肋开始受力时，抵抗变形能力较弱。随着GINA压缩变形的不断增大，抵抗变形能力逐渐增大。GINA止水带如图4所示。

(a) GINA止水带横断面图(单位： mm)

(b) GINA止水带压缩变形试验曲线

如图2所示，根据设计要求的理想状态，管段沉放就位时，GINA止水带压缩量约为125 mm。根据图4(b)，由荷载/压缩变形量得到GINA止水带的割线刚度，并绘制如图5所示的割线刚度-变形曲线。在压缩量较小的情况下，由于主要是尖肋受力，此时GINA止水带的割线刚度较小。随着压缩量的不断增大，GINA止水带的两肩开始受力，GINA止水带的割线刚度开始急剧增大。当GINA止水带的压缩量达到125 mm及以上时，GINA止水带的割线刚度已趋于稳定。基于工程实用的目的，在误差允许的范围内，采用弹性模型，考虑GINA的几何非线性，对GINA止水带的压缩过程进行了参数反演，得到GINA止水带的弹性模量参数。G225/275-40型的弹性模量约为1 MPa，G225/275-50型的弹性模量约为1.25 MPa。模拟GINA止水带的试验工况，得到如图6所示的试验曲线与拟合曲线对比，两者吻合较好，从而可以从本构模型上简化GINA止水带的分析难度。

图5　GINA止水带割线刚度-压缩变形关系曲线

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

图6　GINA止水带压缩试验曲线与数值计算结果

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

3　GINA止水带的数值结果分析

考虑到沉管接头受力的复杂性，在进行沉管接头受力变形分析时，需要剥离一些次要因素，考虑沉管接头构造的关键环节。本文基于GINA止水带的复杂性，主要考虑对接头变形过程中GINA止水带可能的受力和变形工况进行分析。主要内容包括： 1)对最基本的压缩工况进行分析； 2)分析最大水头情况下(本工程最大洪水水头约25 m)不同压缩工况接头与管段的相对变形； 3)对管段错动情况下的GINA止水带受力变形进行分析； 4)进行沉管管段转动工况的研究。由于2种GINA止水带的受力和变形的规律无明显区别，故不再分别讨论。下文主要讨论G225/275-40型止水带。

3.1GINA止水带压缩工况

3.1.1无水压力工况

无水压力情况下，对GINA止水带压缩66、100、125 mm后的Y方向应力云图如图7所示。

压缩量66 mm情况下，GINA止水带两肩应力较小，甚至出现拉应力，压应力约40 kPa；只有尖肋应力较大，但接触面积无法保证，无法确保防水的有效性。

(a) 压缩66 mm

(b) 压缩100 mm

(c) 压缩125 mm

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

在压缩量100 mm情况下，GINA两肩和本体大部分区域的压应力约750 kPa，底部应力约650 kPa。由于GINA止水带的底部接触面积较大，在荷载作用下，其应力值略小于肩部。

在压缩量125 mm情况下，GINA两肩及本体Y方向压应力约2 900 kPa，底部Y方向压应力约2 500 kPa，接触面积和应力均能满足止水的要求。

3.1.2水头25 m情况下

在水头25 m情况下(约为沉管底标高至赣江最高水位标高的距离)，对GINA止水带压缩66、100、125 mm后的Y方向应力云图如图8所示。

在压缩量66 mm情况下，GINA止水带存在水压力侧的肩部局部应力集中的压应力约为400 kPa，本体的应力为250～400 kPa；而非承受水压力侧则为拉应力。在25 m水头，即250 kPa水压力作用下，GINA止水带出现较大的侧向变形，尖肋的应力集中也较无水压力情况下小，接触面积也较小，止水效果很难保证。

(a) 压缩66 mm

(b) 压缩100 mm

(c) 压缩125 mm

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

在压缩量100 mm情况下，GINA两肩和本体大部分区域的压应力约900 kPa，略大于无水压力情况下的结果，这主要是因为侧向水压力作用下引起的变形在一定程度上对GINA止水带存在挤压作用。

在压缩量125 mm情况下，GINA承受水压力侧的肩部Y方向压应力约为3 500 kPa，另一侧肩部Y方向压应力约为3 000 kPa。本体在水压力作用下，出现对角线压应力集中的现象。底部Y方向压应力约2 500 kPa，接触面积和应力均能满足止水的要求。

在纯压缩工况下，随着水头增加，尖肋相对于钢壳的变形情况(尖肋可相对于钢壳变形的情况下)如图9所示。当管段接头在就位后(即GINA止水带压缩125 mm后)，如果因为受到荷载的作用而引起接头张开，其张开量大于35 mm后(即GINA止水带的压缩量为90 mm情况下)，如图9所示，并结合图8分析，在水头作用下，GINA止水带的尖肋变形将比较大，影响GINA止水带的止水效果。

图9　不同压缩工况下GINA止水带相对端钢壳变形

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

3.2GINA止水带压缩+错动工况

当管节接头两侧发生不均匀沉降，或地震工况下的水平不均匀变形时，GINA止水带同时出现压缩+错动工况，相当于GINA止水带的一条对角线受到了压缩，另一条对角线得到拉伸。压缩的对角线上的橡胶应力增大，而GINA止水带与端钢壳的有效接触面积(即应力比较大的面积)转而由受到压缩的对角线方向的GINA止水带来决定，从而其有效接触面积减小。

水头25 m情况下，对GINA止水带压缩66、100、125 mm，错动50 mm后的Y方向应力云图如图10所示。

在压缩量66 mm情况下，GINA止水带存在水压力侧的肩部压应力约为400 kPa，非水压力侧则为拉应力。在水压力作用下，GINA止水带出现较大的侧向变形，由3.1节可知，压缩量为66 mm情况下，在水压力作用下GINA止水带的侧向变形远大于50 mm，而在压缩并在水压力作用下充分变形后(如图11所示)，水平错动50 mm情况下尖肋的增量变形最大为压缩量75 mm情况下的15.8 mm，这主要是因为压缩量66 mm情况下，在管段相互错动之前，GINA止水带已经在水压力作用下发生了充分变形；而在GINA止水带压缩变形不小于90 mm的情况下，则GINA止水带的尖肋充分压缩变形后，其水平变形受到两侧肩部的约束，其变形与两侧肩部的变形趋于一致。不同压缩工况下管段错动引起的GINA尖肋水平位移见图12。由图12可知，在GINA止水带压缩变形为75 mm时，管段相对错动引起的GINA尖肋变形增量最大。

在压缩量100 mm情况下，GINA两肩和本体大部分区域的压应力约950 kPa，略大于无相对错动情况下的结果，这主要是因为管段相对错动引起的变形在一定程度上对GINA止水带存在挤压作用。

(a) 压缩66 mm+水平错动50 mm

(b) 压缩100 mm+水平错动50 mm

(c) 压缩125 mm+水平错动50 mm

图10水头25 m及错动50 mm情况下垂直方向应力云图(单位： 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)

图11不同压缩工况下管段接头相对错动与GINA水平位移关系

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

在压缩量125 mm情况下，GINA承受水压力侧的肩部Y方向压应力约为4 000 kPa，另一侧肩部Y方向压应力约为3 200 kPa。本体在水压力和管段错动作用下，出现对角线压应力集中的现象。底部Y方向压应力约2 700 kPa。与图8相比，在水压力和管段相对错动的双重作用下，GINA止水带的变形和内力均有所增大。

图12　不同压缩工况下管段错动引起的GINA尖肋水平位移

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

红谷沉管隧道设计允许管节相对水平错动20 mm，相对竖向错动35 mm，这样的错动变形量不会影响GINA止水带功能。

3.3管段转动情况下GINA止水带的受力分析

与盾构隧道不同，沉管隧道只有纵向接头，且管段整体预制。当纵向出现转动时，转动方式如图13所示。由于沉管结构高度较大(8.3 m)，而GINA止水带的尺寸较小，在GINA的容许变形条件下(见3.1、3.2节)，沉管接头容许转动角度较小。在对应工况下，图13(b)顶底板GINA差异变形为30 mm(上部压缩，下部未变形)，对应的接头转动角度只有0.222°，对应的GINA止水带两肩高差只有0.97 mm；图13(c)顶底板GINA差异变形为90 mm(上部压缩30 mm，下部张开60 mm)，对应的接头转动角度为0.665°，对应的GINA止水带两肩高差只有2.90 mm。从而在GINA止水带受力条件下，其两肩差异变形引起的GINA止水带的内力差异较小，压缩125 mm后Y方向应力云图如图14所示。

(a)　　　　　　　　　(b)　　　　　　　　　(c)

在GINA止水带充分压缩的情况下，沉管接头转动角度由0.2°逐渐增大到1.0°的过程中，GINA止水带本体的应力变化较小，并不影响GINA止水带的止水能力。

(a) 转动角度为0.2°

(b) 转动角度为0.4°

(c) 转动角度为0.6°

(d) 转动角度为0.8°

(e) 转动角度为1.0°

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

4　结论与建议

沉管隧道接头结构复杂，相对于预制管段，管段接头是沉管隧道的薄弱环节。管段的不均匀沉降会导致接头处的张开与错动，引起GINA止水带的变形，造成接头防水效果的降低甚至丧失，从而对隧道的安全运营造成极大的危害，故沉管隧道接头GINA止水带在受力情况下的变形分析至关重要，但其受力变形规律仍处于研究阶段，尚无通用的计算方法。本文通过有限元模型进行多工况数值分析，对包括压缩工况以及压缩+侧水压力工况，以及目前尚未见诸文献的接头相对错动工况以及转动工况下GINA止水带的受力和变形进行了研究，主要结论如下。

1)当GINA止水带的压缩量较小时，在水压力作用下未得到充分压缩，GINA止水带应力较小，与端钢壳的接触面积也较小，止水能力较弱。建议GINA使用工况下的压缩量不能小于90 mm，即理想工况下管段就位后，考虑施工误差等因素，同时应考虑运营过程中的张开量不能大于35 mm。

2)压缩+错动工况下，GINA止水带在对角线上因受到约束应力较压缩工况略有增大，当两肩部充分受力后(即压缩量不小于90 mm的情况下)，其错动工况引起的变形较小。红谷沉管隧道设计允许管节相对水平错动为20 mm，相对竖向错动为35 mm，这样的错动变形量不会影响GINA止水带功能。

3)沉管隧道GINA止水带两肩差异变形的容许值较小，从而在GINA使用工况下，其两肩部的差异变形对其内力和止水功能影响较小。

本文通过建立精细化数值模型对GINA止水带进行多工况数值分析，对各工况下GINA止水带的受力变形特点进行了探讨，结论可为类似工程参考。今后在进一步的研究中，由于接头结构复杂，进行沉管隧道全三维数值分析时，需要对接头结构进行简化，本文精细化数值模型的成果可作为简化分析的基础，以便于进一步深化对沉管隧道的研究。

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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

国家自然科学基金项目(51378388 & 51208296 & 51478343)； 上海市科学技术委员会(13231200503 & 16DZ1200302 & 16DZ1201904)； 上海市教育发展基金会资助(13CG17)

章勇(1976—)，男，江西南昌人，2005年毕业于南昌大学，土木工程专业，硕士，高级工程师，主要从事工程项目管理工作。 E-mail： 24519135@qq.com。 *通讯作者： 禹海涛， E-mail： yuhaitaobest@163.com。

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

U 45

A

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