沉管隧道节段接头力学行为试验研究与理论分析

韩 强

（遵义经济技术开发区新兴产业投资有限公司，贵州 遵义 563000）

1 什么是沉管隧道

沉管隧道目前在全世界范围内应用，主要采用多孔箱形框架的矩形钢筋混凝土结构为主，由于纵向较长，横向尺寸较小，计算时一般以纵向为单位，根据基础的砂碎层的特性及开挖地质基地槽道的情况，运用温克尔弹簧地基公式，使用分层法计算。而接头情况的计算，往往是将其处理成一般钢接的连接方式，与实际情况存在一定的差距。

2 沉管隧道的特点

沉管隧道法施工中，要求顶面距离江河要达到1m 以上才可以进行作业，隧道的长度无形中减少了，周期也就短了，对于横截面也没要求那么严，圆形和矩形均符合要求，方便灵活，可以轻松做成低级别四车道的隧道，减少建筑开挖量，沉管隧道法在施工中，基槽、地基开挖方面，拖运沉放工作都可以放在平行面进行作业，缩短了施工周期；平面作业时，沉管隧道法接头数大大减少，采用水力压接技术防水性能大大加强。沉管隧道的长度减少了，周期缩短，航运能力得到保障；减少桥面影响，施工平面作业，与水中作业相比，更加快捷自如，工程费用降低了很多。

3 什么是沉管隧道节段接头

沉管隧道的接头方式可以分为合拢中间接头；岸坡接头等。岸坡接头又分为大接头和小接头，港珠澳大桥的隧道接头就是有大接头和小接头组成的。沉管接头需要考虑隧址情况、是否处于地震带、是否方便施工等。一般情况下，沿江河海洋，系数变化较小时，选用半刚半柔技术最为实际。半刚半柔性接头的主要有连接件、垂直剪切键等。半刚性接头不同于半刚半柔性，组成为混凝土等。柔性接头有钢索、水平及垂直剪切键等，三者之间为彼此区分的。

4 研究试验沉管隧道节段接头

接头，本身我们从实际的生活中也知道，接头往往是物与物之间，接触最为薄弱的部位，当一边受力不均的话，特别容易出现开裂的现象，同时节段接头在沉管隧道的位子是无比重要的，结合港珠澳大桥沉管隧道工程建设设计及施工过程中存在的问题，中国大学都有对接头力学理论解析表达式推导进行大量的研究，对一系列问题进行了深入探讨，取得了较满意的成果，例如：研究港珠澳沉管隧道尺管节接头压弯试验；力学模型及解析表达式；红外对接头进行监测；刘鹏提出的相应的力学模型及其参数确定管节接头的方法；其他学者也对沉管隧道节段接头进行了研究，谢永利教授利用三维有限元对接头剪力键破坏情况展开研究，唐英等双框箱形截面技术，描述沉管隧道接头的设计与理论；刘千伟介绍了制作剪切键的方法，讲解了沉管隧道最终接头的施工情况，让我们了解方法。在建设港珠澳大桥的时候，施工方也对大桥作了详细介绍。为我们今后的设计、施工提供了宝贵的借鉴经验。

我们在进行接头试验时， 需要注意以下几项：

1） 注意接头的各项功能是否明确，是否符合实际需求，还要考虑价格因素；模型的施工性好，保证质量。综合考虑试验平台的适应性、是否满足沉载的需要、千斤顶偏心受压及承载力是否容许和试验工况制约，进而确定和原型几何相似比。

2） 按照相似定律，根据量纲建立模型，确定几何相似比的前提下，要求与原型的相似性，明确弹模的比例，采用尺寸、材料、强度与原材料保持一致或者相似的材料进行试验。

3） 采用石灰、石骨料，提高砂率，掺入减水剂，粉煤灰，纤维等材料进行调配混凝土，对模型进行力学性能测试30 天，看是否符合要求，达到强度高，弹模量低的材料，满足剪力键的更换需求。

相对于浇筑模型时间长，花费大，使用较少的特点。剪力键很好地解决了这些问题，在沉管建设过程中，做好移动、抬升、对接过程中发生破坏的预想，模型受压过大，衬砌主体发生裂缝或破坏。剪力键位于模型的端头部位，当剪力键被破坏时，严重影响试验的结果。

采用变态相似法，对剪力键进行试验，通过物理模型数值与沉管原型数值比较，推算出模型与原型之间的数值联系。但数据量胖大，且可靠性还需要论证。用高强度、低弹模的配置混凝土进行浇注，保证弹模量相似，但相似材料强度在8MPa-10MPa 之间时，剪力键在试验过程中易发生破坏。更有甚者危机试验人员和设备的安全。保证模型在试验过程中的强度，采用较高强度、低弹模混凝土浇注剪力键。采用楔形混凝土，进行应力传递，加以钢板封口，实现可更换剪力键完全重合。

沉管隧道节段接头力学行为的物理模型目标就是研究剪力键的刚化点，考虑时间，经费及可行性探讨等原因，采用拼装式完全相似方案，对可更换式剪力键进行验证。采用三有限元软件对数值模拟进行，分析水平剪力键，在局部在水平荷载的数值，对剪力键一侧的衬砌施加水平均布荷载，单向约束其余边界。采用相同材料，多次试验，保证了试验测试的可操作性，观察受力的影响，观察接缝的影响。若接缝对其受力影响可见，再验证采用不同的材料，观察剪力键受力接缝的情况。确保了试验剪力键的安全可靠，在后续数据处理过程将变得非常简单。

5 结语

我们分析沉管隧道时，接头力学的研究是非常需要的，进行模拟，研究数值，论证模型，将能在未来的沉管隧道施工，最大限度地减小和避免接头对沉管隧道的影响，对于普通百姓都是一件要紧的事情。