沉管隧道GINA止水帶結(jié)構(gòu)形式對比研究

胡指南，楊 鵬，單 超，任宇錚，黨 丁

（1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.恩施土家族苗族自治州公路管理局，湖北 恩施 445000；3.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

GINA止水帶是沉管隧道實現(xiàn)水力壓接法的必備裝置，早在1966年荷蘭修建鹿特丹南北地鐵線時就已得到了應(yīng)用。它安裝在管節(jié)端頭鋼端殼上，一般與Ω止水帶配合使用，構(gòu)成柔性管節(jié)接頭防水系統(tǒng)。柔性接頭管節(jié)，有利于隧道的整體受力，能夠吸收由地震、溫度差異、混凝土收縮徐變、地層差異沉降、不均勻回淤等作用引起的應(yīng)力。因此，GINA止水帶的產(chǎn)生極大地推動了沉管隧道的發(fā)展，并使沉管隧道技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。在GINA止水帶出現(xiàn)的近50年中，其自身結(jié)構(gòu)形式也不斷發(fā)生變化。早期的GINA止水帶由尖肋、本體、底肋及翼緣組成［1］，這種GINA止水帶應(yīng)用范圍很廣，我國已建的珠江沉管隧道和在建的港珠澳大橋沉管隧道，都采用了該類型的GINA止水帶。與此同時，世界各國也根據(jù)本國的工程地質(zhì)與技術(shù)條件在原有GINA止水帶的基礎(chǔ)上，研發(fā)了多種改進(jìn)型GINA止水帶。其中具有代表性的有：荷蘭研發(fā)的TRELLEBORG型、德國研發(fā)的PHOENIX型、日本研發(fā)的HORN型、STIRN型以及GINA改進(jìn)型［2-3］，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。目前，國內(nèi)外對上述幾種類型GINA止水帶的研究成果頗為豐碩。文獻(xiàn)［4-5］對GINA止水帶的尺寸效應(yīng)及其對防水效果的影響進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)［6］對日本研發(fā)的2種止水帶的受力與變形性能進(jìn)行了試驗研究。國內(nèi)方面，文獻(xiàn)［7］對TRELLEBORG型GINA止水帶進(jìn)了長期止水的有限元研究；文獻(xiàn)［8-9］對GINA改進(jìn)型止水帶進(jìn)行了剩余壓縮量及安全評定等級的研究；文獻(xiàn)［10］對3種結(jié)構(gòu)形式的GINA止水帶的止水效果進(jìn)行了分析，并作出相應(yīng)推斷；文獻(xiàn)［11］以對數(shù)回歸出相對沉降量隨時間的變化公式，根據(jù)沉管GINA止水帶當(dāng)前最大壓縮量與初始壓縮量的對比，對GINA止水帶的使用壽命進(jìn)行了評估。然而，以往研究多針對某一種類型的GINA止水帶，進(jìn)行選型計算或通過數(shù)值分析對其受力和耐久性進(jìn)行研究，而對GINA止水帶不同結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致的止水效果差異方面的研究卻鮮見報道。

圖1 不同類型的GINA止水帶（單位：mm）Fig.1 GINA gasketswith different types（mm）

本文旨在通過總結(jié)目前廣泛使用的GINA止水帶結(jié)構(gòu)上的共同特征，對其在軸壓、軸壓-偏壓組合作用下的變形和接觸應(yīng)力進(jìn)行對比分析，研究不同結(jié)構(gòu)特征對GINA止水帶防水效果產(chǎn)生的影響，揭示GINA止水帶不同部位在壓縮過程中對接頭止水的貢獻(xiàn)，為國內(nèi)自主研發(fā)GINA止水帶和止水帶的選型設(shè)計提供一定的參考。

1 數(shù)值模型

為對比現(xiàn)有GINA止水帶結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣，首先分析改進(jìn)后的GINA止水帶的結(jié)構(gòu)特征。從現(xiàn)有GINA止水帶的結(jié)構(gòu)特征可以發(fā)現(xiàn)，GINA止水帶的尖肋主要在沉管初步對接時發(fā)揮作用，為“水力壓接”做準(zhǔn)備；而本體主要承受側(cè)向水壓力，是GINA止水帶能夠長期止水的關(guān)鍵；底肋一般采用硬度較低的橡膠，是為了保證橡膠能夠與底板均勻接觸；翼緣主要起輔助施工的作用。因此，綜合研究幾種GINA止水帶的結(jié)構(gòu)形式發(fā)現(xiàn)，對GINA止水帶的改進(jìn)主要體現(xiàn)在以下3個方面：1）在底肋下方設(shè)半圓形孔洞；2）在底肋下方設(shè)置尖肋；3）在本體中設(shè)圓形孔洞?？梢詫鹘y(tǒng)型與具有其他3種典型結(jié)構(gòu)特征的GINA止水帶作為對比研究的對象。用于對比研究的4種GINA止水帶的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 典型結(jié)構(gòu)特征的GINA止水帶（單位：mm）Fig.2 GINA gaskets with classic structure characteristics（mm）

1.1 參數(shù)選取

超彈性材料的本構(gòu)關(guān)系為：

式中：tij為Kirchoff應(yīng)力張量；W為單位體積的應(yīng)變能函數(shù)；I1，I2，I3為第1、第2、第3應(yīng)變不變量；γij為Green應(yīng)變張量。

2參數(shù)Mooney-Rivlin應(yīng)變能密度函數(shù)為：

式中：J為初始位置與最后位置的體積比；λi為材料在第i個方向的拉伸率；a10，a01為材料常數(shù)［12-14］。

獲得橡膠參數(shù)的方法有2種：一種是解析法，即結(jié)合本構(gòu)關(guān)系與應(yīng)變能密度函數(shù)，代入單軸拉、壓或剪切試驗數(shù)據(jù)，即可求出材料常數(shù)a10，a01；另一種是將試驗數(shù)據(jù)輸入有限元軟件中，計算常數(shù)a10，a01。橡膠為幾乎不可壓縮的材料，泊松比取為0.499。由于本文主要研究GINA止水帶的結(jié)構(gòu)形式，材料參數(shù)對研究結(jié)果影響不大，故參考文獻(xiàn)［4］中的計算參數(shù)取a10，a01為0.74 MPa和0.098 MPa。

1.2 模型及邊界條件

GINA止水帶處于沉管接頭的鋼端殼之間，采用ANSYS有限元軟件，以Hyper56超彈單元劃分止水帶，并對單元賦予橡膠材料參數(shù)。鋼端殼和GINA止水帶的接觸以“剛-柔”接觸對模擬，而止水帶內(nèi)部孔洞采用“柔-柔”接觸對模擬。由于翼緣主要起固定作用，因此，對止水帶翼緣分別進(jìn)行X及Y方向約束，未考慮翼緣螺栓壓緊作用。對頂板施加向下的“強(qiáng)迫位移”即可實現(xiàn)預(yù)期的軸向壓縮，底孔洞型GINA止水帶網(wǎng)格劃分及接觸情況如圖3所示，其他模型與之類似。

圖3 底孔洞型GINA止水帶網(wǎng)格單元與接觸單元Fig.3 Meshing elements and contacting elements of the GINA gasketwith bottom openings

2 軸向壓縮狀態(tài)下計算結(jié)果分析

2.1 傳統(tǒng)型GINA止水帶接觸應(yīng)力

以傳統(tǒng)型GINA止水帶為例分析GINA止水帶的受力與變形特征。從其接觸應(yīng)力圖（見圖4）可知，壓縮量小于30 mm時，底肋接觸應(yīng)力較小，此時施工因素對GINA止水效果影響較大。隨著壓縮量增大，底肋中心部位首先產(chǎn)生接觸應(yīng)力增量，進(jìn)而傳遞至底肋的其他部位，且在后期底肋邊緣的應(yīng)力大于底肋中心的應(yīng)力。由等效應(yīng)變圖（見圖4）可知，傳統(tǒng)型GINA止水帶的應(yīng)力傳遞基本上是以反箭頭形傳遞，即應(yīng)力由尖肋首先傳遞至底肋中心和2個邊緣，隨著壓縮量增大后，才逐步傳遞至底肋的其他部位，且底肋邊緣的應(yīng)力大于底肋中心的應(yīng)力，因此在底肋邊緣和中心位置會產(chǎn)生2個變形較小的區(qū)域。這表明由接觸應(yīng)力和等效應(yīng)變得出的結(jié)果一致。隨著壓縮量的增大，止水帶由尖肋接觸逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧饫摺⒈倔w共同接觸，頂尖肋接觸應(yīng)力集中明顯，而肩部接觸應(yīng)力分布較均勻。由于尖肋被大量壓縮，在本體上產(chǎn)生一個變形集中區(qū)域，但此時本體肩部與尖肋共同接觸受力，該應(yīng)力較大區(qū)域并不影響頂板的止水效果。

2.2 軸壓下接觸應(yīng)力對比分析

分析不同壓縮量下傳統(tǒng)型GINA止水帶的接觸應(yīng)力（見圖5）可知，尖肋的接觸應(yīng)力，隨壓縮量的增大基本以直線增長，80 mm時的接觸應(yīng)力為15.5 MPa。本體的肩部在壓縮量達(dá)到40 mm之后開始接觸，其接觸應(yīng)力遠(yuǎn)小于尖肋上的接觸應(yīng)力。底肋中心上接觸應(yīng)力在壓縮量小于60 mm時，與底肋邊緣接近；當(dāng)壓縮量達(dá)到80 mm時，底肋邊緣的接觸應(yīng)力達(dá)8.53 MPa，約為底肋中心的2倍。

分析不同壓縮量下底孔洞型GINA止水帶的接觸應(yīng)力（見圖6）可知，在壓縮量小于50 mm之前，底肋中心的接觸應(yīng)力與底肋邊緣的接觸應(yīng)力接近，分別為1.85 MPa和1.16 MPa；壓縮量大于50 mm之后，底肋中心的接觸應(yīng)力與底肋邊緣的接觸應(yīng)力的差值逐漸增大，當(dāng)壓縮量為80 mm時，兩者相差2.83 MPa，但較傳統(tǒng)型的3.72 MPa要小，說明底肋的接觸效果較傳統(tǒng)型要好。止水帶與頂板的接觸較均勻，與傳統(tǒng)型的相差不大。

底尖肋型GINA止水帶在壓縮量為80 mm時的接觸應(yīng)力僅為13.2 MPa（見圖7），較前兩者低。當(dāng)壓縮量較小時，主要由頂、底尖肋受力，是主要的止水區(qū)域，且止水帶與頂、底板接觸面積較小，對沉管初期的止水不利。壓縮量達(dá)到70 mm后，底肋接觸應(yīng)力分布趨于均勻，壓縮量為80 mm時，底肋邊緣與底尖肋的接觸應(yīng)力僅相差0.39 MPa。

圖4 不同壓縮量下傳統(tǒng)型GINA止水帶接觸應(yīng)力與等效應(yīng)變圖Fig.4 Contact pressures and equivalent strains of the conventional GINA gasket under different compressions

圖5 傳統(tǒng)型GINA止水帶接觸應(yīng)力-壓縮量曲線Fig.5 Contact pressures Vs compression of the conventionalGINA gasket

圖6 底孔洞型GINA止水帶接觸應(yīng)力-壓縮量曲線Fig.6 Contact pressures Vs compression of the GINA gasketwith bottom openings

圖7 底尖肋型GINA止水帶接觸應(yīng)力-壓縮量曲線Fig.7 Contact pressures Vs compression of the GINA gasketwith tip ribs

分析不同壓縮量下本體孔洞型GINA止水帶的接觸應(yīng)力（見圖8）可知，止水帶與頂板的接觸較其他3種類型的止水帶要差，應(yīng)力分布不均勻。底板止水主要靠底肋邊緣，底肋中心的接觸應(yīng)力僅為1.26 MPa，較其他3種類型的止水帶要小。由于孔洞的存在，同等壓縮量下，尖肋與本體的變形值得以降低，因此，橡膠能夠承受更大的軸向壓縮，而且隨著壓縮量的增大，頂、底板的變形都趨于均勻。

圖8 本體孔洞型GINA止水帶接觸應(yīng)力-壓縮量曲線Fig.8 Contact pressures Vs compression of GINA gasket with body openings

3 偏壓下計算結(jié)果分析

管節(jié)拉合后，處于自由端的一側(cè)管節(jié)會受到巨大的軸向水壓作用，隨著相鄰接頭鋼封門內(nèi)的抽水，GINA止水帶逐步壓縮并受到側(cè)向水壓力的作用。GINA止水帶的軸壓和側(cè)向水壓可以根據(jù)止水帶所處水深進(jìn)行計算。止水帶的初始壓縮量可根據(jù)水密性所需的最小壓縮量、應(yīng)力松弛、安裝誤差、溫度收縮、地基及地震引起的變形，以及富余壓縮量確定。以舟山沈家門沉管隧道的E1和E2管節(jié)接頭為例，管節(jié)中心水深為12.73 m，GINA止水帶的初始壓縮量為70.00 mm［15］，平均側(cè)向水壓力為128.06 kN/m。對4類GINA止水帶分別施加上述軸向壓縮和側(cè)向水壓力，分析其受力特征。

從4種GINA止水帶的等效應(yīng)力云圖（見圖9）來看，傳統(tǒng)型與底孔洞型在側(cè)向水壓力的作用下，應(yīng)力云圖與單純軸壓狀態(tài)下基本相同，說明這2種GINA止水帶對于承受側(cè)向水壓力的能力較好，這與這2種GINA止水帶的本體剛度較大、且與底板接觸較好有關(guān)。底尖肋型GINA止水帶在側(cè)向水壓力的作用下產(chǎn)生了一定的側(cè)向變形，但相比本體孔洞型的明顯側(cè)向變形則小得多。本體孔洞型的本體剛度最小，因此產(chǎn)生的側(cè)向變形也最大，對于承受側(cè)向水壓力最為不利。

圖9 軸壓與偏壓耦合作用下4種類型GINA止水帶的等效應(yīng)力圖Fig.9 Contours equivalent stress of 4 types of GINA gaskets under the action of axial and lateral compressions

分析GINA止水帶在軸壓與偏壓狀態(tài)下的底板接觸應(yīng)力（見圖10），4類GINA止水帶在本體邊緣處的應(yīng)力均較小，這說明GINA止水帶主要靠本體的軸向壓縮來達(dá)到止水目的，邊緣處接觸應(yīng)力較小，并非為主要止水功能區(qū)域。另外，當(dāng)在翼緣處以螺栓固定后這種情況會有所改觀。傳統(tǒng)型GINA止水帶與底板的接觸最為均勻，底孔洞型與底尖肋型均出現(xiàn)中心部位應(yīng)力突出，這3類GINA止水帶底板的接觸應(yīng)力基本對稱，說明側(cè)向水壓力對其影響不大。而本體孔洞型GINA止水帶則產(chǎn)生了明顯的不對稱現(xiàn)象，且接觸應(yīng)力的量值最低，對于止水帶的防水不利。

圖10 4種GINA止水帶在軸偏、壓組合作用下與底板的接觸應(yīng)力Fig.10 Contact pressures between 4 types of GINA gaskets and bottom plates under the action of axial and lateral compressions

4 結(jié)論與建議

實際工程中，幾類橡膠止水帶的硬度會有差異，同一止水帶不同位置硬度也會有差異，為了突出結(jié)構(gòu)形式的變化對GINA止水帶受力的影響，近似采用相同硬度的橡膠材料進(jìn)行模擬是可行的。GINA止水帶的選型一般結(jié)合沉管的埋深確定，不同的水深對止水帶的壓縮量有不同的要求，所采用的止水帶類型也不同，本文的目的在于分析不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對止水帶止水效果的影響。通過對4種GINA止水帶變形和接觸應(yīng)力的對比分析，提出如下結(jié)論和建議。

1）4種類型GINA止水帶的共同受力特征為：在止水初期主要以頂尖肋的壓縮進(jìn)行止水，隨著壓縮量的增大，肩部開始與頂尖肋共同受力；底肋的接觸應(yīng)力比頂尖肋的接觸應(yīng)力小得多，是止水帶能否達(dá)到防水效果的關(guān)鍵區(qū)域和薄弱環(huán)節(jié)。隨著壓縮量的增大，尖肋的應(yīng)力集中明顯，建議采用硬度較本體略低的橡膠材料制作尖肋（肖氏硬度30～35度）。

2）底孔洞型與底板的接觸最好，表明在底肋開孔可以改善底板的止水性能，但孔洞設(shè)置不宜過大，應(yīng)結(jié)合沉管的水深和橡膠硬度綜合確定。

3）底尖肋型GINA止水帶主要依靠頂、底尖肋止水，止水帶與剛板的作用面積小，在止水帶壓縮初期，容易產(chǎn)生傾覆。

4）傳統(tǒng)型與底孔洞型GINA止水帶承受側(cè)向荷載的能力較好，本體孔洞型承受側(cè)向水壓力的能力最差，建議本體孔洞型采用硬度稍大的橡膠（肖氏硬度60～70度），而本體孔洞型能夠使得頂尖肋的應(yīng)力集中明顯降低，對止水帶的長期止水更為有利。

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