羅勇歡，馮正林，劉 佳，何波興，郭紅鋒

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

沉管隧道的每一個(gè)管段都是一個(gè)預(yù)制件，在管段之間和管段與通風(fēng)塔之間存在接頭。管段接頭是沉管隧道的重要部位，同時(shí)也是薄弱部位，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度相對(duì)混凝土而言都顯得非常脆弱。接頭一般分為兩種形式:一種接頭具有與其連接管段相似的斷面剛度和強(qiáng)度——?jiǎng)傂越宇^;另一種接頭則允許在三個(gè)主軸方向上有相對(duì)位移——柔性接頭。目前，國(guó)內(nèi)外沉管隧道多采用柔性接頭，柔性接頭的防水體系一般采用“壓縮式橡膠止水帶(GINA)+內(nèi)貼式橡膠止水帶(OMEGA)”雙層組合方式。管段接頭結(jié)構(gòu)斷面示意如圖1。

圖1 管節(jié)接頭結(jié)構(gòu)斷面(單位:mm)

1 內(nèi)貼式橡膠止水帶的結(jié)構(gòu)及安裝方法

1.1 內(nèi)貼式橡膠止水帶結(jié)構(gòu)

如圖2所示，內(nèi)貼式橡膠止水帶主體材料為橡膠，中間加設(shè)纖維層(簾布)以提高其耐水壓能力，端頭呈凸圓狀，其內(nèi)設(shè)有硬質(zhì)膠條以確保在高水壓下橡膠止水帶不會(huì)發(fā)生滑移、內(nèi)縮。此外，在止水帶底邊設(shè)有三排密封唇，使接觸為線接觸，從而提高止水帶與混凝土等接觸面的局部壓應(yīng)力，更好地滿足壓密止水功效。

圖2 內(nèi)貼式橡膠止水帶結(jié)構(gòu)示意

1.2 內(nèi)貼式橡膠止水帶安裝方法

內(nèi)貼式橡膠止水帶的安裝方法應(yīng)根據(jù)管節(jié)接縫的構(gòu)造特點(diǎn)，并考慮安裝過程的便捷性。如圖3所示，首先將套筒預(yù)埋在混凝土中，然后把內(nèi)貼式橡膠止水帶、壓板和圓鋼平鋪在安裝臺(tái)上，最后用螺桿和螺母進(jìn)行固定。本方法采用螺紋聯(lián)結(jié)方式將內(nèi)貼式橡膠止水帶固定在沉管管節(jié)縫隙處，利用橡膠的高彈性，將內(nèi)貼式橡膠止水帶壓板一端定位，擰緊螺母(扭矩根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定)，螺母推動(dòng)壓板的另一端將止水帶壓緊，從而把作用力傳遞到止水帶的兩翼，壓緊底部的3道密封唇，達(dá)到密封止水效果。

圖3 內(nèi)貼式橡膠止水帶安裝示意

2 模擬分析

為了合理確定內(nèi)貼式橡膠止水帶的結(jié)構(gòu)，對(duì)于內(nèi)貼式橡膠止水帶在幾種重要工況下的受力和變形情況進(jìn)行了有限元模擬分析。

2.1 工作環(huán)境

工作水壓:0.55 MPa;設(shè)計(jì)位移:水平方向30 mm，豎直方向50 mm。

2.2 計(jì)算工況

工況1:不斷調(diào)整壓板豎向位移，使止水帶三道密封唇剛好被壓平。

工況2:考慮地震等極限荷載作用，在工況1條件下水平張拉30 mm。

工況3:考慮地震等極限荷載作用，在工況1條件下豎向張拉50 mm。

2.3 結(jié)果分析

不斷調(diào)整壓板豎向位移，當(dāng)豎向位移為7.5 mm時(shí)，止水帶三道密封唇剛好被壓平。止水帶主要部位應(yīng)力分布如圖4所示，最大應(yīng)力為34.53 MPa，出現(xiàn)在簾布上;三道密封唇與預(yù)埋鋼板間的接觸應(yīng)力均大于工作水壓0.55 MPa。

圖4 工況1下應(yīng)力分布(單位:MPa)

2)工況2

在地震等極限荷載作用下，壓板豎向位移7.5 mm，止水帶水平張拉30 mm，工作水壓0.55 MPa。止水帶主要部位應(yīng)力分布如圖5所示，最大應(yīng)力為32.65 MPa，出現(xiàn)在簾布上;三道密封唇與預(yù)埋鋼板間的接觸應(yīng)力均大于工作水壓0.55 MPa。

圖5 工況2下應(yīng)力分布(單位:MPa)

3)工況3

在地震等極限荷載作用下，壓板豎向位移7.5 mm，止水帶豎向張拉50 mm，工作水壓0.55 MPa。止水帶主要部位應(yīng)力分布如圖6所示，最大應(yīng)力為35.50 MPa，出現(xiàn)在簾布上;三道密封唇與預(yù)埋鋼板間的接觸應(yīng)力均大于工作水壓0.55 MPa。

圖6 工況3下應(yīng)力分布(單位:MPa)

從以上分析可知:①在各工況下，簾布的最大應(yīng)力分別為 34.53 MPa、32.65 MPa和 35.50 MPa，遠(yuǎn)小于其試驗(yàn)斷裂強(qiáng)度值134 MPa，能夠保證簾布的安全;②在各工況下，止水帶的密封唇與預(yù)埋鋼板間的接觸應(yīng)力均大于工作水壓0.55 MPa，能夠保證該止水帶的水密性要求。

4)螺栓預(yù)緊力分析

設(shè)d(f)=3, ch(f)=3-4=-1,事實(shí)上R3已經(jīng)考慮到了3-面的所有情況,依次來討論。若f是一個(gè)(3,3,3)-面,由引理1(3)和R3.1得若f是一個(gè)(3,3,k)-面(k=4,5,6),由引理1.3和R3.2得若f是一個(gè)(3,3,7+)-面,由R3.3得ch′(f)≥ch(f)+1=-1+1=0。若f是一個(gè)(3,4,4)-面,由引理1(2)和R3.4得 若f是一個(gè)(3,4,5+)-面,由R3.5得若f是一個(gè)(3,5+,5+)-面,由R3.6得 若f是一個(gè)(4+,4+,4+)-面,由R3.7得綜上,3-面得證。

當(dāng)壓板豎向位移為7.5 mm時(shí)，剛好壓平三道密封唇，取壓板豎向位移為7.5 mm時(shí)的受力狀況作為螺栓預(yù)緊力的設(shè)計(jì)依據(jù)。

豎向力與豎向位移曲線如圖7所示。圖中加載起點(diǎn)在(0，0)位置，X軸正負(fù)表示位移的方向，Y軸正負(fù)表示力的方向。

圖7 豎向力與豎向位移曲線

通過仿真分析，得出當(dāng)壓板豎向位移為7.5 mm時(shí)，三道密封唇剛好被壓平，此時(shí)對(duì)應(yīng)的約束反力為66.2 N，壓板的長(zhǎng)L和寬B分別為1 mm和40 mm，因此在壓板上需要施加的面壓為

式中:σ為壓板面壓，MPa;F為工況1下壓板的約束反力，N;L為模擬分析時(shí)壓板單位長(zhǎng)度，mm;B為壓板寬度，mm。

安裝時(shí)，壓板實(shí)際長(zhǎng)度L'為220 mm，因此螺栓設(shè)計(jì)預(yù)緊力P為

P=σL'B=1.655×220×40=14 564 N=14.6 kN式中，P為螺栓設(shè)計(jì)預(yù)緊力，N。

3 水密封試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置(見圖8)分為對(duì)稱兩塊，通過變形縫連接成一個(gè)近似長(zhǎng)方體，長(zhǎng)×寬×高分別為900 mm×1 000 mm×1 000 mm。裝置采用鋼箱結(jié)構(gòu)和截面比例為1∶1的止水帶，通過往內(nèi)腔加水來模擬止水帶在實(shí)際工況下的水壓力。試驗(yàn)通過機(jī)械裝置調(diào)整兩個(gè)鋼箱的位置，準(zhǔn)確模擬鋼箱的相對(duì)位移，從而檢驗(yàn)內(nèi)貼式橡膠止水帶在不同張開量、不同水壓力和一定剪切量下的水密封性能。

3.2 試驗(yàn)工況

工況一:純張拉，即沿試驗(yàn)裝置水平方向張拉，判斷在不同張開量、不同水壓力值工況下的水密封性能。

工況二:剪切—張拉，即先沿試驗(yàn)裝置前后張拉10 mm，然后再水平方向張拉，判斷在10 mm剪切變形基礎(chǔ)上，不同張開量、不同水壓力值工況下的水密封性能。

圖8 水密封試驗(yàn)裝置

3.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)過程中，每當(dāng)水壓加到預(yù)設(shè)值后，先靜置0.5 h，如果有壓降就補(bǔ)充加壓，以消除應(yīng)力釋放帶來的誤差，然后保壓2 h，每隔20 min讀取一次數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)步驟為:①檢查止水帶是否安裝好，螺栓是否擰緊。②通過調(diào)節(jié)導(dǎo)軌，把裝置調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)張開量。③打開鋼箱頂部的進(jìn)水閥，往密閉鋼箱內(nèi)充水。④打開加水壓設(shè)備的卸壓閥，檢查壓力表。⑤關(guān)閉空壓機(jī)的出氣閥，插上電源，讓空壓機(jī)工作。⑥施加第一級(jí)水壓。打開空壓機(jī)出氣閥，緩慢調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氣壓調(diào)節(jié)閥，使驅(qū)動(dòng)氣壓慢慢升高到0.1 MPa，增壓泵開始工作，繼續(xù)緩慢調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氣壓調(diào)節(jié)閥，當(dāng)壓力達(dá)到所需壓力時(shí)，停止調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氣壓。⑦保壓和讀取數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)施加水壓從預(yù)設(shè)值0.5 MPa開始，保壓2 h，每隔20 min讀取一次數(shù)據(jù)，并認(rèn)真填寫試驗(yàn)原始記錄。⑧施加下一級(jí)水壓。打開高壓截止閥，打開驅(qū)動(dòng)氣壓調(diào)節(jié)閥開關(guān)，繼續(xù)⑥的操作。⑨關(guān)閉驅(qū)動(dòng)氣壓調(diào)節(jié)閥開關(guān)，打開卸壓閥，直到壓力顯示為0。⑩繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)張開量下的試驗(yàn)，直到試驗(yàn)結(jié)束。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

純張拉工況下水密封試驗(yàn)結(jié)果見表1，剪切—張拉工況下水密封試驗(yàn)結(jié)果見表2。表中，完好表示水密封試驗(yàn)符合要求，空格表示不需要測(cè)試。

表1 純張拉工況下水密封試驗(yàn)結(jié)果

表2 剪切—張拉工況下水密封試驗(yàn)結(jié)果

從表1和表2可看出:①在純張拉和10 mm剪切量的剪切—張拉兩種工況下，止水帶樣品的水密封性能均良好;②止水帶樣品在試驗(yàn)中和試驗(yàn)后均未發(fā)現(xiàn)明顯的鼓包、裂痕及破損現(xiàn)象。

4 結(jié)語

大量的工程應(yīng)用驗(yàn)證了采用內(nèi)貼式橡膠止水帶是解決沉管隧道密封止水問題的有效方法。通過對(duì)內(nèi)貼式橡膠止水帶分別在張拉和剪切兩種工況下的模擬分析，以及按照實(shí)際工況進(jìn)行的水密封試驗(yàn)，驗(yàn)證了內(nèi)貼式橡膠止水帶的結(jié)構(gòu)形式和水密封特性均滿足設(shè)計(jì)要求，可以很好地滿足我國(guó)沉管隧道工程建設(shè)的需要。

［1］王興鐸.水下沉管隧道的發(fā)展和施工技術(shù)［J］.中國(guó)鐵路，2001(5):48-50.

［2］王吉云.港珠澳大橋島隧工程沉管隧道施工新技術(shù)介紹［J］.地下工程與隧道，2011(1):22-26.

［3］王艷寧，熊剛.沉管隧道技術(shù)的應(yīng)用與現(xiàn)狀分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，44(4):1-4.

［4］魏鴻，吳劍.沉管隧道高速列車空氣阻力水力學(xué)模型試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2007(5):41-45.

［5］唐英，管敏鑫，萬曉燕.沉管隧道接頭的理論分析及研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2002，23(1):67-72.

［6］寧茂權(quán).海底沉管隧道的防水設(shè)計(jì)［J］.鐵道建筑，2008(10):58-61.

［7］朱家祥.外環(huán)沉管隧道工程［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.

［8］張國(guó)文，李雪春，黨佳，等.鐵路隧道用橡膠止水帶的生產(chǎn)及應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2011(12):80-82.