沉管隧道節段接頭力學行為試驗研究與理論分析

韓 強

（遵義經濟技術開發區新興產業投資有限公司，貴州 遵義 563000）

1 什么是沉管隧道

沉管隧道目前在全世界范圍內應用，主要采用多孔箱形框架的矩形鋼筋混凝土結構為主，由于縱向較長，橫向尺寸較小，計算時一般以縱向為單位，根據基礎的砂碎層的特性及開挖地質基地槽道的情況，運用溫克爾彈簧地基公式，使用分層法計算。而接頭情況的計算，往往是將其處理成一般鋼接的連接方式，與實際情況存在一定的差距。

2 沉管隧道的特點

沉管隧道法施工中，要求頂面距離江河要達到1m 以上才可以進行作業，隧道的長度無形中減少了，周期也就短了，對于橫截面也沒要求那么嚴，圓形和矩形均符合要求，方便靈活，可以輕松做成低級別四車道的隧道，減少建筑開挖量，沉管隧道法在施工中，基槽、地基開挖方面，拖運沉放工作都可以放在平行面進行作業，縮短了施工周期；平面作業時，沉管隧道法接頭數大大減少，采用水力壓接技術防水性能大大加強。沉管隧道的長度減少了，周期縮短，航運能力得到保障；減少橋面影響，施工平面作業，與水中作業相比，更加快捷自如，工程費用降低了很多。

3 什么是沉管隧道節段接頭

沉管隧道的接頭方式可以分為合攏中間接頭；岸坡接頭等。岸坡接頭又分為大接頭和小接頭，港珠澳大橋的隧道接頭就是有大接頭和小接頭組成的。沉管接頭需要考慮隧址情況、是否處于地震帶、是否方便施工等。一般情況下，沿江河海洋，系數變化較小時，選用半剛半柔技術最為實際。半剛半柔性接頭的主要有連接件、垂直剪切鍵等。半剛性接頭不同于半剛半柔性，組成為混凝土等。柔性接頭有鋼索、水平及垂直剪切鍵等，三者之間為彼此區分的。

4 研究試驗沉管隧道節段接頭

接頭，本身我們從實際的生活中也知道，接頭往往是物與物之間，接觸最為薄弱的部位，當一邊受力不均的話，特別容易出現開裂的現象，同時節段接頭在沉管隧道的位子是無比重要的，結合港珠澳大橋沉管隧道工程建設設計及施工過程中存在的問題，中國大學都有對接頭力學理論解析表達式推導進行大量的研究，對一系列問題進行了深入探討，取得了較滿意的成果，例如：研究港珠澳沉管隧道尺管節接頭壓彎試驗；力學模型及解析表達式；紅外對接頭進行監測；劉鵬提出的相應的力學模型及其參數確定管節接頭的方法；其他學者也對沉管隧道節段接頭進行了研究，謝永利教授利用三維有限元對接頭剪力鍵破壞情況展開研究，唐英等雙框箱形截面技術，描述沉管隧道接頭的設計與理論；劉千偉介紹了制作剪切鍵的方法，講解了沉管隧道最終接頭的施工情況，讓我們了解方法。在建設港珠澳大橋的時候，施工方也對大橋作了詳細介紹。為我們今后的設計、施工提供了寶貴的借鑒經驗。

我們在進行接頭試驗時， 需要注意以下幾項：

1） 注意接頭的各項功能是否明確，是否符合實際需求，還要考慮價格因素；模型的施工性好，保證質量。綜合考慮試驗平臺的適應性、是否滿足沉載的需要、千斤頂偏心受壓及承載力是否容許和試驗工況制約，進而確定和原型幾何相似比。

2） 按照相似定律，根據量綱建立模型，確定幾何相似比的前提下，要求與原型的相似性，明確彈模的比例，采用尺寸、材料、強度與原材料保持一致或者相似的材料進行試驗。

3） 采用石灰、石骨料，提高砂率，摻入減水劑，粉煤灰，纖維等材料進行調配混凝土，對模型進行力學性能測試30 天，看是否符合要求，達到強度高，彈模量低的材料，滿足剪力鍵的更換需求。

相對于澆筑模型時間長，花費大，使用較少的特點。剪力鍵很好地解決了這些問題，在沉管建設過程中，做好移動、抬升、對接過程中發生破壞的預想，模型受壓過大，襯砌主體發生裂縫或破壞。剪力鍵位于模型的端頭部位，當剪力鍵被破壞時，嚴重影響試驗的結果。

采用變態相似法，對剪力鍵進行試驗，通過物理模型數值與沉管原型數值比較，推算出模型與原型之間的數值聯系。但數據量胖大，且可靠性還需要論證。用高強度、低彈模的配置混凝土進行澆注，保證彈模量相似，但相似材料強度在8MPa-10MPa 之間時，剪力鍵在試驗過程中易發生破壞。更有甚者危機試驗人員和設備的安全。保證模型在試驗過程中的強度，采用較高強度、低彈模混凝土澆注剪力鍵。采用楔形混凝土，進行應力傳遞，加以鋼板封口，實現可更換剪力鍵完全重合。

沉管隧道節段接頭力學行為的物理模型目標就是研究剪力鍵的剛化點，考慮時間，經費及可行性探討等原因，采用拼裝式完全相似方案，對可更換式剪力鍵進行驗證。采用三有限元軟件對數值模擬進行，分析水平剪力鍵，在局部在水平荷載的數值，對剪力鍵一側的襯砌施加水平均布荷載，單向約束其余邊界。采用相同材料，多次試驗，保證了試驗測試的可操作性，觀察受力的影響，觀察接縫的影響。若接縫對其受力影響可見，再驗證采用不同的材料，觀察剪力鍵受力接縫的情況。確保了試驗剪力鍵的安全可靠，在后續數據處理過程將變得非常簡單。

5 結語

我們分析沉管隧道時，接頭力學的研究是非常需要的，進行模擬，研究數值，論證模型，將能在未來的沉管隧道施工，最大限度地減小和避免接頭對沉管隧道的影響，對于普通百姓都是一件要緊的事情。