沉管隧道節(jié)段接頭力學行為試驗研究與理論分析

韓 強

（遵義經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)新興產(chǎn)業(yè)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(nèi)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(jù)基礎的砂碎層的特性及開挖地質(zhì)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(yè)，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(yè)，縮短了施工周期；平面作業(yè)時，沉管隧道法接頭數(shù)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(yè)，與水中作業(yè)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(jié)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(shù)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(qū)分的。

4 研究試驗沉管隧道節(jié)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(xiàn)開裂的現(xiàn)象，同時節(jié)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(jié)接頭壓彎試驗；力學模型及解析表達式；紅外對接頭進行監(jiān)測；劉鵬提出的相應的力學模型及其參數(shù)確定管節(jié)接頭的方法；其他學者也對沉管隧道節(jié)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(jīng)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(zhì)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(jù)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(diào)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(fā)生破壞的預想，模型受壓過大，襯砌主體發(fā)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(tài)相似法，對剪力鍵進行試驗，通過物理模型數(shù)值與沉管原型數(shù)值比較，推算出模型與原型之間的數(shù)值聯(lián)系。但數(shù)據(jù)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(fā)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(xiàn)可更換剪力鍵完全重合。

沉管隧道節(jié)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(jīng)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(shù)值模擬進行，分析水平剪力鍵，在局部在水平荷載的數(shù)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(xù)數(shù)據(jù)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(shù)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。