襄陽漢江沉管隧道新型裝配式鋼端封門研究及應(yīng)用

曾波存， 曹林祥， 周興濤， 孫曉偉， 王 聰, 3, 4, 胡嘉懿

(1. 中交第二航務(wù)工程局有限公司， 湖北 武漢 430040； 2. 湖北文理學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，湖北 襄陽 441053; 3. 長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室， 湖北 武漢 430040；4. 交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能建造技術(shù)研發(fā)中心， 湖北 武漢 430040)

0 引言

隨著我國海洋強(qiáng)國與交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，交通工程事業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。國內(nèi)已建、在建和擬建多處越江跨海通道，一大批越江跨海隧道等重大工程不斷涌現(xiàn)[1-2]，例如已建的港珠澳大橋海底隧道[3]、正在施工的深中通道海底隧道[4]與襄陽漢江魚梁洲過江隧道[5]、正處于規(guī)劃階段的渤海海峽跨海通道[6]，我國隧道建設(shè)已進(jìn)入越江跨海時(shí)代。由于具有埋置深度靈活、地質(zhì)條件適應(yīng)能力強(qiáng)、兩岸接線短及對岸線環(huán)境影響小等諸多優(yōu)勢[7]，沉管隧道工法已成為越江跨海隧道建設(shè)的主要工法之一，并逐漸向長距離、大管節(jié)、強(qiáng)徑流、厚軟基、深基槽方向發(fā)展。

沉管管節(jié)單元在干塢內(nèi)預(yù)制完成后，需對其兩端進(jìn)行封閉，并運(yùn)送至水下進(jìn)行對接安裝[8]。沉管端封門是實(shí)現(xiàn)沉管浮運(yùn)安裝時(shí)封閉阻水的臨時(shí)輔助設(shè)施，其設(shè)置在沉管管節(jié)兩端，在沉管未對接前用來保證沉管的密封性；在沉管對接完成具備拆除條件時(shí)應(yīng)盡可能及時(shí)退場，使沉管各管節(jié)實(shí)現(xiàn)貫通，以便進(jìn)行管內(nèi)附屬設(shè)施作業(yè)。崔玉國[9]提出南昌紅谷沉管隧道端封門采用型鋼加鋼面板結(jié)構(gòu)，在沉管預(yù)制階段埋設(shè)鋼板，通過Ω型鋼板將端封門面板與埋設(shè)鋼板焊接用來止水；黃文慧等[10]、陳正杰[11]、唐永波[12]指出，港珠澳大橋沉管隧道封門采用鋼結(jié)構(gòu)形式，主要部件包括面板、鋼梁、鋼梁牛腿、外側(cè)牛腿、密封圓弧板等，通過密封貼板將鋼封門之間及鋼封門與預(yù)埋件之間間隙焊接，以保證水密性，其中，鋼封門與外側(cè)牛腿預(yù)埋件之間為L形圓弧板；馬得森等[13]指出，深中通道沉管隧道采用分片焊接式鋼端封門，通過鋼板間以及鋼板與鋼梁間的焊接實(shí)現(xiàn)端封門的水密性功能；劉博等[14]針對深中通道沉管隧道的分片焊接式端封門，設(shè)計(jì)制作了異形結(jié)構(gòu)抽真空罩，以檢測密封鋼板焊縫的水密性；韓國釜山沉管隧道[15]端封門采用鋼結(jié)構(gòu)，先安裝豎向鋼梁，然后安裝鋼面板，局部通過螺栓預(yù)壓橡膠進(jìn)行止水；侖頭-生物島沉管隧道[16]、金光東沉管隧道端封門采用鋼梁加混凝土面板的組合形式，侖頭-生物島沉管隧道通過在管節(jié)預(yù)制階段預(yù)埋止水鋼板后澆筑端封門混凝土實(shí)現(xiàn)止水，金光東沉管隧道通過將端封門與管節(jié)主體結(jié)構(gòu)一起澆筑達(dá)到止水的目的；海南昌江核電排水沉管隧道[17-18]不設(shè)置端封門，采用半潛駁、鋼浮箱與浮吊安裝相結(jié)合的工藝進(jìn)行沉管安裝；此外，還有部分小型沉箱、管涵結(jié)構(gòu)采用充氣氣囊實(shí)現(xiàn)管節(jié)止水。胥新偉等[19]認(rèn)為端封門施工質(zhì)量是沉管施工安全的重大風(fēng)險(xiǎn)源，確保端封門的施工質(zhì)量是所有大型沉管隧道施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

綜上分析可知，沉管施工時(shí)對端封門結(jié)構(gòu)的抗壓及整體抗?jié)B性能要求高，目前的沉管端封門一般采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)或焊接式鋼結(jié)構(gòu)?；炷两Y(jié)構(gòu)端封門模板安裝及現(xiàn)場澆筑難度較大，所形成的端封門笨重，拆除后無法循環(huán)使用，且拆除作業(yè)時(shí)間較長，拆除時(shí)在封閉的隧道內(nèi)產(chǎn)生較多的廢氣，對管節(jié)內(nèi)施工通風(fēng)要求較高。焊接式鋼結(jié)構(gòu)端封門采用鋼結(jié)構(gòu)面板、支撐鋼梁、預(yù)埋牛腿等部件，在鋼結(jié)構(gòu)加工廠制作后，運(yùn)送至現(xiàn)場焊接組裝，可實(shí)現(xiàn)部分構(gòu)件重復(fù)利用，但現(xiàn)場焊接作業(yè)量大、安裝工序多，焊接質(zhì)量嚴(yán)重影響端封門的水密性，且拆除時(shí)產(chǎn)生較多的廢氣。因此，端封門的結(jié)構(gòu)形式需要進(jìn)一步改進(jìn)。

預(yù)制裝配式鋼端封門具有結(jié)構(gòu)簡單、安拆方便、重復(fù)使用率高的優(yōu)點(diǎn)，但是國內(nèi)外還尚未有專項(xiàng)研究。因此，本文基于襄陽漢江沉管隧道工程項(xiàng)目，提出一種施工安全快速、造價(jià)低、可回收利用、綠色環(huán)保的新型沉管隧道端封門——分塊裝配式鋼端封門，并對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安拆工藝及受力變形展開研究，在做到確保水密性的前提下降低工程造價(jià)，提高安裝與拆卸速度，以期為沉管隧道裝配式建造工藝的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 依托工程項(xiàng)目概況

襄陽市東西軸線道路工程魚梁洲段項(xiàng)目是集2處跨江的沉管隧道、長距離陸域明挖暗埋隧道、大型軸線干塢為一體的復(fù)雜隧道工程，路線長5.4 km，其中，沉管隧道總長1 011 m，為目前國內(nèi)整體建設(shè)規(guī)模最大的內(nèi)河沉管隧道。其平面布置如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目平面圖

漢江東汊沉管段長660 m，包含6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)(120.5 m×4+86.5 m×2)和1個(gè)長5 m的短管節(jié)，最終接頭采用陸上現(xiàn)澆接頭，隧道縱坡最大4.8%。本項(xiàng)目沉管隧道方案采用2孔1管廊整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫斷面尺寸為31.2 m×9.2 m(寬×高)，底板、側(cè)墻及頂板厚度均為1.25 m。沉管橫斷面布置如圖2所示。E5管節(jié)沉放于漢江東汊河流中部，管節(jié)底部最大水深達(dá)25 m，在水下沉放管節(jié)時(shí)，對兩端端封門的水密性要求高。

圖2 沉管橫斷面布置(單位： cm)

2 裝配式鋼端封門設(shè)計(jì)

2.1 裝配式鋼端封門設(shè)計(jì)思想

裝配式鋼端封門設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于接縫的止水，一定水壓條件下拼裝接縫的有效止水是實(shí)現(xiàn)沉管單元成功浮運(yùn)安裝的必要條件?；谌粘Ｉ钪小靶ㄐ纹咳钡闹顾?見圖3)，將端封門子塊的四周鋼邊設(shè)計(jì)成具有1∶3～1∶5坡度的楔形向內(nèi)的斜面；同時(shí)，也將沉管隧道管節(jié)端頭與端封門子塊相接觸的面設(shè)計(jì)成具有1∶3～1∶5坡度的楔形向內(nèi)的斜面。在相鄰2個(gè)端封門子塊之間的接縫及端封門子塊與沉管結(jié)構(gòu)間的接縫內(nèi)充填楔形止水橡膠條，一旦所拼裝的端封門受到垂直壓力作用，端封門子塊將相對于隧道結(jié)構(gòu)向內(nèi)錯(cuò)動(dòng)，使得楔形面橡膠條受壓變形，產(chǎn)生密封止水功能。因此，端封門楔形分塊設(shè)計(jì)使得整體結(jié)構(gòu)在水壓力作用下具有良好的止水性。

圖3 “楔形瓶塞”止水原理

2.2 裝配式鋼端封門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝配式鋼端封門結(jié)構(gòu)主要包括： 鋼端封門子塊、鋼封邊、止水橡膠條和鋼支座。鋼端封門為分塊裝配式楔形結(jié)構(gòu)(見圖4)，每個(gè)行車道包含5塊鋼端封門子塊，中間管廊包含1塊鋼端封門子塊，則每個(gè)管節(jié)端部斷面共包含11塊鋼端封門子塊(見圖4(a))。根據(jù)運(yùn)輸及安裝要求，單塊鋼端封門子塊寬度為2.34～2.56 m，單塊鋼端封門質(zhì)量為7.0～9.2 t。鋼端封門子塊采用鋼面板、橫肋槽鋼、豎梁H型鋼組合形式。每塊端封門子塊四周采用鋼板封邊，鋼板設(shè)置凹槽用于安裝橡膠條，開槽寬度為140 mm，深度為4 mm，頂部及底部封邊設(shè)計(jì)為坡度1∶5的楔形向內(nèi)的斜面。從受力來看，鋼端封門子塊所受荷載通過豎梁傳遞給頂部和底部的2個(gè)斜支撐面。鋼端封門子塊安裝時(shí)，從兩邊向中間逐塊安裝，通過鋼支座與封門背面H型鋼上的鋼螺栓連接，以固定端封門并達(dá)到初步預(yù)緊的效果。

(a) 裝配式鋼端封門橫斷面分幅

為了實(shí)現(xiàn)接縫的水密性，在鋼端封門子塊四周鋼封凹槽內(nèi)安裝柔性橡膠條用于止水。止水橡膠條是為每塊端封門特制的一體成型的框型橡膠條。根據(jù)鋼端封門子塊與沉管混凝土結(jié)構(gòu)及鋼端封門子塊之間的空間接觸關(guān)系，將止水橡膠條劃分為2種類型： 1)充填于鋼端封門子塊與沉管混凝土結(jié)構(gòu)之間的止水橡膠條； 2)充填于相鄰2個(gè)鋼端封門子塊之間的止水橡膠條。止水橡膠條構(gòu)造如圖5所示。

基于楔形瓶塞止水原理，為保證鋼端封門子塊之間的密貼性，鋼端封門子塊2個(gè)側(cè)面封邊上的橡膠條設(shè)計(jì)為帶孔凸起的結(jié)構(gòu)形式，封邊與封邊、封邊與沉管結(jié)構(gòu)之間的間隙為15±5 mm。鋼端封門子塊頂部和底部封邊上的橡膠條為楔形多孔漸變結(jié)構(gòu)，橡膠條的楔形面上具有交錯(cuò)設(shè)置的凸起和凹槽，凹槽處設(shè)置有遇水膨脹橡膠塊。

2.3 橡膠條水密性室內(nèi)試驗(yàn)

管節(jié)單個(gè)行車道端封門水密線包含管節(jié)端斷面位置門框、端封門之間的間隙，每塊端封門四周均粘貼止水橡膠條，端封門之間的間隙是2條橡膠條，端封門與沉管混凝土結(jié)構(gòu)之間的間隙是1條橡膠條。裝配式鋼端封門設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于保證接縫的水密性。由于接縫密封線較長，因此有必要對鋼端封門防水材料展開水密性和壓力試驗(yàn)，取得合適參數(shù)作為安裝控制指標(biāo)。

端封門止水橡膠條采用楔形三元乙丙橡膠條(見圖5(a))和多孔型三元乙丙橡膠條(見圖5(b))。根據(jù)鋼端封門子塊制作精度、拼裝精度等因素，分析和確定端封門子塊拼裝后接縫寬度和水平錯(cuò)位量的極限值，根據(jù)具體狀況和環(huán)境狀況制定防水的技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)2種橡膠條水密性及豎向壓縮性試驗(yàn)工況，其中，鋼端封門子塊與沉管混凝土結(jié)構(gòu)接縫的水密性模擬試驗(yàn)臺(tái)模擬裝配式鋼端封門子塊與沉管混凝土結(jié)構(gòu)間接縫內(nèi)安裝橡膠止水條的工況，分別考慮10、15、20 mm接縫寬度；鋼端封門子塊之間接縫的水密性模擬試驗(yàn)臺(tái)模擬裝配式鋼端封門子塊之間接縫內(nèi)安裝橡膠止水條的工況，分別考慮接縫無水平錯(cuò)位量和40 mm水平錯(cuò)位量的情況，接縫寬度由15 mm逐步縮小。

(a) 鋼端封門子塊與沉管混凝土結(jié)構(gòu)之間的止水橡膠條

鋼端封門子塊與沉管混凝土結(jié)構(gòu)接縫的水密性模擬試驗(yàn)臺(tái)采用鋼結(jié)構(gòu)制作，平面尺寸按1∶10縮小模型制作門框、封門結(jié)構(gòu)，如圖6(a)所示；鋼端封門子塊之間接縫的水密性模擬試驗(yàn)臺(tái)采用平板結(jié)構(gòu)，上下鋼板之間夾邊長為60 cm的正方形橡膠條框，用螺栓連接壓緊，如圖6(b)所示。鋼端封門子塊橡膠條豎向壓縮試驗(yàn)臺(tái)用于研究止水橡膠條結(jié)構(gòu)側(cè)限受壓變形條件下的壓力-變形曲線，其制作長度為20 cm，寬度同14 cm的鋼盒，將橡膠條放入鋼盒，頂部覆蓋鋼板，放入壓力機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，測量不同壓縮高度時(shí)所需的壓力。豎向壓縮試驗(yàn)如圖6(c)所示。

止水橡膠條水密性試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7(a)所示的曲線可知： 對于裝配式鋼端封門子塊與沉管混凝土結(jié)構(gòu)接縫內(nèi)安裝橡膠止水條的工況而言，當(dāng)接縫寬度大于15 mm時(shí)，止水橡膠條抗?jié)B漏水壓值迅速減??；當(dāng)接縫寬度小于15 mm時(shí)，止水橡膠條抗?jié)B漏水壓值大于0.40 MPa(對應(yīng)40 m水深)。因此，裝配式鋼端封門子塊與沉管混凝土結(jié)構(gòu)接縫最大寬度需小于15 mm，以保證40 m水深下止水橡膠條不漏水。由圖7(b)與圖7(c)所示的曲線可知： 對于裝配式鋼端封門子塊間接縫內(nèi)安裝橡膠止水條的工況而言，當(dāng)接縫水平錯(cuò)位量為0 mm時(shí)，若接縫寬度小于15 mm，止水橡膠條抗?jié)B漏水壓值大于0.4 MPa(對應(yīng)40 m水深)；當(dāng)接縫水平錯(cuò)位量為40 mm時(shí)，若接縫寬度小于15 mm，止水橡膠條初始抗?jié)B漏水壓值大于0.30 MPa(對應(yīng)30 m水深)，而止水橡膠條24 h的抗?jié)B漏水壓值大于0.25 MPa(對應(yīng)25 m水深)。因此，實(shí)際施工時(shí)，裝配式鋼端封門子塊與沉管混凝土結(jié)構(gòu)接縫最大寬度需小于15 mm，鋼端封門子塊之間的接縫最大寬度需小于15 mm，鋼端封門子塊之間的接縫最大水平錯(cuò)位量需小于40 mm，以保證25 m水深下止水橡膠條不漏水。

(a) 鋼端封門與沉管結(jié)構(gòu)之間的止水橡膠條

止水橡膠條豎向壓縮力-壓縮量曲線如圖8所示。由圖8可知，鋼端封門子塊與沉管結(jié)構(gòu)之間的止水橡膠條在高度方向壓縮17.6 mm 時(shí)，所受總壓縮力達(dá)到90.45 kN/m；鋼端封門子塊之間的橡膠條壓縮10.6 mm 時(shí)，所受總壓縮力達(dá)到91.26 kN/m。當(dāng)所受壓縮力超過10 kN/m時(shí)(圖8中水平虛線)，橡膠條呈現(xiàn)明顯的非線性特性，此時(shí)隨著壓力增大，壓縮變形幾乎不變，端封門子塊之間的極限壓縮變形為11.5 mm，端封門與沉管結(jié)構(gòu)之間的止水橡膠條極限壓縮變形為17.6 mm，端封門子塊與沉管結(jié)構(gòu)之間的止水橡膠條壓縮變形性能明顯優(yōu)于端封門子塊之間的橡膠條壓縮變形性能。止水橡膠條線彈性極限壓縮力為10 kN/m，所對應(yīng)的最大壓縮變形為15 mm(鋼端封門與沉管結(jié)構(gòu)之間的止水橡膠條)和8 mm(鋼端封門之間的止水橡膠條)。因此，止水橡膠條屬于超彈性材料，可將其壓縮變形曲線劃分為線彈性變形階段與非線性變形階段。

圖8 止水橡膠條豎向壓縮力-壓縮量曲線

3 裝配式鋼端封門安裝工藝研究

3.1 鋼端封門安裝臺(tái)車研發(fā)

為了保證裝配后的鋼端封門的水密性，基于2.3節(jié)橡膠條水密性室內(nèi)試驗(yàn)，要求： 1)鋼端封門子塊之間接縫寬度≤15 mm； 2)鋼端封門子塊與沉管混凝土結(jié)構(gòu)之間的接縫寬度≤15 mm； 3)橡膠條水平錯(cuò)位量 ≤40 mm。單塊鋼端封門子塊寬度為2.34～2.56 m，高度為6.7 m，最重達(dá)9.2 t。為了實(shí)現(xiàn)端封門子塊的快速精準(zhǔn)定位，專門研發(fā)了如圖9所示的具備三向調(diào)位功能的安裝臺(tái)車。安裝臺(tái)車部件主要包括：

1)固定支腿，通過伸縮油缸實(shí)現(xiàn)豎直伸縮；

2)1對滑移支座，固定于橫向的2個(gè)固定支腿上端；

3)1對滑移主梁，沿縱向設(shè)置于1對滑移支座上端，并設(shè)置為可沿1對滑移支座橫向滑動(dòng)；

4)伸縮臂，下端固定于滑移主梁上；

5)人字架，滑移主梁和伸縮臂構(gòu)成直角三棱柱框架結(jié)構(gòu)，人字架下端鉸接于伸縮臂上端。

通過安裝臺(tái)車實(shí)現(xiàn)端封門子塊空間姿態(tài)的快速精確調(diào)整，具體流程為： 通過底部行走電機(jī)輪將臺(tái)車和端封門運(yùn)送至安裝位置進(jìn)行初定位—通過滑移支座及縱移油缸進(jìn)行前后位置調(diào)整—通過底部固定支腿伸縮油缸完成上下高程調(diào)整—通過調(diào)節(jié)人字架伸縮臂油缸調(diào)整端封門安裝角度—完成后進(jìn)行鎖定。

圖9 端封門安裝臺(tái)車

3.2 安裝關(guān)鍵技術(shù)

鋼端封門子塊安裝時(shí)，從兩邊向中間逐塊安裝，通過支座與豎梁H型鋼的連接螺栓連接達(dá)到預(yù)緊效果,即先對稱安裝1#和5#端封門，然后對稱安裝2#和4#端封門，再通過千斤頂將1#、2#、4#、5#橡膠條橫向壓縮到設(shè)計(jì)位置，最后安裝3#端封門。首先，提前安裝鋼支座；然后，粘貼止水橡膠條(見圖10(a))，實(shí)現(xiàn)端封門子塊之間接縫的密封止水；最后，利用特制臺(tái)車掛裝端封門子塊(見圖10(b))，實(shí)現(xiàn)端封門空間姿態(tài)的快速調(diào)整，并利用滑移支座及縱移油缸將端封門推送就位，通過鋼支座及連接螺栓將端封門與沉管連接固定。中間鋼端封門子塊先不進(jìn)行安裝，通過支座將鋼端封門子塊與沉管固定，再通過千斤頂將鋼端封門子塊間的橡膠條壓緊至設(shè)計(jì)位置(見圖10(c))，最后安裝處于中間的鋼端封門子塊(見圖10(d))。安裝完成的鋼端封門子塊如圖10(e)所示。

(a) 粘貼止水橡膠條

3.3 拆除關(guān)鍵技術(shù)

鋼端封門拆除時(shí)機(jī)按保證迎水端不少于3道端封門及沉管抗浮負(fù)浮力系數(shù)不小于1.05來確定。單個(gè)行車道拆除順序與安裝順序相反，先拆除3#端封門，然后對稱拆除2#、4#端封門，最后拆除1#、5#端封門。端封門為楔形結(jié)構(gòu)，門與門之間及門與側(cè)墻之間均有擠壓力，正式拆除前通過千斤頂縱向頂推松動(dòng)。鋼端封門拆除示意如圖11所示。端封門拆除起吊裝置為2個(gè)10 t電動(dòng)葫蘆，懸掛于頂部固定支座及對面端封門上并拉住端封門子塊，底部采用10 t叉車配合放倒，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程無切割拆除。

圖11 鋼端封門拆除示意圖

4 裝配式鋼端封門受力計(jì)算及變形監(jiān)測

4.1 裝配式鋼端封門受力計(jì)算

裝配式鋼端封門子塊由鋼板+槽鋼+H型鋼焊接為一個(gè)整體，鋼端封門子塊面板采用厚12 mm鋼板；橫肋采用14a槽鋼，豎向布置間距為600 mm；豎梁采用熱軋H型鋼，型號為700 mm×300 mm(寬度×高度)，水平間距約800 mm。所用鋼材均為Q345B。采用midas civil軟件對鋼端封門子塊建立有限元數(shù)值模型(見圖12)。假定鋼材為線彈性材料，鋼面板采用板單元模擬，槽鋼與H型鋼采用梁單元模擬。由于端封門子塊通過H型鋼梁簡支于上側(cè)沉管斜面、下側(cè)沉管混凝土枕梁上，且其左右兩側(cè)接縫內(nèi)橡膠條允許橫向擠壓變形，則計(jì)算模型的上下邊界采用鉸接邊界條件，左右兩側(cè)采用自由邊界條件。計(jì)算時(shí)常水位取62.730 m，鋼板的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

(a) 模型豎向荷載分布

(b) 有限元模型(單位： kN/m2)

2#端封門子塊的內(nèi)力與變形計(jì)算結(jié)果如圖13所示。其中，面板的最大彎曲應(yīng)力為69.6 MPa，H型鋼最大彎曲應(yīng)力為143.6 MPa，小于Q345B鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值295 MPa，強(qiáng)度滿足使用要求。端封門子塊最大彎曲變形為6.5 mm，滿足小于(1/400)l=6 700 mm/400=16.75 mm的構(gòu)件撓度要求。其中，梁長l=6 700 mm。

(a) 槽鋼與H型鋼應(yīng)力云圖(單位： MPa)

3#端封門子塊面板的最大彎曲應(yīng)力為238.8 MPa，H型鋼最大彎曲應(yīng)力為151.7 MPa，小于Q345B鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值295 MPa，強(qiáng)度滿足使用要求；最大彎曲變形為7.1 mm，滿足小于(1/400)l=6 700 mm/400=16.75 mm的構(gòu)件撓度要求。

4.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

為實(shí)時(shí)監(jiān)測新型裝配式鋼端封門在沉管下沉過程中的受力及位移情況，在E4管節(jié)西側(cè)行車道5扇端封門子塊及中管廊端封門子塊上分別布置位移與應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn),如圖14所示。其中，每扇端封門上布置3個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)，分別位于端封門底、中、頂部。另一側(cè)行車道5扇端封門上布置應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，每扇端封門上布置1個(gè)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，位于端封門中部。

(a) 應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

H型鋼彎曲應(yīng)力及變形監(jiān)測結(jié)果如圖15所示。由圖15(a)可知： 實(shí)際監(jiān)測端封門子塊型鋼最大應(yīng)力值為124.1 MPa，位于4#端封門子塊中間；實(shí)際監(jiān)測3#端封門子塊型鋼最大應(yīng)力值為92.5 MPa，小于數(shù)值計(jì)算值151.7 MPa。由圖15(b)可知： 實(shí)際監(jiān)測端封門子塊型鋼最大彎曲變形為8.056 mm，位于4#端封門子塊中間；實(shí)際監(jiān)測3#端封門子塊型鋼最大彎曲變形為6.5 mm，小于數(shù)值計(jì)算值7.1 mm。隨著沉管下沉深度增加，H型鋼彎曲應(yīng)力及變形呈線性增加，各監(jiān)測斷面的最大彎曲應(yīng)力及變形均未超出端封門設(shè)計(jì)最大應(yīng)力值和最大位移值，表明端封門結(jié)構(gòu)安全可靠。

(a) 彎曲應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論與討論

1)研發(fā)的新型分塊裝配式鋼端封門結(jié)構(gòu)主要包含鋼端封門子塊、鋼封邊、止水橡膠條和鋼支座。在相鄰鋼端封門子塊之間的接縫及鋼端封門子塊與沉管結(jié)構(gòu)之間的接縫內(nèi)填充止水橡膠條，可以實(shí)現(xiàn)止水功能。

2)對于鋼端封門子塊與沉管結(jié)構(gòu)間的楔形橡膠條而言，當(dāng)接縫寬度小于15 mm時(shí)，可保證40 m水深下接縫不漏水；對于鋼端封門子塊間的多孔型橡膠條而言，在接縫水平錯(cuò)位量小于40 mm及接縫寬度小于15 mm條件下，可保證30 m水深下接縫不漏水。

3)鋼支座安裝、止水橡膠條安裝、鋼封門子塊拼接為新型裝配式鋼端封門安裝的關(guān)鍵步驟。鋼端封門子塊拼接時(shí)，需從兩邊向中間逐塊安裝。另外，通過使用特制臺(tái)車拼裝鋼封門子塊，可實(shí)現(xiàn)空間姿態(tài)快速調(diào)整。

4)隨著沉管下沉深度增加，H型鋼彎曲應(yīng)力與彎曲變形呈線性增加趨勢，均未超出所設(shè)計(jì)的最大容許值；在沉管沉放過程中，所研發(fā)的新型分塊裝配式鋼端封門結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，水密性良好。

本研究在一定程度上解決了現(xiàn)澆混凝土端封門與焊接式鋼端封門安拆時(shí)作業(yè)效率低下、產(chǎn)生廢氣污染等難題。后續(xù)還需針對止水橡膠條大變形及端封門子塊間接縫的水力楔開機(jī)制，開展精細(xì)有限元數(shù)值仿真研究，以進(jìn)一步指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。