沉管隧道管节结构选型

通过分析近年来国内外沉管隧道工程的发展现状,以在建的港珠澳大桥海底沉管隧道为研究对象,对整体式管节与节段式管节开展了管节结构内力、管节及节段接头的受力与变形特性的计算分析,结果表明相比于整体式管节,节段式管节的结构内力降低显著,且管节接头的张开量有所减小,而管节接头的竖向剪力键受力基本相当,局部荷载段的节段接头剪力则较大。综合分析后,认为港珠澳大桥沉管隧道采用180m长的节段式管节结构形式是可接受的,研究结论可为其他同类工程提供参考。     

沉管隧道纵向差异沉降容许值的简化计算方法

基于弹性地基梁沉管隧道纵向计算理论,提出了一种刚度影响线分析方法,为节段式沉管隧道接头剪力的分析计算提供了理论基础。研究了沉管隧道接头剪力与容许地基刚度变化之间的关系,在研究确定地基刚度变化的幅值、模式及与纵向差异沉降之间关系的基础上,研发了基于接头剪力键容许剪力的纵向差异沉降简化计算公式。通过两个算例对刚度影响线分析方法及纵向差异沉降容许值简化计算公式进行了验证。纵向差异沉降容许值计算公式形式简单、物理意义明确、使用方便,为沉管隧道地基处理方案的确定提供了方法。     

沉管隧道管节接头剪切破坏试验

为了研究沉管隧道最薄弱的环节-接头的受力特点和破坏机制,根据实际沉管隧道接头形式开展了1：4大比例尺的沉管隧道接头低周往复加载拟静力试验。试验模型由2节钢筋混凝土管节组成,接头主要由钢筋混凝土剪力键和橡胶填塞垫构成,为贴近实际工程结构反应,试验模型采用与实际工程相同强度的钢筋和商品混凝土。利用顶杆位移计和拉线位移计等传感器得到了试验模型在循环剪切荷载作用下的接头破坏机理,并分别从沉管隧道试验模型的荷载-位移滞回曲线、接头抗剪承载力、接头与管段刚度比3个方面对试验结构进行了分析。试验结果表明：橡胶填充垫对沉管隧道接头具有缓冲保护作用;低周往复荷载下沉管隧道接头主要经历橡胶垫弹性变形、橡胶垫与剪力键协同作用及剪力键塑性变形3个阶段;接头总抗剪承载力为674 kN（3个单键的抗剪承载力分别为417,320,417 kN）,接头抗剪能力并不是单个剪力键承载力的线性叠加,需考虑剪力键之间的协同作用;接头与管节的剪切刚度有效比为1/960~1/672,接头是抗震的薄弱环节,在受到地震荷载时,变形主要集中在接头部位,并主要由接头处剪力键承担;接头的破坏模式主要体现在剪力键凸榫的端部剪裂及其失效后接头的不可恢复性变形。     

节段式沉管隧道抗震关键技术研究

首先分析了节段式沉管隧道地震响应受力特性,明确了结构动力响应的温度敏感性,指出管节及节段接头为抗震的薄弱部位及抗震关注重点;其次,在分析国内外沉管隧道抗震研究的基础上,分析了节段式沉管隧道抗震研究需要解决的关键技术,主要包括沉管隧道土与结构相互作用的动力计算方法、非一致地震激励下沉管隧道地震响应分析方法以及沉管隧道振动台试验模拟技术;最后总结了节段式沉管隧道的研究进展及主要成果。     

沉管隧道管节接头数值模拟方法

通过对沉管接头构件包括GINA止水带、钢剪切键、混凝土剪切键建立精细化模型进行多工况数值模拟,得到相应构件的应力和变形结果,给出对应的管节接头构件刚度参数,为复杂三维模型中的沉管隧道管节接头简化模拟提供依据。根据构件精细化数值分析的结果,得到管节接头变形控制指标。在三维地层结构模型中,采用实体单元模拟土体,壳单元模拟管节,采用精细化构件模型得到的刚度作为壳铰接单元的参数模拟管节接头,所提出的模拟方法可为类似工程的设计施工提供参考。     

外海超长沉管隧道设计关键技术研究

以港珠澳大桥沉管隧道工程为依托,分析了外海超长沉管隧道设计需要解决的关键技术,重点介绍了沉管隧道基础沉降控制技术、多点非一致地震激励下超长沉管隧道设计方法、节段接头构造形式研究及高水压120年设计使用寿命OMEGA止水带研发等需要突破的技术,并阐述了主要研究成果。这些研究成果为我国后续外海超长沉管隧道设计提供技术支撑。     

沉管隧道纵向静力计算问题探讨

为进一步综合分析长距离沉管隧道纵向内力和变形,保障其接头水密性,讨论了沉管隧道结构纵向静力分析计算模型和应考虑的一些问题,包括接头受力机制、GINA止水带选型和水密性检算,以及纵向沉降差与纵向弯矩和剪力的关系等。总结了简单而高效的弹性地基梁纵向计算模型及其接头模拟方法;提出使用地层-结构模式和强制位移法的三维壳体模型作进一步的补充细化分析;指出隧道纵向沉降曲线的曲率及曲率变化率分别影响着结构的纵向弯矩和剪力;给出接头的止水带选型及水密性验算工作如何与隧道结构纵向计算相互结合。     

沉管隧道新型剪力杆组合结构的抗剪应用研究

为了提高节段接头施工效率和沉管隧道预制化水平,改善现有节段接头连接方案存在的接头截面利用率低、中埋式止水带安装困难、工效低和剪力键浇筑质量差等突出问题,提出以新型钢剪力杆组合结构替代传统剪力键的节段接头连接方案。通过开展剪力杆组合结构单杆、多杆剪切试验,测量剪切荷载、接头相对错动、钢套筒应变和钢筋应力,研究其抗剪性能。以大连湾海底沉管隧道工程为依托,基于材料塑性损伤本构模型,考虑节段接头的细部构造,根据剪力杆组合结构剪切试验对数值仿真方法的有效性进行验证。利用数值模拟研究了节段接头水平向、竖直向剪切,绕横轴、竖轴弯曲的变形规律和破坏特征,进一步建立三维仿真模型,研究剪力杆组合结构在大连湾海底沉管隧道工程中的工作情况。研究结果表明：剪力杆组合结构的失效由剪力杆的剪断破坏控制,破坏延性特征明显。剪力杆破坏荷载-位移关系可以分为弹性、塑性加强和塑性破坏3个阶段。接头存在间隙时,剪力杆组合结构破坏屈服特征明显。剪切试验数值结果与现场试验结果吻合良好。节段接头数值试验揭示,在剪切、弯曲作用下接头破坏过程较为复杂,且均呈现出阶段性特征。基于接头损伤分析,提出了节段接头位移安全评价指标。对控制工况下...     

复杂环境下沉管隧道接头渐进破坏模式探析

海底沉管隧道所处海床的地质与水力条件恶劣、受力情况复杂,接头部位易发生病害.复杂环境下不良地质与不利荷载共同作用下海底沉管隧道接头渐进破坏模式的研究目前处于起步阶段,通过广泛调研将沉管隧道接头病害分为接头错位、止水带破损、剪力键破坏、接头渗漏水等类型,并系统分析了具体成因,结合深中通道沉管隧道工程地质、水文、气象条件等...     

离岸人工岛岛隧结合部沉管隧道基础沉降控制研究

为防止深中通道岛隧结合部暗埋段、E1管节、E2管节差异沉降过大,进而导致管节接头剪力键剪力及管节内力过大,通过对岛隧结合部沉管基础采取预加固措施,研究不同段落地基与基础参数,分析计算出E1管节预抬量合理值。通过室内试验及现场试验获取关键参数并开展大型三维有限元分析,研究管节应力及沉降特性。根据室内试验确定考虑预压30k Pa的1.0m厚碎石垫层变形模量取值为:0～30k Pa段为25.4MPa,30～110k Pa段为8.9MPa。根据现场试验确定块石垫层变形模量取值为50MPa。依据上述参数开展有限元分析,最终确定岛隧结合部沉管基础加固措施及管节的预抬量值为70mm。     

沉管隧道柔性接头压缩性能研究

柔性管节接头是沉管隧道的重要组成部分，接头的压缩性能决定了沉管接头的水密性能及安全性，但目前针对沉管隧道柔性接头压缩性能的研究相对缺乏，接头压缩性能参数的取值缺乏试验结果的支撑。基于此，以港珠澳大桥沉管隧道为研究背景，设计了几何比尺为1：10的隧道管节和接头模型，并进行了大比尺结构试验和止水带材性试验。通过对沉管隧道管节柔性接头逐级施加轴向荷载，试验获得了接头轴向位移随轴向荷载的变化曲线，并与止水带材性试验结果进行了对比分析，揭示了柔性接头的非线性压缩性能：接头压缩性能受GINA止水带自身压缩性能影响；相比材性试验，结构试验结果中接头压缩量普遍偏小2~3 mm，相对差异可达21%。为了进一步验证试验结果，分别建立了二维和三维止水带有限元模型，通过对比试验结果与有限元计算结果，分析并量化了试验中支座摩擦、止水带长度、形状及其横向约束等对试验结果的影响规律。量化分析结果显示，支座摩擦、止水带长度及横向约束对试验结果影响较小，可忽略不计，但止水带纵向尺寸对结构压缩性能影响较为显著，结果相差最大达到8.8%。最后基于试验结果提出了一种可用于模拟沉管接头压缩性能的简化力学计算模型，亦可应用于其他柔性接头的轴向力学分析。     

沉管隧道纵向地震易损性分析方法

目前沉管隧道抗震性能设计仅限于横断面分析,缺乏面向沉管隧道纵向抗震性能评估的地震易损性分析方法。为此,建立沉管隧道纵向地震易损性分析方法及评估指标。首先,合理考虑沉管隧道结构特征及接头构造,给出了纵向地震易损性分析模型,其中沉管管节结构采用宏观梁单元模拟,沉管接头采用细观精细化模型模拟,宏-细观模型之间需满足连续性约束方程,地层采用非线性弹簧单元模拟,并通过等效线性化方法来描述地层的非线性特征;其次,根据隧道所处场地的地震动特征选择合适的地震动输入,以及相应的地震动强度指标和结构损伤指标,建立基于增量动力分析的纵向地震易损性评估方法及分析流程,可以依据沉管隧道的不同极限状态定义获得用于纵向抗震性能评估的易损性曲线;最后,以某沉管隧道为应用实例,基于该方法建立了沉管隧道纵向地震易损性分析模型及评估指标,通过计算分析得到了表征隧道纵向抗震性能的地震易损性曲线,并开展多因素分析进而揭示了管节分段长度、地震动输入方向、地层-结构相对刚度比等关键参数的影响规律。结果表明：沉管隧道所处场地位置处的峰值速度是反映隧道纵向地震易损性特征的最优地震动强度参数;沉管隧道地震易损性与输入地震动波长有关,且管...     

红谷沉管隧道GINA止水带数值模拟分析

沉管隧道接头结构复杂,相对于预制管段,管段接头是沉管隧道的薄弱环节。管段的不均匀沉降会导致接头处的张开与错动,引起GINA止水带的变形,造成接头防水能力的降低甚至丧失,从而对隧道的安全运营造成极大的危害。采用有限单元法针对沉管接头GINA止水带进行建模,对多工况下GINA止水带的受力变形机制进行系统化研究,以期对沉管隧道接头的防水设计和施工提供参考。主要结论如下： 1）运营工况下,GINA的压缩量不宜小于90 mm,接头张开量不宜大于35 mm; 2）设计条件下管节相对水平错动20 mm,相对竖向错动35 mm时,不会影响GINA止水带功能; 3）运营工况下,GINA止水带两肩部的差异变形对其止水功能影响较小。     

沉管隧道接头在压-扭-剪组合条件下的力学性能分析

接头是沉管隧道中最薄弱并且非常关键的部位,其力学性能直接影响整条沉管隧道的安全性与水密性。目前研究仅限于沉管接头的压缩、压弯和压剪等简单荷载工况,未对组合工况如压-扭-剪工况进行过研究。以红谷隧道工程为背景,基于三维精细化建模技术,通过有限元软件ABAQUS建立了表征沉管隧道接头性能的力学模型,并考虑不同材料的非线性本构模型,开展了沉管隧道接头在压-扭-剪组合条件下的力学性能模拟研究,并与压-剪组合条件下的力学性能进行对比了分析。通过数值模拟计算揭示了沉管接头GINA橡胶止水带超弹性材料的特性及水密性,并得到了接头在压-扭-剪组合条件下的水平荷载-位移曲线,从而获得了接头的扭剪刚度和极限承载力,表明接头在压-扭-剪工况下的抗剪强度比压-剪工况下的抗剪强度小。同时,对混凝土及钢剪力键进行局部分析,得到其在压-扭-剪组合条件下的受力特性,并预测了剪力键可能的破坏模式。研究结果可为今后沉管隧道接头设计提供参考。     

沉管隧道节段接头作用机理及构造形式探讨

节段式管节是一种适宜于深厚软土地层的沉管隧道结构,通过对节段式沉管隧道的接头构造进行分类研究,着重探讨了节段接头构造类型、功能及其作用机理。为保证节段式沉管隧道的接头构造能达到预期的密水性和可靠耐久性,提出了止水带的安装技术要求。     

沉管隧道半刚性管节

港珠澳大桥沉管隧道上覆回淤厚度21 m,导致原先的节段式管节结构的失效概率大。为了降低风险,作者提出“半刚性管节结构”概念。通过不剪断原先节段式管节方案的临时预应力,来确保节段接头端面的摩擦力,从而用摩擦力与剪力键一同抵抗剪力,同时维持节段之间的相对转动能力;即令管节结构的健壮性得到提高。结合足尺物模试验对这个新结构优势进行了论证。对其中的关键问题预应力体系的设置进行了详述。并且报告了港珠澳大桥沉管隧道半刚性管节的应用案例。半刚性管节,相比节段式管节,在一些情况下,只是将临时预应力转变为永久预应力,施工费用未增加很多,但是管节的整体性与健壮性显著提高,因此半刚性管节是一种性价比较高的结构形式;特别对于水下基础施工质量控制困难、基础差异沉降不确定性大的工程,半刚性管节是值得考虑的一种管节纵向结构形式。     

港珠澳大桥岛隧工程顺利完成止水带安装工作

日前,港珠澳大桥岛隧工程Ⅲ工区二分区项目部顺利完成隧道沉管E1管节首件GINA止水带的安装工作,安装过程仅用10h,安装时间大大少于预定计划。为确保港珠澳大桥6.7km海底隧道实现120年高品质使用,工程建设者们采用工厂法预制隧道沉管,整个隧道将由33段沉管管节拼装而成,GINA橡胶止水带安装是管节间止水的重要工序。为保证所有的管     

运营期沉管隧道沉降变形分析

本文针对沉管隧道在设计和建造过程中往往注重抗浮而忽略运营期的沉降,以某沉管隧道16年的长期沉降监测数据为范本,对隧道沉降的纵向分布规律,沉降稳定性分析,隧道差异沉降以及各个管节自身的竖向弯曲变形姿态进行系统分析。分析结果显示沉管隧道的沉降受到地基刚度分布、覆土厚度以及周边环境的影响具有很大的不确定性,隧道姿态的变化会导致沉管隧道各管节出在不同形态的自身竖向弯曲状态,进一步加剧管节受力的复杂性。综合分析显示该隧道整体趋于稳定状态,相关分析成果也可以作为同类沉管隧道结构安全分析的技术参考。     

沉管隧道复合式路面结构设计指标研究

文章针对沉管隧道复合式路面既有设计指标存在的不足,建立沉管隧道复合式路面结构三维有限元模型,建立并分析层间剪切指标、管节接缝位置拉应力指标的适用性.结果表明:沉管隧道复合式路面结构设计中需对管节及节段接缝处进行专门处治,严格控制轴向位移影响,并采用管节接缝位置沥青层拉应力指标进行结构验算.     

创新型注浆囊袋在沉管隧道不规则抗剪支撑体系中的应用

近年来,随着我国跨江跨海隧道工程的不断增加,沉管法施工得到越来越多的应用。管节接头是沉管隧道中很薄弱但非常关键的环节,管节的不均匀沉降会导致接头的错位与张开,对接头位置抗剪结构的施工造成了极大的不便,也对整个沉管隧道结构受力的安全产生巨大的威胁。一方面,沉管隧道内狭窄的作业空间限制了抗剪结构的施工方法;另一方面,不均匀沉降带来不规则位移,令抗剪结构难以完成刚性连接,抗剪性能面临失效风险。本文依托港珠澳大桥岛隧工程,介绍了创新型注浆囊袋在沉管隧道不规则抗剪支撑体系中的应用,有效解决了施工空间不足及抗剪结构失效的问题,为沉管隧道接头抗剪结构施工积累了宝贵经验。此外,本文为创新型注浆囊袋广泛应用于各类不规则支撑体系设计、施工提供了思路。