高水差内河长大沉管隧道管节接头设计文献综述

一、选题背景和意义：

由于沉管隧道具有工期短、隧道延长短、地质条件制约小等优点,并随着沉管法隧道设计和施工中的关键技术问题（如结构型式、管身防水、水下基槽开挖和地基处理、管节水下对接和接头防水等）的逐步解决和日趋完善,沉管隧道受到越来越多国家的重视,逐渐成为了水下大型隧道工程的首选施工方法。

沉管接头是沉管管段之间的连接构件。由于接头部位的刚度比正常管段小得多，整个沉管隧道的不均匀沉降等变形都集中到接头部位，使接头部位成为受力和变形的焦点。而修建在软土地基上的沉管隧道均存在不同程度的沉降，管节的不均匀沉降会导致管节与管节之间接头的错动和张开，使接头部位ＧＩＮＡ 止水带的止水效果降低甚至丧失。同时沉管隧道由于其重要性及在水下的特殊性，一旦破坏将产生灾难性后果，且难于修复。因此对于沉管隧道接头处的受力和位移分析十分重要。

该毕业设计结合实际工程，利用有限元软件Midas/GTS，对不同接头型式下沉管隧道结构的受力及变形状态进行有限元数值模拟，对接头型式、管节长度等进行优化。

1. 国内外研究现状

1.沉管隧道发展概况

自19世纪末，美国率先采用沉管法在波士顿港内修建横穿宽96m、深7.6m的虹吸下水道工程至今，此项工程技术得到了迅速的发展。世界各国，特别是美国、荷兰和日本等国在沉埋技术领域有了长足的进展。据资料统计，世界各国已建、在建或拟建的沉管隧道已达120多条。随着沉管技术日趋成熟，沉管隧道正向着单节管节越来越长，断面宽度越来越大，用途越来越多，管节抗裂防渗能力越来越强，地基适应性越来越广，接头形式越来越多样，底板防水形式越来越灵活的方向发展[1-2]。

荷兰于 1942 年修建的位于鹿特丹的 Mass 河隧道，是荷兰的第一座沉管隧道，也是世界上首次采用矩形钢筋混凝土管节的沉管隧道，它代表了西欧在这一领域的技术特点，与美国一直采用的圆形钢壳管节形成了鲜明的对比。管节之间水压接头的发明（采用 GINA 橡胶止水带作为初始密封，Ω 橡胶止水带作为永久性密封）、大体积钢筋混凝土浇注裂缝的控制、混凝土抗渗能力的提高等都促进了沉管隧道修建技术的高速发展，荷兰的这些技术在世界上处于领先地位[3]。

随着我国经济的快速发展，大陆东南沿海地区包括即将建成的上海市外环线隧道已有4条沉管隧道，还有正在研究中的京沪高速铁路越江工程也将采用沉管隧道穿越长江。由于沉管隧道具有埋深浅、断面设置灵活、地基承载力要求低等特点，决定了其在穿越江河湖泊的工程中具有独特的优越性[4]。

2.沉管隧道接头发展概况

19 世纪末至 20 世纪初叶，在沉管隧道兴建初期，接头连接方式主要有以下几种：（1）采用形如法兰盘那样的结构装置，通过橡胶垫和拧紧螺栓把相邻管段连接起来；（2）采用两层橡胶垫，也是通过拧紧螺栓使接头水密，然后在两胶垫间注浆防水；(3)在钢壳接头中，当相邻管段对准就位后，用导向钢销钉将其定位，然后在钢平接缝处盖上钢垫板，最后进行注浆止水；（4）采用导管法水下灌注混凝土构筑刚性接头[5-9]。

上述几种接头形式均在美国首先使用。但由于这些接头没有采用先进的水力压接法，存在的主要缺点是水下作业工作量大，构筑的接头质量在受力和防水方面往往不理想[10-12]。此外，还有采用围堰法施工建造的接头，因它们是在疏干的状态下进行施工，虽质量佳，但应用局限性很大[13]。

自 60 年代以来，荷兰等国采用 GINA 止水带用水力压接法构筑接头，后来继而采用 GINA-OMEGA 两道止水带构筑防水质量更加可靠的接头。此双重止水系统设计合理、施工简便[14-15]。此种接头自问世以来，世界各国相继采用，我国珠江和黄浦江沉管隧道也采用此种形式。但第二道止水带也有不用 OMEGA 型，而用W型或密封钢板构造而成的[16]。

3.沉管隧道接头受力分析方法

修建在软土地基上的沉管隧道均存在不同程度的沉降，在已运营的沉管隧道中，管节的不均匀沉降会导致管节与管节之间接头的错动和张开，使接头部位ＧＩＮＡ 止水带的止水效果降低甚至丧失，给沉管隧道的安全运营带来很大威胁[5]。沉管隧道的荷载、荷载组合及施工工况有其特殊性，但到目前为止，对沉管隧道的研究集中于沉降因素分析与预测控制．邵俊江等[17]认为沉管隧道沉降受多种因素的综合作用．从内因看，沉管隧道的沉降主要是由隧道基础层的压缩变形特性及地基土的卸载再加载变形特性决定的；而从外因看，沉管隧道的沉降还受潮汐、河床的淤积和冲刷、区域地下水位的下降、车辆周期性动荷载、地震荷载等外部环境变化的影响．李永胜等[18]建立了双层土地基模型和单层土地基型，引入潮汐荷载函数，预估和描述了潮汐作用引起沉管隧道的沉降规律．管敏鑫等[12]分析了考虑水压、土压、淤泥、列车等作用下的各种不同荷载组合，同时将管体结构简化为平面框架，桩基加固点简化为支撑点，研究了沉管隧道地基沉降规律。刘鹏等[19]根据沉管隧道接头变形协调的几何关系、ＧＩＮＡ止水带、ＯＭＥＧＡ 止水带和剪力键应力－应变关系以及接头静力平衡关系，建立沉管隧道接头力学模型。

参考文献：

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北方交通大学学报, 1999(04)

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[16] 刘正根, 黄宏伟. 沉管隧道 GINA 止水带性能评估与安全预警[J]. 地下空间与工程学报, 2009(02)

[17] 邵俊江，李永盛.沉管隧道沉降问题的探讨[J] .地质与勘查, 2003,39(增)

[18] 邵俊江，李永盛．潮汐荷载引起沉管隧道沉降计算方法[J].同济大学学报：自然科学版,2003,31(6)

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