沉管隧道GINA止水带结构形式对比研究

胡指南，杨 鹏，单 超，任宇铮，党 丁

（1.长安大学公路学院，陕西 西安 710064；2.恩施土家族苗族自治州公路管理局，湖北 恩施 445000；3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

0 引言

GINA止水带是沉管隧道实现水力压接法的必备装置，早在1966年荷兰修建鹿特丹南北地铁线时就已得到了应用。它安装在管节端头钢端壳上，一般与Ω止水带配合使用，构成柔性管节接头防水系统。柔性接头管节，有利于隧道的整体受力，能够吸收由地震、温度差异、混凝土收缩徐变、地层差异沉降、不均匀回淤等作用引起的应力。因此，GINA止水带的产生极大地推动了沉管隧道的发展，并使沉管隧道技术在世界范围内得到广泛应用。在GINA止水带出现的近50年中，其自身结构形式也不断发生变化。早期的GINA止水带由尖肋、本体、底肋及翼缘组成［1］，这种GINA止水带应用范围很广，我国已建的珠江沉管隧道和在建的港珠澳大桥沉管隧道，都采用了该类型的GINA止水带。与此同时，世界各国也根据本国的工程地质与技术条件在原有GINA止水带的基础上，研发了多种改进型GINA止水带。其中具有代表性的有：荷兰研发的TRELLEBORG型、德国研发的PHOENIX型、日本研发的HORN型、STIRN型以及GINA改进型［2-3］，其结构形式如图1所示。目前，国内外对上述几种类型GINA止水带的研究成果颇为丰硕。文献［4-5］对GINA止水带的尺寸效应及其对防水效果的影响进行了分析；文献［6］对日本研发的2种止水带的受力与变形性能进行了试验研究。国内方面，文献［7］对TRELLEBORG型GINA止水带进了长期止水的有限元研究；文献［8-9］对GINA改进型止水带进行了剩余压缩量及安全评定等级的研究；文献［10］对3种结构形式的GINA止水带的止水效果进行了分析，并作出相应推断；文献［11］以对数回归出相对沉降量随时间的变化公式，根据沉管GINA止水带当前最大压缩量与初始压缩量的对比，对GINA止水带的使用寿命进行了评估。然而，以往研究多针对某一种类型的GINA止水带，进行选型计算或通过数值分析对其受力和耐久性进行研究，而对GINA止水带不同结构特征导致的止水效果差异方面的研究却鲜见报道。

图1 不同类型的GINA止水带（单位：mm）Fig.1 GINA gasketswith different types（mm）

本文旨在通过总结目前广泛使用的GINA止水带结构上的共同特征，对其在轴压、轴压-偏压组合作用下的变形和接触应力进行对比分析，研究不同结构特征对GINA止水带防水效果产生的影响，揭示GINA止水带不同部位在压缩过程中对接头止水的贡献，为国内自主研发GINA止水带和止水带的选型设计提供一定的参考。

1 数值模型

为对比现有GINA止水带结构形式的优劣，首先分析改进后的GINA止水带的结构特征。从现有GINA止水带的结构特征可以发现，GINA止水带的尖肋主要在沉管初步对接时发挥作用，为“水力压接”做准备；而本体主要承受侧向水压力，是GINA止水带能够长期止水的关键；底肋一般采用硬度较低的橡胶，是为了保证橡胶能够与底板均匀接触；翼缘主要起辅助施工的作用。因此，综合研究几种GINA止水带的结构形式发现，对GINA止水带的改进主要体现在以下3个方面：1）在底肋下方设半圆形孔洞；2）在底肋下方设置尖肋；3）在本体中设圆形孔洞。可以将传统型与具有其他3种典型结构特征的GINA止水带作为对比研究的对象。用于对比研究的4种GINA止水带的结构形式如图2所示。

图2 典型结构特征的GINA止水带（单位：mm）Fig.2 GINA gaskets with classic structure characteristics（mm）

1.1 参数选取

超弹性材料的本构关系为：

式中：tij为Kirchoff应力张量；W为单位体积的应变能函数；I1，I2，I3为第1、第2、第3应变不变量；γij为Green应变张量。

2参数Mooney-Rivlin应变能密度函数为：

式中：J为初始位置与最后位置的体积比；λi为材料在第i个方向的拉伸率；a10，a01为材料常数［12-14］。

获得橡胶参数的方法有2种：一种是解析法，即结合本构关系与应变能密度函数，代入单轴拉、压或剪切试验数据，即可求出材料常数a10，a01；另一种是将试验数据输入有限元软件中，计算常数a10，a01。橡胶为几乎不可压缩的材料，泊松比取为0.499。由于本文主要研究GINA止水带的结构形式，材料参数对研究结果影响不大，故参考文献［4］中的计算参数取a10，a01为0.74 MPa和0.098 MPa。

1.2 模型及边界条件

GINA止水带处于沉管接头的钢端壳之间，采用ANSYS有限元软件，以Hyper56超弹单元划分止水带，并对单元赋予橡胶材料参数。钢端壳和GINA止水带的接触以“刚-柔”接触对模拟，而止水带内部孔洞采用“柔-柔”接触对模拟。由于翼缘主要起固定作用，因此，对止水带翼缘分别进行X及Y方向约束，未考虑翼缘螺栓压紧作用。对顶板施加向下的“强迫位移”即可实现预期的轴向压缩，底孔洞型GINA止水带网格划分及接触情况如图3所示，其他模型与之类似。

图3 底孔洞型GINA止水带网格单元与接触单元Fig.3 Meshing elements and contacting elements of the GINA gasketwith bottom openings

2 轴向压缩状态下计算结果分析

2.1 传统型GINA止水带接触应力

以传统型GINA止水带为例分析GINA止水带的受力与变形特征。从其接触应力图（见图4）可知，压缩量小于30 mm时，底肋接触应力较小，此时施工因素对GINA止水效果影响较大。随着压缩量增大，底肋中心部位首先产生接触应力增量，进而传递至底肋的其他部位，且在后期底肋边缘的应力大于底肋中心的应力。由等效应变图（见图4）可知，传统型GINA止水带的应力传递基本上是以反箭头形传递，即应力由尖肋首先传递至底肋中心和2个边缘，随着压缩量增大后，才逐步传递至底肋的其他部位，且底肋边缘的应力大于底肋中心的应力，因此在底肋边缘和中心位置会产生2个变形较小的区域。这表明由接触应力和等效应变得出的结果一致。随着压缩量的增大，止水带由尖肋接触逐步转变为尖肋、本体共同接触，顶尖肋接触应力集中明显，而肩部接触应力分布较均匀。由于尖肋被大量压缩，在本体上产生一个变形集中区域，但此时本体肩部与尖肋共同接触受力，该应力较大区域并不影响顶板的止水效果。

2.2 轴压下接触应力对比分析

分析不同压缩量下传统型GINA止水带的接触应力（见图5）可知，尖肋的接触应力，随压缩量的增大基本以直线增长，80 mm时的接触应力为15.5 MPa。本体的肩部在压缩量达到40 mm之后开始接触，其接触应力远小于尖肋上的接触应力。底肋中心上接触应力在压缩量小于60 mm时，与底肋边缘接近；当压缩量达到80 mm时，底肋边缘的接触应力达8.53 MPa，约为底肋中心的2倍。

分析不同压缩量下底孔洞型GINA止水带的接触应力（见图6）可知，在压缩量小于50 mm之前，底肋中心的接触应力与底肋边缘的接触应力接近，分别为1.85 MPa和1.16 MPa；压缩量大于50 mm之后，底肋中心的接触应力与底肋边缘的接触应力的差值逐渐增大，当压缩量为80 mm时，两者相差2.83 MPa，但较传统型的3.72 MPa要小，说明底肋的接触效果较传统型要好。止水带与顶板的接触较均匀，与传统型的相差不大。

底尖肋型GINA止水带在压缩量为80 mm时的接触应力仅为13.2 MPa（见图7），较前两者低。当压缩量较小时，主要由顶、底尖肋受力，是主要的止水区域，且止水带与顶、底板接触面积较小，对沉管初期的止水不利。压缩量达到70 mm后，底肋接触应力分布趋于均匀，压缩量为80 mm时，底肋边缘与底尖肋的接触应力仅相差0.39 MPa。

图4 不同压缩量下传统型GINA止水带接触应力与等效应变图Fig.4 Contact pressures and equivalent strains of the conventional GINA gasket under different compressions

图5 传统型GINA止水带接触应力-压缩量曲线Fig.5 Contact pressures Vs compression of the conventionalGINA gasket

图6 底孔洞型GINA止水带接触应力-压缩量曲线Fig.6 Contact pressures Vs compression of the GINA gasketwith bottom openings

图7 底尖肋型GINA止水带接触应力-压缩量曲线Fig.7 Contact pressures Vs compression of the GINA gasketwith tip ribs

分析不同压缩量下本体孔洞型GINA止水带的接触应力（见图8）可知，止水带与顶板的接触较其他3种类型的止水带要差，应力分布不均匀。底板止水主要靠底肋边缘，底肋中心的接触应力仅为1.26 MPa，较其他3种类型的止水带要小。由于孔洞的存在，同等压缩量下，尖肋与本体的变形值得以降低，因此，橡胶能够承受更大的轴向压缩，而且随着压缩量的增大，顶、底板的变形都趋于均匀。

图8 本体孔洞型GINA止水带接触应力-压缩量曲线Fig.8 Contact pressures Vs compression of GINA gasket with body openings

3 偏压下计算结果分析

管节拉合后，处于自由端的一侧管节会受到巨大的轴向水压作用，随着相邻接头钢封门内的抽水，GINA止水带逐步压缩并受到侧向水压力的作用。GINA止水带的轴压和侧向水压可以根据止水带所处水深进行计算。止水带的初始压缩量可根据水密性所需的最小压缩量、应力松弛、安装误差、温度收缩、地基及地震引起的变形，以及富余压缩量确定。以舟山沈家门沉管隧道的E1和E2管节接头为例，管节中心水深为12.73 m，GINA止水带的初始压缩量为70.00 mm［15］，平均侧向水压力为128.06 kN/m。对4类GINA止水带分别施加上述轴向压缩和侧向水压力，分析其受力特征。

从4种GINA止水带的等效应力云图（见图9）来看，传统型与底孔洞型在侧向水压力的作用下，应力云图与单纯轴压状态下基本相同，说明这2种GINA止水带对于承受侧向水压力的能力较好，这与这2种GINA止水带的本体刚度较大、且与底板接触较好有关。底尖肋型GINA止水带在侧向水压力的作用下产生了一定的侧向变形，但相比本体孔洞型的明显侧向变形则小得多。本体孔洞型的本体刚度最小，因此产生的侧向变形也最大，对于承受侧向水压力最为不利。

图9 轴压与偏压耦合作用下4种类型GINA止水带的等效应力图Fig.9 Contours equivalent stress of 4 types of GINA gaskets under the action of axial and lateral compressions

分析GINA止水带在轴压与偏压状态下的底板接触应力（见图10），4类GINA止水带在本体边缘处的应力均较小，这说明GINA止水带主要靠本体的轴向压缩来达到止水目的，边缘处接触应力较小，并非为主要止水功能区域。另外，当在翼缘处以螺栓固定后这种情况会有所改观。传统型GINA止水带与底板的接触最为均匀，底孔洞型与底尖肋型均出现中心部位应力突出，这3类GINA止水带底板的接触应力基本对称，说明侧向水压力对其影响不大。而本体孔洞型GINA止水带则产生了明显的不对称现象，且接触应力的量值最低，对于止水带的防水不利。

图10 4种GINA止水带在轴偏、压组合作用下与底板的接触应力Fig.10 Contact pressures between 4 types of GINA gaskets and bottom plates under the action of axial and lateral compressions

4 结论与建议

实际工程中，几类橡胶止水带的硬度会有差异，同一止水带不同位置硬度也会有差异，为了突出结构形式的变化对GINA止水带受力的影响，近似采用相同硬度的橡胶材料进行模拟是可行的。GINA止水带的选型一般结合沉管的埋深确定，不同的水深对止水带的压缩量有不同的要求，所采用的止水带类型也不同，本文的目的在于分析不同的结构优化对止水带止水效果的影响。通过对4种GINA止水带变形和接触应力的对比分析，提出如下结论和建议。

1）4种类型GINA止水带的共同受力特征为：在止水初期主要以顶尖肋的压缩进行止水，随着压缩量的增大，肩部开始与顶尖肋共同受力；底肋的接触应力比顶尖肋的接触应力小得多，是止水带能否达到防水效果的关键区域和薄弱环节。随着压缩量的增大，尖肋的应力集中明显，建议采用硬度较本体略低的橡胶材料制作尖肋（肖氏硬度30～35度）。

2）底孔洞型与底板的接触最好，表明在底肋开孔可以改善底板的止水性能，但孔洞设置不宜过大，应结合沉管的水深和橡胶硬度综合确定。

3）底尖肋型GINA止水带主要依靠顶、底尖肋止水，止水带与刚板的作用面积小，在止水带压缩初期，容易产生倾覆。

4）传统型与底孔洞型GINA止水带承受侧向荷载的能力较好，本体孔洞型承受侧向水压力的能力最差，建议本体孔洞型采用硬度稍大的橡胶（肖氏硬度60～70度），而本体孔洞型能够使得顶尖肋的应力集中明显降低，对止水带的长期止水更为有利。

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