沉管隧道曲线段管节水力压接GINA不均匀压缩分析

林巍，刘晓东

沉管隧道曲线段管节水力压接GINA不均匀压缩分析

林巍，刘晓东

（中交公路规划设计院有限公司，北京100088）

港珠澳大桥沉管隧道部分管节位于路线设计的平曲线上，管节结构在平面上设计成近似曲线的形状。曲线段管节对接部位的GINA是均匀材质，由于管节结构不对称，水力压接作业时管节受力不均匀，最终导致GINA压缩不均。为确保工程线形可控，在曲线段管节设计中必须分析和解决该问题。文章通过力学分析计算GINA的压缩量，深化了对曲线段管节水力压接时GINA压缩问题的认识，可供类似工程参考。

港珠澳大桥；曲线段管节；水力压接；GINA；不均匀压缩

1　曲线段管节水力压接特点

受总体路线规划制约[1]，位于香港侧一段的沉管隧道位于5 500 m半径的平曲线上，该段的管节需预制成折线来适应线形，见图1。相比直线段管节，曲线段管节在水力压接后，由于形状的不规整，GINA止水带受到的压缩力不均匀，从而导致压缩量差异。

图1　港珠澳大桥沉管隧道曲线段管节平面图Fig.1 HZMB project immersed tunnel curved section plane layout

为此需分析研究GINA不均匀压缩力，计算曲线段管节水力压接后GINA的不均匀压缩量，确保工程的平面线形可控。

2　分析思路

选取典型管节，分析与确定受力模型，计算不均匀力矩，计算GINA压缩量。

首先，从图1的曲线段若干个沉管管节中选取一个典型管节进行分析，确定沉管安装水力压接阶段该管节上所有的作用力，并计算不平衡力矩，管节上的不平衡力矩将传递给GINA，使GINA产生不均匀压缩。

由于GINA压缩与受力的非线性[2]（见图2），无法通过不平衡力矩直接计算GINA的理论不均匀压缩量，因此假定GINA的不均匀压缩值，试算GINA的反力力矩。

最后，比较管节自身不平衡力矩与GINA反力力矩，评估曲线段管节结构形状对GINA不均匀压缩的影响程度。

图2　尾端水压力计算模型和侧墙水压力积分计算模型Fig.2 Calculation model of water pressure on end part and sidewall

3　 GINA止水带不均匀压缩分析

3.1管节受力分析

1）计算模型

沉管管节E29长180m，是标准长度的管节，具有代表性，选取该管节作为分析的典型管节。E29管节的中心高程为-25.5 m，施工时平均海平面高程约为1.5 m，平均水深27m。

管节GINA端（对接端）在水力压接完成后已经与前一节管连接[3]，水压力近似为0。

管节尾端（非对接端）的水压力计算模型见图2（a）。曲线管节的尾端与GINA端存在一个夹角。为研究水压力影响，将其分解为2个方向的分力。由于已安管节通过GINA约束着当前管节，受力分析时可将管节GINA端作为固接。将外力向GINA端的中心求矩。

管节的两侧墙实际形状为8段以折代曲的直线，为便于积分计算，简化为圆弧形状，见图2 （b）。同样将GINA端作为固接，用角度积分分别计算左侧墙和右侧墙的水压力对GINA端中心的弯矩。α为积分计算与GINA端面的平面夹角，s为侧墙弧长，对于积分计算时d s=RIsinα。

2）管节尾端水压作用

计算作用于管节尾端端面上的水压力F及其分力：

式中：FX为尾端水压力轴向分力；FY为尾端水压力水平向分力；ρW为海水容重，取10.06 kN/m3；H为海平面到沉管管节中心的水深，取27 m；A为管节断面面积，取432.63 m2；θ为管节GINA端与尾端的夹角，取1.88°。

计算作用于管节尾端端面上的水压力对管节GINA端中心的弯矩MX和MY：

式中：L1为尾端水压力轴向分力力臂，L1=R×（1-cosθ）；L2为尾端水压力水平向分力力臂，L2=R×（1-sinθ）；R为管节平面中心线曲率半径，取5 500m。

3）管节侧墙水压作用

利用积分[4]计算作用于内侧墙和外侧墙的水压力对管节GINA端中心的弯矩：

同理：

式中：MI为内侧墙水压力对GINA中心的弯矩；ME为外侧墙水压力对GINA中心的弯矩；q为水压力集度，q=ρ×H；h为墙高，取11.4 m；RI为管节内侧墙中心线曲率半径，RI=R-W/2；RE为管节外侧墙中心线曲率半径，RE=R+W/2；W为沉管管节宽度，取37.95m。

4）管节底板面与基床的摩擦力计算

根据现场经验，管节底板面与基床的计算摩擦力取4 000 kN，力臂0.75 m，对管节GINA端中心弯矩Mf约3 000 kN·m。

5）管节GINA端弯矩

管节GINA端的弯矩M即为管节尾端水压力、管节侧墙水压力以及管底摩擦力对其力矩的共同作用，计算结果见表1。

表1　曲线段管节弯矩计算结果Bending moment calculation result for element at curved section

3.2GINA不均匀压缩反力

E29管节水力压节后，GINA平均压缩量155 mm。随着荷载的增大，GINA压缩量将逐渐增加。由图3，荷载越大，单位荷载对应压缩量的变化越小。由于荷载和压缩量的非线性关系，计算采用假定GINA不均匀压缩量，试算弯矩的方法。港珠澳大桥沉管隧道GINA止水带长约92 m，侧墙与顶、底板的GINA长度比例约1∶3（图4），计算结果见表2。

图3　GINA受力-压缩曲线Fig.3 GINA force-com pression curve

图4　管节横断面GINA示意图Fig.4 GINA layout in tunnel crosssection

表2　不均匀压缩量对应GINA平面弯矩计算Table 2 GINA plane bending moment calculation corre sponding to uneven

3.3不均匀压缩分析结论

曲线段上的E29管节水力压接阶段自身受力产生弯矩3 000 kN·m，管节断面产生1 mm不均匀压缩的GINA反力弯矩为25 000 kN·m，因此E29管节的几何形状造成GINA的不均匀压缩量约为3 000/25 000=0.12 mm，影响可以忽略。

4　结语

由式（1）~式（5），管节尾端端面相对GINA端端面存在转角，作用于管节尾端的水压力将对管节产生顺时针力矩；由式（6）~式（7），作用于侧墙的水压力由于不对称，对管节将产生逆时针力矩；根据表1，尾端力矩与侧墙力矩相互抵消。由此可知，水压力对管节的GINA对接面不产生任何

力矩，唯一产生力矩的外部来源是基床摩擦力。

计算表明基床摩擦力对管节弯矩的影响很小，基本无影响。基床摩擦力取决于两个因素：管节的负浮力与管节结构形状的偏心量。负浮力越大，摩擦力越大；而偏心程度取决于管节的长度与曲率半径，长度越长，曲率半径越大，管节越偏离压接面的中垂线。

GINA不均匀压缩时的反力大小取决于GINA的硬度，高硬度的GINA不均匀压缩时比底硬度的GINA需要更多的弯矩，相对更难产生不均匀压缩。

对于港珠澳大桥沉管隧道，沉管管节中心线的曲率半径5 500 m，管节长180 m，计算得到的GINA不均匀压缩量小于1 mm，GINA仍保持均匀压缩，对于工程的线形控制的影响可忽略。

[1]中交公路规划设计院有限公司，等.港珠澳大桥主体工程施工图设计总体设计[R].2011. CCCCHighway ConsultantsCo.,Ltd.,et al.General design of construction drawing design for main works of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].2011.

[2]林巍.港珠澳大桥沉管隧道管节压舱水系统[J].中国港湾建设，2014（2）：11-16. LIN Wei.Ballast tank system of immersed tunnel element for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering, 2014(2)：11-16.

[3]同济大学数学系.高等数学[M].6版.北京：高等教育出版社，2007. Mathematics Departmentof TongjiUniversity.Advanced Mathematics[M].6th ed.Beijing:Higher Education Press,2007.

Analysis of GINA uneven compression during hydraulic connection of immersed tunnel element at curved plane design line

LINWei,LIUXiao-dong
（CCCCHighway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100088,China）

Part of the immersed tunnel in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project rests at a curve p lane design line,and consequently tunnel elements are designed to a curved shape structure in plane projection.GINA at the joint part of tunnel element on curve section is homogeneous,due to the asymmetry of tunnel element,the stress of tunnel element is not uniform duringhydraulic pressure operation,which leads touneven compression of GINA.Toensure that the project line ismanageable, the problem must be evaluated and solved during the design development of curved section tunnel element.We used mechanical analysis to calculate the GINA compression value,calculation results deepens the understanding of problem of GINA compression of curved element,which can bemade reference to similar projects.

Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;tunnel element on curve section;hydraulic connection;GINA;uneven compression

U455.46

A

2095-7874（2016）04-0051-03

10.7640/zggw js201604013

2015-07-11

林巍（1986—），男，江苏扬州市人，工程师，隧道与地下工程专业。E-mail：linwei0502@126.com