水下盾構隧道彈性密封墊防水失效數值模擬研究

王 湛

（中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州 510288）

水下盾構隧道彈性密封墊防水失效數值模擬研究

王 湛

（中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州 510288）

結合某水下盾構隧道工程的防水設計，采用大型有限元軟件ABAQUS對彈性密封墊的防水失效機理進行數值模擬研究。將本文有限元模型與前人簡化模型進行了對比分析，并對接縫張開及接縫錯開情況下的密封墊防水失效機理進行了分析。研究表明，在接縫張開的情況下，滲漏主要發生在密封墊間的接觸面上；接縫錯開的情況下，隨錯縫位移的增大，滲漏將由發生在密封墊接觸面上而轉變為發生在密封墊與混凝土間的接觸面上。

水下隧道；盾構隧道；彈性密封墊；防水；數值模擬；失效機制

0 引言

隨著經濟的高速發展及施工水平的提高，越來越多的過江隧道傾向于采用盾構技術進行施工。由于過江隧道所承受的水頭壓力比一般陸域段隧道要高很多，因此過江隧道防水設計顯得特別重要。如果接縫防水失效，則會引起隧道滲漏，進而會引起隧道不均勻沉降，危及到隧道結構以及運營的安全。大量工程實踐表明，盾構隧道的滲漏主要發生在管片接縫處［1］。目前，盾構隧道接縫防水的主要方式是密封墊防水。密封墊的種類主要分為彈性橡膠密封墊和遇水膨脹橡膠密封墊，遇水膨脹橡膠一般是用在雙道止水系統中，主要還是靠彈性橡膠密封墊來進行防水。

關于彈性密封墊防水失效機制的研究主要集中在試驗研究和數值分析2個方面。試驗研究方面，Paul［2-3］對彈性密封墊進行了防水失效試驗，大多數試驗結果表明滲漏發生在彈性密封墊與鋼性密封墊溝槽間，其原因是彈性密封墊與溝槽之間的黏結分離了。Shalabi［4］對彈性密封墊在鋼性密封墊溝槽和混凝土密封墊溝槽下分別進行了防水失效試驗，同時考慮了混凝土管片縱縫有一定轉角情況下的防水失效試驗，其結果表明，在鋼性密封墊溝槽中彈性密封墊的防水性能要優于在混凝土密封墊溝槽中的彈性密封墊，并且對于縱縫為凸面對凸面情況下，縱縫上的側向彎矩會使其防水性能下降。陸明等［5］結合上海長江隧道工程襯砌接縫和連接通道的防水要求，對彈性橡膠密封墊的一字縫和T字縫試件進行了水密性試驗，并考慮了不同的彈性密封墊對水平張開量和錯開量的影響。鄧朝輝［6］結合武漢長江隧道管片接縫防水設計，對接縫防水要求、密封墊結構選型及防水試驗進行了探討。劉印等［7］認為隧道縱向不均勻沉降在一定程度上會造成環縫的張開，進而造成彈性密封墊防水性能的減弱，大多數盾構隧道滲漏點會出現在管片環縫處，而縱縫處的滲漏則相對較少。文獻［8-9］結合南京緯三路過江隧道接縫防水設計，進行了多組密封墊裝配力及一字縫、T字縫防水性能試驗，從而研究優化了性能、結構優異的三元乙丙橡膠彈性密封墊斷面形式。數值分析方面，向科等［10］則基于國內外多個已建盾構隧道彈性密封墊的分析，通過有限元軟件ANSYS對不同形狀的彈性密封墊在不同壓縮量下的變形特性、接觸面壓應力分布進行數值模擬，據此對盾構隧道管片接縫彈性密封墊斷面進行調整和優化，并最終得到了更為合理的彈性密封墊斷面形式。何太洪等［11-12］結合杭州地鐵1號線過江隧道防水設計，利用數值的方法，優化了密封墊的斷面結構形式，并分析了接觸應力分布以及閉合壓力的關系。雷震宇［13］則在前人的基礎上，通過對壓縮變形情況下彈性密封墊的孔洞合理變形、薄弱處應力集中、完全壓縮到溝槽時壓力大小、最大張開量下接觸應力的大小及其分布等多因素的綜合分析，提出以橡膠密封墊表面接觸應力和完全壓縮到溝槽內的閉合壓力作為盾構隧道管片接頭彈性密封墊斷面設計的雙控指標。

以上的研究在試驗方面已經非常成熟，形成了一字縫和T字縫的水密性試驗方法。在數值模擬方面，主要還是考慮接縫兩側彈性密封墊受壓的對稱性，利用ANSYS軟件對一側彈性密封墊的斷面形式優化和接觸應力進行數值分析，然而該方法并不能反映密封墊的真實接觸面條件，且不能分析彈性密封墊在錯開時的接觸應力和變形特性。大部分的研究集中在密封墊接觸面間的滲漏，少有文獻考慮密封墊與混凝土間的滲漏情況。本文基于某過江隧道工程，采用大型有限元軟件ABAQUS對彈性密封墊張開和錯開時的防水失效機制進行數值模擬研究，以期為日后彈性密封墊的設計提供依據。

1 工程概況

某越江隧道外徑為11.3 m，內徑為10.3 m，管片厚度為50 cm，環寬2.0 m，錯縫拼裝。采用C50鋼筋混凝土管片，抗滲等級為S12。管片環與環之間采用36條M30斜螺栓連接，塊與塊間通過2條環向M36斜螺栓連接。本隧道江中最深處位于強透水地層，最大水壓0.45 MPa。管片接縫采用雙道防水，外側為EPDM彈性橡膠密封墊，緊靠其內側為遇水膨脹橡膠密封墊。

考慮到隧道在設計年限內彈性密封墊內應力松弛和老化的影響，彈性密封墊防水壓力設計值通常會在承受最大水壓力值的基礎上乘以一個安全系數。根據《盾構法隧道防水技術規程》規定：設計水壓應為實際承受最大水壓的2～3倍。在本工程中安全系數取2，因此在最大錯縫量和張開量的情況下，彈性密封墊的防水壓力取0.9 MPa。最大張開量和最大錯開量根據以往的施工經驗和《盾構法隧道施工與驗收規范》［14］分別取8 mm和15 mm。閉合壓縮力則根據上海地鐵以往的施工經驗應小于60 kN/m。

根據以上接縫密封墊的指標和以往的工程經驗，彈性密封墊的斷面結構形式如圖1所示，IRHD硬度取62±5°，兩密封墊壓縮至設計高度共需壓縮20 mm，即每個密封墊壓縮10 mm。

圖1 彈性密封墊結構斷面圖（單位：mm）Fig.1 Profile of EPDM elastic sealing gasket（mm）

2 數值模型

根據彈性密封墊的斷面形式對彈性密封以及周邊混凝土管片進行二維建模，如圖2所示。

圖2 彈性密封墊與混凝土模型示意圖Fig.2 Sketch of model of EPDM elastic sealing gasket and concrete segment

2.1 邊界條件

對于混凝土管片C1，左邊界施以x方向的約束，上下兩邊界施以y方向的約束；對于混凝土管片C2，上下兩邊界施以y方向的約束，右邊界根據計算的內容施加位移荷載或力荷載。

2.2 材料參數及本構

C50混凝土采用彈性本構模型，彈性模量取3.45×104MPa，泊松比取0.167。橡膠材料通常被處理為各向同性不可壓縮超彈性材料，超彈性材料應力與應變之間的非線性關系主要通過應變能函數來定義。本計算中采用工程中應用比較廣泛的Mooney-Rivilin二參數模型［15］。其應變能函數表達式為

U＝C10（I1-3）+C01（I2-3）。

式中：U為應變勢能；I1、I2為應變不變量；C10、C01為材料參數，通過試驗獲得。其中C10取0.532、C01取0.131。

3 結果分析

3.1 2種方法的比較

以往的數值方法是利用彈性密封墊受壓的對稱性，對一側彈性密封墊進行建模分析，彈性密封墊周圍的混凝土用剛體代替，對上部剛體施加位移來模擬彈性密封的受壓，如圖3所示。在本文中采用的是完全建模，對混凝土管片C2施加力荷載來真實模擬彈性密封墊的受壓。圖4為在密封墊完全壓縮的情況下，前人方法和本文方法在模擬接觸應力的一個對比，由此可見前人的簡化方法相比于本文中的實際工況是可取的。圖4（a）為密封墊間的接觸應力，從圖中可以看出，密封墊間的接觸應力分布呈現出兩頭大的趨勢，這個是由角部應力集中導致的。圖4（b）為密封墊與混凝土間的接觸應力，從圖中可以看出，接觸應力的分布沿接觸面長度基本呈對稱分布的趨勢，且接觸力的數值基本都在防水設計壓力值之上。同時可以看出本文的計算結果稍微大于前人的計算結果，這可能是由于加載方式的不同而引起的。根據趙明等［9］提出的平均接觸應力計算方法，即平均接觸應力＝裝配力/密封墊接觸面寬度，通過對比圖4（a）和（b）可以看出密封墊間的接觸應力要小于密封墊與混凝土間的接觸應力。

圖3 前人數值模擬方法示意圖Fig.3 Sketch of previous numerical method

3.2 硬度分析

根據王偉等［15］給出的硬度與楊氏模量之間的關系

式中：E為楊氏模量；HA為硬度?？梢酝ㄟ^改變楊氏模量來模擬不同硬度下的密封墊的壓縮特性。在硬度分析中，加載方式采用力加載的方式。圖5為數值分析不同硬度下密封墊壓應力與壓縮量之間的曲線圖。從圖中可以看出在62°情況下，密封墊壓縮至設計高度時的裝配力是小于60 kN/m的，隨著硬度的增加，裝配力也在增加。

圖4 彈性密封接觸應力-接觸面長度曲線圖Fig.4 Curve of contact stress Vs.contact surface length

圖5 不同硬度下密封墊裝配力-壓縮量曲線圖Fig.5 Curves of assembling force Vs.decrement under different hardness

3.3 防水失效機制

3.3.1 張開防水失效機制根據3.1節提出的平均接觸應力的概念，得到平均接觸應力隨張開量的曲線圖。從圖6中可以看出，在密封墊張開的情況下，密封墊間的平均接觸應力始終是要小于密封墊與混凝土間的平均接觸應力，在張開量達到9 mm的時候，密封墊間的平均接觸應力先行達到密封墊的防水設計壓力0.9 MPa。因此在密封墊張開的情況下，根據防水失效的判定，即接縫的接觸應力小于設計水壓時，防水失效機制如圖7所示，從圖7中可以看出，滲漏會先發生在彈性密封墊間。

圖6 平均接觸應力-張開量曲線圖Fig.6 Curves of average contact stress Vs.opening

圖7 接縫張開防水失效機制Fig.7 Waterproof failure mechanism of joint opening

3.3.2 錯開防水失效機制

根據3.1提出的平均接觸應力的概念，得到平均接觸應力在接縫張開位移為0時隨錯開量的曲線圖（見圖8）。從圖8中可以看出，密封墊錯開時的防水失效機制要比張開時的復雜一些。從圖8中可以看出錯開量的大小對密封墊間的平均接觸應力影響不大，但是密封墊與混凝土間的接觸應力隨著錯開量的增加而減小。針對本工程，可以發現，密封墊間的平均接觸應力始終大于設計防水壓力0.9 MPa，而當錯開量達到約16 mm時，密封墊與混凝土間的平均接觸應力減小到了0.9 MPa，根據防水失效判定的原理，此時防水失效機制如圖9所示，即認為滲漏發生在密封墊和混凝土之間。

圖8 彈性密封墊平均接觸應力-錯開量關系曲線圖Fig.8 Curves of average contact stress Vs.staggering

圖9 接縫錯開防水失效機制Fig.9 Waterproof failure mechanism of joint staggering

4 結論與討論

本文基于某實體工程的防水設計，采用有限元的方法對彈性密封墊防水失效進行了數值模擬研究，得到了以下結論：

1）在密封墊完全壓縮至設計值，且不發生錯動時，密封墊與溝槽間的平均接觸應力要大于密封墊間的平均接觸應力。在這種情況下，當水壓力大于密封墊間的接觸應力時，防水失效會發生在密封墊間。

2）利用前人提出的平均接觸應力概念，對防水失效的機制進行了研究，在密封墊只是張開的情況下，由于密封墊間的平均接觸應力小于密封墊底部的平均接觸應力，根據本文的判定方法，可以認為滲漏是發生在密封墊間的接觸面上；而在密封墊只是錯開的情況下，雖然初始情況下密封墊底部的平均接觸應力要大于密封墊間的接觸應力，但是密封墊底部的接觸應力會隨著錯開量增大而減小，而密封墊間的接觸應力基本保持不變，根據本文的判定方法可以認為，滲漏是發生在密封墊和混凝土的接觸面上。

本文限于文章的篇幅，只是對單純張開和錯開2種情況下的防水失效原理進行了一些探討，而實際上接頭的變形是同時伴隨著張開和錯開的，所以實際的接頭防水失效機制要比文章內探討的更為復雜。今后的研究可以基于本文的研究思路和方法對復雜工況下接頭的防水失效進行進一步研究。

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Numerical Study on Waterproof Failure Mechanism of Elastic Sealing Gasket of Underwater Shield-bored Tunnel

WANG Zhan
（CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510288，Guangdong，China）

In the paper，numerical simulation study is made on the waterproof failure mechanism of elastic sealing gaskets by means of ABAQUS program，with the design of the waterproof system of an underwater shield-bored tunnel as example.The finite element model used in the paper is compared with the previous simplified model，and the waterproof failure mechanism of elastic sealing gaskets in the case of joint opening and that in the case of joint staggering are analyzed respectively.Conclusions drawn are as follows：1）In the case of joint opening，the water leakage mainly occurs at the contact surface between the sealing gaskets；2）In the case of joint staggering，the water leakage at the contact surface between the sealing gaskets turns into water leakage at the contact surface between the sealing gasket and the concrete segment as the staggering displacement grows.

underwater shield-bored tunnel；elastic sealing gasket；waterproof；numerical simulation；failure mechanism

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.008

U 456

A

1672-741X（2015）11-1164-05

2015-08-13；

2015-11-06

王湛（1985—），男，浙江建德人，2013年畢業于浙江大學，巖土工程專業，博士，工程師，主要從事地下工程研究和施工管理工作。