成都蜀龍五期預制裝配式綜合管廊拼縫橡膠密封件形式研究

楊 睿， 蔣道東， 翟世鴻

(中交第二航務工程局有限公司， 湖北 武漢 430040)

0 引言

綜合管廊是容納管線的地下結構，其防水有以下特點： 1)綜合管廊里面通常放置有高壓電纜和弱電線纜，濕漬或滲水容易引起高壓電纜和弱電線纜連接件銹蝕以及高壓電纜發生打火現象，嚴重影響負載端的設備正常運轉及工程安全運營； 2)綜合管廊里有較多報警、監控、消防等專用設備，滲水可能會引起這些設備生銹失靈，導致發生事故的誘因得不到及時反饋，進而引發綜合管廊運營安全問題。因此，對綜合管廊的防水進行研究十分必要。

目前國內外對彈性密封墊防水的研究已有較多，拓勇飛等[1]提出一套針對高水壓盾構隧道的彈性密封墊設計流程與研究方法； 董林偉等[2-3]研究了不同試驗裝置材料下密封墊性能差異，建立了密封墊防水的力學模型，并結合試驗得到了密封墊防水因素； 歐陽文彪[4]通過有限元模擬和試驗研究了橡膠硬度和密封墊開孔率對裝配壓力的影響； 王湛[5]研究了接縫張開、錯位條件下的密封墊防水機制； 吳煒楓等[6]利用自主設計的可三向加載高水壓防水試驗系統模擬了多組錯位量、張開量條件下的接縫防水能力，驗證了密封墊在深層排水條件下的可行性； 劉建國等[7]以寧波類矩形盾構隧道為背景，進行了彈性密封墊耐久性試驗，結果表明密封墊長期防水能力下降主要是由松弛應力引起的； 雷震宇等[8-9]應用ANSYS-PDS隨機模塊分析密封墊橡膠材料硬度、孔徑等參數對平均接觸應力的影響，根據結果對密封墊進行優化，并用試驗對優化后的密封墊防水能力進行驗證； 丁楊等[10]利用“P-T-t三元模型”進行密封墊壽命預測，并用防水試驗驗證了“P-T-t三元模型”的合理性； 朱洺嵚等[11]針對上海市深層排水盾構隧道接縫密封墊形式進行設計，用相關試驗證明了設計的密封墊截面的合理性； 楊小平等[12]采用數值模擬方法研究了凍結降溫作用對盾構隧道管片滲水的影響，得出管片與密封墊接觸不緊密是隧道漏水的主因； 張銓婧等[13]通過數值模擬研究了開孔、開槽對彈性密封墊接觸應力和裝配力的影響。

綜合來看，目前相關研究主要針對盾構隧道中的彈性密封墊，且集中在彈性密封墊的優化設計、彈性密封墊的失效機制、彈性密封墊的應力保持率、高水壓盾構隧道彈性密封墊設計及試驗方面，而對預制裝配式綜合管廊橡膠密封件的研究較少。成都市蜀龍五期管廊項目是采用移動式支護設備施工的預制裝配化綜合管廊，不同于盾構法施工，也不同于常見的預制綜合管廊施工，相似工程較少。縱向拼縫橡膠密封件裝配力可通過千斤頂推力提供，而環向拼縫橡膠密封件裝配力提供較困難，由于施工方法不同，防水能力指標也難以借鑒以往工程。故需對蜀龍五期預制裝配式綜合管廊的防水材料進行針對性研究，選擇適合該工程的橡膠密封件。

本文針對成都市蜀龍五期預制裝配式綜合管廊工程防水的實際需求，對環向及縱向拼縫處橡膠密封件的選型、防水性能以及材料所需閉合壓縮力開展研究。首先通過數值模擬初步篩選橡膠密封件的斷面形式，然后通過水壓試驗驗證橡膠密封件的防水性能，最后通過裝配應力模擬試驗確定橡膠密封件所需的閉合壓縮力，以期為蜀龍五期綜合管廊的設計與施工提供參考。

1 工程概況

成都蜀龍五期預制裝配式綜合管廊標準斷面為馬蹄形，采用移動式支護專用設備明挖施工。管廊上部覆土厚度約為5 m。隧道內凈空為3.2 m×7.23 m，外尺寸為3.8 m×7.83 m，預制塊厚度為0.3 m，中柱厚度為0.25 m，通縫拼裝。預制塊寬2 m，每環由2個B塊、1個A塊、1個K塊以及中柱(Z塊)組成，如圖1所示。每環4個拼縫(J1、J2、J3、J4)，環向拼縫采用4個8.8級M30型螺栓連接，并設置凹凸榫，如圖2所示。縱向拼縫采用14個8.8級M30型螺栓連接，并設置剪力銷。參考小直徑盾構隧道施工經驗，縱、環拼縫的防水均采用EPDM單道橡膠密封件[14]。密封件定位槽尺寸如圖3所示。

圖1 綜合管廊橫斷面(單位： mm)

圖2 環向拼縫構造示意圖

圖3 定位槽尺寸(單位： mm)

2 橡膠密封件選型

根據預制塊預留梯形定位槽截面尺寸以及國內外現有的形狀，擬定密封件形狀以及尺寸如圖4所示。

根據對密封件制作所用硫化橡膠的單軸拉伸試驗、等雙軸拉伸試驗以及平面拉伸試驗，結合ABAQUS軟件進行擬合與評估，最終確定3次Ogden模型作為計算的本構模型，本構模型參數如表1所示。Ogden模型應變能函數[15]如下：

(1)

式中：U為應變能；λ1、λ2、λ3為主伸長率；μi、αi為任意數。

(a) 方案1

(b) 方案2

μ1α1μ2α2μ3α362.06-4.880.002 812.8048.71-5.66

預制塊定位槽等效為鋼材來模擬，計算模型由上定位槽、上密封件、下定位槽以及下密封件組成。將下定位槽6個方向的自由度全約束住，對上定位槽施加位移荷載，從0 mm施加至10 mm，每次增加的位移為1 mm。位移荷載為10 mm時結構的變形如圖5所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

從圖5可以看出： 橡膠密封件壓縮至10 mm時內部孔洞變形較大，部分孔洞幾乎被壓實，其余孔洞變形后基本都形成了帶有尖角形狀的異形孔洞。方案1內部僅有4個圓形的孔洞，而方案2內部有7個類三角形孔洞，壓縮后方案2橡膠密封件內部孔洞尖角數量比方案1多。這說明即使是外部尺寸相同的情況下，內部孔洞的形狀、個數、大小不同的橡膠密封件可能會存在較大的力學性能差異，最終影響橡膠密封件的變形，也會影響到密封件的閉合壓縮力。

由于橡膠密封件閉合壓縮力是蜀龍五期綜合管廊考慮的重要因素，提取方案1以及方案2上定位槽位移為0～10 mm時所需裝配力，結果如圖6所示。

圖6 閉合壓力-位移曲線

由圖6可以看出： 方案1中壓力在壓縮量為0～4 mm時近似呈線性增加； 在壓縮量為5～7 mm時幾乎無變化； 在7～10 mm時再次近似呈線性增加，增加的速度小于壓縮量為0～4 mm時增加的速度。方案2中壓力在壓縮量為0～2 mm時近似呈線性增加； 在壓縮量為2～3 mm時幾乎無變化； 在4～10 mm時再次近似呈線性增加，增加的速度略小于壓縮量為0～2 mm時的增加速度。對比方案1以及方案2的壓力，方案1的壓力僅在3 mm和5 mm時大于方案2。另外,方案2壓力的增加速度大于方案1，故推測出方案2橡膠密封件的閉合壓縮力大于方案1。因此，選擇方案1作為成都蜀龍五期預制裝配式綜合管廊的縱、環拼縫止水材料試驗方案，進行防水性能試驗以及閉合壓力試驗。

3 成都蜀龍五期綜合管廊防水性能試驗

3.1 防水性能要求

成都蜀龍五期綜合管廊工程最高水頭為10 m，理論水壓值為0.1 MPa。設計水壓力=(理論水壓值×安全系數)/壓縮應力保持率。國際上安全系數一般取為1.2～1.4，本文偏安全考慮取為1.4。未做橡膠密封件相關老化試驗，參考文獻[16]中的結論及文獻[1]和文獻[11]的取值，壓縮應力保持率擬取為0.65。最終得到密封件設計水壓力為0.21 MPa。

縱向拼縫的張開量由縱向變形、生產及施工誤差可能造成的環間間隙、鄰近建筑物及樁基沉降引起的隧道撓曲和接縫張開量3部分組成[17]，參考目前國內外盾構隧道管片張開量的設計值(見表2)可知，常見張開量取值為5～10 mm和6～8 mm。蜀龍五期預制塊拼裝不具備盾構拼裝的精度，施工誤差大于盾構法施工誤差，張開量擬取為10 mm。

表2國內外盾構隧道管片張開量設計值

Table 2 Design values of opening of shield tunnel in China and abroad mm

錯位量成因繁雜，由施工誤差、不均勻沉降等多種因素造成。蜀龍五期綜合管廊錯位量的取值目前尚無類似的工程數據可參考，故參考盾構隧道錯位量加以修正。盾構法施工縱向相鄰管片高差允許值為6 mm[18]。蜀龍五期綜合管廊由人工拼裝，精度低于盾構機械拼裝，故施工時的錯位量允許值大于6 mm，再加上不均勻沉降等因素，錯位量擬取為12 mm。

3.2 試驗方法及試驗結果

采用由4塊直角板組成的十字形水壓試驗模擬臺進行試驗，如圖7所示。用不同厚度的墊片調節相鄰兩直角板間的垂直距離，使得張開量分別達到設計值，采用游標卡尺測量； 用螺栓孔調節兩相鄰直角板間的水平距離，使得錯位量達到設計值，采用鋼尺測量。安裝完成后，以每次0.02 MPa的增量加壓，待壓力表讀數穩定且保證不漏水后，紀錄壓力表的讀數，直至第n次升水壓后密封件滲水為止，則認為第n-1次加壓后壓力表的讀數為彈性密封件在設計錯位量、張開量時的耐水壓力值。本次試驗錯位量取為0、4、8、12 mm，張開量取為0、5、10 mm。張開量為10 mm、錯位量為12 mm時的試驗結果如圖8所示。提取12組試驗的試驗結果，如圖9所示。

由圖9可以看出： 錯位量以及張開量對橡膠密封件耐水壓力有直接影響。橡膠密封件耐水壓力隨著錯位量以及張開量的增大而減小。當張開量較小時，錯位量的增大對橡膠密封件耐水壓力較為敏感； 當張開量較大時，錯位量的增大對橡膠密封件耐水壓力影響敏感性下降。當錯位量較小時，張開量的增大對橡膠密封件耐水壓力較為敏感； 當錯位量較大時，張開量對橡膠密封件耐水壓力影響敏感性下降。張開量為10 mm、錯位量為12 mm時橡膠密封件的耐水壓力為0.26 MPa，大于設計水壓力(0.21 MPa)，滿足蜀龍五期綜合管廊設計要求。

圖7 十字形模擬水壓試驗臺

(a) 錯位量為12 mm

(b) 張開量為10 mm

(c) 橡膠密封件抗水壓力為0.26 MPa

圖9 錯位量-張開量-耐水壓力曲線

4 橡膠密封件閉合壓縮力試驗

試驗裝置及試驗試樣如圖10所示，試樣長度為20 cm。按照規范要求反復壓縮2次，第3次開始正式試驗[19]。分9級加載至張開量為0 mm，每級控制張開量為2 mm，記錄加載器的壓力數據，試驗過程如圖11所示。整理每一級的試驗壓力數據，如圖12所示。

(a) 試驗裝置

(b) 試驗溝槽及密封件

(a) 自然狀態

(b) 壓縮過程

(c) 壓縮至張開量為0 mm

由圖12可知： 張開量越接近0 mm，每級加載所需裝配力越大。張開量為0 mm時，20 cm長的橡膠密封件所需裝配力為5 710 N，則每m橡膠密封件所需閉合壓縮力為28.55 kN。

圖12 裝配力-張開量關系曲線

5 結論與討論

從成都市蜀龍五期預制裝配式綜合管廊實際需求出發，首先通過數值模擬選擇了橡膠密封件的斷面形式，然后通過防水性能試驗驗證了橡膠密封件的防水可靠性，最后通過閉合壓縮力試驗確定了彈性密封的閉合壓縮力，并得到以下結論：

1)針對蜀龍五期明挖預制裝配式綜合管廊水頭較低、所需閉合壓縮力低、縱向拼縫張開量較盾構法施工大的特點，研究了適用于上述特點的橡膠密封件，為蜀龍五期綜合管廊橡膠密封件的設計提供參考。

2)圓形孔洞斷面形式的橡膠密封件在張開量為10 mm、錯位量為12 mm的情況下，能夠滿足蜀龍五期綜合管廊的防水需求。

3)成都市蜀龍五期預制裝配式綜合管廊橡膠密封件的閉合壓縮力為28.55 kN/m。施工時應增加環向輔助措施使橡膠密封件達到其閉合壓縮力，環向螺栓預緊力補償是可行的輔助措施之一。

4)橡膠密封件耐水壓力隨著錯位量以及張開量的增大而減小。預制塊拼裝間隙張開量(錯位量)較小時，錯位量(張開量)的增大會迅速減小橡膠密封件耐水壓力，說明施工時應同時控制張開量和錯位量在較小范圍內。相比錯位量，耐水壓力對張開量更為敏感，施工時更應側重控制張開量。

5)預制塊拼裝間隙張開量越接近0 mm，加載等間距張開量所需裝配力越大。

本文只針對成都蜀龍五期預制裝配式綜合管廊的特點進行了橡膠密封件的研究，下一步可從以下2方面開展進一步研究：

1)本文對橡膠密封件的比選只選擇了2種現有的斷面形式，建議擴大斷面形式選擇范圍，并對現有的斷面形式進行優化。

2)對類似蜀龍五期綜合管廊施工工法中的環向拼縫橡膠密封件裝配力的施工措施開展研究。