盾構(gòu)隧道管片密封墊防水失效模式及改善研究

陳云堯， 張軍偉， 馬士偉， 李 雪

(1. 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 四川 成都 610500; 2. 中建地下空間有限公司， 四川 成都 610073)

0 引言

目前盾構(gòu)隧道管片接縫防水均采用嵌套在預(yù)制溝槽中的橡膠密封墊實(shí)現(xiàn)，管片拼裝后溝槽中的密封墊受到擠壓，在密封墊與密封墊接觸面、密封墊與溝槽接觸面產(chǎn)生大于外部水壓的接觸壓力從而實(shí)現(xiàn)防水。

關(guān)于盾構(gòu)密封墊失效研究： 朱洺嵚等[1]通過水密試驗(yàn)，研究了上海市高水壓隧道密封墊耐水壓值； Ding等[2]基于水密性測試，研究了南京緯三路盾構(gòu)隧道接縫防水； 董林偉等[3]、Shalabi[4]對比了混凝土溝槽與金屬溝槽對密封墊防水失效的影響； Li等[5]以南京地鐵10號(hào)線越江隧道密封墊設(shè)計(jì)為對象，測試了雙道密封墊的防水能力； Gong等[6]結(jié)合試驗(yàn)與數(shù)值分析數(shù)據(jù)，得到了一個(gè)關(guān)于密封墊接觸壓力與水壓的計(jì)算公式； 王湛[7]分析了管片接縫在張、錯(cuò)不利工況下密封墊的失效特征； 雷震宇等[8]采用ANSYS-PDS 模塊，研究了產(chǎn)品加工尺寸誤差對密封墊防水失效的影響； 向科等[9]基于具體工程采用ANSYS數(shù)值模擬方法對密封墊斷面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)； 龔琛杰等[10]建立了一套接縫密封墊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，成功指導(dǎo)了南京緯三路長江隧道防水設(shè)計(jì)。

以上研究表明，目前抗水壓性試驗(yàn)已形成了一定方法及流程，數(shù)值分析方法在密封墊防水優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中逐漸被采用。但已有文獻(xiàn)較少涉及密封墊防水失效模式、不利工況下密封墊參數(shù)調(diào)整對防水的影響等研究?；谇叭搜芯砍晒疚氖紫然诰唧w工程分析盾構(gòu)隧道防水失效形態(tài)； 其次采用ABAUQS軟件，以二維雙面模型為基礎(chǔ)，分析管片接縫不利工況下的失效模式； 最后從橡膠硬度、不同部位開孔率改變對密封墊防水性能改善進(jìn)行研究。

1 工程概況

本工程為地鐵盾構(gòu)隧道，管片外徑為8.3 m，厚度為0.4 m，管片支護(hù)結(jié)構(gòu)采用錯(cuò)縫拼裝。工程最大可能水頭高度為33.37 m，即隧道結(jié)構(gòu)承受的最大水壓力約為0.333 7 MPa。地下工程設(shè)計(jì)年限為100年，長期性地下建筑設(shè)計(jì)安全系數(shù)取為1.2。參照已有研究，三元乙丙橡膠100年以后的壓縮應(yīng)力保持率為0.65(65%)，防水設(shè)計(jì)能力=(理論水壓力值×安全系數(shù))/壓縮應(yīng)力保持率[11]，則設(shè)計(jì)水壓力為(0.333 7 MPa×1.2)/0.65≈0.7 MPa。

工程采用單道防水設(shè)計(jì)，密封墊采用三元乙丙(EPDM)彈性橡膠，密封墊硬度初步擬定為65°。斷面外輪廓及具體參數(shù)見圖1(a)。管片厚400 mm，溝槽外邊緣距離管片外表面53.5 mm。溝槽具體參數(shù)見圖1(b)。

(a) 密封墊尺寸

(b) 溝槽尺寸

為分析盾構(gòu)隧道滲漏特征，對依托工程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)調(diào)研。從始發(fā)洞門至正在掘進(jìn)的斷面，雙洞共調(diào)查3 000環(huán)管片。采用直接目視觀察法，以滲漏水印為判斷依據(jù)。共統(tǒng)計(jì)到15個(gè)滲漏樣本，漏水樣本實(shí)際狀況見圖2。部分樣本包含多個(gè)滲漏形態(tài)，各樣本中滲漏形態(tài)各自描述計(jì)數(shù)，例如01樣本包含2個(gè)滲漏形態(tài)，15個(gè)滲漏樣本共包含20個(gè)滲漏形態(tài)。

圖2 盾構(gòu)隧道滲漏樣本

根據(jù)工程拼裝結(jié)構(gòu)及實(shí)際滲漏情況，將盾構(gòu)隧道滲漏形態(tài)分為T字縫、環(huán)縫(非T接部)、縱縫(非T接部)、注漿孔滲漏4種形態(tài)。此外，管片螺栓孔(手孔)也是容易發(fā)生滲漏的部位，但本次調(diào)研未統(tǒng)計(jì)到螺栓孔滲漏樣本。

通過統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)： T字縫滲漏形態(tài)最多，占總數(shù)的35%(共7個(gè))； 排在第2位的是環(huán)縫滲漏、縱縫滲漏形態(tài)，兩者占總數(shù)的25%(共5個(gè))； 注漿孔滲漏形態(tài)排在第3位，占總數(shù)的15%(共3個(gè))。基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出，錯(cuò)縫拼接盾構(gòu)隧道滲漏的主要形態(tài)是接縫滲漏，且以T字縫滲漏最多。

管片接縫產(chǎn)生防水失效原因主要是密封墊接觸面積(防水長度)或接觸壓力不足以抵抗外水壓。單道密封墊防水失效的主要原因是管片接縫張開量、錯(cuò)臺(tái)量、內(nèi)張角及外張角超過容許限值。

2 數(shù)值模型

密封墊壓縮過程通常采用平面二維模型分析，在圖2所示的接縫滲漏形態(tài)中，環(huán)縫滲漏、縱縫滲漏這種非T接部位的滲漏形態(tài)可以歸為“一字縫”滲漏，該部位的密封墊壓縮可以簡化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析。而T字縫由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二維模型難以分析其壓縮過程，因此本文僅對環(huán)縫滲漏、縱縫滲漏這種非T接部位的滲漏失效機(jī)制進(jìn)行討論。

前人模型中僅考慮了圖3所示矩形間斷線部分，即只考慮了上下密封墊與管片溝槽部分，沒有考慮管片的厚度及溝槽位置對防水性能評價(jià)的影響。在分析張開、錯(cuò)臺(tái)工況時(shí)，模型與工程實(shí)際符合。但分析張角時(shí)，該模型僅能設(shè)置特定張角數(shù)值，忽略了溝槽位置對防水評價(jià)的影響，這與實(shí)際工程符合度不高。

圖3 密封墊及溝槽數(shù)值模型

本研究基于前人的模型(見圖3)，考慮了管片厚度、溝槽位置、內(nèi)外張角對接縫密封墊評價(jià)的影響。內(nèi)張角模型中2個(gè)參考點(diǎn)設(shè)置在管片外側(cè)端點(diǎn)，外張角模型中2個(gè)參考點(diǎn)設(shè)置在管片內(nèi)側(cè)端點(diǎn)。在分析每個(gè)工況中，模型的2個(gè)密封墊與管片均對開旋轉(zhuǎn)，即上下密封墊管片均旋轉(zhuǎn)分析工況的1/2張角值，從而減小模型初始裝配對分析結(jié)果的影響。

橡膠剛度遠(yuǎn)小于混凝土，為提高計(jì)算效率，采用剛體來模擬管片。橡膠屬于不可壓縮的超彈體材料，采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模擬橡膠，其數(shù)值分析參數(shù)C10、C01取值由橡膠硬度(HA)確定，取值參考Gong等[6]介紹的方法。數(shù)值計(jì)算時(shí)固定RP2，設(shè)置RP1的豎向位移來模擬密封墊壓縮。

關(guān)于防水失效評價(jià)指標(biāo)，本文采用平均接觸壓力法，將接觸面的接觸壓力繪制成曲線進(jìn)行積分，積分結(jié)果除以接觸面長度即為平均接觸壓力。當(dāng)平均接觸壓力小于設(shè)計(jì)防水壓力時(shí)，認(rèn)為密封墊防水失效。

3 防水失效機(jī)制

3.1 接縫張、錯(cuò)失效機(jī)制

密封墊斷面高度為20 mm，溝槽深度為12 mm，即雙面密封墊模型完全閉合需要壓縮16 mm。對于接縫張開量，國家規(guī)范未做明確要求，參照已有工程，本工程接縫張開量控制指標(biāo)為6 mm。國家規(guī)范GB 50446—2017《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》[12]規(guī)定地鐵隧道錯(cuò)臺(tái)量最大為15 mm。張開量分析中共設(shè)置16個(gè)工況，每個(gè)分析工況的張開量增量為1 mm。錯(cuò)臺(tái)失效分析中設(shè)置了15個(gè)分析工況，每個(gè)分析工況的錯(cuò)臺(tái)量增量為1 mm，同時(shí)錯(cuò)臺(tái)分析中密封墊均為完全壓縮，即壓縮16 mm。

接縫不同張開量下密封墊模型墊間平均接觸壓力、混凝土墊間平均接觸壓力見圖4(a)。可以看出： 1)墊間、混凝土墊間平均接觸壓力均隨張開量增大而減小； 2)在0～16 mm張開量區(qū)間，當(dāng)張開量一定時(shí)墊間平均接觸壓力均小于混凝土墊間平均接觸壓力。

基于平均接觸壓力與接縫防水能力的判定關(guān)系，按照本工程設(shè)計(jì)防水壓力0.7 MPa的設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)張開量大于4 mm時(shí)墊間發(fā)生泄漏； 當(dāng)張開量大于11 mm時(shí)混凝土墊間發(fā)生泄漏，即不滿足6 mm張開量要求。

綜上，管片接縫在張開不利工況下，泄漏先發(fā)生于密封墊與密封墊的接觸面，隨著張開量增大，密封墊與溝槽的接觸面發(fā)生泄漏。

密封墊模型墊間平均接觸壓力、混凝土墊間平均接觸壓力隨接縫錯(cuò)臺(tái)量的變化見圖4(b)。可以看出： 1)整體上墊間平均接觸壓力、混凝土墊間平均接觸壓力均隨接縫錯(cuò)臺(tái)量增大而減小； 2)在錯(cuò)臺(tái)量為1～15 mm時(shí)，密封墊模型的墊間平均接觸壓力、混凝土墊間平均接觸壓力均大于設(shè)計(jì)防水壓力，即密封墊在管片接縫錯(cuò)臺(tái)不利工況下均不發(fā)生泄漏，且滿足國家規(guī)范規(guī)定要求。

(a) 張開分析結(jié)果

(b) 錯(cuò)臺(tái)分析結(jié)果

Fig. 4 Effect of segment joint opening and staggering on average contact pressure

在無錯(cuò)臺(tái)、無張開量的完全閉合工況下，密封墊模型墊間平均接觸壓力為1.7 MPa，混凝土墊間平均接觸壓力為3.1 MPa。對比圖4(b)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)臺(tái)工況下混凝土墊間平均接觸壓力最大值為2.9 MPa，即管片接縫錯(cuò)臺(tái)會(huì)降低混凝土墊間的防水性能。雖然錯(cuò)臺(tái)量在1 mm、9～15 mm墊間平均接觸壓力均小于1.7 MPa，但在2～8 mm墊間平均接觸壓力均大于1.7 MPa。以上結(jié)果表明，錯(cuò)臺(tái)量在部分工況下提高了錯(cuò)臺(tái)工況下墊間的防水能力，但這并不能表明錯(cuò)臺(tái)量有利于管片接縫密封墊的防水。

從二維分析結(jié)果來看，在密封墊完全壓縮錯(cuò)臺(tái)工況下，墊間、墊混凝土間平均接觸壓力均大于設(shè)計(jì)防水壓力，即管片接縫錯(cuò)臺(tái)對密封墊防水影響較小。但在三維條件下，管片接縫的錯(cuò)臺(tái)可能引起鄰近管片接縫的張開。3環(huán)錯(cuò)縫拼裝示意圖見圖5。當(dāng)?shù)?環(huán)的封頂塊發(fā)生X方向的錯(cuò)臺(tái)時(shí)，在封頂塊與鄰接塊的接縫(接縫Ⅲ)、封頂塊與鄰接塊的接縫(接縫Ⅰ)產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)，則在第1環(huán)封頂塊與第2環(huán)鄰接塊的接縫(接縫Ⅱ)就會(huì)產(chǎn)生與錯(cuò)臺(tái)量數(shù)值相同的X方向的張開量。

圖5 盾構(gòu)管片錯(cuò)縫拼接模型

雖然二維計(jì)算分析結(jié)果表明錯(cuò)臺(tái)量對密封墊防水影響較小，但從三維多環(huán)管片結(jié)構(gòu)分析結(jié)果可以得知，錯(cuò)臺(tái)量的產(chǎn)生影響著襯砌結(jié)構(gòu)其他管片的張開量。因此，基于張開量對防水的影響分析，必須嚴(yán)格控制管片接縫錯(cuò)臺(tái)量。

3.2 接縫內(nèi)、外張角失效機(jī)制

管片接縫張角數(shù)值由盾構(gòu)隧道橢圓度確定，高波等[13]提出了一種管片橢圓度與張角的計(jì)算方法。參考國家規(guī)范[12]，本工程地鐵隧道橢圓度限值為5‰，結(jié)合本工程管片幾何參數(shù)求得5‰橢圓度時(shí)接縫最大張角數(shù)值為1.006 58°。內(nèi)、外張角失效分析中均設(shè)置8個(gè)工況，每個(gè)分析工況的張角增量為0.2°，同時(shí)張角分析中密封墊均為完全壓縮無錯(cuò)臺(tái)工況。

墊間、混凝土墊間平均接觸壓力隨內(nèi)張角變化的曲線見圖6(a)?？梢钥闯觯?1)墊間、混凝土墊間平均接觸壓力均與內(nèi)張角變化呈線性負(fù)相關(guān)，即隨著內(nèi)張角的增大，墊間、混凝土墊間平均接觸壓力均減?。?2)墊間平均接觸壓力在最大內(nèi)張角1.0°工況時(shí)為2.38 MPa，混凝土墊間平均接觸壓力在最大內(nèi)張角1.0°工況時(shí)為1.20 MPa，均大于設(shè)計(jì)防水壓力(0.7 MPa)，即5‰橢圓度時(shí)內(nèi)張角工況下密封墊不發(fā)生泄漏，滿足防水要求。

墊間、混凝土墊間平均接觸壓力隨接縫外張角的變化見圖6(b) ?？梢钥闯觯?1)混凝土墊間平均接觸壓力隨接縫外張角的增大而減小，但外張角在1.0°變化范圍內(nèi)均大于設(shè)計(jì)防水壓力(0.7 MPa)，即混凝土墊間滿足防水要求； 2)墊間平均接觸壓力也隨接縫外張角的增大而減小，當(dāng)接縫外張角大于0.6°時(shí)墊間平均接觸壓力開始小于設(shè)計(jì)防水壓力(0.7 MPa)，即當(dāng)接縫外張角大于0.6°時(shí)墊間不滿足防水要求。

(a) 內(nèi)張角分析結(jié)果

(b) 外張角分析結(jié)果

Fig. 6 Effect of segment joint opening angle on average contact pressure

綜上，在工程要求的5‰橢圓度內(nèi)，管片接縫內(nèi)張角不利工況時(shí)，密封墊混凝土墊間、墊間接觸面均不發(fā)生泄漏；管片接縫外張角不利工況時(shí)，密封墊墊間會(huì)發(fā)生泄漏，而混凝土墊間接觸面均不發(fā)生泄漏。

4 密封墊防水性能改善

第3節(jié)不利工況下密封墊失效機(jī)制分析表明，管片接縫張開、外張角工況下密封墊防水能力不滿足規(guī)范及工程要求，需要對密封墊防水能力進(jìn)行改進(jìn)。

4.1 密封墊設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整

密封墊防水性能調(diào)整一般通過調(diào)整橡膠硬度、斷面幾何參數(shù)實(shí)現(xiàn)。GB 18173—2010《盾構(gòu)法隧道管片用橡膠密封墊》[14]規(guī)定多孔彈性密封墊硬度為60°～70°，肖氏硬度越大彈性模量越大，壓縮量相同時(shí)更易獲得較大的接觸壓力。本工程密封墊初始硬度為65°，因此硬度調(diào)整范圍為65°～70°。由于管片溝槽尺寸已定，因此密封墊幾何參數(shù)調(diào)整不改變密封墊外輪廓只調(diào)整孔洞尺寸。提高墊間接觸壓力可以通過降低開孔率增加橡膠凈面積實(shí)現(xiàn)。為了探究不同區(qū)域調(diào)整對密封防水性能改善的效果，孔洞調(diào)整分為閉合孔區(qū)域、敞開孔半圓區(qū)域(淺灰色)、敞開孔梯形區(qū)域(深灰色)，分別通過改變R1、R2、H實(shí)現(xiàn)(見圖7)。密封墊斷面幾何尺寸調(diào)整具體參數(shù)見表1。

由于管片接縫張開6 mm與外張角1.0°工況下密封墊墊間平均接觸壓力不滿足要求，而混凝土墊間平均接觸壓力均大于設(shè)計(jì)壓力，因此本節(jié)僅分析密封墊墊間平均接觸壓力數(shù)據(jù)。對表1中7個(gè)斷面密封墊進(jìn)行閉合壓縮，硬度變化范圍為65°～70°，分析工況為管片接縫張開6 mm與管片接縫外張角1.0° 2種。

共分析了108種工況，得到密封墊墊間平均接觸壓力并進(jìn)行可視化處理，結(jié)果見圖8。

圖7 密封墊幾何參數(shù)調(diào)整示意圖

表1 密封墊斷面調(diào)整參數(shù)

注： DM1-1為原設(shè)計(jì)斷面； DM1-2、DM1-3屬于閉合孔區(qū)域改變； DM2-2、DM2-3屬于敞開孔圓形區(qū)域改變； DM3-2、DM3-3屬于敞開孔梯形區(qū)域改變。

(a) 張開-閉合孔分析結(jié)果

(b) 張開-敞開孔圓形分析結(jié)果

(c) 張開-敞開孔梯形分析結(jié)果

(d) 張角-閉合孔分析結(jié)果

(e) 張角-敞開孔圓形分析結(jié)果

(f) 張角-敞開孔梯形分析結(jié)果

圖8(a)、8(b)、8(c)為管片接縫張開6 mm工況分析結(jié)果； 圖8(d)、8(e)、8(f)為管片接縫外張角1.0°工況分析結(jié)果。

圖8密封墊防水性能改善結(jié)果

Fig. 8 Adjustment results of waterproofing performance of gasket

由圖8可以得出： 1)對于本工程密封墊，不改變密封墊斷面參數(shù)僅增大橡膠硬度或僅降低密封墊開孔率不改變橡膠硬度，均不能滿足管片接縫張開6 mm與管片接縫外張角1.0° 2種工況下的防水要求。結(jié)合斷面幾何尺寸調(diào)整、硬度調(diào)整共有14種方案滿足防水要求。2)當(dāng)斷面相同時(shí)，墊間平均接觸壓力與橡膠硬度呈線性正相關(guān)，即硬度愈大墊間平均接觸壓力愈大。

4.2 不利工況下密封墊幾何參數(shù)調(diào)整影響分析

以往在評價(jià)密封墊開孔率變化對密封墊防水能力的影響時(shí)，通常是從密封墊完全閉合壓縮工況去分析。

不同區(qū)域調(diào)整對平均接觸壓力的影響見圖9。管片接縫完全閉合條件下，當(dāng)開孔率發(fā)生相同變化時(shí)，敞開孔梯形區(qū)域改變獲得的墊間平均接觸壓力最大，其次是敞開孔圓形區(qū)域改變，最小是閉合孔區(qū)域改變。

當(dāng)管片接縫張開量為6 mm時(shí)，敞開孔區(qū)域改變類斷面(DM2-2、DM2-3、DM3-2、DM3-3)墊間平均接觸壓力衰減的程度要大于閉合孔區(qū)域改變類斷面(DM1-2、DM1-3)，如圖9(a)所示。從墊間平均接觸壓力的保持效果來看，調(diào)整閉合孔的效果最好。這一特征在管片接縫完全閉合與外張角1.0°工況下，密封墊墊間平均接觸壓力對比結(jié)果中也被體現(xiàn)，如圖9(b)所示。

(a) 張開分析結(jié)果

(b) 張角分析結(jié)果

Fig. 9 Influence of regional adjustment on average contact pressure

今后在評價(jià)密封墊開孔率變化對密封墊防水能力的影響時(shí)，不僅要關(guān)注密封墊完全閉合壓縮理想工況下的結(jié)果，更要結(jié)合管片接縫處于不利工況去研究。

5 結(jié)論與討論

1)基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出，盾構(gòu)隧道滲漏的主要形態(tài)是管片接縫滲漏，且多發(fā)生在T字縫處。

2)管片接縫不利工況下的防水能力分析表明，對密封墊防水能力影響較大的是管片接縫張開、管片接縫外張角，且滲漏均發(fā)生在密封墊與密封墊接觸面。

3)二維分析模型表明，錯(cuò)臺(tái)量對密封墊防水影響較小，但錯(cuò)臺(tái)量的產(chǎn)生影響著襯砌結(jié)構(gòu)的張開量，必須嚴(yán)格控制管片接縫錯(cuò)臺(tái)量。

4)當(dāng)斷面相同時(shí)，墊間平均接觸壓力與橡膠硬度呈線性正相關(guān)，即硬度愈大墊間平均接觸壓力愈大。

5)斷面幾何參數(shù)調(diào)整表明，從墊間平均接觸壓力的保持效果來看，調(diào)整閉合孔的效果最好。今后在評價(jià)密封墊開孔率變化對密封墊防水能力的影響時(shí)，要結(jié)合管片接縫處于不利工況去研究。

本文僅對環(huán)縫滲漏、縱縫滲漏這種非T接部位的滲漏失效機(jī)制進(jìn)行了討論，而T字縫部位密封墊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二維模型不能分析其壓縮過程，關(guān)于錯(cuò)縫拼裝中T字縫部位的滲漏機(jī)制還有待于進(jìn)一步探索。