盾構隧道管片接頭嵌入式密封墊防水性能探究

張子新， 谷冠思， 黃 昕， 張家奇， 張 弛

(1. 同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 上海盾構設計試驗研究中心有限公司， 上海 200137)

0 引言

盾構隧道的建設和運營過程中，防水是非常重要的一環。傳統的防水方式是將橡膠密封墊粘貼在管片預先設計的凹槽內，這樣能夠保證現場作業人員對橡膠條的平整度進行實時的調整[1-3]。很多學者都對傳統密封墊的防水性能進行了研究。H. Kurihara等[4]認為彈性密封墊的防水能力與其孔洞率與斷面形式有關，其中斷面形式對防水能力的影響較為顯著。F. I. Shalabi等[5]通過對底部開口和閉口的2種斷面形式彈性密封墊的防水能力進行對比，發現閉口形式有利于加強彈性密封墊與溝槽的接觸，從而減少該接觸面發生滲漏的可能性，提高彈性密封墊防水能力。陸明等[6]結合上海長江隧道工程，對傳統彈性密封墊的斷面進行了優化設計。李永剛[7]基于南京長江隧道工程，設計優化了該處密封墊截面，并通過試驗進行了耐水性能的檢驗。S. Paul[8]在試驗中發現彈性密封墊與管片溝槽的接觸面是可能發生滲漏的位置。可以看出，密封墊的斷面形式對其耐水性能有較大的影響。然而，已有研究對截面的優化大多局限于孔洞形狀、大小、開孔率，很少考慮其他部位的影響。

為應對上述難題，迫切需要研發新的盾構隧道防水密封形式，進而優化接頭防水效果。本文提出的嵌入式密封墊則是考慮將腳部延伸，以改善其防水能力。實際上，傳統密封墊有2點不足： 一是增加現場作業的時間，同時，在時間較為緊迫的情況下，現場工人的作業精準度得不到較好的保證；二是橡膠條和管片之間的粘結不夠緊密，在外部水壓的作用下，常常會發生滲漏現象，并且在凹槽內積水，長期作用下會腐蝕橡膠條。鑒于此，本文依托上海蘇州河深層排水調蓄隧道工程，對盾構隧道管片接頭嵌入式密封墊防水性能進行系統研究。

1 模型試驗

上海蘇州河深層排水調蓄隧道工程的核心功能是系統提標、排水防澇和初雨治理，建成后將拓展和豐富治水手段。該隧道最深處位于地下50～60 m，且臨近蘇州河道，水源豐富，按照靜水壓力考慮，深隧接縫防水的耐水壓力至少應保證0.6 MPa。為了驗證所設計的嵌入式密封墊能否保證應有的防水效果，首先基于模型試驗展開探究。

嵌入式接頭防水在混凝土結硬之前就將密封墊預埋于其中，待混凝土結硬后，二者緊密粘結在一起。橡膠墊與混凝土的接觸面路徑長度大大增加，降低了從該路徑發生滲漏水現象的可能性。二者的滲流路徑及制備工藝如圖1和圖2所示。

1.1 試驗設計

在隧道建設中，機械精度、人員操作等因素會對管片拼裝的準確度造成影響，因而導致接頭處的彈性密封墊無法發揮理想情況下的防水能力。出于對安全的考慮，設計之初就將張開量和錯縫量作為關鍵指標。張開量與錯縫量示意圖如圖3所示。

試驗中，通過試塊拼裝時的錯位放置來控制管片的錯縫量，通過油壓千斤頂加壓和一定厚度的墊片控制密封條的張開量。下部試塊底部連接水壓控制儀，從中心注水；上部試塊頂部中心安裝排氣閥。試驗步驟如圖4所示。試驗裝置如圖5所示。

(a) 傳統密封墊

(b) 嵌入式密封墊

Fig. 1 Sketches of seepage paths of traditional sealing gasket and embedded sealing gasket

Fig. 2 Comparison between traditional sealing gasket and embedded sealing gasket

圖3 張開量和錯縫量示意圖

圖4 試驗步驟

圖5 試驗裝置

管片接頭采用的彈性密封墊斷面形式現大多采用中孔形(“謝斯菲爾德”形)，在保證橫截面積和密封墊寬度、高度的要求下，將密封墊設計成如圖6所示的形式。在混凝土澆搗完成后，立即將密封墊放置于其上，二者共同進行養護，成型后的管片與密封墊緊密粘貼在一起，故管片的凹槽內輪廓與密封墊外輪廓重合，二者尺寸一致。試塊形式及截面尺寸如圖7所示。

1.2 試驗準備

預埋嵌入式混凝土試塊共分為4種形式。1)形式1。設置觀察槽，底部不包鋼。2)形式2。不設觀察槽，底部包鋼。3)形式3。密封條兩側設凹槽，底部不包鋼。4)形式4。密封條兩側設凹槽，底部包鋼。

觀察槽的設置是為了方便觀測試驗中可能發生的滲漏水現象； 而取消觀察槽以及對試塊進行包鋼處理，則是為了保護管片邊緣混凝土不被壓碎； 在密封墊兩側設置凹槽，是為了在夾持墊片的情況下控制接縫張開量的變化，在張開量相同的情況下，降低局部應力集中，保證混凝土邊緣的完整。試塊形式說明見圖8。

圖6 密封墊截面尺寸(單位： mm)

(a) 試驗試塊形式

(b) 試塊截面尺寸(單位： mm)

(a) 形式1

(b) 形式2

(c) 形式3

(d) 形式4

1.3 結果分析

本節將分別針對上述幾種形式試塊進行模型試驗，進而分析錯縫方式、管片構造、混凝土滲水等情況對接頭防水能力的影響，技術路線如圖9所示。

圖9 技術路線

根據設計單位的經驗以及隧道建設和運營單位的長期監測[9]，張開量不超過7 mm(包括隧道外荷載和縱向轉向圓弧段等引起的張開量3 mm，管片制作和實際拼裝誤差2 mm以及臨近建筑施工引起的張開量2 mm)，錯縫量不超過10 mm(管片尺寸公差±2 mm，管片型位公差±2 mm，機械拼裝精度±3 mm，人為、環境影響因素±2 mm，以及密封墊配合尺寸公差±1 mm)。由于張開量和錯縫量的增加都會對隧道的防水產生不利影響，從最不利組合的角度來看，設計單位建議選取張開量7 mm、錯縫量10 mm這一設計指標，可有效地提高防水安全系數，得出相對安全的結果。

1.3.1 形式1——設置觀察槽，底部不包鋼

試驗在張開量10 mm、錯縫量0 mm的情況下進行。圖10為水壓時程曲線。曲線段分為3段，分別是： 1)注水(排氣)段①。在此過程中，水被有壓空氣擠入試塊中間的氣室內，氣室內原有空氣從上部試塊頂端排氣(水)孔排出，內部水壓呈反復升降的狀態，直至內部空腔幾乎全部由水體充滿，關閉上部排氣(水)口。 2)加壓監測段②。該過程中，不斷控制水壓機，適度增大壓力，并且保證一定的持水時間，待基本穩定后，再繼續增加水壓，此時應仔細關注管片是否有滲漏水現象，同時觀察腔體內水壓是否能夠保持，若出現突降，則可能已發生滲漏。 3)泄壓段③。待發生滲漏水現象后，卸掉壓力，至水壓顯示為0 MPa，繼而可打開排氣(水)口閥門，排出內部水體，完成該組試驗，并保存數據。

在該情況下，接頭處的耐水壓為0.9 MPa，能夠至少保持在0.82 MPa下不發生滲漏。從0.9 MPa降至0.82 MPa這一段曲線，不能說明發生了滲漏。這是因為水壓能夠在0.82 MPa這一階段穩定相當長一段時間，而壓力的降低則來源于橡膠材料在壓力作用下的蠕變效應，直到橡膠變形達到較為穩定的狀態。

在進行本試驗之前，由于預加荷載較大，導致混凝土邊緣被壓碎，如圖11所示，可能因此造成了耐水壓力的不足。

圖10 水壓時程曲線(張開量10 mm、錯縫量0 mm，第1組)

Fig. 10 Time-history curve of water pressure (with opening of 10 mm and staggered joint of 0 mm, Group 1)

圖11 混凝土邊緣被壓碎

為了保證試驗準確，本組又進行了完好試塊的對照試驗，獲得的時程曲線如圖12所示。

圖12水壓時程曲線(張開量10mm、錯縫量0mm，第2組)

Fig. 12 Time-history curve of water pressure (with opening of 10 mm and staggered joint of 0 mm, Group 2)

可觀察到，該組試驗的耐水壓力超過1.2 MPa，能夠穩定在1.2 MPa左右。滲漏時發現，密封墊相互接觸處未出現滲漏水，主要在混凝土試塊處出現滲水印記。據此推測，滲漏路徑可能有2種： 1)密封墊與混凝土接觸處； 2)凸臺處混凝土厚度較低，在較高水壓作用下，可能形成滲流路徑。

1.3.2 形式2——不設觀察槽，底部包鋼

前述的形式1試塊，由于凸臺處混凝土厚度較低，在壓縮過程中容易出現混凝土被壓碎的情況，因此取消了試塊四周的觀察槽，并包鋼處理，以保證壓縮過程中混凝土的完整性，避免加水過程中水流深入到混凝土的微裂隙中。

本次試驗因采用包鋼處理，故可以控制到設計工況(張開量7 mm、錯縫量10 mm)下加載。形式2第1組試驗結果如圖13所示。

圖13 水壓時程曲線(張開量7 mm、錯縫量0 mm，第1組)

Fig. 13 Time-history curve of water pressure (with opening of 7 mm and staggered joint of 0 mm, Group 1)

當水壓加載到0.9 MPa時，混凝土發生滲水，并有微裂縫出現，發現水壓至少能維持在0.8 MPa；繼續向上加壓，水壓在一段時間內會有緩慢降低，但試塊接觸部分(包括密封條之間接觸處、密封條和混凝土接觸處)并未出現滲漏現象；直至加壓到1.6 MPa仍然未發現接縫處漏水，由此推測，水流應是從混凝土的微裂縫中滲出。鑒于本組試塊的混凝土齡期僅16 d，較28 d短，故可能是混凝土未完全結硬，內部化學作用尚未全部完成，仍有小型裂縫存在，在千斤頂頂力作用下裂縫繼續擴展，形成完整的滲流通路以及儲水空間，導致上述試驗現象。

為排除混凝土齡期因素干擾，制作了相同規格的試塊，養護28 d后再次進行試驗，得到的結果如圖14所示。

由該組試驗的水壓時程曲線可以看出，耐水壓力為1 MPa，待繼續向上加載水壓時，發現角部密封墊接觸處有水漏出(如圖15所示)，并未發現混凝土滲水現象，說明混凝土在養護28 d后，內部微裂縫逐漸在化學作用下閉合，符合實際工程的需要。如不繼續加壓，部分水從角部漏出后，水壓力降低至0.75 MPa左右，預計可維持相對較長的時間，可認為密封墊接觸處重新閉合，仍能保持一定的防水能力。

圖14 水壓時程曲線(張開量7 mm、錯縫量0 mm，第2組)

Fig. 14 Time-history curve of water pressure (with opening of 7 mm and staggered joint of 0 mm, Group 2)

圖15 滲漏情況(張開量7 mm、錯縫量0 mm，第2組)

Fig. 15 Leakage situation (with opening of 7 mm and staggered joint of 0 mm, Group 2)

1.3.3 形式3——密封條兩側設凹槽，不包鋼

管片欲加載到設計工況乃至彌合縫隙的狀態時，按照形式1和形式2的設計，需要較大的頂推力。在其作用下，管片可能會被頂碎，在內部出現難以彌合的微裂縫。這樣的微裂縫會形成滲流通路，對管片的耐久度造成影響。

基于上述情況，新試塊在密封條兩側設置了凹槽。如此，便使得相鄰管片在張開量相同的情況下，受到更小的頂推力。

在張開量7 mm、錯縫量10 mm的設計工況下進行了1組試驗，得到如圖16所示的水壓時程曲線。

圖16 水壓時程曲線(張開量7 mm、錯縫量10 mm，形式3)

Fig. 16 Time-history curve of water pressure (with opening of 7 mm and staggered joint of 10 mm, Group 3)

在該工況下，耐水壓力僅為0.6 MPa左右，遠不如形式1和形式2。然而觀察到試塊上預埋的橡膠條表面不夠平整，當千斤頂頂推時，用以控制張開量的金屬墊片并未全部壓緊，部分幾乎處于完全松動的狀態。仔細查看后發現，滲漏點位于未壓緊墊片處，據此推測，該處密封墊壓縮量低于其他部位，因而產生的接觸應力不足，無法抵抗較大的水壓力。

為驗證該推測，本組重新制作了同尺寸的試塊，嚴格控制混凝土澆筑質量，盡量使橡膠條表面足夠平整。同時，在試塊四周包鋼處理，保證墊片的夾持穩定，起到較好控制壓縮量的目的。

1.3.4 形式4——密封條兩側設凹槽，包鋼處理

在張開量7 mm、錯縫量10 mm的設計工況下，得到試驗結果如圖17所示。

圖17 水壓時程曲線(張開量7 mm、錯縫量10 mm，形式4)

Fig. 17 Time-history curve of water pressure (with opening of 7 mm and staggered joint of 10 mm, Group 4)

密封條的耐水壓力為1.1 MPa，當壓力升至1.2 MPa時，密封條長邊漏水(見圖18)，水壓降至0.9 MPa后能夠保持長期穩定。該過程中，并未發生混凝土滲水現象。

圖18 試驗滲漏位置(形式4)

2 理論分析

2.1 本構模型

在鄰近管片的壓縮過程中，由于混凝土和橡膠材料的剛度比足夠大，在模擬過程中，可將管片視作剛體，僅需考慮彈性密封墊橡膠材料本身的變形。橡膠一般被認作超彈性材料，其應力應變關系是非線性的，可通過彈性勢能函數進行確定。

橡膠材料的本構模型主要有2種描述方式[10]： 統計熱力學法和連續介質力學，本文采用后者。利用應變不變量，Mooney提出應變能函數：

WMR=C10(I1-3)+C01(I2-3)。

(1)

該函數符合Rivlin所提出的一般化應變能式：

(2)

式中Cij為材料常數。

一般來說，該模型由于存在著無限個級數展開項，因此，工程上要觀察試驗中的應力應變數據，并根據實際經驗選擇所需項。Mooney所提出的公式即是被廣泛應用的Mooney-Rivlin本構模型。

該模型基于以下2個假設： 1)橡膠不可壓縮且在變形前為各向同性材料； 2)簡單剪切包括先受簡單拉伸再與平截面上疊加，服從胡克定律。

使用Mooney-Rivlin本構模型，需要確定C10和C012個力學參數。其彈性模量E與剪切模量G之間的關系為：

(3)

在超彈性材料中，泊松比μ取0.5，這是由材料的不可壓縮性確定的。因此，可得到E=3G。G、E、C10和C01的關系為：

(4)

E=6(C10+C01)。

(5)

其值可通過拉伸試驗確定。

2.2 防水機制

彈性密封墊的工作原理主要包括2方面[11]： 1)擠壓密封。指在豎向裝配力的作用下，密封墊自身發生彈性形變，從而在接觸面上產生相應的接觸應力。其中壓縮量對密封性能和使用壽命有重要影響。2)自封作用。在側向流體的作用下，橡膠墊相當于被動提升了側限條件，使接觸應力提高，增強了密封效果。

錯縫量的增加會導致密封墊間接觸面積減小，更易暴露出密封墊拼裝的缺陷。張開量的增加會導致密封墊間的接觸應力有一定程度的降低，進而降低了防水能力。一般地，接觸應力與防水能力的關系可表示為：

σn≥kσw。

(6)

式中：σn為接觸正應力；σw為水壓；k為安全系數(不小于1.0)。

張開量與錯縫量的增加都會導致防水能力的降低。

3 數值模擬

3.1 模型建立

國內諸多學者對橡膠材料Mooney-Rivlin本構模型參數的確定進行了一定研究，對本文的參數選取起到了一定的參考[12-17]。

由于混凝土的剛度遠大于橡膠，故可以將混凝土看作為剛體，密封墊看作為可變性體。建模過程應注意以下幾點[18-19]：

1)材料屬性。混凝土利用離散剛體建模，不需設置屬性。密封墊采用Mooney-Rivlin本構模型，參考張良等[20]研究的不同邵氏硬度對模型參數的影響規律，得到硬度和彈性模量之間指數型二次非線性擬合函數：

lnE=14.280 88-0.661 89x+0.007 25x2。

(7)

2)裝配。將密封墊對齊放置，在兩者之間預留0.01 mm的空間，以作為初始加載之用，避免初始增量步小于系統所提供的最小增量步。未加載時，張開量為22 mm，根據設計工況，應當控制總壓縮量為15 mm。為確保收斂效果，將15 mm分3步加載，每次加載5 mm。

3)相互作用。設定密封墊與管片之間、密封墊與密封墊之間的接觸方式。其法向設置為硬接觸模式，切向設置為罰模式。取密封墊與管片間的摩擦因數為0.05，密封墊自接觸摩擦因數為0.3。

4)網格劃分。選用CPE3單元，該單元能較好地保證模型收斂，并于密封墊全局分布較密的種子。由于本模型在局部有彎折、尖角存在，容易在分析過程中出現單元侵徹現象，故需要對這些部位倒圓角處理。網格劃分情況如圖19所示。

圖19 壓縮模型網格劃分

3.2 結果分析

將接觸面上的結點組建成1條路徑(如圖20—22紅線所示位置)，導出該路徑上的接觸應力，得到如圖20—22所示結果。圖20—22示出橡膠條壓縮后的形狀，從中能直觀地找出壓縮終點相互接觸的表面，并予以分析，得到沿接觸面的法向應力。

(a) 橡膠條壓縮后形狀 (單位： MPa)

(b) 接觸面法向應力

Fig. 20 Compression results when opening 10 mm and staggered joint of 0 mm

對比模型試驗和數值模擬的結果，如圖23所示。可以看到，橡膠條的最大耐水壓力接近于接觸面最大接觸應力。當張開量較大(即壓縮量較小)時，由于作業上的誤差，沿試塊四周的密封墊壓縮量難以保持一致，缺陷較大。隨著張開量的降低，數值模擬的結果并無較明顯提升，但模型試驗的耐水壓力卻有較明顯的提升。此時，部分拼裝造成的誤差在壓縮過程中得以彌補，因而表現出耐水壓力上升的特點。

在設計工況下，由數值模擬得出的接觸面上最大接觸應力與模型試驗得到的最佳結果大致相符，表現出較高的一致性。然而，模型試驗中，仍有部分試驗的結果僅為0.6 MPa。從圖22中可知，在錯縫拼裝的情況下，與其中一條橡膠墊表面相互接觸的部分有二： 一為與之相對的橡膠條表面，二為與之相對的管片表面。前者的接觸面較為寬大，其最大接觸應力為0.67 MPa；后者的接觸面較窄，其最大接觸應力為1.12 MPa。由此觀之，當外側接觸面失效后，主要由內側接觸面發揮防水作用，其耐水壓降至0.6 MPa左右。事實上，外側接觸面是由被動擠出的橡膠與混凝土共同構成的，其寬度較窄小，且表面凹凸不平，在壓縮量不足以使表面所有縫隙彌合時，便容易有水擠入，使外側防線失效，故而僅由內側接觸面決定其防水能力。

根據計算結果，橡膠墊與自身所在的混凝土管片間最大的接觸應力僅為0.64 MPa(張開量7 mm、錯縫量10 mm情況下)，但其最大防水能力遠大于該數值，并且在模型試驗的過程中，并未發現有水從橡膠墊與混凝土之間的縫隙流出。這可能是由于橡膠與混凝土預先澆筑在一起，二者之間具有較高的粘結力。其粘結緊密使得潛在縫隙數量大大減少，不易形成連貫的滲漏路徑，因而可提供該處較高的防水能力。

“張”指代“張開量”，“錯”指代“錯縫量”。

圖23模型試驗與數值模擬結果對比

Fig. 23 Comparison between model test results and numerical simulation results

4 結論與討論

通過嵌入式密封墊模型試驗和數值模擬結果的分析與對比，可得到以下結論。

1)嵌入式密封墊彌補了傳統防水接頭中有壓水易從密封墊與管片交界面處滲漏的缺陷，采用文中所設計截面形式的密封墊能夠滿足設計工況(張開量7 mm、錯縫量10 mm)下0.6 MPa的防水要求。

2)在密封墊存在拼裝誤差(有錯縫量)的情況下，會形成不連續的2段接觸面，即外側較窄的接觸面和內側較寬的接觸面。該情況下的防水能力主要依賴于內側接觸面的最大接觸應力。

3)在一定范圍內(文中從張開量10 mm到7 mm)隨著壓縮量的增大，接觸面上最大接觸應力不會有明顯的提升，但密封墊腳部與混凝土間接觸應力會增大，應力集中程度更高，易將管片邊緣壓碎。故可采用在密封墊兩側設置凹槽，通過減小壓縮量來減弱密封墊腳部應力的方式，減小混凝土開裂的可能性，保護混凝土管片。

目前設計的嵌入式密封墊在預制時，需要將其與混凝土共同養護。混凝土在結硬過程中，表面伸縮與橡膠條不完全一致，使得橡膠條表面不夠平整，有起伏不平的現象，對防水能力存在不良影響。

研究發現，嵌入式密封墊有很大的應用前景，雖然目前試驗在有錯縫量的情況下其防水能力存在不穩定性，但下一步通過改進其截面形式，尤其是使其在受壓變形后能夠令接觸面連續緊密貼合，可顯著增大其防水容錯性能。