水壓施加對盾構(gòu)管片接縫防水性能的影響分析

郭志明,李 拼,魯志鵬,馬天宇,謝宏明,王士民

(1.南京市公共工程建設(shè)中心,南京 210019； 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063； 4.水下隧道技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,武漢 430063)

引言

伴隨著越來越多的過江、跨海盾構(gòu)隧道的出現(xiàn)，其防水問題逐漸引起大家的關(guān)注[1]。一旦隧道發(fā)生滲漏水，將極大影響隧道的正常服役。接縫密封墊防水是整個盾構(gòu)隧道防水系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，是盾構(gòu)隧道防水設(shè)計的關(guān)鍵所在[2]。

關(guān)于盾構(gòu)隧道接縫防水的研究主要以數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗為主。在室內(nèi)試驗方面，有眾多學(xué)者[3-11]結(jié)合不同工程進行了一系列的密封墊防水試驗，研究了各工況下不同斷面形式的密封墊防水性能。通過防水試驗，可以直觀地得到彈性密封墊在不同工況下的防水能力，但所耗費金錢與精力較多。因此，盾構(gòu)隧道防水設(shè)計中往往結(jié)合數(shù)值模擬與防水試驗，在防水試驗前，先利用數(shù)值模擬進行預(yù)設(shè)計[12]。

在密封墊防水?dāng)?shù)值模擬方面，由于對水流的模擬較為困難，無法直接模擬出水流在密封墊間滲漏的過程。業(yè)內(nèi)往往將密封墊滲漏路徑上的接觸應(yīng)力大小以及分布情況作為評判密封墊防水能力好壞的依據(jù)[13-16]，因而，密封墊防水?dāng)?shù)值模擬更多地是用于密封墊防水性能的定性分析。根據(jù)文獻[17]，密封墊在受水壓作用時，水壓將在接觸面上產(chǎn)生附加應(yīng)力。而目前在對密封墊的防水?dāng)?shù)值模擬中，對于水壓作用考慮得較少，孫廉威[18]、李拼[19]雖在數(shù)值計算中考慮了水壓，但并未系統(tǒng)地分析在密封墊防水?dāng)?shù)值計算中水壓發(fā)揮的作用，也并無防水試驗結(jié)果驗證其計算的準(zhǔn)確性。

基于以上背景，依托南京和燕路長江隧道工程，對其采用的接縫防水密封墊進行考慮水壓作用與不考慮水壓作用情況下的防水性能數(shù)值模擬，分析兩種計算方式造成的差異，并根據(jù)密封墊防水性能試驗結(jié)果對兩種計算方式進行對比。

1 工程概況

南京和燕路長江隧道位于長江大橋和長江二橋之間，距離上游的長江大橋約7.4 km，距下游長江二橋約2.7 km，采用盾構(gòu)法下穿長江水域，盾構(gòu)段長約3 km，線路總平面如圖1所示。

圖1 南京和燕路長江隧道總平面

圖2為南京和燕路長江隧道盾構(gòu)斷面，盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑13.3 m，外徑14.5m，管片厚600 mm。1環(huán)管片由7個標(biāo)準(zhǔn)塊(B1～B7)、2個鄰接快(L1～L2)和1個封頂塊(F)組成，EPDM橡膠嵌于管片間接縫溝槽內(nèi)，用于結(jié)構(gòu)防水。

圖2 南京和燕路長江隧道盾構(gòu)斷面(單位：mm)

南京和燕路長江隧道穿越中風(fēng)化角礫巖、灰?guī)r和角礫狀灰?guī)r、砂層、含礫砂巖等地層，同時穿越了4條斷層和F7區(qū)域斷裂，穿越的地層屬典型的土巖復(fù)合地層。同時，隧道穿越區(qū)河道成不對稱“V”形，靠近南岸段成急陡地形，最大水深達53 m，造成隧道承受水壓高達0.79 MPa，屬超高水壓情況。

針對隧道穿越的地層地質(zhì)情況不同，共設(shè)計兩種密封墊以滿足不同地層地質(zhì)情況下的防水要求，選取其中的Ⅱ型密封墊進行數(shù)值模擬計算和防水試驗。Ⅱ型密封墊防水要求為：在接縫張開10 mm，錯臺15 mm(設(shè)計最不利工況)下，能即時抵抗2.0 MPa水壓，設(shè)計使用年限內(nèi)能夠抵抗0.80 MPa的水壓。其截面形式如圖3所示。

圖3 Ⅱ型密封墊截面尺寸(單位：mm)

2 數(shù)值模型

采用ABAQUS數(shù)值分析軟件對密封墊進行防水性能模擬分析，重點模擬其在設(shè)計最不利工況下(張開量10 mm，錯臺15 mm)的防水性能。

利用軟件對圖3中彈性密封墊及其周邊溝槽建立二維非線性有限元模型，如圖4所示。

圖4 彈性密封墊及其周邊混凝土管片溝槽模型

本次密封墊防水性能數(shù)值模擬中，利用混凝土剛度遠大于彈性密封墊的性質(zhì)，將混凝土溝槽用解析剛體進行模擬，彈性密封墊劃分網(wǎng)格時采用平面應(yīng)變單元。密封墊孔洞間接觸設(shè)置為自接觸，上下密封墊間及密封墊與溝槽之間的接觸關(guān)系均設(shè)置為面接觸，接觸面法向的接觸屬性設(shè)置為硬接觸，切向的接觸屬性設(shè)置為罰函數(shù)接觸。密封墊壓縮行程采用位移控制。本次數(shù)值模擬中采用的橡膠本構(gòu)模型是與實驗結(jié)果較為接近的yeoh三參數(shù)模型[20]。其應(yīng)變能勢函數(shù)為

U(I1，I2)=C10(I1-3)+C20(I2-3)2+C30(I1-3)3

(1)

式中，U為應(yīng)變勢能；I1、I2為應(yīng)變不變量；C10、C20、C30為橡膠材料參數(shù)，通過橡膠材料拉伸實驗獲得。在本次數(shù)值模擬中，C10取0.682 83，C20取-0.100 43，C30取0.031 34。

2.1 不考慮水壓作用情況密封墊防水性能

未考慮水壓作用情況下，密封墊在設(shè)計最不利工況下的變形形態(tài)如圖5所示。

圖5 密封墊變形形態(tài)云圖(未考慮水壓作用)

2.2 考慮水壓作用下密封墊的防水性能

在前文建模的基礎(chǔ)上，在密封墊壓縮至設(shè)計張開量后，以均布荷載的形式將0.8 MPa的水壓施加于密封墊的迎水側(cè)，如圖6所示。

圖6 施加水壓示意

在設(shè)計最不利工況下，考慮水壓作用，密封墊的變形形態(tài)如圖7所示。

圖7 密封墊變形形態(tài)云圖(考慮水壓作用)

觀察兩種情況下密封墊的變形形態(tài)云圖可以發(fā)現(xiàn)：在考慮水壓作用后，密封墊明顯地朝著背水側(cè)變形，上下密封墊間相互擠壓程度更為劇烈；密封墊迎水側(cè)與溝槽脫離，密封墊腳部發(fā)生翹起現(xiàn)象，腳部僅邊緣與溝槽接觸，易導(dǎo)致密封墊與溝槽接觸應(yīng)力集中。

將密封墊間接觸應(yīng)力及密封墊與溝槽間接觸應(yīng)力按圖8所示路徑提取。

圖8 接觸應(yīng)力提取路徑

在設(shè)計最不利工況下，密封墊的接觸應(yīng)力分布如圖9、圖10所示。

圖9 密封墊間接觸應(yīng)力分布

圖10 密封墊與溝槽間接觸應(yīng)力分布

對密封墊2條滲水路徑上的接觸應(yīng)力取平均值，見表1。

表1 2種防水計算方式下密封墊平均接觸應(yīng)力 MPa

從圖9及表1可以看出，密封墊與溝槽間接觸應(yīng)力整體上要大于密封墊之間的接觸應(yīng)力。未考慮水壓作用下的密封墊間接觸應(yīng)力普遍小于2.0 MPa，不滿足防水要求。考慮水壓作用后，密封墊平均接觸應(yīng)力有所提升，有效接觸應(yīng)力分布更為集中，這是由于受水壓作用后，上下密封墊角部擠壓程度更為劇烈導(dǎo)致。這種接觸應(yīng)力分布情況的改變使得密封墊間部分點接觸應(yīng)力大于2.0 MPa，初步滿足防水要求。

考慮水壓作用后，密封墊整體朝背水側(cè)變形，密封墊迎水側(cè)存在與溝槽脫離接觸的情況，這與圖10中左邊接觸應(yīng)力為0的點相對應(yīng)。同時，在水壓作用下，密封墊間的接觸應(yīng)力以及密封墊與溝槽間的有效接觸應(yīng)力分布更為集中，且發(fā)生了突變現(xiàn)象，這可能導(dǎo)致密封墊防水能力的不穩(wěn)定。

3 防水試驗

3.1 防水試驗設(shè)備

對Ⅱ型密封墊進行防水實驗研究，實驗裝置如圖11所示。

圖11 防水試驗裝置

該試驗裝置由全自動水壓加載裝置、防水試驗?zāi)＞摺毫Ρ怼⑦B接管道、開關(guān)閥門等部分組成。全自動水壓加載裝置可實現(xiàn)水壓自動加載，水壓加載精度為0.01 MPa，最大加載水壓為10 MPa，同時可在發(fā)生微小滲水時進行水壓補償以保持水壓的穩(wěn)定，并追蹤水腔中注水水量的變化，以此可計算密封墊在對應(yīng)水壓下的變形量。該防水試驗?zāi)＞甙筛鼡Q內(nèi)膽，對應(yīng)的密封墊溝槽位于內(nèi)膽上，不同內(nèi)膽對應(yīng)不同的溝槽截面，如此可通過更換含對應(yīng)密封墊溝槽的內(nèi)膽來實現(xiàn)不同截面形式密封墊的防水試驗，模具內(nèi)膽如圖12所示。

圖12 防水模具內(nèi)膽

3.2 防水試驗開展情況

針對選取的密封墊開展防水性能試驗。首先將防水試驗?zāi)＞邇?nèi)表面及溝槽清理干凈，然后用橡膠粘結(jié)劑將密封墊固定于溝槽，并靜置12 h。之后進行密封墊張開量以及錯臺量的設(shè)置操作，如圖13所示。

圖13 密封墊錯臺量及張開量設(shè)置

錯臺量設(shè)置好以后，通過擰緊防水試驗?zāi)＞呱系母邚娐菟ㄒ钥刂泼芊鈮|的張開量。之后將全自動水壓加載裝置及水壓表與防水試驗?zāi)＞哌B接，開始加水；將水加入到水壓泵中，再將水壓調(diào)至0.1 MPa，待水壓保持穩(wěn)定后，開始加壓；在0.1 MPa下保持15 min，若沒有發(fā)生漏水現(xiàn)象則以0.1 MPa為一個單位，逐級往上加壓，每加一個單位，保持15 min不發(fā)生漏水則繼續(xù)往上加壓，在達到設(shè)計水壓后，保壓24 h，不漏則繼續(xù)加壓直到出現(xiàn)滲水，將比滲水水壓小0.1 MPa的水壓定為密封墊在此工況下的耐水水壓。

3.3 防水試驗結(jié)果

Ⅱ型密封墊在設(shè)計最不利工況下的防水試驗結(jié)果見表2。

表2 Ⅱ型密封墊耐水水壓實驗結(jié)果

從表2可以看出，同一種密封墊在同一工況下的耐水壓值也存在差異，這既受試樣加工精度、密封墊與溝槽粘接的均勻性、試驗裝置安裝精度等多種因素的影響，也與水壓作用下分布過于集中的接觸應(yīng)力以及突變的接觸有關(guān)。

3.4 防水試驗結(jié)果與數(shù)值計算對比分析

考慮水壓作用下的密封墊防水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果中，密封墊間最大接觸應(yīng)力為3.59 MPa，密封墊與溝槽間最大接觸應(yīng)力為2.85 MPa。即理想情況下，密封墊將水壓達到2.85 MPa時發(fā)生滲漏。防水試驗中，密封墊耐水壓值在3.0 MPa左右波動，與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。

如計算中不考慮水壓作用，該密封墊間的接觸應(yīng)力普遍小于2.0 MPa，不滿足設(shè)計防水要求。從防水試驗結(jié)果來看，該密封墊的耐水壓值在3.0 MPa左右，滿足防水要求。這說明不考慮水壓作用的密封墊防水?dāng)?shù)值模擬方式在結(jié)果上存在一定偏差，過于保守。

4 結(jié)論與建議

基于南京和燕路過江隧道工程，對Ⅱ型密封墊進行了防水性能數(shù)值模擬計算，并對其進行了設(shè)計最不利工況下的防水性能試驗，通過數(shù)值模擬結(jié)果及防水試驗結(jié)果的對比分析，得到以下結(jié)論。

(1)密封墊迎水側(cè)施加水壓后，密封墊整體朝背水側(cè)變形，上下密封墊間擠壓程度更為劇烈，密封墊整體接觸應(yīng)力有所提升。

(2)考慮水壓作用后，密封墊的接觸應(yīng)力分布更為集中，且出現(xiàn)了應(yīng)力突變點，這種更為集中的應(yīng)力分布方式既導(dǎo)致了密封墊接觸應(yīng)力的提升，增加了防水能力，同時也可能導(dǎo)致密封墊防水能力不穩(wěn)定。

(3)不考慮水壓作用時，密封墊防水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果與防水試驗結(jié)果相差頗大，數(shù)值模擬結(jié)果過于保守。在防水要求不高的盾構(gòu)隧道中，可采用這種計算方式，增大安全儲備。但對于承受超高水壓作用，防水要求十分嚴(yán)格的水下盾構(gòu)隧道來說，該計算方式顯然已不再適用，建議在今后的密封墊防水?dāng)?shù)值模擬中充分考慮水壓的作用。

水流于密封墊的相互作用是十分復(fù)雜的，受筆者能力所限，文中采用水壓模擬方式較為粗糙，在未來的密封墊防水?dāng)?shù)值模擬計算中，應(yīng)進一步改善水壓的作用方式，得到更為精確的計算結(jié)果以指導(dǎo)密封墊設(shè)計與選型。