矩形盾構(gòu)隧道管片彈性密封墊防水性能截面型式優(yōu)選研究

崔光耀 蔣夢(mèng)新 寧茂權(quán) 唐再興 劉順?biāo)?/p>

（1.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430064；3.海峽（福建）交通工程設(shè)計(jì)有限公司，福州 350004）

隨著我國(guó)城市建設(shè)的飛速發(fā)展，地面已有空間已 不能滿足城市建設(shè)發(fā)展需求，地下隧道作為解決城市地面交通擁擠問(wèn)題的重要措施而被廣泛采用［1］。城市隧道往往深埋于地下，管片接縫作為薄弱部位常受到地下水的影響［2-3］。為保護(hù)隧道在地下水侵蝕下的安全與穩(wěn)定，管片接縫處需采取相應(yīng)的防水措施，彈性密封墊是應(yīng)用較為廣泛的措施之一［4-5］。因此，在施工前對(duì)彈性密封墊進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)研究就十分重要。

目前，專家學(xué)者對(duì)管片接縫彈性密封墊進(jìn)行了大量的研究，陳云堯等［6］在對(duì)密封墊現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，分析了閉合孔形式、開(kāi)孔率以及橡膠硬度對(duì)密封墊的防水性能的影響；江河等［7］通過(guò)有限元計(jì)算與防水試驗(yàn)對(duì)不同截面型式密封墊的防水性能進(jìn)行了研究；張建剛等［8］利用改進(jìn)條帶算法建立了管片接頭力學(xué)模型，分析了不同布置方式的防水密封墊對(duì)管片接頭的力學(xué)影響；薛光橋等［9］以某城市隧道為研究背景，對(duì)密封墊超出設(shè)計(jì)允許值后的極限防水性能進(jìn)行研究分析；丁楊等［10］通過(guò)橡膠密封墊使用壽命模型和耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)彈性密封墊耐久性進(jìn)行了研究；朱瑤宏等［11］依托某地鐵工程，通過(guò)ABAQUS 顯式計(jì)算模塊對(duì)不同截面型式遇水膨脹橡膠密封墊的防水效果進(jìn)行了分析；張穩(wěn)軍等［12］對(duì)管片接縫密封墊進(jìn)行了足尺試驗(yàn)與數(shù)值模擬。以上文獻(xiàn)雖對(duì)密封墊進(jìn)行了不同程度的研究，但針對(duì)火車站矩形盾構(gòu)隧道工程管片接縫彈性密封墊防水性能截面型式的研究較少。

本文依托某城市火車站矩形盾構(gòu)隧道工程，采用ABAQUS 有限元分析軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的不同截面型式EPDM 彈性密封墊處于不同張開(kāi)量、錯(cuò)位量時(shí)的防水性能進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)矩形盾構(gòu)隧道彈性密封墊進(jìn)行截面型式優(yōu)選。研究結(jié)果可為類似工程管片接縫防水提供參考。

1 研究概況

1.1 工程概況

隧址區(qū)呈南北走向，隧道掘進(jìn)距離246 m，最大埋深約11.11 m，隧道斷面寬度為12.6 m、高度為7.65 m，盾構(gòu)段管片為整環(huán)預(yù)制管片。地層圍巖以Ⅵ級(jí)為主，局部為Ⅴ級(jí)，圍巖性質(zhì)差，屬上軟下硬地層，力學(xué)性質(zhì)不均勻，極易坍塌變形。

隧址區(qū)穩(wěn)定水位埋深0.3～11.2 m，大部分盾構(gòu)段處于地下水位以下。該隧道防水設(shè)計(jì)以混凝土自防水為主，柔性防水為輔。隧道設(shè)計(jì)要求管片接縫處EPDM 彈性密封墊在接縫張開(kāi)量7 mm、錯(cuò)位量12 mm 的情況下需具備承受1.0 MPa 水壓而不發(fā)生滲水漏水的能力。

1.2 計(jì)算工況

設(shè)計(jì)5 種截面型式彈性密封墊截面型式如圖1所示，設(shè)置兩種計(jì)算工況如表1所示。

圖1 密封墊截面型式圖（mm）

表1 計(jì)算工況表

1.3 計(jì)算模型

采用有限元軟件ABAQUS 建立不同工況下各彈性密封墊的計(jì)算模型，如圖2所示（以截面A 為例）。橡膠本構(gòu)選用Monney-Revlin 模型，其應(yīng)變能函數(shù)如式（1）所示。將上下溝槽混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置為剛體［13-14］，部件間法向采用硬接觸，切向采用罰函數(shù)接觸。模型采用位移控制加載，底部混凝土進(jìn)行全約束。正常壓縮計(jì)算工況時(shí)僅對(duì)上部結(jié)構(gòu)施加18 mm 豎向位移，錯(cuò)位壓縮計(jì)算時(shí)先對(duì)上部結(jié)構(gòu)施加橫向位移后在進(jìn)行豎向位移加載，每1 mm 為一個(gè)加載步。

圖2 計(jì)算模型圖（截面A）

式中：W——應(yīng)變式能函數(shù)；

C10、C01——橡膠的性能參數(shù)；

彈性密封墊材料是三元乙丙橡膠，硬度取為65°，C10取0.527 38 MPa，C01取0.010 25 MPa。

1.4 測(cè)線布置

一般來(lái)說(shuō)，若溝槽與密封墊、密封墊與密封墊接觸面之間的接觸應(yīng)力大于滲水壓力，則彈性密封墊防水性能良好［15］。因此，為分析彈性密封墊在接縫張開(kāi)量不同時(shí)的防水性能，分別在混凝土管片上、下溝槽與彈性密封墊接觸部位以及上、下彈性密封墊之間設(shè)置測(cè)線，如圖3所示。

圖3 測(cè)線布置圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 正常壓縮性能分析

提取正常壓縮計(jì)算工況下各截面型式彈性密封墊不同張開(kāi)度下的接觸應(yīng)力云圖，如圖4所示。

圖4 接觸應(yīng)力云圖（以截面C 為例）

從接觸應(yīng)力云圖中提取各工況張開(kāi)度7 mm 時(shí)最大接觸應(yīng)力，如表2所示。繪制張開(kāi)度-最大接觸應(yīng)力變化圖，如圖5～圖7所示。

表2 設(shè)計(jì)張開(kāi)度最大接觸應(yīng)力表（MPa）

圖5 測(cè)線1 最大接觸應(yīng)力圖

圖7 測(cè)線3 最大接觸應(yīng)力圖

由圖5與表2可知，對(duì)于測(cè)線1 來(lái)說(shuō)，各截面最大接觸應(yīng)力隨著張開(kāi)度減小而減小，且僅有截面型式A最大接觸應(yīng)力小于設(shè)計(jì)防水壓力；總體上，測(cè)線1 處截面A 防水性能最差，截面C 防水性能最優(yōu)；接縫張開(kāi)度為12 mm 時(shí)，截面C、D、E 最大接觸應(yīng)力分別為1.255 MPa、1.002 MPa、1.207 MPa，滿足防水要求；測(cè)線1 處各截面型式防水性能由高到低依次為C、E、D、B、A。

由圖6與表2可知，對(duì)于測(cè)線2 來(lái)說(shuō)，各截面型式防水性能在張開(kāi)度為7 mm 時(shí)均滿足要求；截面A防水性能最差，當(dāng)接縫張開(kāi)度為12 mm 時(shí)，各截面最大接觸應(yīng)力均大于1.0 MPa，滿足防水要求。

圖6 測(cè)線2 最大接觸應(yīng)力圖

由圖7與表2可知，對(duì)于測(cè)線3 來(lái)說(shuō)，各截面在設(shè)計(jì)張開(kāi)度時(shí)最大接觸應(yīng)力均大于1 MPa。測(cè)線1 處截面A 防水性能最差，截面C 防水性能最優(yōu)，接縫張開(kāi)度為0 時(shí)最大接觸應(yīng)力為5.983 MPa，張開(kāi)度為12 mm 時(shí)截面A、B 最大接觸應(yīng)力為0.758 MPa 與0.788 MPa，不能滿足防水要求；測(cè)線3 處各截面型式密封墊防水性能總體上與測(cè)線1 相同。

2.2 錯(cuò)位壓縮性能分析

提取錯(cuò)位壓縮時(shí)不同截面型式密封墊在不同張開(kāi)度下的接觸應(yīng)力云圖，如圖8所示。

圖8 接觸應(yīng)力云圖（以截面C 為例）

從接觸應(yīng)力云圖中提取各工況不同測(cè)線設(shè)計(jì)張開(kāi)度時(shí)最大接觸應(yīng)力，如表3所示，繪制不同張開(kāi)度時(shí)各測(cè)線張開(kāi)度-最大接觸應(yīng)力變化圖，如圖9～圖11所示。

圖9 測(cè)線1 最大接觸應(yīng)力圖

圖11 測(cè)線3 最大接觸應(yīng)力圖

表3 設(shè)計(jì)張開(kāi)度最大接觸應(yīng)力表（MPa）

由圖9與表3可知，對(duì)于測(cè)線1 來(lái)說(shuō)，當(dāng)處于錯(cuò)位壓縮工況下時(shí)，張開(kāi)度在處于較小狀態(tài)時(shí)最大接觸應(yīng)力相較于正常壓縮工況有所提升，且在設(shè)計(jì)張開(kāi)度時(shí)最大接觸應(yīng)力均滿足要求，截面A 防水性能仍為最差；張開(kāi)度在從0 mm 上升到4.2 mm 時(shí)，截面D 防水性能最優(yōu)；從4.2 mm 上升到8 mm 時(shí)，截面C 防水性能最優(yōu)；從8 mm 上升到12 mm 時(shí)，截面E 防水性能最優(yōu)；截面C、D、E 均能滿足張開(kāi)度12 mm 時(shí)的防水性能要求。

由圖10與表3可知，對(duì)于測(cè)線2，僅有截面A 在張開(kāi)度為7 mm 時(shí)防水性能達(dá)不到要求；除接縫張開(kāi)度位于0～1 mm 外截面D 最大接觸應(yīng)力最大外，其余接縫張開(kāi)度下截面C 最大接觸應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)；當(dāng)接縫張開(kāi)度為12 mm 時(shí)，截面C 密封墊測(cè)線2 最大接觸應(yīng)力為2.337 MPa。

圖10 測(cè)線2 最大接觸應(yīng)力圖

由圖11及表3可知，對(duì)于測(cè)線3 來(lái)說(shuō)，各截面最大接觸應(yīng)力隨著張開(kāi)度減小而減小，且在設(shè)計(jì)張開(kāi)度時(shí)最大接觸應(yīng)力均滿足要求；總體上，測(cè)線3 處截面A 防水性能最差，截面B 略防水性能略優(yōu)于截面A，截面型式C 密封墊防水性能優(yōu)于其余截面型式的密封墊。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某城市火車站矩形盾構(gòu)隧道工程的EPDM 彈性密封墊防水性能進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）彈性密封墊在正常壓縮計(jì)算工況時(shí)：截面型式A 防水性能最差，達(dá)不到防水設(shè)計(jì)要求，截面型式B略優(yōu)于截面形式A，總體上各截面型式密封墊防水性能從高到低依次為：C／E ＞ D ＞ B ＞ A。

（2）彈性密封墊在錯(cuò)位壓縮計(jì)算工況時(shí)：截面C、D、E 均能滿足防水要求張開(kāi)度7 mm、錯(cuò)縫量12 mm的防水要求，各截面型式防水性能總體上從高到低依次為：C／D ＞ E ＞ B ＞ A。

（3）綜上，截面型式A、B 防水性能較差，建議采用截面型式C 彈性密封墊作為矩形盾構(gòu)隧道接縫防水措施。