装置材料对防水试验中密封垫性能的影响

董林伟， 江玉生， 杨志勇， 江 华， 高 勇

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院， 北京 100083)

装置材料对防水试验中密封垫性能的影响

董林伟， 江玉生， 杨志勇， 江 华， 高 勇

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院， 北京 100083)

为研究管片密封垫防水试验中不同装置材料下密封垫性能的差异，采用弹性力学理论对钢制装置和混凝土装置下密封垫的耐水压力和装配力进行研究。以管片接缝密封中常用的三元乙丙密封垫为研究对象，对钢制装置和混凝土装置下的密封垫进行防水试验，研究2种不同装置下密封垫的装配力和耐水压力与张开量的关系。研究结果表明： 1)钢制装置下密封垫的竖向应力比混凝土装置下密封垫的竖向应力大，导致其耐水压力高于混凝土装置； 2)2种装置得出的装配力-张开量和耐水压力-张开量曲线变化规律相似； 3)采用钢制装置代替混凝土装置进行混凝土管片密封垫的防水试验时，应将张开量减小一定的数值； 4)在密封垫的防水试验中应尽量采用混凝土装置进行测试； 5)采用钢制装置代替混凝土装置进行混凝土管片密封垫耐水压力测试时，应对试验数据进行平移转换。

盾构隧道； 防水试验； 密封垫性能； 装置材料； 耐水压力； 装配力； 张开量

0 引言

隧道防水贯穿地铁建设和运营的始终，也是提高隧道耐久性的关键。目前，我国多采用三元乙丙多孔橡胶密封垫进行管片接缝的防水[1]，因此，对三元乙丙多孔橡胶密封垫的防水性能进行研究具有重要的意义。

国内外学者对管片接缝处密封垫的防水问题进行了大量的研究。GONG Chenjie等[2]针对南京纬三路越江盾构隧道，采用新型混凝土试验装置，开展了管片接缝防水一字缝和T字缝的试验研究，分析了影响密封垫防水的因素；欧阳文彪[3]采用显式有限元分析法对密封垫的压缩过程进行了三维模拟，并对钢制装置下密封垫的装配力进行了验证；邓朝辉[4]针对狮子洋隧道管片密封垫的密封性能进行了数值模拟和钢制装置下的防水试验，提出了相应的防水设计和施工控制措施；拓勇飞等[5]针对超高水压大直径盾构隧道，提出了盾构管片接缝防水设计的流程和方法，通过耐水压力和装配力试验优化了密封垫的设计方案；王湛[6]对密封垫张开和错位的情况进行了数值模拟，分析了张开和错位对渗漏位置的影响规律；毕琦等[7]针对不同硬度的密封垫进行了钢制装置下的装配力试验，得到了密封垫的硬度设计指标，并提出了相应的施工方案；高楠[8]通过采用不同的钢制试验装置，进行了苏埃通道盾构隧道接缝密封垫的装配力试验和防水试验，对隧道接缝的防水形式进行了设计；李铁成[9]对新华新街台格庙矿区斜井钢制装置下的管片密封垫进行了T字缝防水试验和数值分析；F. I. Shalabi等[10]对隧道管片承受静力和动力荷载时混凝土装置中的密封垫进行了一系列试验和研究，给出了密封垫接缝防水规律。

以上研究均是针对密封垫的防水优化设计问题进行的，对密封垫在钢制装置和混凝土装置下耐水压力和装配力的研究并不多。为对比密封垫在钢制装置和混凝土装置下耐水压力和装配力的差异性，笔者开展了密封垫在2种不同装置下装配力和耐水压力的对比试验，并通过MATLAB软件对试验数据进行处理及拟合分析，得出2种不同装置下密封垫装配力和耐水压力的变化规律以及耐水压力试验数据之间的转换关系。

1 密封垫防水性能分析

密封垫的防水性能与接触面压力密切相关。由密封垫的工作原理可知，密封时的水压力pw与初始接触面压力有关[11-12]，可近似表示为

pw=kp0。

(1)

式中：pw为渗漏水时密封垫的耐水压力，MPa；p0为密封垫的接触面压应力，MPa；k为与密封垫性质有关的系数，对于非膨胀橡胶，一般取1.2[13]。

密封垫弹性体的约束形式示意图如图1所示。

图1 密封垫约束形式示意

密封垫被固定于沟槽中，受力状态为平面应变状态，应力与应变的关系为：

(2)

式中：εx为密封垫的侧向应变；εy为密封垫的竖向应变；ν为泊松比；σy为密封垫受到的竖向压应力,MPa；E为密封垫的弹性模量,MPa。

由式(2)可得

(3)

分析式(3)可知，在密封垫耐水压力试验中，若将装置材料由混凝土装置变为钢制装置，且假设密封垫的竖向应变εy不变，由于钢制装置变形较小，密封垫受到的侧面约束增强，相当于对密封垫的侧向进行挤压，则密封垫的侧向应变εx增大，竖向压应力增大。再由式(1)可知，密封垫的耐水压力增大。

2 防水试验

2.1 密封垫几何参数

选取常用的盾构管片密封垫进行防水试验。密封垫以三元乙丙橡胶为主要成分，采用外轮廓尺寸为47 mm×16.5 mm的多孔橡胶矩形密封圈的构造形式，其顶面宽度为36 mm，底部宽度为42 mm，高度为16.5 mm，截面内部有10个圆孔。三元乙丙密封垫横截面图如图2所示。

图2 三元乙丙密封垫横截面图(单位： mm)

2.2 试验原理和装置

为研究不同装置材料对密封垫耐水压力的影响，开展了密封垫在钢制装置和混凝土装置中的防水试验。

在试验装置沟槽中采用氯丁-酚醛胶水粘贴2个物理参数相同的三元乙丙橡胶密封垫，如图3所示。

采用压力机分别对钢制装置密封垫和混凝土装置密封垫进行加载，通过外接水泵对密封垫的内腔施加水压。采用水压力表测试密封垫承受的水压力，采用百分表测试装置的张开量，采用压力传感器测试装置所受的压力。

(a)钢制装置(b)混凝土装置

图3 三元乙丙橡胶密封垫

Fig. 3 EPDM rubber gasket

2.3 试验方案

将试验装置及刚性垫块放置在试验机加载板间，并安装百分表及水压加压系统。在试验机加压至目标张开量前，记录各级压缩力和对应的张开量，作为装配力的试验数据。当试验机加压至目标张开量时，以每次0.01 MPa的增量施加水压，直至水压突破密封垫，并取上一级水压作为耐水压力。

3 试验结果与分析

3.1 装配力试验数据分析

根据试验数据点的数学特征，分别采用4种常见的

通过对比4个函数的拟合度可知： 倒幂函数拟合的F值和可决系数R最大，剩余标准误差S最小，拟合性最佳。由F检验可知，倒幂函数、幂函数和指数函数的显著性检验为高度显著。

表1 钢制装置下密封垫的装配力试验数据拟合曲线参数及拟合度

注： SSR为回归平方和; SSE为残差平方和; SST为总偏差平方和。

表2 混凝土装置下密封垫的装配力试验数据拟合曲线参数及拟合度

注： SSR为回归平方和; SSE为残差平方和; SST为总偏差平方和。

采用倒幂函数分别对钢制装置和混凝土装置下密封垫装配力的试验数据进行拟合，拟合曲线如图4所示。

(a) 钢制装置

(b) 混凝土装置

图4 钢制装置和混凝土装置下密封垫装配力随张开量变化的拟合曲线

Fig. 4 Fitting curve of relationship between assembling force of sealing gasket and opening amount under steel apparatus and concrete apparatus

3.2 耐水压力试验数据分析

试验得到的钢制装置和混凝土装置下密封垫的耐水压力试验数据如图5所示。

由图5可以得出，不同张开量的密封垫在钢制装置与混凝土装置下的耐水压力变化规律相似。

图5 钢制装置和混凝土装置下密封垫的耐水压力

Fig. 5 Waterproof pressures of sealing gasket under steel apparatus and concrete apparatus

为建立2种装置材料下密封垫耐水压力与张开量的关系，分别选用倒幂函数、幂函数、指数函数和倒指数函数对试验数据进行拟合，并考虑2种装置材料下张开量的差值，即对钢制装置下的张开量数据进行平移后，再联合混凝土装置下的数据进行拟合。采用MATLAB软件编制相应的程序，然后计算出4种函数的拟合曲线参数及拟合度。MATLAB程序流程如图6所示。

图6 MATLAB程序流程图

由MATLAB软件计算得到的2种装置下密封垫的耐水压力拟合曲线参数及拟合度见表3。

表3 2种装置下密封垫的耐水压力拟合曲线参数及拟合度

注： SSR为回归平方和; SSE为残差平方和; SST为总偏差平方和。

通过对比4个函数的拟合度可知： 幂函数拟合的F值和可决系数R最大，剩余标准误差S最小，拟合性最佳。根据F检验可知，4个函数的显著性检验均为高度显著。

通过MATLAB软件采用幂函数绘制的混凝土装置下耐水压力数据与钢制装置下经平移后的耐水压力数据拟合曲线如图7所示。

图7 混凝土装置下耐水压力数据与钢制装置下平移后的耐水压力数据拟合曲线

Fig. 7 Fitting curve of waterproof pressure under concrete apparatus and waterproof pressure under steel apparatus after transformation

对于相同材质的密封垫，采用钢制试验装置与混凝土试验装置得到的耐水压力随张开量的变化趋势高度相似，但仍有一定的差距。根据表3的数据可知，4种函数拟合得到的位移常数c均约为2 mm，且拟合性均较好。对于三元乙丙密封垫，若采用钢制装置代替混凝土装置进行耐水压力试验，耐水压力所对应的张开量需减小2 mm，试验结果方可应用于工程中。

4 结论与讨论

1)根据所得的试验数据以及理论分析，在密封垫的耐水压力试验中，采用钢制装置得到的耐水压力高于混凝土装置。

2)根据实际工程中密封垫受到的约束状态，应优先考虑采用混凝土装置进行密封垫的耐水压力试验。当采用钢制装置代替混凝土装置进行混凝土管片密封垫的耐水压力试验时，所得的耐水压力试验数据中的张开量需要减小一定的数值方可应用于实际工程中。对于本文研究的密封垫，张开量应减少2 mm。

3)三元乙丙密封垫在2种试验装置下的装配力、耐水压力试验数据与倒幂函数、幂函数、指数函数和倒指数函数的拟合性均较好，因此，可采用倒幂函数、幂函数、指数函数和倒指数函数4种函数对密封垫的装配力和耐水压力进行预测。

本文只针对一种特定的密封垫进行了防水试验研究，下一步尚需对其他形式的密封垫进行研究。

[1] 朱祖熹. 盾构隧道管片接缝密封垫防水技术的现状与今后的课题[J]. 隧道建设, 2016, 36(10): 1171. ZHU Zuxi. State-of-art and developing direction of waterproofing technology for sealing gasket of shield tunnel segment joints[J]. Tunnel Construction, 2016, 36(10): 1171.

[2]GONG Chenjie, DING Wenqi, JIN Yuelang, et al. Waterproofing performance of shield-driven tunnel′s segment joint under ultra high water pressure[J]. Tunnelling & Underground Construction, 2014(24): 410.

[3] 欧阳文彪. 盾构隧道橡胶密封垫力学性能试验及数值分析[J]. 隧道建设, 2013, 33(11): 933. OUYANG Wenbiao. Mechanical test and numerical analysis of elastic gaskets of shield tunnels[J]. Tunnel Construction, 2013, 33(11): 933.

[4] 邓朝辉. 高速铁路盾构隧道防水设计[J]. 现代隧道技术, 2013, 50(2): 134. DENG Chaohui. Waterproofing design for shield tunnels on high-speed railways[J]. Modern Tunnelling Technology, 2013, 50(2): 134.

[5] 拓勇飞, 舒恒, 郭小红, 等. 超高水压大直径盾构隧道管片接缝防水设计与试验研究[J]. 岩土工程学报, 2013, 35(增刊1): 227. TUO Yongfei, SHU Heng, GUO Xiaohong, et al. Design and experimental study of waterproof gasket of large-diameter shield tunnel under ultra high water pressure[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(S1): 227.

[6] 王湛. 水下盾构隧道弹性密封垫防水失效数值模拟研究[J]. 隧道建设, 2015, 35(11): 1164. WANG Zhan. Numerical study of waterproof failure mechanism of elastic sealing gasket of underwater shield-bored tunnel[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(11): 1164.

[7] 毕琦, 刘建国. 盾构隧道防水密封垫硬度对管片拼装的影响研究[J]. 中国建筑防水, 2013(6): 12. BI Qi, LIU Jianguo. Research on influences of waterproof gasket hardness of shield tunnel on segment assembling[J]. China Building Waterproofing, 2013(6): 12.

[8] 高楠. 大断面海底盾构隧道管片接缝防水试验研究[D]. 北京： 北京交通大学, 2016. GAO Nan. Experimental research on waterproof of large cross-section subsea tunnel segment joints[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2016.

[9] 李铁成. 盾构斜井管片接缝防水设计及防水性能试验研究[J]. 施工技术, 2016, 45(21): 124. LI Tiecheng. Waterproof design and experimental research on inclined shied shaft segment joints [J]. Construction Technology, 2016, 45(21): 124.

[10] SHALABI F I, CORDING E J, PAUL S L. Concrete segment tunnel lining sealant performance under earthquake loading[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2012, 31(5): 51.

[11] 樊庆功, 方卫民, 苏许斌. 盾构隧道遇水膨胀橡胶密封垫止水性能试验研究[J]. 地下空间, 2002, 22(4): 335. FAN Qinggong, FANG Weimin, SU Xubin. Experimental study of the waterproof capability of the hydro-expansive rubber sealing cushion in shield tunnel[J]. Underground Space, 2002, 22(4): 335.

[12] 刘印, 张冬梅, 黄宏伟. 基于纵向不均匀沉降的盾构隧道渗漏水机理分析[J]. 铁道工程学报, 2011, 28(5): 66. LIU Yin, ZHANG Dongmei, HUANG Hongwei. Analysis of mechanism of water leakage induced by longitudinal uneven settlement of shield tunnel [J]. Journal of Railway Engineering Society, 2011, 28(5): 66.

[13] 钟小春, 秦建设, 朱伟, 等. 盾构管片接缝防水材料防水耐久性实验及分析[J]. 地下空间与工程学报, 2011, 7(2): 281. ZHONG Xiaochun, QIN Jianshe, ZHU Wei, et al. Durability tests and analysis of the waterproof material for joint seam of shield tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2011, 7(2): 281.

[14] 王岩, 隋思涟. 试验设计与MATLAB数据分析[M]. 北京： 清华大学出版社, 2012. WANG Yan, SUI Silian. Test design and MATLAB data analysis[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2012.

[15] 王岩, 隋思涟. 数理统计与MTALAB数据分析[M]. 北京： 清华大学出版社, 2014. WANG Yan, SUI Silian. Mathematical statistics and MATLAB data analysis[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2014.

Study of Influence of Apparatus with Different Materials on Performance of Sealing Gasket during Waterproof Test

DONG Linwei, JIANG Yusheng, YANG Zhiyong, JIANG Hua, GAO Yong

(SchoolofMechanics&ArchitectureEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China)

The waterproof pressure and assembling force of the sealing gasket under steel apparatus and the concrete apparatus are studied by the theory of elasticity, so as to study the difference of the sealing gasket performance under apparatus with different materials during waterproof test. The waterproof test is carried out on the sealing gasket under steel apparatus and concrete apparatus by taking commonly used ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) gasket for example. And then the relationship between the assembling force and the opening amount and that between the waterproof pressure and the opening amount under steel apparatus and concrete apparatus are studied. The testing results indicate that: 1) The vertical stress of the sealing gasket under steel apparatus is larger than that under concrete apparatus which lead to the higher waterproof pressure of the sealing gasket under steel apparatus. 2) The curve of assembling force-opening amount and that of waterproof pressure-opening amount obtained by the two apparatuses are quite similar. 3) The opening amount should be reduced by a certain value when using the steel apparatus instead of the concrete apparatus. 4) The concrete apparatus should be used in the waterproof pressure test as many as possible. 5) The test data should be translated when using the steel apparatus instead of concrete apparatus.

shield tunnel; waterproof test; sealing gasket performance; material of apparatus; pressure of waterproof; assembling force; opening amount

2017-01-16;

2017-04-19

国家科技支撑计划子课题(2013BAB10B02-4)； 联合资助基金(U1261212)

董林伟(1986—)，男，山东泰安人，中国矿业大学(北京)岩土工程专业在读博士，研究方向为城市地下工程。E-mail： dlw860210@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.013

U 45

A

1672-741X(2017)08-0997-06