大型盾构管片接头高温张开与防水关系研究

王安华，周 年

（1、南昌轨道交通集团有限公司 南昌330038；2、江西省药品检验检测研究院，国家药品监督管理局中成药质量评价重点实验室，江西省药品与医疗器械质量工程技术研究中心 南昌330029）

随着我国交通强国建设的提出，轨道交通快速发展，全国已开通轨道交通城市共43 座，其中开通地铁城市40座。为进一步优化交通结构，许多城市开始建造公路、铁路、地铁等共用的大型跨江（河）盾构隧道。这些大型隧道直径在10 m 以上，一旦发生火灾，特别是大型火灾，隧道内急剧升温，高达1 000 ℃以上，进而影响隧道结构防水和安全。

一般而言，盾构管片可通过原材料、混凝土配合比等措施达到自防水效果；接头则是盾构隧道防水薄弱环节，需采用橡胶条进行防水。［3-4］因此，本文从试验［5-8］、软件模拟［8-13］、计算分析等角度，对大型盾构隧道接头张开变形、温度与防水关系进行研究。

1 接头高温试验

采用北京地下直径线管片，C50 混凝土，内径10.5 m，外径11.6 m，厚0.55 m，环宽1.8 m，接头M36螺栓连接，设内外2道防水橡胶条，设计防水水压1.3 MPa。试验荷载F=250 kN，N=158 kN；采用ISO834 升温曲线［14］，时长120 min 和180 min，在橡胶条处设温度测点，接头处设位移计测张开值（见图1、表1）。

图1 管片接头试验示意图Fig.1 Schematic Diagram of Segment Joint Test

2 数值模拟

应用ANSYS 软件模拟高温下管片接头并进行数值分析，其中管片采用solid70 三维实体单元［15］，螺栓采用link33杆单元，进而建立三维模型（见图2a）。

表1 管片接头高温试验工况Tab.1 High Temperature Test Cases of Segment Joint

按试验条件数值模拟，得到高温条件下，不同时间的管片接头的张开变化（见图2b）。

图2 接头数值分析模型及数值模拟下接头变形Fig.2 Numerical Analysis Model of Segment Joint and Joint Deformation under Numerical Simulation

3 结果和分析

3.1 高温试验下接头张开变形

试验下接头张开量-时间关系如图3 所示，如图3可知，温度越高、受温时间越长，接头张开越大，特别在1 000 ℃受温时（工况5、工况6），接头张开变化显著。

图3 试验工况下接头张开量-时间关系Fig.3 Relationship between Joint Opening and Time under Test Cases

3.2 数值模拟下接头张开变形

对比图3与图4，数值模拟得出的接头张开变形曲线与高温试验基本吻合。这也说明试验结果是可靠的。因此，接下来采用试验数据进行接头防水分析。

3.3 不同温度下橡胶条防水分析

在不考虑接头错台的情况下，对文献［1］和文献［2］进行分析，提出管片接头橡胶条耐水压值和温度、张开量的关系：

⑴当橡胶条温度≤120 ℃时，橡胶条性能与常温下橡胶条耐水性能基本相当［2］，因此可认为橡胶条耐水压值只与接头张开量有关。

⑵当橡胶条温度＞200 ℃时，橡胶条耐水压值为0［1］，则可直接认定橡胶条防水失效。

图4 数值模拟下接头张开量-时间关系Fig.4 Relationship between Joint Opening and Time under Numerical Simulation

⑶当橡胶条温度在120～180 ℃时，根据橡胶条在不同张开量下的温度、耐水压值数据［1］，可分析得到相应的拟合曲线（见图5）及函数（见表2），并计算出橡胶条的耐水压值。

图5 不同张开量下橡胶条耐水压值-温度拟合曲线Fig.5 Water Pressure Value and Temperature Fitting Curve of Rubber Strip under Different Opening

表2 耐水压值与温度关系拟合函数Tab.2 Fitting Functions of the Relationship between Water Pressure Value and Temperature

⑷ 当温度在180～200 ℃间时，可通过180 ℃和200 ℃的耐水压值，插值求得橡胶条耐水压值。

图6 不同张开量下高温下接头橡胶条耐水压-温度关系分段Fig.6 Sectional of Relationship between Water Pressure and Temperature of Rubber Strip under Different Opening

综上，可得出一系列不同张开量下，橡胶条耐水压值与温度的关系曲线（见图6），具体分为常温计算段（温度＜120 ℃）、拟合段（120 ℃≤温度≤180 ℃）、插值段（180 ℃＜温度＜200 ℃）、0 值段（温度≥200 ℃）。即通过高温下橡胶条张开量、温度数组，可求得橡胶条的耐水压值。

3.4 高温下接头防水有效性分析

3.4.1 对管片外侧橡胶条防水分析

根据图7 可知，各工况下外侧橡胶条温度均在50 ℃内，远小于120 ℃。结合图6、图8，可知外侧橡胶条耐水压值仅与张开量有关。

图7 各工况下外侧橡胶条温度与时间关系Fig.7 Relationship between Temperature and Time of Outer Rubber Strip under Different Test Cases

图8 各工况下外侧橡胶条张开与时间关系Fig.8 Relationship between Opening and Time of Outer Rubber Strip under Different Test Cases

按图6 的常温计算段，可得橡胶条张开7.3 mm时，耐水压正好为1.3 MPa（即设计防水水压），大于7.3 mm 可认为防水失效。因此，可直接根据外侧橡胶条最大张开量，直接判断防水是否有效（见表3）。

表3 各工况下外侧橡胶条防水情况Tab.3 Waterproof Failure of Outer Rubber Strips under Different Cases

3.4.2 对管片内侧橡胶条防水分析

由图9 可知，工况4、工况5 及工况6 的内侧橡胶条最高温都达到200 ℃，耐水压值为0，防水失效。其余工况可通过张开量、温度数组（见图9、图10）算出最小耐水压值，并与设计防水水压对比，判断防水是否有效（见表4）。

4 结论

本文进行管片接头高温试验和软件模拟，并对橡胶条耐水压值与接头橡胶条张开、温度的关系进行研究，得出以下结论：

图9 各工况下内侧橡胶条温度与时间关系Fig.9 Relationship between Temperature and Time of Inner Rubber Strip under Different Test Cases

图10 各工况下内侧橡胶条位置张开量与时间关系Fig.10 Relationship between Opening and Time of Inner Rubber Strip under Different Test Cases

表4 各工况下内侧橡胶条防水失效情况Tab.4 Waterproof Failure of Inner Rubber Strips under Different Cases

⑴数值模拟与高温试验得出的接头张开变形基本吻合。

⑵提出了一系列张开量下的橡胶条温度与耐水压值关系曲线。当橡胶条温度小于120 ℃时，可按常温分析，其耐水压值只与张开量有关；当橡胶条温度在120～180 ℃间时，可通过不同张开量下橡胶条耐水压值与温度的拟合曲线，计算橡胶条耐水压值；当橡胶条温度高于200 ℃时，耐水压值为0；当橡胶条温度在180～200 ℃间时，可通过插值计算出橡胶条耐水压值。

⑶通过不同工况下接头橡胶条的温度、张开量数组，可判断接头橡胶条的防水有效性。