矩形盾构隧道管片弹性密封垫防水性能截面型式优选研究

崔光耀 蒋梦新 宁茂权 唐再兴 刘顺水

（1.北方工业大学，北京 100144；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430064；3.海峡（福建）交通工程设计有限公司，福州 350004）

随着我国城市建设的飞速发展，地面已有空间已 不能满足城市建设发展需求，地下隧道作为解决城市地面交通拥挤问题的重要措施而被广泛采用［1］。城市隧道往往深埋于地下，管片接缝作为薄弱部位常受到地下水的影响［2-3］。为保护隧道在地下水侵蚀下的安全与稳定，管片接缝处需采取相应的防水措施，弹性密封垫是应用较为广泛的措施之一［4-5］。因此，在施工前对弹性密封垫进行相关的设计研究就十分重要。

目前，专家学者对管片接缝弹性密封垫进行了大量的研究，陈云尧等［6］在对密封垫现状统计分析的基础上，分析了闭合孔形式、开孔率以及橡胶硬度对密封垫的防水性能的影响；江河等［7］通过有限元计算与防水试验对不同截面型式密封垫的防水性能进行了研究；张建刚等［8］利用改进条带算法建立了管片接头力学模型，分析了不同布置方式的防水密封垫对管片接头的力学影响；薛光桥等［9］以某城市隧道为研究背景，对密封垫超出设计允许值后的极限防水性能进行研究分析；丁杨等［10］通过橡胶密封垫使用寿命模型和耐久性试验数据对弹性密封垫耐久性进行了研究；朱瑶宏等［11］依托某地铁工程，通过ABAQUS 显式计算模块对不同截面型式遇水膨胀橡胶密封垫的防水效果进行了分析；张稳军等［12］对管片接缝密封垫进行了足尺试验与数值模拟。以上文献虽对密封垫进行了不同程度的研究，但针对火车站矩形盾构隧道工程管片接缝弹性密封垫防水性能截面型式的研究较少。

本文依托某城市火车站矩形盾构隧道工程，采用ABAQUS 有限元分析软件，对所设计的不同截面型式EPDM 弹性密封垫处于不同张开量、错位量时的防水性能进行对比分析，对矩形盾构隧道弹性密封垫进行截面型式优选。研究结果可为类似工程管片接缝防水提供参考。

1 研究概况

1.1 工程概况

隧址区呈南北走向，隧道掘进距离246 m，最大埋深约11.11 m，隧道断面宽度为12.6 m、高度为7.65 m，盾构段管片为整环预制管片。地层围岩以Ⅵ级为主，局部为Ⅴ级，围岩性质差，属上软下硬地层，力学性质不均匀，极易坍塌变形。

隧址区稳定水位埋深0.3～11.2 m，大部分盾构段处于地下水位以下。该隧道防水设计以混凝土自防水为主，柔性防水为辅。隧道设计要求管片接缝处EPDM 弹性密封垫在接缝张开量7 mm、错位量12 mm 的情况下需具备承受1.0 MPa 水压而不发生渗水漏水的能力。

1.2 计算工况

设计5 种截面型式弹性密封垫截面型式如图1所示，设置两种计算工况如表1所示。

图1 密封垫截面型式图（mm）

表1 计算工况表

1.3 计算模型

采用有限元软件ABAQUS 建立不同工况下各弹性密封垫的计算模型，如图2所示（以截面A 为例）。橡胶本构选用Monney-Revlin 模型，其应变能函数如式（1）所示。将上下沟槽混凝土结构设置为刚体［13-14］，部件间法向采用硬接触，切向采用罚函数接触。模型采用位移控制加载，底部混凝土进行全约束。正常压缩计算工况时仅对上部结构施加18 mm 竖向位移，错位压缩计算时先对上部结构施加横向位移后在进行竖向位移加载，每1 mm 为一个加载步。

图2 计算模型图（截面A）

式中：W——应变式能函数；

C10、C01——橡胶的性能参数；

弹性密封垫材料是三元乙丙橡胶，硬度取为65°，C10取0.527 38 MPa，C01取0.010 25 MPa。

1.4 测线布置

一般来说，若沟槽与密封垫、密封垫与密封垫接触面之间的接触应力大于渗水压力，则弹性密封垫防水性能良好［15］。因此，为分析弹性密封垫在接缝张开量不同时的防水性能，分别在混凝土管片上、下沟槽与弹性密封垫接触部位以及上、下弹性密封垫之间设置测线，如图3所示。

图3 测线布置图

2 计算结果分析

2.1 正常压缩性能分析

提取正常压缩计算工况下各截面型式弹性密封垫不同张开度下的接触应力云图，如图4所示。

图4 接触应力云图（以截面C 为例）

从接触应力云图中提取各工况张开度7 mm 时最大接触应力，如表2所示。绘制张开度-最大接触应力变化图，如图5～图7所示。

表2 设计张开度最大接触应力表（MPa）

图5 测线1 最大接触应力图

图7 测线3 最大接触应力图

由图5与表2可知，对于测线1 来说，各截面最大接触应力随着张开度减小而减小，且仅有截面型式A最大接触应力小于设计防水压力；总体上，测线1 处截面A 防水性能最差，截面C 防水性能最优；接缝张开度为12 mm 时，截面C、D、E 最大接触应力分别为1.255 MPa、1.002 MPa、1.207 MPa，满足防水要求；测线1 处各截面型式防水性能由高到低依次为C、E、D、B、A。

由图6与表2可知，对于测线2 来说，各截面型式防水性能在张开度为7 mm 时均满足要求；截面A防水性能最差，当接缝张开度为12 mm 时，各截面最大接触应力均大于1.0 MPa，满足防水要求。

图6 测线2 最大接触应力图

由图7与表2可知，对于测线3 来说，各截面在设计张开度时最大接触应力均大于1 MPa。测线1 处截面A 防水性能最差，截面C 防水性能最优，接缝张开度为0 时最大接触应力为5.983 MPa，张开度为12 mm 时截面A、B 最大接触应力为0.758 MPa 与0.788 MPa，不能满足防水要求；测线3 处各截面型式密封垫防水性能总体上与测线1 相同。

2.2 错位压缩性能分析

提取错位压缩时不同截面型式密封垫在不同张开度下的接触应力云图，如图8所示。

图8 接触应力云图（以截面C 为例）

从接触应力云图中提取各工况不同测线设计张开度时最大接触应力，如表3所示，绘制不同张开度时各测线张开度-最大接触应力变化图，如图9～图11所示。

图9 测线1 最大接触应力图

图11 测线3 最大接触应力图

表3 设计张开度最大接触应力表（MPa）

由图9与表3可知，对于测线1 来说，当处于错位压缩工况下时，张开度在处于较小状态时最大接触应力相较于正常压缩工况有所提升，且在设计张开度时最大接触应力均满足要求，截面A 防水性能仍为最差；张开度在从0 mm 上升到4.2 mm 时，截面D 防水性能最优；从4.2 mm 上升到8 mm 时，截面C 防水性能最优；从8 mm 上升到12 mm 时，截面E 防水性能最优；截面C、D、E 均能满足张开度12 mm 时的防水性能要求。

由图10与表3可知，对于测线2，仅有截面A 在张开度为7 mm 时防水性能达不到要求；除接缝张开度位于0～1 mm 外截面D 最大接触应力最大外，其余接缝张开度下截面C 最大接触应力占优势；当接缝张开度为12 mm 时，截面C 密封垫测线2 最大接触应力为2.337 MPa。

图10 测线2 最大接触应力图

由图11及表3可知，对于测线3 来说，各截面最大接触应力随着张开度减小而减小，且在设计张开度时最大接触应力均满足要求；总体上，测线3 处截面A 防水性能最差，截面B 略防水性能略优于截面A，截面型式C 密封垫防水性能优于其余截面型式的密封垫。

3 结论

本文通过对某城市火车站矩形盾构隧道工程的EPDM 弹性密封垫防水性能进行分析，得出以下主要结论：

（1）弹性密封垫在正常压缩计算工况时：截面型式A 防水性能最差，达不到防水设计要求，截面型式B略优于截面形式A，总体上各截面型式密封垫防水性能从高到低依次为：C／E ＞ D ＞ B ＞ A。

（2）弹性密封垫在错位压缩计算工况时：截面C、D、E 均能满足防水要求张开度7 mm、错缝量12 mm的防水要求，各截面型式防水性能总体上从高到低依次为：C／D ＞ E ＞ B ＞ A。

（3）综上，截面型式A、B 防水性能较差，建议采用截面型式C 弹性密封垫作为矩形盾构隧道接缝防水措施。