水下盾构隧道弹性密封垫防水失效数值模拟研究

王 湛

（中交四航工程研究院有限公司，广东广州 510288）

水下盾构隧道弹性密封垫防水失效数值模拟研究

王 湛

（中交四航工程研究院有限公司，广东广州 510288）

结合某水下盾构隧道工程的防水设计，采用大型有限元软件ABAQUS对弹性密封垫的防水失效机理进行数值模拟研究。将本文有限元模型与前人简化模型进行了对比分析，并对接缝张开及接缝错开情况下的密封垫防水失效机理进行了分析。研究表明，在接缝张开的情况下，渗漏主要发生在密封垫间的接触面上；接缝错开的情况下，随错缝位移的增大，渗漏将由发生在密封垫接触面上而转变为发生在密封垫与混凝土间的接触面上。

水下隧道；盾构隧道；弹性密封垫；防水；数值模拟；失效机制

0 引言

随着经济的高速发展及施工水平的提高，越来越多的过江隧道倾向于采用盾构技术进行施工。由于过江隧道所承受的水头压力比一般陆域段隧道要高很多，因此过江隧道防水设计显得特别重要。如果接缝防水失效，则会引起隧道渗漏，进而会引起隧道不均匀沉降，危及到隧道结构以及运营的安全。大量工程实践表明，盾构隧道的渗漏主要发生在管片接缝处［1］。目前，盾构隧道接缝防水的主要方式是密封垫防水。密封垫的种类主要分为弹性橡胶密封垫和遇水膨胀橡胶密封垫，遇水膨胀橡胶一般是用在双道止水系统中，主要还是靠弹性橡胶密封垫来进行防水。

关于弹性密封垫防水失效机制的研究主要集中在试验研究和数值分析2个方面。试验研究方面，Paul［2-3］对弹性密封垫进行了防水失效试验，大多数试验结果表明渗漏发生在弹性密封垫与钢性密封垫沟槽间，其原因是弹性密封垫与沟槽之间的黏结分离了。Shalabi［4］对弹性密封垫在钢性密封垫沟槽和混凝土密封垫沟槽下分别进行了防水失效试验，同时考虑了混凝土管片纵缝有一定转角情况下的防水失效试验，其结果表明，在钢性密封垫沟槽中弹性密封垫的防水性能要优于在混凝土密封垫沟槽中的弹性密封垫，并且对于纵缝为凸面对凸面情况下，纵缝上的侧向弯矩会使其防水性能下降。陆明等［5］结合上海长江隧道工程衬砌接缝和连接通道的防水要求，对弹性橡胶密封垫的一字缝和T字缝试件进行了水密性试验，并考虑了不同的弹性密封垫对水平张开量和错开量的影响。邓朝辉［6］结合武汉长江隧道管片接缝防水设计，对接缝防水要求、密封垫结构选型及防水试验进行了探讨。刘印等［7］认为隧道纵向不均匀沉降在一定程度上会造成环缝的张开，进而造成弹性密封垫防水性能的减弱，大多数盾构隧道渗漏点会出现在管片环缝处，而纵缝处的渗漏则相对较少。文献［8-9］结合南京纬三路过江隧道接缝防水设计，进行了多组密封垫装配力及一字缝、T字缝防水性能试验，从而研究优化了性能、结构优异的三元乙丙橡胶弹性密封垫断面形式。数值分析方面，向科等［10］则基于国内外多个已建盾构隧道弹性密封垫的分析，通过有限元软件ANSYS对不同形状的弹性密封垫在不同压缩量下的变形特性、接触面压应力分布进行数值模拟，据此对盾构隧道管片接缝弹性密封垫断面进行调整和优化，并最终得到了更为合理的弹性密封垫断面形式。何太洪等［11-12］结合杭州地铁1号线过江隧道防水设计，利用数值的方法，优化了密封垫的断面结构形式，并分析了接触应力分布以及闭合压力的关系。雷震宇［13］则在前人的基础上，通过对压缩变形情况下弹性密封垫的孔洞合理变形、薄弱处应力集中、完全压缩到沟槽时压力大小、最大张开量下接触应力的大小及其分布等多因素的综合分析，提出以橡胶密封垫表面接触应力和完全压缩到沟槽内的闭合压力作为盾构隧道管片接头弹性密封垫断面设计的双控指标。

以上的研究在试验方面已经非常成熟，形成了一字缝和T字缝的水密性试验方法。在数值模拟方面，主要还是考虑接缝两侧弹性密封垫受压的对称性，利用ANSYS软件对一侧弹性密封垫的断面形式优化和接触应力进行数值分析，然而该方法并不能反映密封垫的真实接触面条件，且不能分析弹性密封垫在错开时的接触应力和变形特性。大部分的研究集中在密封垫接触面间的渗漏，少有文献考虑密封垫与混凝土间的渗漏情况。本文基于某过江隧道工程，采用大型有限元软件ABAQUS对弹性密封垫张开和错开时的防水失效机制进行数值模拟研究，以期为日后弹性密封垫的设计提供依据。

1 工程概况

某越江隧道外径为11.3 m，内径为10.3 m，管片厚度为50 cm，环宽2.0 m，错缝拼装。采用C50钢筋混凝土管片，抗渗等级为S12。管片环与环之间采用36条M30斜螺栓连接，块与块间通过2条环向M36斜螺栓连接。本隧道江中最深处位于强透水地层，最大水压0.45 MPa。管片接缝采用双道防水，外侧为EPDM弹性橡胶密封垫，紧靠其内侧为遇水膨胀橡胶密封垫。

考虑到隧道在设计年限内弹性密封垫内应力松弛和老化的影响，弹性密封垫防水压力设计值通常会在承受最大水压力值的基础上乘以一个安全系数。根据《盾构法隧道防水技术规程》规定：设计水压应为实际承受最大水压的2～3倍。在本工程中安全系数取2，因此在最大错缝量和张开量的情况下，弹性密封垫的防水压力取0.9 MPa。最大张开量和最大错开量根据以往的施工经验和《盾构法隧道施工与验收规范》［14］分别取8 mm和15 mm。闭合压缩力则根据上海地铁以往的施工经验应小于60 kN/m。

根据以上接缝密封垫的指标和以往的工程经验，弹性密封垫的断面结构形式如图1所示，IRHD硬度取62±5°，两密封垫压缩至设计高度共需压缩20 mm，即每个密封垫压缩10 mm。

图1 弹性密封垫结构断面图（单位：mm）Fig.1 Profile of EPDM elastic sealing gasket（mm）

2 数值模型

根据弹性密封垫的断面形式对弹性密封以及周边混凝土管片进行二维建模，如图2所示。

图2 弹性密封垫与混凝土模型示意图Fig.2 Sketch of model of EPDM elastic sealing gasket and concrete segment

2.1 边界条件

对于混凝土管片C1，左边界施以x方向的约束，上下两边界施以y方向的约束；对于混凝土管片C2，上下两边界施以y方向的约束，右边界根据计算的内容施加位移荷载或力荷载。

2.2 材料参数及本构

C50混凝土采用弹性本构模型，弹性模量取3.45×104MPa，泊松比取0.167。橡胶材料通常被处理为各向同性不可压缩超弹性材料，超弹性材料应力与应变之间的非线性关系主要通过应变能函数来定义。本计算中采用工程中应用比较广泛的Mooney-Rivilin二参数模型［15］。其应变能函数表达式为

U＝C10（I1-3）+C01（I2-3）。

式中：U为应变势能；I1、I2为应变不变量；C10、C01为材料参数，通过试验获得。其中C10取0.532、C01取0.131。

3 结果分析

3.1 2种方法的比较

以往的数值方法是利用弹性密封垫受压的对称性，对一侧弹性密封垫进行建模分析，弹性密封垫周围的混凝土用刚体代替，对上部刚体施加位移来模拟弹性密封的受压，如图3所示。在本文中采用的是完全建模，对混凝土管片C2施加力荷载来真实模拟弹性密封垫的受压。图4为在密封垫完全压缩的情况下，前人方法和本文方法在模拟接触应力的一个对比，由此可见前人的简化方法相比于本文中的实际工况是可取的。图4（a）为密封垫间的接触应力，从图中可以看出，密封垫间的接触应力分布呈现出两头大的趋势，这个是由角部应力集中导致的。图4（b）为密封垫与混凝土间的接触应力，从图中可以看出，接触应力的分布沿接触面长度基本呈对称分布的趋势，且接触力的数值基本都在防水设计压力值之上。同时可以看出本文的计算结果稍微大于前人的计算结果，这可能是由于加载方式的不同而引起的。根据赵明等［9］提出的平均接触应力计算方法，即平均接触应力＝装配力/密封垫接触面宽度，通过对比图4（a）和（b）可以看出密封垫间的接触应力要小于密封垫与混凝土间的接触应力。

图3 前人数值模拟方法示意图Fig.3 Sketch of previous numerical method

3.2 硬度分析

根据王伟等［15］给出的硬度与杨氏模量之间的关系

式中：E为杨氏模量；HA为硬度。可以通过改变杨氏模量来模拟不同硬度下的密封垫的压缩特性。在硬度分析中，加载方式采用力加载的方式。图5为数值分析不同硬度下密封垫压应力与压缩量之间的曲线图。从图中可以看出在62°情况下，密封垫压缩至设计高度时的装配力是小于60 kN/m的，随着硬度的增加，装配力也在增加。

图4 弹性密封接触应力-接触面长度曲线图Fig.4 Curve of contact stress Vs.contact surface length

图5 不同硬度下密封垫装配力-压缩量曲线图Fig.5 Curves of assembling force Vs.decrement under different hardness

3.3 防水失效机制

3.3.1 张开防水失效机制根据3.1节提出的平均接触应力的概念，得到平均接触应力随张开量的曲线图。从图6中可以看出，在密封垫张开的情况下，密封垫间的平均接触应力始终是要小于密封垫与混凝土间的平均接触应力，在张开量达到9 mm的时候，密封垫间的平均接触应力先行达到密封垫的防水设计压力0.9 MPa。因此在密封垫张开的情况下，根据防水失效的判定，即接缝的接触应力小于设计水压时，防水失效机制如图7所示，从图7中可以看出，渗漏会先发生在弹性密封垫间。

图6 平均接触应力-张开量曲线图Fig.6 Curves of average contact stress Vs.opening

图7 接缝张开防水失效机制Fig.7 Waterproof failure mechanism of joint opening

3.3.2 错开防水失效机制

根据3.1提出的平均接触应力的概念，得到平均接触应力在接缝张开位移为0时随错开量的曲线图（见图8）。从图8中可以看出，密封垫错开时的防水失效机制要比张开时的复杂一些。从图8中可以看出错开量的大小对密封垫间的平均接触应力影响不大，但是密封垫与混凝土间的接触应力随着错开量的增加而减小。针对本工程，可以发现，密封垫间的平均接触应力始终大于设计防水压力0.9 MPa，而当错开量达到约16 mm时，密封垫与混凝土间的平均接触应力减小到了0.9 MPa，根据防水失效判定的原理，此时防水失效机制如图9所示，即认为渗漏发生在密封垫和混凝土之间。

图8 弹性密封垫平均接触应力-错开量关系曲线图Fig.8 Curves of average contact stress Vs.staggering

图9 接缝错开防水失效机制Fig.9 Waterproof failure mechanism of joint staggering

4 结论与讨论

本文基于某实体工程的防水设计，采用有限元的方法对弹性密封垫防水失效进行了数值模拟研究，得到了以下结论：

1）在密封垫完全压缩至设计值，且不发生错动时，密封垫与沟槽间的平均接触应力要大于密封垫间的平均接触应力。在这种情况下，当水压力大于密封垫间的接触应力时，防水失效会发生在密封垫间。

2）利用前人提出的平均接触应力概念，对防水失效的机制进行了研究，在密封垫只是张开的情况下，由于密封垫间的平均接触应力小于密封垫底部的平均接触应力，根据本文的判定方法，可以认为渗漏是发生在密封垫间的接触面上；而在密封垫只是错开的情况下，虽然初始情况下密封垫底部的平均接触应力要大于密封垫间的接触应力，但是密封垫底部的接触应力会随着错开量增大而减小，而密封垫间的接触应力基本保持不变，根据本文的判定方法可以认为，渗漏是发生在密封垫和混凝土的接触面上。

本文限于文章的篇幅，只是对单纯张开和错开2种情况下的防水失效原理进行了一些探讨，而实际上接头的变形是同时伴随着张开和错开的，所以实际的接头防水失效机制要比文章内探讨的更为复杂。今后的研究可以基于本文的研究思路和方法对复杂工况下接头的防水失效进行进一步研究。

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Numerical Study on Waterproof Failure Mechanism of Elastic Sealing Gasket of Underwater Shield-bored Tunnel

WANG Zhan
（CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510288，Guangdong，China）

In the paper，numerical simulation study is made on the waterproof failure mechanism of elastic sealing gaskets by means of ABAQUS program，with the design of the waterproof system of an underwater shield-bored tunnel as example.The finite element model used in the paper is compared with the previous simplified model，and the waterproof failure mechanism of elastic sealing gaskets in the case of joint opening and that in the case of joint staggering are analyzed respectively.Conclusions drawn are as follows：1）In the case of joint opening，the water leakage mainly occurs at the contact surface between the sealing gaskets；2）In the case of joint staggering，the water leakage at the contact surface between the sealing gaskets turns into water leakage at the contact surface between the sealing gasket and the concrete segment as the staggering displacement grows.

underwater shield-bored tunnel；elastic sealing gasket；waterproof；numerical simulation；failure mechanism

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.008

U 456

A

1672-741X（2015）11-1164-05

2015-08-13；

2015-11-06

王湛（1985—），男，浙江建德人，2013年毕业于浙江大学，岩土工程专业，博士，工程师，主要从事地下工程研究和施工管理工作。