盾构隧道管片密封垫防水失效模式及改善研究

陈云尧， 张军伟， 马士伟， 李 雪

(1. 西南石油大学地球科学与技术学院， 四川 成都 610500; 2. 中建地下空间有限公司， 四川 成都 610073)

0 引言

目前盾构隧道管片接缝防水均采用嵌套在预制沟槽中的橡胶密封垫实现，管片拼装后沟槽中的密封垫受到挤压，在密封垫与密封垫接触面、密封垫与沟槽接触面产生大于外部水压的接触压力从而实现防水。

关于盾构密封垫失效研究： 朱洺嵚等[1]通过水密试验，研究了上海市高水压隧道密封垫耐水压值； Ding等[2]基于水密性测试，研究了南京纬三路盾构隧道接缝防水； 董林伟等[3]、Shalabi[4]对比了混凝土沟槽与金属沟槽对密封垫防水失效的影响； Li等[5]以南京地铁10号线越江隧道密封垫设计为对象，测试了双道密封垫的防水能力； Gong等[6]结合试验与数值分析数据，得到了一个关于密封垫接触压力与水压的计算公式； 王湛[7]分析了管片接缝在张、错不利工况下密封垫的失效特征； 雷震宇等[8]采用ANSYS-PDS 模块，研究了产品加工尺寸误差对密封垫防水失效的影响； 向科等[9]基于具体工程采用ANSYS数值模拟方法对密封垫断面进行了优化设计； 龚琛杰等[10]建立了一套接缝密封垫优化设计方法，成功指导了南京纬三路长江隧道防水设计。

以上研究表明，目前抗水压性试验已形成了一定方法及流程，数值分析方法在密封垫防水优化设计研究中逐渐被采用。但已有文献较少涉及密封垫防水失效模式、不利工况下密封垫参数调整对防水的影响等研究。基于前人研究成果，本文首先基于具体工程分析盾构隧道防水失效形态； 其次采用ABAUQS软件，以二维双面模型为基础，分析管片接缝不利工况下的失效模式； 最后从橡胶硬度、不同部位开孔率改变对密封垫防水性能改善进行研究。

1 工程概况

本工程为地铁盾构隧道，管片外径为8.3 m，厚度为0.4 m，管片支护结构采用错缝拼装。工程最大可能水头高度为33.37 m，即隧道结构承受的最大水压力约为0.333 7 MPa。地下工程设计年限为100年，长期性地下建筑设计安全系数取为1.2。参照已有研究，三元乙丙橡胶100年以后的压缩应力保持率为0.65(65%)，防水设计能力=(理论水压力值×安全系数)/压缩应力保持率[11]，则设计水压力为(0.333 7 MPa×1.2)/0.65≈0.7 MPa。

工程采用单道防水设计，密封垫采用三元乙丙(EPDM)弹性橡胶，密封垫硬度初步拟定为65°。断面外轮廓及具体参数见图1(a)。管片厚400 mm，沟槽外边缘距离管片外表面53.5 mm。沟槽具体参数见图1(b)。

(a) 密封垫尺寸

(b) 沟槽尺寸

为分析盾构隧道渗漏特征，对依托工程进行了统计调研。从始发洞门至正在掘进的断面，双洞共调查3 000环管片。采用直接目视观察法，以渗漏水印为判断依据。共统计到15个渗漏样本，漏水样本实际状况见图2。部分样本包含多个渗漏形态，各样本中渗漏形态各自描述计数，例如01样本包含2个渗漏形态，15个渗漏样本共包含20个渗漏形态。

图2 盾构隧道渗漏样本

根据工程拼装结构及实际渗漏情况，将盾构隧道渗漏形态分为T字缝、环缝(非T接部)、纵缝(非T接部)、注浆孔渗漏4种形态。此外，管片螺栓孔(手孔)也是容易发生渗漏的部位，但本次调研未统计到螺栓孔渗漏样本。

通过统计可以发现： T字缝渗漏形态最多，占总数的35%(共7个)； 排在第2位的是环缝渗漏、纵缝渗漏形态，两者占总数的25%(共5个)； 注浆孔渗漏形态排在第3位，占总数的15%(共3个)。基于统计结果可以得出，错缝拼接盾构隧道渗漏的主要形态是接缝渗漏，且以T字缝渗漏最多。

管片接缝产生防水失效原因主要是密封垫接触面积(防水长度)或接触压力不足以抵抗外水压。单道密封垫防水失效的主要原因是管片接缝张开量、错台量、内张角及外张角超过容许限值。

2 数值模型

密封垫压缩过程通常采用平面二维模型分析，在图2所示的接缝渗漏形态中，环缝渗漏、纵缝渗漏这种非T接部位的渗漏形态可以归为“一字缝”渗漏，该部位的密封垫压缩可以简化为平面应变问题进行分析。而T字缝由于其结构复杂，二维模型难以分析其压缩过程，因此本文仅对环缝渗漏、纵缝渗漏这种非T接部位的渗漏失效机制进行讨论。

前人模型中仅考虑了图3所示矩形间断线部分，即只考虑了上下密封垫与管片沟槽部分，没有考虑管片的厚度及沟槽位置对防水性能评价的影响。在分析张开、错台工况时，模型与工程实际符合。但分析张角时，该模型仅能设置特定张角数值，忽略了沟槽位置对防水评价的影响，这与实际工程符合度不高。

图3 密封垫及沟槽数值模型

本研究基于前人的模型(见图3)，考虑了管片厚度、沟槽位置、内外张角对接缝密封垫评价的影响。内张角模型中2个参考点设置在管片外侧端点，外张角模型中2个参考点设置在管片内侧端点。在分析每个工况中，模型的2个密封垫与管片均对开旋转，即上下密封垫管片均旋转分析工况的1/2张角值，从而减小模型初始装配对分析结果的影响。

橡胶刚度远小于混凝土，为提高计算效率，采用刚体来模拟管片。橡胶属于不可压缩的超弹体材料，采用Mooney-Rivlin本构模拟橡胶，其数值分析参数C10、C01取值由橡胶硬度(HA)确定，取值参考Gong等[6]介绍的方法。数值计算时固定RP2，设置RP1的竖向位移来模拟密封垫压缩。

关于防水失效评价指标，本文采用平均接触压力法，将接触面的接触压力绘制成曲线进行积分，积分结果除以接触面长度即为平均接触压力。当平均接触压力小于设计防水压力时，认为密封垫防水失效。

3 防水失效机制

3.1 接缝张、错失效机制

密封垫断面高度为20 mm，沟槽深度为12 mm，即双面密封垫模型完全闭合需要压缩16 mm。对于接缝张开量，国家规范未做明确要求，参照已有工程，本工程接缝张开量控制指标为6 mm。国家规范GB 50446—2017《盾构法隧道施工与验收规范》[12]规定地铁隧道错台量最大为15 mm。张开量分析中共设置16个工况，每个分析工况的张开量增量为1 mm。错台失效分析中设置了15个分析工况，每个分析工况的错台量增量为1 mm，同时错台分析中密封垫均为完全压缩，即压缩16 mm。

接缝不同张开量下密封垫模型垫间平均接触压力、混凝土垫间平均接触压力见图4(a)。可以看出： 1)垫间、混凝土垫间平均接触压力均随张开量增大而减小； 2)在0～16 mm张开量区间，当张开量一定时垫间平均接触压力均小于混凝土垫间平均接触压力。

基于平均接触压力与接缝防水能力的判定关系，按照本工程设计防水压力0.7 MPa的设计指标，可以发现： 当张开量大于4 mm时垫间发生泄漏； 当张开量大于11 mm时混凝土垫间发生泄漏，即不满足6 mm张开量要求。

综上，管片接缝在张开不利工况下，泄漏先发生于密封垫与密封垫的接触面，随着张开量增大，密封垫与沟槽的接触面发生泄漏。

密封垫模型垫间平均接触压力、混凝土垫间平均接触压力随接缝错台量的变化见图4(b)。可以看出： 1)整体上垫间平均接触压力、混凝土垫间平均接触压力均随接缝错台量增大而减小； 2)在错台量为1～15 mm时，密封垫模型的垫间平均接触压力、混凝土垫间平均接触压力均大于设计防水压力，即密封垫在管片接缝错台不利工况下均不发生泄漏，且满足国家规范规定要求。

(a) 张开分析结果

(b) 错台分析结果

Fig. 4 Effect of segment joint opening and staggering on average contact pressure

在无错台、无张开量的完全闭合工况下，密封垫模型垫间平均接触压力为1.7 MPa，混凝土垫间平均接触压力为3.1 MPa。对比图4(b)数据可以发现，错台工况下混凝土垫间平均接触压力最大值为2.9 MPa，即管片接缝错台会降低混凝土垫间的防水性能。虽然错台量在1 mm、9～15 mm垫间平均接触压力均小于1.7 MPa，但在2～8 mm垫间平均接触压力均大于1.7 MPa。以上结果表明，错台量在部分工况下提高了错台工况下垫间的防水能力，但这并不能表明错台量有利于管片接缝密封垫的防水。

从二维分析结果来看，在密封垫完全压缩错台工况下，垫间、垫混凝土间平均接触压力均大于设计防水压力，即管片接缝错台对密封垫防水影响较小。但在三维条件下，管片接缝的错台可能引起邻近管片接缝的张开。3环错缝拼装示意图见图5。当第1环的封顶块发生X方向的错台时，在封顶块与邻接块的接缝(接缝Ⅲ)、封顶块与邻接块的接缝(接缝Ⅰ)产生错台，则在第1环封顶块与第2环邻接块的接缝(接缝Ⅱ)就会产生与错台量数值相同的X方向的张开量。

图5 盾构管片错缝拼接模型

虽然二维计算分析结果表明错台量对密封垫防水影响较小，但从三维多环管片结构分析结果可以得知，错台量的产生影响着衬砌结构其他管片的张开量。因此，基于张开量对防水的影响分析，必须严格控制管片接缝错台量。

3.2 接缝内、外张角失效机制

管片接缝张角数值由盾构隧道椭圆度确定，高波等[13]提出了一种管片椭圆度与张角的计算方法。参考国家规范[12]，本工程地铁隧道椭圆度限值为5‰，结合本工程管片几何参数求得5‰椭圆度时接缝最大张角数值为1.006 58°。内、外张角失效分析中均设置8个工况，每个分析工况的张角增量为0.2°，同时张角分析中密封垫均为完全压缩无错台工况。

垫间、混凝土垫间平均接触压力随内张角变化的曲线见图6(a)。可以看出： 1)垫间、混凝土垫间平均接触压力均与内张角变化呈线性负相关，即随着内张角的增大，垫间、混凝土垫间平均接触压力均减小； 2)垫间平均接触压力在最大内张角1.0°工况时为2.38 MPa，混凝土垫间平均接触压力在最大内张角1.0°工况时为1.20 MPa，均大于设计防水压力(0.7 MPa)，即5‰椭圆度时内张角工况下密封垫不发生泄漏，满足防水要求。

垫间、混凝土垫间平均接触压力随接缝外张角的变化见图6(b) 。可以看出： 1)混凝土垫间平均接触压力随接缝外张角的增大而减小，但外张角在1.0°变化范围内均大于设计防水压力(0.7 MPa)，即混凝土垫间满足防水要求； 2)垫间平均接触压力也随接缝外张角的增大而减小，当接缝外张角大于0.6°时垫间平均接触压力开始小于设计防水压力(0.7 MPa)，即当接缝外张角大于0.6°时垫间不满足防水要求。

(a) 内张角分析结果

(b) 外张角分析结果

Fig. 6 Effect of segment joint opening angle on average contact pressure

综上，在工程要求的5‰椭圆度内，管片接缝内张角不利工况时，密封垫混凝土垫间、垫间接触面均不发生泄漏；管片接缝外张角不利工况时，密封垫垫间会发生泄漏，而混凝土垫间接触面均不发生泄漏。

4 密封垫防水性能改善

第3节不利工况下密封垫失效机制分析表明，管片接缝张开、外张角工况下密封垫防水能力不满足规范及工程要求，需要对密封垫防水能力进行改进。

4.1 密封垫设计参数调整

密封垫防水性能调整一般通过调整橡胶硬度、断面几何参数实现。GB 18173—2010《盾构法隧道管片用橡胶密封垫》[14]规定多孔弹性密封垫硬度为60°～70°，肖氏硬度越大弹性模量越大，压缩量相同时更易获得较大的接触压力。本工程密封垫初始硬度为65°，因此硬度调整范围为65°～70°。由于管片沟槽尺寸已定，因此密封垫几何参数调整不改变密封垫外轮廓只调整孔洞尺寸。提高垫间接触压力可以通过降低开孔率增加橡胶净面积实现。为了探究不同区域调整对密封防水性能改善的效果，孔洞调整分为闭合孔区域、敞开孔半圆区域(浅灰色)、敞开孔梯形区域(深灰色)，分别通过改变R1、R2、H实现(见图7)。密封垫断面几何尺寸调整具体参数见表1。

由于管片接缝张开6 mm与外张角1.0°工况下密封垫垫间平均接触压力不满足要求，而混凝土垫间平均接触压力均大于设计压力，因此本节仅分析密封垫垫间平均接触压力数据。对表1中7个断面密封垫进行闭合压缩，硬度变化范围为65°～70°，分析工况为管片接缝张开6 mm与管片接缝外张角1.0° 2种。

共分析了108种工况，得到密封垫垫间平均接触压力并进行可视化处理，结果见图8。

图7 密封垫几何参数调整示意图

表1 密封垫断面调整参数

注： DM1-1为原设计断面； DM1-2、DM1-3属于闭合孔区域改变； DM2-2、DM2-3属于敞开孔圆形区域改变； DM3-2、DM3-3属于敞开孔梯形区域改变。

(a) 张开-闭合孔分析结果

(b) 张开-敞开孔圆形分析结果

(c) 张开-敞开孔梯形分析结果

(d) 张角-闭合孔分析结果

(e) 张角-敞开孔圆形分析结果

(f) 张角-敞开孔梯形分析结果

图8(a)、8(b)、8(c)为管片接缝张开6 mm工况分析结果； 图8(d)、8(e)、8(f)为管片接缝外张角1.0°工况分析结果。

图8密封垫防水性能改善结果

Fig. 8 Adjustment results of waterproofing performance of gasket

由图8可以得出： 1)对于本工程密封垫，不改变密封垫断面参数仅增大橡胶硬度或仅降低密封垫开孔率不改变橡胶硬度，均不能满足管片接缝张开6 mm与管片接缝外张角1.0° 2种工况下的防水要求。结合断面几何尺寸调整、硬度调整共有14种方案满足防水要求。2)当断面相同时，垫间平均接触压力与橡胶硬度呈线性正相关，即硬度愈大垫间平均接触压力愈大。

4.2 不利工况下密封垫几何参数调整影响分析

以往在评价密封垫开孔率变化对密封垫防水能力的影响时，通常是从密封垫完全闭合压缩工况去分析。

不同区域调整对平均接触压力的影响见图9。管片接缝完全闭合条件下，当开孔率发生相同变化时，敞开孔梯形区域改变获得的垫间平均接触压力最大，其次是敞开孔圆形区域改变，最小是闭合孔区域改变。

当管片接缝张开量为6 mm时，敞开孔区域改变类断面(DM2-2、DM2-3、DM3-2、DM3-3)垫间平均接触压力衰减的程度要大于闭合孔区域改变类断面(DM1-2、DM1-3)，如图9(a)所示。从垫间平均接触压力的保持效果来看，调整闭合孔的效果最好。这一特征在管片接缝完全闭合与外张角1.0°工况下，密封垫垫间平均接触压力对比结果中也被体现，如图9(b)所示。

(a) 张开分析结果

(b) 张角分析结果

Fig. 9 Influence of regional adjustment on average contact pressure

今后在评价密封垫开孔率变化对密封垫防水能力的影响时，不仅要关注密封垫完全闭合压缩理想工况下的结果，更要结合管片接缝处于不利工况去研究。

5 结论与讨论

1)基于统计结果可以得出，盾构隧道渗漏的主要形态是管片接缝渗漏，且多发生在T字缝处。

2)管片接缝不利工况下的防水能力分析表明，对密封垫防水能力影响较大的是管片接缝张开、管片接缝外张角，且渗漏均发生在密封垫与密封垫接触面。

3)二维分析模型表明，错台量对密封垫防水影响较小，但错台量的产生影响着衬砌结构的张开量，必须严格控制管片接缝错台量。

4)当断面相同时，垫间平均接触压力与橡胶硬度呈线性正相关，即硬度愈大垫间平均接触压力愈大。

5)断面几何参数调整表明，从垫间平均接触压力的保持效果来看，调整闭合孔的效果最好。今后在评价密封垫开孔率变化对密封垫防水能力的影响时，要结合管片接缝处于不利工况去研究。

本文仅对环缝渗漏、纵缝渗漏这种非T接部位的渗漏失效机制进行了讨论，而T字缝部位密封垫结构复杂，二维模型不能分析其压缩过程，关于错缝拼装中T字缝部位的渗漏机制还有待于进一步探索。