水压施加对盾构管片接缝防水性能的影响分析

郭志明,李 拼,鲁志鹏,马天宇,谢宏明,王士民

(1.南京市公共工程建设中心,南京 210019； 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063； 4.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心,武汉 430063)

引言

伴随着越来越多的过江、跨海盾构隧道的出现，其防水问题逐渐引起大家的关注[1]。一旦隧道发生渗漏水，将极大影响隧道的正常服役。接缝密封垫防水是整个盾构隧道防水系统中的薄弱环节，是盾构隧道防水设计的关键所在[2]。

关于盾构隧道接缝防水的研究主要以数值模拟与室内试验为主。在室内试验方面，有众多学者[3-11]结合不同工程进行了一系列的密封垫防水试验，研究了各工况下不同断面形式的密封垫防水性能。通过防水试验，可以直观地得到弹性密封垫在不同工况下的防水能力，但所耗费金钱与精力较多。因此，盾构隧道防水设计中往往结合数值模拟与防水试验，在防水试验前，先利用数值模拟进行预设计[12]。

在密封垫防水数值模拟方面，由于对水流的模拟较为困难，无法直接模拟出水流在密封垫间渗漏的过程。业内往往将密封垫渗漏路径上的接触应力大小以及分布情况作为评判密封垫防水能力好坏的依据[13-16]，因而，密封垫防水数值模拟更多地是用于密封垫防水性能的定性分析。根据文献[17]，密封垫在受水压作用时，水压将在接触面上产生附加应力。而目前在对密封垫的防水数值模拟中，对于水压作用考虑得较少，孙廉威[18]、李拼[19]虽在数值计算中考虑了水压，但并未系统地分析在密封垫防水数值计算中水压发挥的作用，也并无防水试验结果验证其计算的准确性。

基于以上背景，依托南京和燕路长江隧道工程，对其采用的接缝防水密封垫进行考虑水压作用与不考虑水压作用情况下的防水性能数值模拟，分析两种计算方式造成的差异，并根据密封垫防水性能试验结果对两种计算方式进行对比。

1 工程概况

南京和燕路长江隧道位于长江大桥和长江二桥之间，距离上游的长江大桥约7.4 km，距下游长江二桥约2.7 km，采用盾构法下穿长江水域，盾构段长约3 km，线路总平面如图1所示。

图1 南京和燕路长江隧道总平面

图2为南京和燕路长江隧道盾构断面，盾构隧道管片内径13.3 m，外径14.5m，管片厚600 mm。1环管片由7个标准块(B1～B7)、2个邻接快(L1～L2)和1个封顶块(F)组成，EPDM橡胶嵌于管片间接缝沟槽内，用于结构防水。

图2 南京和燕路长江隧道盾构断面(单位：mm)

南京和燕路长江隧道穿越中风化角砾岩、灰岩和角砾状灰岩、砂层、含砾砂岩等地层，同时穿越了4条断层和F7区域断裂，穿越的地层属典型的土岩复合地层。同时，隧道穿越区河道成不对称“V”形，靠近南岸段成急陡地形，最大水深达53 m，造成隧道承受水压高达0.79 MPa，属超高水压情况。

针对隧道穿越的地层地质情况不同，共设计两种密封垫以满足不同地层地质情况下的防水要求，选取其中的Ⅱ型密封垫进行数值模拟计算和防水试验。Ⅱ型密封垫防水要求为：在接缝张开10 mm，错台15 mm(设计最不利工况)下，能即时抵抗2.0 MPa水压，设计使用年限内能够抵抗0.80 MPa的水压。其截面形式如图3所示。

图3 Ⅱ型密封垫截面尺寸(单位：mm)

2 数值模型

采用ABAQUS数值分析软件对密封垫进行防水性能模拟分析，重点模拟其在设计最不利工况下(张开量10 mm，错台15 mm)的防水性能。

利用软件对图3中弹性密封垫及其周边沟槽建立二维非线性有限元模型，如图4所示。

图4 弹性密封垫及其周边混凝土管片沟槽模型

本次密封垫防水性能数值模拟中，利用混凝土刚度远大于弹性密封垫的性质，将混凝土沟槽用解析刚体进行模拟，弹性密封垫划分网格时采用平面应变单元。密封垫孔洞间接触设置为自接触，上下密封垫间及密封垫与沟槽之间的接触关系均设置为面接触，接触面法向的接触属性设置为硬接触，切向的接触属性设置为罚函数接触。密封垫压缩行程采用位移控制。本次数值模拟中采用的橡胶本构模型是与实验结果较为接近的yeoh三参数模型[20]。其应变能势函数为

U(I1，I2)=C10(I1-3)+C20(I2-3)2+C30(I1-3)3

(1)

式中，U为应变势能；I1、I2为应变不变量；C10、C20、C30为橡胶材料参数，通过橡胶材料拉伸实验获得。在本次数值模拟中，C10取0.682 83，C20取-0.100 43，C30取0.031 34。

2.1 不考虑水压作用情况密封垫防水性能

未考虑水压作用情况下，密封垫在设计最不利工况下的变形形态如图5所示。

图5 密封垫变形形态云图(未考虑水压作用)

2.2 考虑水压作用下密封垫的防水性能

在前文建模的基础上，在密封垫压缩至设计张开量后，以均布荷载的形式将0.8 MPa的水压施加于密封垫的迎水侧，如图6所示。

图6 施加水压示意

在设计最不利工况下，考虑水压作用，密封垫的变形形态如图7所示。

图7 密封垫变形形态云图(考虑水压作用)

观察两种情况下密封垫的变形形态云图可以发现：在考虑水压作用后，密封垫明显地朝着背水侧变形，上下密封垫间相互挤压程度更为剧烈；密封垫迎水侧与沟槽脱离，密封垫脚部发生翘起现象，脚部仅边缘与沟槽接触，易导致密封垫与沟槽接触应力集中。

将密封垫间接触应力及密封垫与沟槽间接触应力按图8所示路径提取。

图8 接触应力提取路径

在设计最不利工况下，密封垫的接触应力分布如图9、图10所示。

图9 密封垫间接触应力分布

图10 密封垫与沟槽间接触应力分布

对密封垫2条渗水路径上的接触应力取平均值，见表1。

表1 2种防水计算方式下密封垫平均接触应力 MPa

从图9及表1可以看出，密封垫与沟槽间接触应力整体上要大于密封垫之间的接触应力。未考虑水压作用下的密封垫间接触应力普遍小于2.0 MPa，不满足防水要求。考虑水压作用后，密封垫平均接触应力有所提升，有效接触应力分布更为集中，这是由于受水压作用后，上下密封垫角部挤压程度更为剧烈导致。这种接触应力分布情况的改变使得密封垫间部分点接触应力大于2.0 MPa，初步满足防水要求。

考虑水压作用后，密封垫整体朝背水侧变形，密封垫迎水侧存在与沟槽脱离接触的情况，这与图10中左边接触应力为0的点相对应。同时，在水压作用下，密封垫间的接触应力以及密封垫与沟槽间的有效接触应力分布更为集中，且发生了突变现象，这可能导致密封垫防水能力的不稳定。

3 防水试验

3.1 防水试验设备

对Ⅱ型密封垫进行防水实验研究，实验装置如图11所示。

图11 防水试验装置

该试验装置由全自动水压加载装置、防水试验模具、压力表、连接管道、开关阀门等部分组成。全自动水压加载装置可实现水压自动加载，水压加载精度为0.01 MPa，最大加载水压为10 MPa，同时可在发生微小渗水时进行水压补偿以保持水压的稳定，并追踪水腔中注水水量的变化，以此可计算密封垫在对应水压下的变形量。该防水试验模具包含可更换内胆，对应的密封垫沟槽位于内胆上，不同内胆对应不同的沟槽截面，如此可通过更换含对应密封垫沟槽的内胆来实现不同截面形式密封垫的防水试验，模具内胆如图12所示。

图12 防水模具内胆

3.2 防水试验开展情况

针对选取的密封垫开展防水性能试验。首先将防水试验模具内表面及沟槽清理干净，然后用橡胶粘结剂将密封垫固定于沟槽，并静置12 h。之后进行密封垫张开量以及错台量的设置操作，如图13所示。

图13 密封垫错台量及张开量设置

错台量设置好以后，通过拧紧防水试验模具上的高强螺栓以控制密封垫的张开量。之后将全自动水压加载装置及水压表与防水试验模具连接，开始加水；将水加入到水压泵中，再将水压调至0.1 MPa，待水压保持稳定后，开始加压；在0.1 MPa下保持15 min，若没有发生漏水现象则以0.1 MPa为一个单位，逐级往上加压，每加一个单位，保持15 min不发生漏水则继续往上加压，在达到设计水压后，保压24 h，不漏则继续加压直到出现渗水，将比渗水水压小0.1 MPa的水压定为密封垫在此工况下的耐水水压。

3.3 防水试验结果

Ⅱ型密封垫在设计最不利工况下的防水试验结果见表2。

表2 Ⅱ型密封垫耐水水压实验结果

从表2可以看出，同一种密封垫在同一工况下的耐水压值也存在差异，这既受试样加工精度、密封垫与沟槽粘接的均匀性、试验装置安装精度等多种因素的影响，也与水压作用下分布过于集中的接触应力以及突变的接触有关。

3.4 防水试验结果与数值计算对比分析

考虑水压作用下的密封垫防水数值模拟结果中，密封垫间最大接触应力为3.59 MPa，密封垫与沟槽间最大接触应力为2.85 MPa。即理想情况下，密封垫将水压达到2.85 MPa时发生渗漏。防水试验中，密封垫耐水压值在3.0 MPa左右波动，与数值模拟结果较为吻合。

如计算中不考虑水压作用，该密封垫间的接触应力普遍小于2.0 MPa，不满足设计防水要求。从防水试验结果来看，该密封垫的耐水压值在3.0 MPa左右，满足防水要求。这说明不考虑水压作用的密封垫防水数值模拟方式在结果上存在一定偏差，过于保守。

4 结论与建议

基于南京和燕路过江隧道工程，对Ⅱ型密封垫进行了防水性能数值模拟计算，并对其进行了设计最不利工况下的防水性能试验，通过数值模拟结果及防水试验结果的对比分析，得到以下结论。

(1)密封垫迎水侧施加水压后，密封垫整体朝背水侧变形，上下密封垫间挤压程度更为剧烈，密封垫整体接触应力有所提升。

(2)考虑水压作用后，密封垫的接触应力分布更为集中，且出现了应力突变点，这种更为集中的应力分布方式既导致了密封垫接触应力的提升，增加了防水能力，同时也可能导致密封垫防水能力不稳定。

(3)不考虑水压作用时，密封垫防水数值模拟结果与防水试验结果相差颇大，数值模拟结果过于保守。在防水要求不高的盾构隧道中，可采用这种计算方式，增大安全储备。但对于承受超高水压作用，防水要求十分严格的水下盾构隧道来说，该计算方式显然已不再适用，建议在今后的密封垫防水数值模拟中充分考虑水压的作用。

水流于密封垫的相互作用是十分复杂的，受笔者能力所限，文中采用水压模拟方式较为粗糙，在未来的密封垫防水数值模拟计算中，应进一步改善水压的作用方式，得到更为精确的计算结果以指导密封垫设计与选型。