超大矩形顶管隧道管片接缝弹性密封垫防水技术研究

唐再兴

（海峡<福建>交通工程设计有限公司， 福建 福州 350000）

0 引言

随着国民经济的快速发展，我国城市隧道已向着大直径、高水压等方向发展，这对隧道的接头力学性能、管片接缝间的防水性能都提出了更高的要求[1]。因此，对于超大矩形顶管隧道的管片接缝间的防水技术的研究是非常有必要的。

目前，专家和学者对于城市隧道管片间接缝防水性能的研究主要有：借助室内试验对三元乙丙橡胶密封垫力学性能、防水性能及其影响因素进行研究[2-5]；利用有限元软件和室内试验，对城市隧道弹性密封垫防水机理及失效模式进行了研究；采用数值模拟和理论分析研究了盾构管片的径向拼装误差、接头变形、围岩特性等因素对隧道防水性能的影响；考虑火灾、地震等情况下城市隧道接缝间防水性能研究。

以上研究主要集中于弹性密封垫防水机理、防水性能的影响因素及偶然荷载作用下管节接缝防水性能的研究等方面，对于结合“超大矩形”和“顶管隧道”等特点的研究较少。因此，本文以莆田火车站南北广场东西侧地下通道工程为研究背景，利用有限元软件ABAQUS对超大矩形顶管隧道中弹性密封垫的防水性能进行了研究，探究超大矩形顶管隧道中接缝张开量、错动量对于弹性密封垫的防水性能的影响。研究结论可为类似工程提供技术参考。

1 研究情况

1.1 工程概况

莆田火车站南北广场东西侧的地下通道采用顶管法施工，隧道截面尺寸为12.6m×7.65m。地下水位高（0.3m～12.6m），对于管节变形防水性能要求较高。管片接缝间共设置两道防水体系，外侧防水采用承插口接口钢套环，内侧防水采用三元乙丙（EPDM）橡胶密封垫。根据相关设计文件，EPDM密封垫需在接缝张开量6mm、错位12mm，水压1.0MPa条件下不渗水。

1.2 数值模型

采用大型有限元软件ABAQUS对EPDM密封垫在不同接缝张开量的防水性能进行研究，橡胶本构选用Monney-Revlin模型，其应变能函数如式（1）所示，密封垫上部混凝土采用弹塑性本构，计算时将其约束为刚体。模型部件间采用通用接触，法向接触类型为硬接触，切向采用函数接触，摩擦系数为0.5。模型采用位移控制加载，对底部混凝土进行全约束，对上部结构施加竖向和横向位移，每1mm为一个加载步，每个加载步的时间为0.05s。

式中，为应变势能；1和2为应力不变量，10和为材料参数，由相关室内试验得到，本次实验中10和01分别取分别为0.739和0.185。

1.3 物理参数

本次数值模拟中模型物理参数均由室内试验得到，见表1所示。

表1 材料参数

1.4 测线布置

由已有研究可知，EPDM弹性密封垫渗水路径如图1所示，为分别研究不同渗水路径下EPDM密封垫的防水性能，本文共设置3条测线，分别为弹性密封垫上侧与混凝土管片间（测线1）、弹性密封垫左右侧与混凝土管片之间（测线2）和弹性密封垫之间（测线3）。一般认为，若测线1或2处接触应力的最大值大于外侧水压，则渗水路径1不渗水；若测线3处最大接触应力大于外侧水压，则渗水路径2不渗水；若渗水路径1或渗水路径2有渗水现象，弹性密封垫失效（见图2）。

图1 渗水路径

图2 测线布置

2 计算结果分析

2.1 接缝张开量

不同接缝张开量下弹性密封垫的变形如图3所示。由不同加载时刻的接触应力云图（见图4），提取不同管片张开量下EPDM弹性密封垫各测线的最大接触压力，如图5所示。

图3 弹性密封垫变形

图4 接触应力云图（以接缝张开量16mm为例）

图5 最大接触应力

由图5可知，对于弹性密封垫与上部混凝土接触的区域（测线1），随着管片接缝张开量的增大，最大接触应力逐渐减小，张开度为0时最大接触应力为1.654MPa，张开度为12mm时最大接触应力为1.348MPa。对于弹性密封垫两侧与混凝土接触的区域（测线2），接缝张开量从0增加至4mm时，最大接触应力从1.247MPa减小至1.229MPa；接缝张开量为4mm增加至10mm时最大接触应力逐渐增大至1.259MPa；，接缝张开量为12mm时最大接触应力为1.247MPa。综上，EPDM弹性密封垫渗水路径1处的防水性能满足要求。

对于上下部弹性密封垫相互接触的区域（测线3），随着张开度的增大，最大接触应力逐渐减小，张开度为0时最大接触应力为1.654MPa，张开度为12mm时最大接触应力为1.491MPa，EPDM弹性密封垫渗水路径2处的防水性能满足要求。

由图5可知，管片接缝张开量为23.323mm时弹性密封垫的渗水路径1处开始渗水，接缝张开量在23.542mm处渗水路径2处开始渗水，故本工程中管片接缝张开量的极限值为23.323mm。

2.2 接缝错动量

不同管片接缝错动量时弹性密封垫的变形如图6所示，由不同接缝错动量时的接触应力云图（如图7）提取最大接触应力，如图8所示。

图6 不同错动量下密封垫变形图

图7 接触应力云图（以错动量为16mm为例）

由图8可知，随着管片接缝错动量的增加，弹性密封垫上部与混凝土之间（测线1）的最大接触应力逐渐增大，接缝错动量为0时最大接触应力为1.454MPa，接缝错动量为24mm时为2.071MPa；对于弹性密封垫两点与管片接触位置（测线2）的接触应力，在接缝错动量逐渐增加后，最大接触应力有显著提高，接缝错动量为0时最大接触应力为1.427MPa，接缝错动量为24mm时最大接触应力为3.369MPa；对于测线3，接缝错动量为0时，最大接触应力为1.654MPa，接缝错动量为20mm时最大接触应力为2.306MPa。

图8 接缝错动量

综上，管片错动量在12mm内时各渗水路径的最大接触应力均大于1.0MPa，满足设计要求，且随着管片错动量的增大，最大接触应力逐渐增加。

3 结束语

本文借助有限元软件ABAQUS对超大矩形顶管隧道弹性密封垫的防水性能进行了研究，得到的主要结论有：

（1）该工程三元乙丙橡胶性密封垫在接缝张开量6mm、错动量12mm和水压1.0MPa条件下防水性能较好，不会发生渗漏水现象，且管片接缝张开量的极限值为23.323mm。

（2）随着接缝张开量的增加，弹性密封垫顶部与管片之间、弹性密封垫两侧与管片之间及弹性密封垫之间的最大接触应力均缓慢减小。

（3）随着接缝错动量的增加，弹性密封垫顶部与管片之间、弹性密封垫两侧与管片之间及弹性密封垫之间的最大接触应力均逐渐增大，且弹性密封垫两侧与混凝土管片之间的最大接触应力增幅较大（172%）。