超软土盾构隧道接缝防水机理及优化措施*

吕延豪 孙雪兵 张海涛

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥第一作者，正高级工程师)

盾构法隧道采用多块预制管片拼装而成，盾构管片接缝的张开、错台以及转动变形都可能会导致接缝密封垫丧失预期的接触应力，最终导致管片接缝出现渗漏水病害。在管片接缝防水理论方面，文献[1]建立了双道密封垫整体防水能力的计算公式。在试验研究方面，文献[2]对苏通GIL(气体绝缘金属封闭输电线路)综合管廊超高水压盾构隧道接缝防水性能进行了试验研究，通过经验类比和理论推导，提出双道密封垫防水形式。在数值方法研究方面，文献[3]等依托南京和燕路过江隧道工程，针对高水压作用下大张开量盾构隧道接缝防水密封垫的设计与选型，提出有效接触应力概念。已有的软土地铁隧道运营经验表明[4]，渗漏水还会进一步加剧盾构隧道的结构变形。因此，接缝渗漏水问题已成为盾构隧道长期服役的重大技术难题。

1 工程概况

温州市城市轨道交通M1线属于城区南北向轨道交通骨干线。线路由南向北，主要穿越的地层可以分为淤泥、砂性地层、黏土、中风化凝灰岩和卵石5大类。其中，淤泥及淤泥质土分布广，占比高达66%，淤泥土层厚18～30 m不等，平均厚度为24 m。温州软土具有触变性强、灵敏度高、含水量高、孔隙比大、强度低、渗透系数低及压缩性高等7大特点。

M1线盾构隧道外径6.7 m、内径5.9 m，管片分块方式为“3+2+1”，管片厚0.4 m。根据M1线盾构隧道的防水设防要求，在管片接缝张开6 mm、错台15 mm工况下，类比相关工程案例，本工程盾构隧道理论水压值为0.4 MPa。为减小隧道发生渗水风险，确保隧道运营安全，工程采用EPDM(三元乙丙)防水弹性密封垫。通过防水性能指标计算公式[2]可得，弹性橡胶密封垫在设计使用年限内能抵抗的最高水压为0.8 MPa。密封垫沟槽尺寸如图1所示。密封垫压缩量越大，防水效果越好，但过大的压缩量需要的装配力过大，会影响隧道管片拼装。根据施工机械设备的拼装能力，确定本工程中接缝密封垫拼装力不应大于60 kN/m。密封垫断面尺寸大小如图2所示。密封垫分区示意图如图3所示。

图1 密封垫沟槽尺寸图Fig.1 Size diagram of sealing gasket groove

图2 密封垫断面尺寸图Fig.2 Size diagram of sealing gasket section

图3 密封垫分区示意图Fig.3 Partition diagram of sealing gasket

2 数值模型建立

使用ABAQUS有限元软件对密封垫进行防水性能模拟，在单道密封垫的最不利工况(张开6 mm，错台15 mm)下优化密封垫的断面形式，确保密封垫能抵挡0.8 MPa水压。

考虑到工程的防水要求和拼装力要求，设置4种工况如表1所示。通过接缝密封垫在不同张开量和错台量工况下的数值模拟，验证工程中所用密封垫是否满足拼装力和防水性能的要求。

表1 接缝密封垫数值模拟工况设置

防水密封垫和混凝土管片沟槽二维有限元模型如图4所示。管片沟槽采用刚体进行模拟，橡胶材料采用可变形实体单元进行模拟。

图4 二维有限元模型Fig.4 Two-dimensional finite element model

2.1 参数选取

文献[5]按照既有研究结果，橡胶密封垫统一采用EPDM材料，邵氏硬度为60，在后续计算中采用相关计算参数进行计算。橡胶材料为超弹性材料，在数值模拟中，弹性密封垫材料模型选取超弹性模型，应变位能模型采用Mooney-Rivlin模型，即：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：

W——应变能函数；

I1、I2——变形张量不变量；

C10、C01——密封垫主要材料参数。

密封垫材料参数设置如表2所示。

表2 密封垫材料参数Tab.2 Material parameters of sealing gasket

2.2 网格划分及接触设置

有限元模型采用四边形单元划分，如图5所示。

图5 网格划分Fig.5 Mesh division

有限元模型中，密封垫孔洞设置为自接触，上下密封垫之间及密封垫与沟槽之间均设置为面接触，接触面法向采用硬接触，切向采用罚函数接触。密封垫之间的摩擦系数为0.57，密封垫与沟槽之间的摩擦系数为0.50。密封垫失效时，发生渗水的路径可能有2种，即密封垫与沟槽之间的接触面和密封垫之间的接触面。选取这2种接触面作为接触应力的提取路径，可以一定程度上反映密封垫的防水性能优劣。密封垫接触面提取位置如图6所示。

图6 密封垫接触面提取位置Fig.6 Extraction position of sealing gasket contact face

3 计算结果及分析

3.1 拼装力分析

根据计算结果，对各工况下的拼装力进行整理分析。密封垫断面拼装力曲线如图7所示。在“张0错0”条件下，密封垫断面需要的拼装力为38.6 kN/m；在“张0错15”条件下，密封垫断面需要的拼装力为38.29 kN/m；在“张6错0”条件下，密封垫断面需要的拼装力为11.96 kN/m；在“张6错15”条件下，密封垫断面所需要的拼装力为12.09 kN/m。4种工况下的装配力均小于60 kN/m，本工程中密封垫设计满足工程中拼装力的需求。

3.2 应力分析

文献[3]基于密封垫接触面上接触应力分布的不均性，将接触应力大于设计水压的部分定义为“有效接触应力”，并从数值模拟结果中提取密封垫间的接触应力，绘制出内道密封垫的有效接触应力图，如图8所示。在“张0错0”条件下，密封垫间有2个峰值区间的接触应力大于0.8 MPa，满足先前提出的防水指标；虽然在“张0错15”条件下有一个峰值区间的接触应力大于0.8 MPa，但是一旦该区间失效，其余部分不具备0.8 MPa的防水能力，安全储备较小；在“张6错0”条件和“张6错15”条件下，密封垫之间的接触应力减小，防水能力都小于0.8 MPa，不能满足0.8 MPa的防水性能需求，需要对密封垫断面进行优化。

图7 密封垫断面拼装力曲线Fig.7 Curve of assembly force of sealing gasket section

图8 密封垫之间有效接触应力曲线Fig.8 Curve of effective contact stress between sealing gaskets

3.3 密封垫断面优化

在目前已有专利的基础上进行密封垫断面优化，优化后密封垫断面形式如图9所示。

图9 优化后密封垫断面Fig.9 Section of optimized sealing gasket

对优化后的密封垫断面进行数值模拟，分析其在“张0错0”和“张6错15”这两种不利条件下的力学性能及防水性能，模拟结果分别如图10和图11所示。可以看出：优化后，密封垫最大拼装力仅为43 kN/m，满足工程中小于60 kN/m的拼装力需求；在防水最不利工况中，密封垫的防水性能得到了有效提高，有4个峰值区间的接触应力大于0.8 MPa。

图10 优化后密封垫断面拼装力曲线(“张0错0”条件)

图11 优化后密封垫接触应力曲线(“张6错15”条件)

4 结语

本文基于温州市城市轨道交通M1线地铁盾构隧道工程，对选取的密封垫进行极限张开与极限错台工况下的防水数值模拟，并对该密封垫断面进行优化。通过经验类比与多工况数值模拟，得出如下结论：

1) 压缩密封垫需要的拼装力最大值为 38.6 kN/m，满足工程盾构隧道拼装力小于60 kN/m的要求。

2) 现有盾构隧道接缝密封垫满足盾构管片的装配力要求，但是在不利工况下的防水性能不能满足实际防水能力的需要。

3) 通过优化密封垫断面形状使接缝防水性能满足工程需求。优化后密封垫在拼装力最不利工况(“张0错0”条件)中拼装力为43 kN/m，满足拼装力要求；在防水性能最不利工况下，有4个峰值区间的接触应力大于0.8 MPa。优化后接缝防水密封垫可满足实际工程需求。