超大矩形頂管隧道管片接縫彈性密封墊防水技術研究

唐再興

（海峽<福建>交通工程設計有限公司， 福建 福州 350000）

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，我國城市隧道已向著大直徑、高水壓等方向發展，這對隧道的接頭力學性能、管片接縫間的防水性能都提出了更高的要求[1]。因此，對于超大矩形頂管隧道的管片接縫間的防水技術的研究是非常有必要的。

目前，專家和學者對于城市隧道管片間接縫防水性能的研究主要有：借助室內試驗對三元乙丙橡膠密封墊力學性能、防水性能及其影響因素進行研究[2-5]；利用有限元軟件和室內試驗，對城市隧道彈性密封墊防水機理及失效模式進行了研究；采用數值模擬和理論分析研究了盾構管片的徑向拼裝誤差、接頭變形、圍巖特性等因素對隧道防水性能的影響；考慮火災、地震等情況下城市隧道接縫間防水性能研究。

以上研究主要集中于彈性密封墊防水機理、防水性能的影響因素及偶然荷載作用下管節接縫防水性能的研究等方面，對于結合“超大矩形”和“頂管隧道”等特點的研究較少。因此，本文以莆田火車站南北廣場東西側地下通道工程為研究背景，利用有限元軟件ABAQUS對超大矩形頂管隧道中彈性密封墊的防水性能進行了研究，探究超大矩形頂管隧道中接縫張開量、錯動量對于彈性密封墊的防水性能的影響。研究結論可為類似工程提供技術參考。

1 研究情況

1.1 工程概況

莆田火車站南北廣場東西側的地下通道采用頂管法施工，隧道截面尺寸為12.6m×7.65m。地下水位高（0.3m～12.6m），對于管節變形防水性能要求較高。管片接縫間共設置兩道防水體系，外側防水采用承插口接口鋼套環，內側防水采用三元乙丙（EPDM）橡膠密封墊。根據相關設計文件，EPDM密封墊需在接縫張開量6mm、錯位12mm，水壓1.0MPa條件下不滲水。

1.2 數值模型

采用大型有限元軟件ABAQUS對EPDM密封墊在不同接縫張開量的防水性能進行研究，橡膠本構選用Monney-Revlin模型，其應變能函數如式（1）所示，密封墊上部混凝土采用彈塑性本構，計算時將其約束為剛體。模型部件間采用通用接觸，法向接觸類型為硬接觸，切向采用函數接觸，摩擦系數為0.5。模型采用位移控制加載，對底部混凝土進行全約束，對上部結構施加豎向和橫向位移，每1mm為一個加載步，每個加載步的時間為0.05s。

式中，為應變勢能；1和2為應力不變量，10和為材料參數，由相關室內試驗得到，本次實驗中10和01分別取分別為0.739和0.185。

1.3 物理參數

本次數值模擬中模型物理參數均由室內試驗得到，見表1所示。

表1 材料參數

1.4 測線布置

由已有研究可知，EPDM彈性密封墊滲水路徑如圖1所示，為分別研究不同滲水路徑下EPDM密封墊的防水性能，本文共設置3條測線，分別為彈性密封墊上側與混凝土管片間（測線1）、彈性密封墊左右側與混凝土管片之間（測線2）和彈性密封墊之間（測線3）。一般認為，若測線1或2處接觸應力的最大值大于外側水壓，則滲水路徑1不滲水；若測線3處最大接觸應力大于外側水壓，則滲水路徑2不滲水；若滲水路徑1或滲水路徑2有滲水現象，彈性密封墊失效（見圖2）。

圖1 滲水路徑

圖2 測線布置

2 計算結果分析

2.1 接縫張開量

不同接縫張開量下彈性密封墊的變形如圖3所示。由不同加載時刻的接觸應力云圖（見圖4），提取不同管片張開量下EPDM彈性密封墊各測線的最大接觸壓力，如圖5所示。

圖3 彈性密封墊變形

圖4 接觸應力云圖（以接縫張開量16mm為例）

圖5 最大接觸應力

由圖5可知，對于彈性密封墊與上部混凝土接觸的區域（測線1），隨著管片接縫張開量的增大，最大接觸應力逐漸減小，張開度為0時最大接觸應力為1.654MPa，張開度為12mm時最大接觸應力為1.348MPa。對于彈性密封墊兩側與混凝土接觸的區域（測線2），接縫張開量從0增加至4mm時，最大接觸應力從1.247MPa減小至1.229MPa；接縫張開量為4mm增加至10mm時最大接觸應力逐漸增大至1.259MPa；，接縫張開量為12mm時最大接觸應力為1.247MPa。綜上，EPDM彈性密封墊滲水路徑1處的防水性能滿足要求。

對于上下部彈性密封墊相互接觸的區域（測線3），隨著張開度的增大，最大接觸應力逐漸減小，張開度為0時最大接觸應力為1.654MPa，張開度為12mm時最大接觸應力為1.491MPa，EPDM彈性密封墊滲水路徑2處的防水性能滿足要求。

由圖5可知，管片接縫張開量為23.323mm時彈性密封墊的滲水路徑1處開始滲水，接縫張開量在23.542mm處滲水路徑2處開始滲水，故本工程中管片接縫張開量的極限值為23.323mm。

2.2 接縫錯動量

不同管片接縫錯動量時彈性密封墊的變形如圖6所示，由不同接縫錯動量時的接觸應力云圖（如圖7）提取最大接觸應力，如圖8所示。

圖6 不同錯動量下密封墊變形圖

圖7 接觸應力云圖（以錯動量為16mm為例）

由圖8可知，隨著管片接縫錯動量的增加，彈性密封墊上部與混凝土之間（測線1）的最大接觸應力逐漸增大，接縫錯動量為0時最大接觸應力為1.454MPa，接縫錯動量為24mm時為2.071MPa；對于彈性密封墊兩點與管片接觸位置（測線2）的接觸應力，在接縫錯動量逐漸增加后，最大接觸應力有顯著提高，接縫錯動量為0時最大接觸應力為1.427MPa，接縫錯動量為24mm時最大接觸應力為3.369MPa；對于測線3，接縫錯動量為0時，最大接觸應力為1.654MPa，接縫錯動量為20mm時最大接觸應力為2.306MPa。

圖8 接縫錯動量

綜上，管片錯動量在12mm內時各滲水路徑的最大接觸應力均大于1.0MPa，滿足設計要求，且隨著管片錯動量的增大，最大接觸應力逐漸增加。

3 結束語

本文借助有限元軟件ABAQUS對超大矩形頂管隧道彈性密封墊的防水性能進行了研究，得到的主要結論有：

（1）該工程三元乙丙橡膠性密封墊在接縫張開量6mm、錯動量12mm和水壓1.0MPa條件下防水性能較好，不會發生滲漏水現象，且管片接縫張開量的極限值為23.323mm。

（2）隨著接縫張開量的增加，彈性密封墊頂部與管片之間、彈性密封墊兩側與管片之間及彈性密封墊之間的最大接觸應力均緩慢減小。

（3）隨著接縫錯動量的增加，彈性密封墊頂部與管片之間、彈性密封墊兩側與管片之間及彈性密封墊之間的最大接觸應力均逐漸增大，且彈性密封墊兩側與混凝土管片之間的最大接觸應力增幅較大（172%）。