超軟土盾構(gòu)隧道接縫防水機理及優(yōu)化措施*

呂延豪 孫雪兵 張海濤

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，430063，武漢∥第一作者，正高級工程師)

盾構(gòu)法隧道采用多塊預(yù)制管片拼裝而成，盾構(gòu)管片接縫的張開、錯臺以及轉(zhuǎn)動變形都可能會導(dǎo)致接縫密封墊喪失預(yù)期的接觸應(yīng)力，最終導(dǎo)致管片接縫出現(xiàn)滲漏水病害。在管片接縫防水理論方面，文獻[1]建立了雙道密封墊整體防水能力的計算公式。在試驗研究方面，文獻[2]對蘇通GIL(氣體絕緣金屬封閉輸電線路)綜合管廊超高水壓盾構(gòu)隧道接縫防水性能進行了試驗研究，通過經(jīng)驗類比和理論推導(dǎo)，提出雙道密封墊防水形式。在數(shù)值方法研究方面，文獻[3]等依托南京和燕路過江隧道工程，針對高水壓作用下大張開量盾構(gòu)隧道接縫防水密封墊的設(shè)計與選型，提出有效接觸應(yīng)力概念。已有的軟土地鐵隧道運營經(jīng)驗表明[4]，滲漏水還會進一步加劇盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)變形。因此，接縫滲漏水問題已成為盾構(gòu)隧道長期服役的重大技術(shù)難題。

1 工程概況

溫州市城市軌道交通M1線屬于城區(qū)南北向軌道交通骨干線。線路由南向北，主要穿越的地層可以分為淤泥、砂性地層、黏土、中風(fēng)化凝灰?guī)r和卵石5大類。其中，淤泥及淤泥質(zhì)土分布廣，占比高達66%，淤泥土層厚18～30 m不等，平均厚度為24 m。溫州軟土具有觸變性強、靈敏度高、含水量高、孔隙比大、強度低、滲透系數(shù)低及壓縮性高等7大特點。

M1線盾構(gòu)隧道外徑6.7 m、內(nèi)徑5.9 m，管片分塊方式為“3+2+1”，管片厚0.4 m。根據(jù)M1線盾構(gòu)隧道的防水設(shè)防要求，在管片接縫張開6 mm、錯臺15 mm工況下，類比相關(guān)工程案例，本工程盾構(gòu)隧道理論水壓值為0.4 MPa。為減小隧道發(fā)生滲水風(fēng)險，確保隧道運營安全，工程采用EPDM(三元乙丙)防水彈性密封墊。通過防水性能指標(biāo)計算公式[2]可得，彈性橡膠密封墊在設(shè)計使用年限內(nèi)能抵抗的最高水壓為0.8 MPa。密封墊溝槽尺寸如圖1所示。密封墊壓縮量越大，防水效果越好，但過大的壓縮量需要的裝配力過大，會影響隧道管片拼裝。根據(jù)施工機械設(shè)備的拼裝能力，確定本工程中接縫密封墊拼裝力不應(yīng)大于60 kN/m。密封墊斷面尺寸大小如圖2所示。密封墊分區(qū)示意圖如圖3所示。

圖1 密封墊溝槽尺寸圖Fig.1 Size diagram of sealing gasket groove

圖2 密封墊斷面尺寸圖Fig.2 Size diagram of sealing gasket section

圖3 密封墊分區(qū)示意圖Fig.3 Partition diagram of sealing gasket

2 數(shù)值模型建立

使用ABAQUS有限元軟件對密封墊進行防水性能模擬，在單道密封墊的最不利工況(張開6 mm，錯臺15 mm)下優(yōu)化密封墊的斷面形式，確保密封墊能抵擋0.8 MPa水壓。

考慮到工程的防水要求和拼裝力要求，設(shè)置4種工況如表1所示。通過接縫密封墊在不同張開量和錯臺量工況下的數(shù)值模擬，驗證工程中所用密封墊是否滿足拼裝力和防水性能的要求。

表1 接縫密封墊數(shù)值模擬工況設(shè)置

防水密封墊和混凝土管片溝槽二維有限元模型如圖4所示。管片溝槽采用剛體進行模擬，橡膠材料采用可變形實體單元進行模擬。

圖4 二維有限元模型Fig.4 Two-dimensional finite element model

2.1 參數(shù)選取

文獻[5]按照既有研究結(jié)果，橡膠密封墊統(tǒng)一采用EPDM材料，邵氏硬度為60，在后續(xù)計算中采用相關(guān)計算參數(shù)進行計算。橡膠材料為超彈性材料，在數(shù)值模擬中，彈性密封墊材料模型選取超彈性模型，應(yīng)變位能模型采用Mooney-Rivlin模型，即：

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

(1)

式中：

W——應(yīng)變能函數(shù)；

I1、I2——變形張量不變量；

C10、C01——密封墊主要材料參數(shù)。

密封墊材料參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 密封墊材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of sealing gasket

2.2 網(wǎng)格劃分及接觸設(shè)置

有限元模型采用四邊形單元劃分，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh division

有限元模型中，密封墊孔洞設(shè)置為自接觸，上下密封墊之間及密封墊與溝槽之間均設(shè)置為面接觸，接觸面法向采用硬接觸，切向采用罰函數(shù)接觸。密封墊之間的摩擦系數(shù)為0.57，密封墊與溝槽之間的摩擦系數(shù)為0.50。密封墊失效時，發(fā)生滲水的路徑可能有2種，即密封墊與溝槽之間的接觸面和密封墊之間的接觸面。選取這2種接觸面作為接觸應(yīng)力的提取路徑，可以一定程度上反映密封墊的防水性能優(yōu)劣。密封墊接觸面提取位置如圖6所示。

圖6 密封墊接觸面提取位置Fig.6 Extraction position of sealing gasket contact face

3 計算結(jié)果及分析

3.1 拼裝力分析

根據(jù)計算結(jié)果，對各工況下的拼裝力進行整理分析。密封墊斷面拼裝力曲線如圖7所示。在“張0錯0”條件下，密封墊斷面需要的拼裝力為38.6 kN/m；在“張0錯15”條件下，密封墊斷面需要的拼裝力為38.29 kN/m；在“張6錯0”條件下，密封墊斷面需要的拼裝力為11.96 kN/m；在“張6錯15”條件下，密封墊斷面所需要的拼裝力為12.09 kN/m。4種工況下的裝配力均小于60 kN/m，本工程中密封墊設(shè)計滿足工程中拼裝力的需求。

3.2 應(yīng)力分析

文獻[3]基于密封墊接觸面上接觸應(yīng)力分布的不均性，將接觸應(yīng)力大于設(shè)計水壓的部分定義為“有效接觸應(yīng)力”，并從數(shù)值模擬結(jié)果中提取密封墊間的接觸應(yīng)力，繪制出內(nèi)道密封墊的有效接觸應(yīng)力圖，如圖8所示。在“張0錯0”條件下，密封墊間有2個峰值區(qū)間的接觸應(yīng)力大于0.8 MPa，滿足先前提出的防水指標(biāo)；雖然在“張0錯15”條件下有一個峰值區(qū)間的接觸應(yīng)力大于0.8 MPa，但是一旦該區(qū)間失效，其余部分不具備0.8 MPa的防水能力，安全儲備較小；在“張6錯0”條件和“張6錯15”條件下，密封墊之間的接觸應(yīng)力減小，防水能力都小于0.8 MPa，不能滿足0.8 MPa的防水性能需求，需要對密封墊斷面進行優(yōu)化。

圖7 密封墊斷面拼裝力曲線Fig.7 Curve of assembly force of sealing gasket section

圖8 密封墊之間有效接觸應(yīng)力曲線Fig.8 Curve of effective contact stress between sealing gaskets

3.3 密封墊斷面優(yōu)化

在目前已有專利的基礎(chǔ)上進行密封墊斷面優(yōu)化，優(yōu)化后密封墊斷面形式如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后密封墊斷面Fig.9 Section of optimized sealing gasket

對優(yōu)化后的密封墊斷面進行數(shù)值模擬，分析其在“張0錯0”和“張6錯15”這兩種不利條件下的力學(xué)性能及防水性能，模擬結(jié)果分別如圖10和圖11所示。可以看出：優(yōu)化后，密封墊最大拼裝力僅為43 kN/m，滿足工程中小于60 kN/m的拼裝力需求；在防水最不利工況中，密封墊的防水性能得到了有效提高，有4個峰值區(qū)間的接觸應(yīng)力大于0.8 MPa。

圖10 優(yōu)化后密封墊斷面拼裝力曲線(“張0錯0”條件)

圖11 優(yōu)化后密封墊接觸應(yīng)力曲線(“張6錯15”條件)

4 結(jié)語

本文基于溫州市城市軌道交通M1線地鐵盾構(gòu)隧道工程，對選取的密封墊進行極限張開與極限錯臺工況下的防水?dāng)?shù)值模擬，并對該密封墊斷面進行優(yōu)化。通過經(jīng)驗類比與多工況數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

1) 壓縮密封墊需要的拼裝力最大值為 38.6 kN/m，滿足工程盾構(gòu)隧道拼裝力小于60 kN/m的要求。

2) 現(xiàn)有盾構(gòu)隧道接縫密封墊滿足盾構(gòu)管片的裝配力要求，但是在不利工況下的防水性能不能滿足實際防水能力的需要。

3) 通過優(yōu)化密封墊斷面形狀使接縫防水性能滿足工程需求。優(yōu)化后密封墊在拼裝力最不利工況(“張0錯0”條件)中拼裝力為43 kN/m，滿足拼裝力要求；在防水性能最不利工況下，有4個峰值區(qū)間的接觸應(yīng)力大于0.8 MPa。優(yōu)化后接縫防水密封墊可滿足實際工程需求。