盾构隧道管片接缝密封垫防水技术的现状与今后的课题

在追溯盾构隧道接缝防水密封垫的技术发展历程的基础上,通过对防水密封垫材质选用与加工方式,弹性橡胶、遇水膨胀橡胶及复合橡胶密封垫各自的功效及其在不同隧道类别、不同使用条件下的应用,单道密封垫与双道密封垫设置的评价等反映密封垫防水技术的现状,进而提出劣质密封垫或受损密封垫取代、管片接缝密封垫的设计与应用等研究课题。     

强震作用下大断面海底盾构隧道管片环缝防水性能

为探明强震作用下导致的盾构隧道管片接缝大张开情况下的防水性能,以在高烈度区修建的大断面海底盾构隧道——苏埃通道工程为依托,通过有限元数值分析建立纵向等效刚度模型及隧道全长震动分析模型,确定了高烈度区强震作用下管片环缝的震动张开量,并根据张开量的大小类比既有大断面盾构隧道防水标准,建立了高烈度区强震作用下大断面盾构隧道环缝防水指标;通过接缝防水试验,优化了密封垫及沟槽截面尺寸,并据此提出了强震作用下的大断面海底盾构隧道管片环缝防水的合理形式。结果表明:强震作用时三段硬岩凸起处、接收井处及多地层交互处环间接缝张开量显著大于其他区段,其环间张开最大值远大于既有大断面盾构隧道的张开量,应对此类区段采取特殊的抗震措施,降低环缝张开量;仅增加密封垫的厚度达不到强震条件下的防水要求,并且密封垫的压缩应力会急剧提高,于管片拼装不利,同时提高密封垫截面并加深密封垫沟槽可提高抗水压能力,且密封垫的压缩应力能达到一个合理值,不影响管片的拼装效率。研究结果可为苏埃通道工程及类似工程的管片接缝防水设计提供参考。     

盾构隧道管片密封垫防水失效模式及改善研究

为探究盾构隧道防水失效形态、接缝密封垫失效模式及密封垫防水能力改善方法，首先基于统计资料，分析在建盾构隧道渗漏的宏观形态； 其次利用ABAQUS软件建立二维模型，采用平均接触压力作为评价指标，分析盾构隧道管片接缝处于不利工况下的失效模式； 最后结合橡胶硬度参数、密封垫孔洞参数调整，研究密封垫防水性能改善方法。主要得到如下结论： 1）错缝拼装盾构隧道渗漏的主要形态是管片接缝渗漏，且多发生在T字缝。2）对密封垫防水危害最大的是管片接缝张开和外张角，且渗漏均发生在密封垫与密封垫接触面。3）密封垫垫间平均接触压力与橡胶硬度呈线性正相关； 从密封垫垫间平均接触压力的保持效果来看，调整闭合孔的效果最好。     

武汉长江隧道管片接缝防水密封垫设计与试验研究

盾构隧道管片接缝防水是隧道防水的关键,直接影响到隧道的防水效果和隧道的耐久性。采用国内外理论与实践经验,进行管片接缝防水密封垫初步设计,然后模拟施工极限装配误差,对初步设计进行防水性能与装配性能实验。根据实验结果对防水密封垫断面尺寸与结构形式及材料进行优化,并最后确定最优的防水密封垫设计。因此,对于管片接缝密封垫设计,通过防水性能与装配性能实验优化设计应该成为设计中的重要步骤,对保证管片密封垫防水性能及管片拼装质量具有重要的意义。     

盾构法施工荷载对小半径曲线隧道管片防水性能的影响研究

为探究小半径曲线盾构隧道施工过程中施工荷载对管片防水性能的影响，依托深圳国际会展中心配套市政项目盾构段，选取油缸推力和螺栓预紧力作为主要施工荷载，采用ANSYS建立管片结构模型和弹性密封垫模型，对施工荷载下管片的张开量以及相应张开量下的管片防水性能进行研究，得到施工荷载对管片防水性能的影响。研究结果表明： 1）油缸推力对环缝影响较大，会加大环缝张开量，但对纵缝影响较小； 2）管片间弹性密封垫的防水性能随管片张开量的增加先增大后减小，在张开量为2 mm以及大于6 mm时存在渗水风险； 3）以张开量2 mm为计算控制标准，油缸推力使直线段管片防水性能下降8%，曲线段下降15%； 4）增大螺栓预紧力能略微提高直线段管片的防水性能，但对曲线段管片的防水性能无影响，曲线段整体防水性能较差。     

盾构隧道管片接缝密封垫防水性能及受施工荷载影响研究

为研究盾构隧道接缝密封垫防水性能及施工荷载对其影响,依托某地铁盾构隧道工程自主研制密封垫防水性能足尺试验装置,设计并开展相应的足尺试验。在此基础上,建立密封垫数值分析模型并结合试验结果验证了其可靠性。借助数值分析得到了不同错台量条件下的密封垫防水性能变化规律。最终,构建了盾构隧道三维荷载-结构模型,综合考虑注浆压力、千斤顶推力和盾尾刷反力等施工荷载,探究了接缝变形特征及其对密封垫防水性能的影响情况。研究结果表明:极限状态下工程原设计密封垫无法满足设计水压要求;接缝错台量增大将导致密封垫偏心受压越发严重,可能引起欠压侧支腿翘起;相同施工荷载下,最大环缝变形为最大纵缝变形的1.5~2.0倍,环缝密封垫防水性能降低程度更大;确定密封垫极限状态时有必要考虑施工荷载造成的接缝变形。所提出的足尺试验装置能够很好地实现试验目的,相应方法与结果可为后续盾构隧道接缝密封垫防水性能足尺试验研究提供参考和指导。     

盾构隧道防水技术主要问题探讨及展望

针对我国盾构隧道大埋深、高水压的发展趋势,与规范标准不适用、防水设计型式多样、施工工艺粗放、隧道渗漏多发的技术现实之间的矛盾,对盾构隧道防水机制、技术标准与防水体系,管片防水构造设计,防水施工工艺等问题进行系统探讨,并对我国高水压条件下盾构隧道防水技术发展方向进行展望： 1）考虑随机性的弹性密封垫截面选取和设计方法、密封垫防水能力定量评价方法、接缝“动态”张开及错台对防水能力的影响等是管片接缝防水机制的研究方向; 2）新的防水技术标准亟待建立,包括对各防水等级渗漏水量及防水措施的考量,防水理念的转变,设计允许张开量、错台量的计算标准和取值依据的确定; 3）应加强外防水涂层、二次衬砌、接缝注入密封剂等防水措施的研究,防水构造设计应当充分考虑施工的合理性; 4）高水平施工管理队伍的建设与高素质产业化工人的培育,防水新材料、新工艺的开发和引入是未来防水施工技术的革新方向; 5）隧道运营期渗漏水智能监测与综合防治是今后的重要任务。     

盾构隧道管片接缝复合型密封垫选型设计研究

为研究盾构隧道管片接缝复合型密封垫中遇水膨胀橡胶块对其防水性能的影响，从复合型密封垫遇水膨胀橡胶块二次防水效应出发，提出基于遇水膨胀橡胶块几何尺寸及截面形式的复合型密封垫选型设计方法。利用该选型方法对中孔通用型复合密封垫进行数值选型分析，采用ABAQUS网格间求解变换技术，研究不同遇水膨胀橡胶块截面类型和尺寸对复合型密封垫防水性能的影响，得到复合型密封垫防水性能和压缩性能的变化特征，确定原复合型密封垫的最优化选型结果。结果表明： 1）考虑遇水膨胀橡胶的防水性能后，复合型密封垫的二次防水性能有所提高； 2）与六边形截面形式的遇水膨胀橡胶块相比，梯形截面形式的遇水膨胀橡胶块能够大幅提升中孔复合型密封垫的防水性能； 3）复合型密封垫的压缩量与压缩力的关系呈现出阶段性变化特征，变形较小时表现为线性关系，随着变形逐步增大逐渐过渡为非线性关系。     

基于有效接触应力的大张开量盾构隧道密封垫防水性能分析

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。 依托南京和燕路过江隧道工 程,利用大型有限元软件ABAQUS建立完整的沟槽、橡胶止水条带与弹性密封垫的数值模型,对典型错台及张开工况下管片接缝防 水性能进行分析,揭示大张开量条件下管片接缝密封垫错台及张开时的变形与接触应力分布特性。 研究结果表明: 1)密封垫与密 封垫接触面上的扭曲交互能提高接触面上的有效应力占比; 2)圆形孔密封垫错台情况下,密封垫与沟槽之间的有效应力占比要低 于密封垫与密封垫之间的有效应力占比,密封垫与沟槽间的渗水路径在密封垫防水设计时需重点考虑。     

考虑水压作用过程的盾构隧道接缝防水机制研究

为研究盾构隧道管片接缝处弹性密封垫在水压作用下的防水机制，在对管片拼装至隧道发生渗漏期间水压作用过程进行分析的基础上，采用有限元分析软件建立流固耦合计算模型，对水体渗入接缝弹性密封垫的过程进行动态化模拟，结合密封垫防水性能试验，揭示密封垫防水能力的发挥过程及产生机制，并对双道弹性密封垫防水可靠性增加的原因进行探讨。结果表明： 1）流固耦合模型能够较为直观、精细地模拟水体突破弹性密封垫的过程。2）从管片拼装到隧道渗漏的过程中，弹性密封垫经历了管片挤压—外水推挤—水体楔入—水体突破4个阶段。3）当水压pw＜p=α(p0+p1)时，水体作用于密封垫迎水面外侧，这时密封垫的防水能力仍然具有较大的冗余； 当水压α(p0+p1)＜pw＜α(p0+p1+p2)时，水体虽然发生楔入，但不能完全突破密封垫，仍然存在一定的防水能力； 当水压pw＞α(p0+p1+p2max)时，水体突破密封垫，发生渗漏。4）由于双道弹性密封垫之间存在储水空腔，空腔中的水压作用于第1道弹性密封垫的背水侧，产生的接触应力增量可引起第1道弹性密封垫的“自愈”，因而能够在一定程度上增加防水的可靠性。     

不同错台量对复合型密封垫影响及长期防水预测

为研究盾构隧道管片接缝不同错台量对复合型密封垫防水性能的影响,从复合型密封垫遇水膨胀橡胶块二次防水效应出发,在不同错台量条件下分别从密封垫-密封垫接触面和密封垫-密封槽接触面2 个方面分析复合型密封垫防水渐进失效机制,同时基于阿累尼乌斯方程的“P-T-t”三元模型对复合型密封垫长期防水性能进行预测。研究结果表明: 1) 复合型密封垫遇水膨胀橡胶块发生膨胀作用,能够有效增加密封垫间接触面应力,并且密封垫渗漏处主要出现在密封垫与密封垫接触面上; 2) 对于密封垫与密封槽接触面防水能力,随着接缝错台量的增大,对遇水膨胀橡胶块膨胀作用的影响显著; 3) 管片接缝间的张开量和错台量对复合型密封垫的长期防水性能影响显著,并且复合型密封垫长期防水性能随着老化时间先急剧下降后达到平稳状态。     

上海市高水压深层排水盾构隧道管片接缝密封垫形式试验研究

为使接缝处弹性密封垫在张开8 mm、错位10 mm的情况下仍能满足1.2 MPa高水压长期防水性能设计要求以及保证盾构拼装能力,对采用双道耐高水压密封垫的上海市深层排水盾构隧道工程接缝防水密封垫断面形式进行设计。对不同断面密封垫进行防水性能以及闭合压缩力数值模拟,通过对比分析、不断优化,得到防水和力学性能较优的密封垫断面形式,并进行管片接缝防水性能试验和闭合压缩力试验。试验结果表明:采用推荐断面形式的密封垫在邵尔A硬度为67度时,在精确装配下和接缝张开8mm、错位10 mm的情况下均满足1.2 MPa的长期防水能力要求,且适应盾构的拼装能力。     

盾构管片接缝传力垫层的接触特性试验研究

为了研究盾构管片接缝的接触特性,采用带有橡胶垫层的混凝土试件来模拟盾构管片和橡胶垫层,通过加卸载条件下的直剪试验和单轴压缩试验,探究盾构管片接缝和接头处的切向和法向接触特性。由试验结果可知:1)接触面剪切应力随剪切位移的变化过程可以分为弹性变形、弹塑性变形和应变软化3个阶段,剪切峰值应力的残余百分比为55%~65%;2)橡胶垫层在混凝土之间起到了良好的缓冲作用,对管片的失稳破坏过程有一定的延缓作用;3)根据试验结果得出管片混凝土强度等级为C50、传力垫层厚度为2 mm时接触面的切向和法向接触刚度,为盾构管片接缝传力垫层接触摩擦特性的分析计算提供参考。     

大直径盾构隧道穿黄河关键技术研究

针对黄河下游“地上悬河”的特点,对市区穿黄河大直径盾构隧道的安全覆土厚度,盾构隧道掘进对黄河两岸堤防工程的影响、管片结构及接缝防水3个关键技术进行研究。主要研究结论如下： 1）确定了过河段河床最大冲刷深度,并基于此研究了隧道过河段控制埋深及纵坡设计; 2）基于隧道控制埋深,验算了隧道对黄河两岸堤防的影响,映证了控制埋深的正确性; 3）进行盾构管片、接缝设计及弹性密封垫设计,并验算管片接缝防水性能。     

基于施加水压的盾构接缝防水机制数值分析

为得到盾构隧道接缝间弹性密封垫在水压力作用下的真实响应以及防水失效机制,结合杭州地铁1号线接缝防水设计工程,建立完整的弹性密封垫受水压作用下的数值模型并验证其合理性。基于该模型提出弹性密封垫受水压作用的数值模拟方法,对弹性密封垫在不同张开量下的防水性能、接触应力分布以及防水失效模式进行研究,提出基于施加水压的防水性能评价方法。研究结果表明： 当弹性密封垫张开至设计中限定的6 mm时是可以满足防水设计要求的,当张开量达到9 mm时,弹性密封垫会发生防水失效,失效位置出现在弹性密封垫间。