盾构隧道管片接缝三元乙丙橡胶密封垫力学性能影响因素敏感度分析

为研究盾构隧道管片接缝三元乙丙橡胶密封垫力学性能的影响因素,首先,以实际工程为背景,采用自主设计的试验系统进行试验,并以此验证数值模型的可靠性; 然后,利用数值模型,采用正交分析方法,对密封垫断面参数(开孔形状、断面开槽数量、断面开孔率)、密封垫橡胶材料硬度、密封垫拼装姿态(张开量、错位量)进行六因素三水平的密封垫力学性能影响因素的敏感度分析; 最后,结合力学性能研究与防水性能预测需求,提出以闭合压缩力、密封垫接触应力分布作为分析指标。研究结果表明: 1)针对密封垫装配时所需的闭合压缩力,其影响因素主次顺序为张开量、断面开孔率、橡胶硬度、开槽数量、开孔形状、其他因素以及错位量; 2)密封垫接触应力分布的影响因素主次顺序为开孔形状、断面开孔率、错位量、其他因素、张开量、橡胶硬度、开槽数量。根据研究结果选取对密封垫力学性能影响较为显著的因素进行单因素分析,然后根据分析结果及橡胶垫密封垫防水性能预测方法, 提出背景工程管片接缝密封垫的优化方案。     

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。     

考虑密封垫表面工作状态的盾构隧道接缝防水能力数值模拟研究

针对目前施工中盾构隧道防水密封垫经常出现粘贴不牢、沾水、不涂抹润滑剂等情况，构建了密封垫防水能力数值计算模型，将数值方法计算结果与常规计算结果进行对比，并对密封垫在底部与管片槽口粘贴、密封垫顶部涂抹润滑剂及沾水等多种工作状态下的防水能力进行研究。结果表明： 1）计算时是否考虑密封垫表面工作状态导致的闭合压缩力、平均接触应力结果差异分别为3.3%、23.9%，因此考虑表面工作状态的密封垫防水能力评估较为合理； 2）由于粘贴效应约束了密封垫底部的横向变形，其因此闭合压缩力及平均接触应力均大于不考虑底部粘贴效应的计算结果，影响值范围分别为31%~199%、0~245%； 3）密封垫顶部涂抹润滑剂能够减小闭合压缩力、增加接触面平均接触应力，影响值范围分别为4.7%~19.9%、6.5%~111%； 4）密封垫沾水时，闭合压缩力降低29.1%, 接触面平均接触应力降低8.7%； 5）在长期工作情况下，由于密封垫表面接触状态的变化，其平均接触应力整体呈下降趋势，最终下降约23.9%。     

苏通GIL综合管廊超高水压盾构隧道接缝防水性能试验研究

为解决苏通GIL综合管廊隧道工程超高水压盾构隧道接缝防水设计这一关键问题,首先,通过经验类比与理论分析,提出采用双道密封垫的接缝防水形式。考虑该隧道内部高温的不同影响,近管片内弧面的内道密封垫与近管片外弧面的外道密封垫设计水压值分别设定为1. 92、1. 60 MPa。然后,结合数值模拟分析,设计并筛选得到内外双道密封垫断面型式。最后,通过压缩性能试验和防水性能试验分别测得试验断面的密封垫压缩性能、闭合压缩力及防水性能。试验结果表明:设计的内外道密封垫接缝在张开量为8 mm、错缝量为15 mm时,防水能力分别达1. 94、1. 80 MPa,可满足本工程的防水性能要求。     

盾构隧道管片接缝密封垫区域平衡优化方法

当前中国盾构隧道接缝密封垫设计多采用工程经验及类比方法，常需借助防水试验及大量的数值仿真进行优化设计，缺乏理论支撑。为提高密封垫的防水性能，同时降低密封垫的压缩反力以提高盾构隧道的拼装效率，提出了基于功能区划的盾构隧道管片接缝弹性密封垫设计方法，该方法通过力学分析，将单个密封垫横断面划分为3个功能区块，对其进行数学离散，并在几何边界条件的规定下，建立了单个密封垫力学平衡模型及考虑正常压缩与错位压缩情况下的密封垫简化力学模型。依据模型对密封垫进行优化设计，针对2种密封垫采用有限元方法进行数值分析，通过对压缩反力曲线、接触面应力等对比，分析2种形式密封垫的差异，并结合在最不利工况下进行的试验，通过对比两者的防水水压，验证设计方法的可行性。结果表明：通过调整接缝密封垫孔型能达到在不影响接触应力的条件下改变密封垫闭合压力的目的，开孔率及材料硬度对接缝密封垫受力影响较为一致；该设计法理论能够实现较好的优化效果，优化后的密封垫能够平衡各渗水路径的接触面应力及在不影响密封垫防水能力的前提下降低密封垫压缩反力。所提出的方法通过了数值分析及试验验证，可用于密封垫的初步选型与分析。     

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。     

盾构隧道管片接头嵌入式密封垫防水性能探究

为解决传统密封垫易于与混凝土管片胶结处发生渗漏水的问题,对新型嵌入式密封垫的防水性能进行研究。与传统的现场粘贴防水橡胶密封垫的工艺不同,嵌入式密封垫是将密封垫与混凝土管片整浇预制。采用模型试验和有限元数值模拟方法,对隧道接头中嵌入式密封垫的防水能力进行分析和论述。研究结果表明： 文中所涉截面形式的嵌入式密封垫在控制工况,即张开量7 mm、错缝量10 mm的情况下,满足上海深层排水调蓄隧道0.6 MPa的耐水压力要求,且弥补了传统密封垫易从密封垫与混凝土接触面渗漏水的缺陷。此外,通过在密封条两侧设置凹槽,可有效减小密封垫脚部与混凝土间接触应力,减少局部应力集中,保证混凝土管片的完整性,提高接头防水能力。     

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。     

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。     

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。     

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。     

管片接缝螺栓孔外侧双道密封垫合理布置型式研究

目前普遍使用的单道三元乙丙橡胶密封垫防水型式无法满足水下盾构隧道管片接缝防水新要求,而既有的双道密封垫防水体系受螺栓孔防水性能的限制无法充分发挥其应有的防水性能。依托江阴靖江长江隧道,提出将双道密封垫均放置于螺栓孔外侧的新型防水体系,并结合设计对比分析双层密封垫连续布置和间隔布置2种型式的防水性能。基于不同的沟槽布置形式,设计可更换内胆的T字缝耐水压测试设备,并开展室内物理模型试验,研究结果表明： 1）螺栓孔外侧连续布置的双道密封垫的防水性能表现不佳; 2）在讨论连续布置双道密封垫的匹配策略时,发现“外主内辅”对整体防水性能有2.02%的提升,“外辅内主”则导致整体防水性能下降4.71%; 3）较单道密封垫,螺栓孔外侧间隔布置双道密封垫防水体系的整体防水性能可提升9.68%~16.13%。     

大直径水下盾构隧道接缝弹性密封垫防水性能研究——设计方法与工程指导

大直径水下盾构隧道具有大直径、高水压、地质条件复杂等工程特点,对隧道接缝弹性密封垫的防水密封提出了极高的要求。为解决目前国内外该方面研究大多基于某一特定工程进行专项试验,缺少设计方法提炼的问题,在调研国内典型大直径水下盾构隧道的接缝防水构造的基础上,建立接缝弹性密封垫的设计方法,该设计方法由工程参数提取、试验前有限元预分析、试验研究和试验后有限元分析4部分内容构成。最后,应用该设计方法成功指导南京纬三路长江隧道的接缝弹性密封垫设计,证明其科学性和可行性,可为我国类似盾构隧道防水设计实践提供参考。     

局部失效盾构隧道管片承载特性及破坏机理

局部失效(混凝土或钢筋缺失)会显著影响盾构管片的承载性能，甚至会诱发隧道整体结构的破坏。为明确局部失效对管片承载特性的影响，分别开展了标准管片和跨中及侧部开孔管片承载特性的足尺试验，并对管片的位移、裂缝扩展及混凝土应变进行了监测。试验结果表明：管片破坏过程分为4个典型阶段，并将各个阶段的临界荷载定义为管片的3个特征荷载。根据各特征荷载值对管片的承载特性进行了对比分析，明确了开孔管片的承载能力低于标准管片，且开孔位置对管片的承载特性具有较强影响。为进一步明确局部失效盾构管片试验结果的准确性，采用混凝土弹塑性损伤本构建立了与试验对应的三维精细化数值模型，并通过与模拟的对比验证了试验结果的合理性。随后，依据标准管片各承载特性，定量分析了管片开孔直径及开孔位置等因素对管片抗弯承载特性的影响规律，并初步提出了局部失效盾构管片抗弯承载特性的理论计算模型。研究结果可为极端条件下地铁盾构隧道的安全性评估及加固设计提供理论基础。     

水下盾构隧道防水密封垫性能研究

针对目前密封垫截面形式的研究多集中在对截面整体形式上,截面开孔形式选取多根据工程经验为主的情况。以某引水隧洞为背景,初步设计六种截面轮廓相同,开孔形式和填充率不同的密封垫截面,运用有限元计算软件,对初设截面进行数值模拟,从内部应力、闭合压力和防水能力等角度对圆角三角形和圆形两种常用密封垫截面开孔形式以及密封垫的填充率进行了对比研究,得到了各截面形式密封垫在不同压缩量下的变形和力学特性。主要结论如下:密封垫变形与密封垫孔洞形式和孔洞分布密切相关;圆角三角形的开孔形式从闭合压力和防水能力上要优于圆形开孔;开孔形式相同条件下,密封垫的防水能力和闭合压力与填充率成正比。     

装置材料对防水试验中密封垫性能的影响

为研究管片密封垫防水试验中不同装置材料下密封垫性能的差异,采用弹性力学理论对钢制装置和混凝土装置下密封垫的耐水压力和装配力进行研究。以管片接缝密封中常用的三元乙丙密封垫为研究对象,对钢制装置和混凝土装置下的密封垫进行防水试验,研究2种不同装置下密封垫的装配力和耐水压力与张开量的关系。研究结果表明:1)钢制装置下密封垫的竖向应力比混凝土装置下密封垫的竖向应力大,导致其耐水压力高于混凝土装置;2)2种装置得出的装配力-张开量和耐水压力-张开量曲线变化规律相似;3)采用钢制装置代替混凝土装置进行混凝土管片密封垫的防水试验时,应将张开量减小一定的数值;4)在密封垫的防水试验中应尽量采用混凝土装置进行测试;5)采用钢制装置代替混凝土装置进行混凝土管片密封垫耐水压力测试时,应对试验数据进行平移转换。     

盾构隧道通缝拼装管片错台的理论分析

随着盾构法隧道施工技术的发展和众多问题的解决，管片错台引起的管片开裂、拼装困难和防水隐患等问题对施工和运营的影响日益凸显，对工程质量有直接的影响。盾构隧道管片的错台主要归因于隧道管片间的差异性位移。分析以上海轨道交通二号线西延段盾构隧道工程为背景，在对隧道的不同类型的管片详细的受力分析的基础上，运用达朗贝尔原理对管片的位移进行了理论分析。最后，分析得出了不同类型管片的位移计算公式，并推导得出了管片之间的错台公式。该公式描述了管片错台与管片受力、弹性密封垫性质等因素的一个定量关系，为消除盾构隧道管片在推进过程中的错台，确保施工精度，提高工程质量提供了理论依据。     

基于隧道轴线控制的通用型管片主要构造参数设定研究

为适应复杂条件下盾构隧道管片构造设计要求,首先介绍一种通用环管片错缝拼装的预排版计算方法,然后详细分析管片构造的主要几何参数与隧道最小拼装曲线半径的关系,提出满足线路曲线半径拼装要求的管片主要几何参数组合,并基于某地铁区间的设计线路,比较不同管片楔形量对拼装误差的影响,得出管片楔形量过大会导致直线段或者较缓的曲线段拼装误差过大的结果,继而算出基于线路的最大、最小楔形量,提出管片楔形量建议值计算方法,并与3条地铁线路的管片选型进行对比验证。研究成果可为实际工程的管片选型及构造设计提供合理建议。     

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。