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。     

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。     

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%。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

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。     

盾构管片接头三维数值模拟与研究

盾构管片接头作为管片分块的连接部分,是盾构管片结构中的重要且薄弱的局部结构,其力学性能直接影响盾构管片正常运营的安全性.利用三维有限元方法建立了精细化的三维数值模型,采用实体单元模拟了铸铁件管片接头、螺栓、垫片等结构,计算了螺栓表面荷载下管片接头的力学性能和锚筋支座反力,通过3组螺栓位置情况讨论分析了锚筋位置对管片接头...     

GPST工法管片接缝防水技术研究

接缝是盾构隧道渗漏水发生的主要部位,而接缝面止水是盾构隧道防水的关键。盾构隧道接头防水是通过接缝面上的接触压力将密封材料压缩而产生堵水作用,但接触面压力又受接头错位和张开量的影响。为了解决南京地铁某GPST(地面出入式盾构)工法在超浅覆土及负覆土下掘进过程中,盾构千斤顶顶推力不足、接缝止水条难以达到预定的压缩量和挤密的问题,通过试验和仿真分析的方法,得出适用于浅覆土管片接缝的低硬度、高孔洞率止水条;止水条耐水性能试验结果表明,止水条能够满足本工程管片接缝长期止水的要求。     

水下盾构隧道弹性密封垫防水失效数值模拟研究

结合某水下盾构隧道工程的防水设计,采用大型有限元软件ABAQUS对弹性密封垫的防水失效机理进行数值模拟研究。将本文有限元模型与前人简化模型进行了对比分析,并对接缝张开及接缝错开情况下的密封垫防水失效机理进行了分析。研究表明,在接缝张开的情况下,渗漏主要发生在密封垫间的接触面上;接缝错开的情况下,随错缝位移的增大,渗漏将由发生在密封垫接触面上而转变为发生在密封垫与混凝土间的接触面上。     

盾构隧道管片接头三维精细化数值模拟研究

针对现有盾构隧道管片接头构造数值模拟难以准确反映接头实际受力和变形过程的问题,以苏通GIL工程管片接头为研究对象,建立三维精细化接头数值模型,模型采用实体单元模拟接头混凝土、螺栓、套筒、垫片等构造并在螺栓上施加预紧力,采用梁单元模拟钢筋。通过接头抗弯足尺试验验证数值模型计算结果的准确性,进而分析螺栓连接状态对于接头抗弯性能的影响。结果表明： 1）所建立的接头三维精细化模型能较好地反映接头在压弯荷载作用下的变形规律,与接头抗弯足尺试验结果的对比表明其具有较好的计算准确度; 2）正负弯矩作用下,无螺栓时接头总体上更易发生张开和竖向变形,正弯矩下有无螺栓对于接头张开、竖向变形的影响较大且与轴力和弯矩有关,负弯矩下两者之间的差距较小且基本不变; 3）接头采用斜螺栓连接时,正弯矩下有无螺栓对于接头抗弯刚度的影响较负弯矩下更大。     

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。     

城市排污管道衬砌管片劣化的数值模拟研究

为研究氯离子在高强度混凝土(C50、C55及C60)内的扩散规律,通过ANSYS有限元软件对上海某深隧衬砌管片不同环境条件下全寿命周期氯离子扩散进行模拟,定量探究硫酸盐浓度、混凝土强度等级及环境水压值对高强度混凝土保护层厚度取值的影响。数值试验结果表明:氯离子含量随着模拟深度的增加而不同程度的减少,且不同深度处氯离子含量随着硫酸盐浓度的增加而增加,随着混凝土强度等级的增加而略微减少,随着水压值的增加而略微增加;达到深隧结构设计服役时间所需要的混凝土保护层厚度随着硫酸盐浓度线性增加,随着混凝土强度等级线性减少,随着水压值线性增加。     

燃料电池船舶舱内氢气泄漏数值模拟研究

燃料电池船舶运载着大量氢气作为燃料,在给船舶带来动力的同时,也因其易泄漏、爆炸等特性对船舶安全带来了威胁.针对船舶燃料电池舱内发生氢气泄漏的情景,选取目标船舶建立其燃料电池舱三维几何模型,并基于理想气体模型和氢气泄漏参数,计算出氢气从管道的泄漏值.再基于流体计算软件Fluent,选取适合的气体扩散模型,通过边界条件的设置,开展对舱门开闭和通风口状态的联合通风条件下氢气在舱内的扩散过程的瞬态数值仿真实验,并对不同条件下的舱内氢气浓度分布和发展规律进行了对比分析.仿真结果表明,在舱室上方的4个角落处,氢气的聚积浓度更高,是氢气探测器安装的最佳位置;在通风口保持自然通风的条件下,打开舱门可以使氢气的最终浓度降低20%左右;在单个通风口采用强制通风的通风量达到6 m3/s时,燃料电池舱内的氢气向其他舱室的扩散浓度可以维持在4%的安全浓度以下,且整个舱室的氢气浓度都可以保持在一个较低的水平,而继续增大通风量对氢气浓度的降低效果并不显著.     

盾构隧道施工期管片上浮机理数值模拟研究

近年来,随着各类盾构隧道的大规模兴建,管片上浮始终是施工中迫切需要解决的一大难题,为此,国内外许多学者对管片上浮机理及其处置办法进行了深入研究,形成了不少科研成果,在生产实践中也得到了良好的应用。该文借助数值分析手段,依托衡阳二环东路合江套湘江隧道工程,对盾构隧道施工期渗流场、地应力场、隧道埋深、地下水位、泥水和注浆压力等因素进行分析,明确了各因素对隧道施工的影响程度和作用机理。     

机械法联络通道管片切削试验与数值模拟研究

T接头受力复杂,易引发安全事故,为确保盾构施工安全,分析正线隧道管片弱化效应,针对主隧道特殊管片的设计施工,开展机械法联络通道刀盘切削试验,模拟始发端混凝土管片掘进切削过程,揭示刀具在不同时刻切削力的变化情况及管片、螺栓在不同工况下的内力分布规律。通过研究得到以下结论： 1)刀具切削厚度、切削速度越大,切削阻力越大,混凝土裂纹扩展越严重,刀具磨损越严重;基体强度越大的混凝土,切削时混凝土板面受损越小。2)切削对同一环的螺栓影响较大,对侧边的螺栓影响较小,随着刀盘旋转推进,管片发生位移变化,螺栓连接点的位移逐渐增大。当刀盘钻出管片时,混凝土管片及内部螺栓位移逐渐趋于稳定。3)改变切削洞口管片的强度对于隧道的变形影响很小,在改变了切削洞口强度后,洞口管片所受的位移增大,但是影响量比较小,结构仍较安全。     

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。     

防水密封垫布置方式对管片接头的力学影响分析

为实现管片接头的受力和接缝防水共赢,利用可模拟复杂接头特性的管片接头力学模型,分析不同位置、不同宽度、不同数量的密封垫对管片接头的力学影响,并探讨兼顾管片接头受力与密封垫防水的接头设计,给出相应改进建议。研究表明： 1)对于软弱地层的管片接头,密封垫靠近接缝面中部布置可以使管片接头保持较高的抗弯刚度,降低接头混凝土压溃和螺栓受拉屈服的风险,确保管片接头的受力安全,并具有良好的接缝防水能力; 2)对于硬质地层的管片接头,其密封垫靠近接缝面边缘布置或采用大宽度密封垫,并配合采用改进接缝面接触方式和改善螺栓材质等综合措施,可达到同时降低接头抗弯刚度、确保接头安全、提高接缝防水的目的。