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。     

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。     

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。     

成都蜀龙五期预制装配式综合管廊拼缝橡胶密封件形式研究

为使橡胶密封件在拼缝处张开量为10 mm、错位量为12 mm以及在闭合压缩力尽可能小的情况下仍能够满足成都市蜀龙五期预制装配式综合管廊0.21 MPa的防水要求,建立3次Ogden橡胶本构模型,对圆形孔洞和类三角形孔洞2种形式的橡胶密封件进行数值模拟,比较2种形式下橡胶密封件的装配力大小,选择装配力小的橡胶密封件进行防水性能和闭合压力试验。结果表明： 1）圆形孔洞橡胶密封件能够满足蜀龙五期综合管廊的防水要求,密封件闭合压缩力为28.55 kN/m。2）当预制块拼装间隙张开量（错位量）较小时,错位量（张开量）的增大会迅速减小橡胶密封件的耐水压力,且张开量对橡胶密封件耐水压力的影响比错位量大。3）预制块拼装间隙张开量越接近0 mm,加载等间距张开量所需装配力越大。     

盾构法联络通道密封垫设计及防水试验研究

为探究适合盾构法联络通道工程的密封垫断面形式,以宁波市轨道交通3号线第1条盾构法联络通道为工程背景,针对遇水膨胀橡胶设计阴阳凹凸、圆形孔洞、梳形、矩形等4类断面。对各断面形式进行可行性分析,选取阴阳凹凸断面与矩形断面作为初选方案。利用Abaqus/Explicit计算模块对2种断面的接触应力进行有限元分析,通过设计“一”字缝耐水压力试验,验证数值模拟中接触应力较大的矩形断面的防水能力。研究表明： 1）数值模拟结果显示,接触面最大接触应力与平均接触应力均随着张开量的增加而减小; 同等张开量与错台量下,在压缩与膨胀2个阶段中,矩形断面的接触应力均大于阴阳凹凸断面,因此选取矩形断面作为备选方案。2）“一”字缝耐水压力试验结果表明,矩形断面密封垫保压48 h后耐水压力明显提升,且张开量越大耐水压力提升幅度越大。3）综合数值模拟与试验结果可知,该矩形断面密封垫满足0.6 MPa的防水要求。     

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。     

和燕路隧道盾构防水密封垫极限防水性能试验研究

为对超出设计允许张开量、错台量情况下的盾构隧道接缝防水性能进行评价，探究满足防水要求的密封垫极限张开量、错台量，基于南京和燕路长江隧道工程，选取设计的2种密封垫开展极限张开与极限错台工况下的防水试验，得到密封垫在张开量与错台量超出设计允许值后其防水性能的变化规律。1）在密封垫张开量超过设计允许张开量后，密封垫防水性能随张开量的增大逐步减小，且减小幅度随着张开量的增大逐渐增大。2）错台量超过设计允许错台量后，随着错台量的增大，密封垫的耐水压能力总体呈波动式减小的趋势，直至错台量达到某一临界值，其防水性能迅速下降，直至失效。对于存在张开量与错台量超出设计允许值风险的水下盾构隧道，建议在设计时考虑其在极限工况下的防水性能。     

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。     

纯压弯受力下大断面盾构隧道管片接头抗弯足尺试验研究

针对管片接头抗弯试验中接头是否处于纯压弯受力状态影响试验结果准确性问题,设计一套可使接头具有较大转动角度、保证其处于纯压弯受力状态的抗弯加载装置,并开展一系列不同轴力和弯矩下接头抗弯性能试验,试验中采用差动式位移计和应变传感器等对接头变形和螺栓应变进行测量。基于试验结果得出： 1）接头处于纯压弯受力状态时,正负弯矩下管片接头竖向位移、张开量、闭合量、转角、螺栓应力随弯矩变化的曲线较为平顺; 2）正弯矩下接头张开高度随弯矩变化可分为2个变化阶段,而负弯矩下受接缝面复杂变形接触关系影响,在上述2阶段变化规律之间出现了明显的“平台段”; 3）接头采用斜螺栓连接时,[JP2]正弯矩下轴力对接头的抗弯性能影响大于负弯矩下轴力对接头的抗弯性能影响,且正负弯矩下抗弯性能的差异随着轴力的增大而减小。     

管片接缝密封垫接触面泄漏率的数值模拟研究

为从微观角度探究管片接缝密封垫的防水机制,基于Roth模型建立密封垫接触面的泄漏通道模型,推导出泄露率的计算公式;通过建立宏观密封垫数值模型和微观锥型峰数值模型,完成以粗糙度、张开量、错位量和硬度为4个影响因素,以泄露率和平均正压力为评价指标的正交试验。主要结论如下:1)泄露率可以作为评价密封垫防水性能的一个重要指标; 2)随着粗糙度的增加,泄露率逐渐增大,尤其是当粗糙度大于0.8μm时,泄露率几乎呈指数型增长,考虑到降低粗糙度会增加工程造价,建议密封垫粗糙度控制在0.4～0.8μm; 3)粗糙度直接决定了初始泄漏通道的尺寸,因此,相比于硬度、张开量、错位量3个因素,粗糙度对于泄露率的影响最为显著。     

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。     

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。     

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。     

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%。     

冻结降温导致地铁盾构隧道漏水的数值与理论分析

为研究地铁盾构隧道正上方基坑冻结开挖诱发隧道环缝渗漏水的问题,采用数值分析方法建立三环管片衬砌结构的三维有限元精细模型,主要研究冻结降温作用对盾构隧道环缝、纵缝张开量的影响,并结合接缝处细部构造的特点对隧道环缝出现漏水的原因进行理论分析。结果表明： 1）盾构隧道管片纵缝、环缝张开量和螺栓应力随着冻结温度的降低而增大; 2）在地层荷载与冻结温度共同作用下,盾构隧道环缝最大张开量为纵缝最大张开量的4.2倍; 3）环缝张开使得接缝处管片与橡胶密封垫接触不紧密,进而导致橡胶垫与接缝槽接触产生的摩擦力小于水压力,这是隧道漏水的主要原因。     

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。     

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。     

纵向力对盾构隧道管片结构内力分配机制的影响分析——以苏通GIL电力管廊隧道工程为例

为探明施工过程中,不同纵向力及竖向荷载作用下,中间管片与两侧持环管片结构位移与内力分配的变化规律,以苏通GIL电力管廊隧道工程为背景,采用有限元方法建立局部错缝拼装管片结构模型,对目标管片在拱顶位置受拱顶竖向均布力荷载作用下弯矩与位移的分配规律进行研究,引入环间位移分配系数与弯矩分配系数揭示在不同纵向力作用下目标管片环间弯矩与位移的分配规律,揭示纵向力与环缝接缝张开量的对应关系,探明错缝拼装管片结构弯矩与位移的分配机制。结果表明:1)纵向力能够增加管片结构弯矩与位移的分配能力,有利于结构整体受力以及位移的整体协调性,其对结构内力分配的影响表现为非线性及阶段性,即当环间不产生接缝张开时,纵向力的增加对结构整体性影响较小;当环间产生张开量时,纵向力的增加在一定程度上增强了管片变形及内力的分配能力。2)纵向力使目标管片与两侧管片环缝完全接触,此时控制内力分配的主要因素为环缝接触面;直观控制因素为环缝张开量与错台量,随着环缝的张开,局部结构内力逐渐由通过接缝面传递变为通过凹凸榫传递,同时结构整体内力分配能力降低。3)常规荷载作用下,随着竖向拱顶荷载增加,当环缝凹凸榫接触后,结构内力的分配逐渐趋于某一稳定值。4)实际工程中出现纵向力损失后,由于内力的重新分配,结构会出现局部位置应力集中情况,需针对该实际工况予以特殊考虑。