1、第 1 期研究报告*住房和城乡建设部科学技术计划项目(2021-K-080)超软土盾构隧道接缝防水机理及优化措施*吕延豪孙雪兵张海涛(中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉第一作者，正高级工程师)摘要为了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，基于温州市城市轨道交通 M1 线地铁盾构隧道工程，对选取设计的一种密封垫进行极限张开与极限错台工况下的防水数值模拟，并对该密封垫断面进一步优化。研究结果表明:压缩密封垫需要的拼装力最大值为 386kN/m，满足工程盾构隧道拼装力小于 60 kN/m 的要求;在密封张开和错台
2、工况下，密封垫防水能力都会减小;通过优化弹性密封垫断面形状，可提高接缝防水性能，满足工程需求。关键词地铁;盾构隧道;防水密封垫;张开量;错台量中图分类号U4536DOI:1016037/j1007869x202301004WaterproofMechanismandOptimizationMeasures for Shield Tunnel Joint in Ultra-soft SoilLYU Yanhao，SUN Xuebing，ZHANG HaitaoAbstractIn order to evaluate the waterproof performance ofshield tunn
3、el joints that are beyond the allowable opening a-mount and dislocation amount of design，and to explore thelimit of sealing gasket opening amount and dislocation amountthat meet the waterproof requirements，based on the shield tun-nel project of Wenzhou Urban ail Transit Line M1，adesigned sealing gas
4、ket is selected for carrying out the water-proof numerical simulation under the condition of extreme o-pening and dislocation，then the section of the gasket is furtheroptimized esearch results show that:the maximum assemblyforce required for compressing the sealing gasket is 386 kN/m，which meets the
5、 requirement of shield tunnel assembly force ofbeing less than 60 kN/m;under both the working conditions ofsealing opening and dislocation，the waterproof ability ofsealing gasket will be weakened;but the joint waterproof per-formance can meet the engineering requirements by optimizingthe section sha
6、pe of the elastic sealing gasketKey wordsmetro;shield tunnel;waterproof sealing gasket;opening amount;dislocation amountAuthors addressChina ailway Siyuan Survey and DesignGroup Co，Ltd，430063，Wuhan，China盾构法隧道采用多块预制管片拼装而成，盾构管片接缝的张开、错台以及转动变形都可能会导致接缝密封垫丧失预期的接触应力，最终导致管片接缝出现渗漏水病害。在管片接缝防水理论方面，文献 1建立了双道密封垫
7、整体防水能力的计算公式。在试验研究方面，文献 2 对苏通 GIL(气体绝缘金属封闭输电线路)综合管廊超高水压盾构隧道接缝防水性能进行了试验研究，通过经验类比和理论推导，提出双道密封垫防水形式。在数值方法研究方面，文献 3 等依托南京和燕路过江隧道工程，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。已有的软土地铁隧道运营经验表明4，渗漏水还会进一步加剧盾构隧道的结构变形。因此，接缝渗漏水问题已成为盾构隧道长期服役的重大技术难题。1工程概况温州市城市轨道交通 M1 线属于城区南北向轨道交通骨干线。线路由南向北，主要穿越的地层可以分为淤泥、砂性地层、黏土、中风化凝
8、灰岩和卵石5 大类。其中，淤泥及淤泥质土分布广，占比高达66%，淤泥土层厚 1830 m 不等，平均厚度为 24 m。温州软土具有触变性强、灵敏度高、含水量高、孔隙比大、强度低、渗透系数低及压缩性高等 7 大特点。M1 线盾构隧道外径 67 m、内径 59 m，管片分块方式为“3+2+1”，管片厚 04 m。根据 M1 线盾构隧道的防水设防要求，在管片接缝张开 6 mm、错台15 mm 工况下，类比相关工程案例，本工程盾构隧道理论水压值为 04 MPa。为减小隧道发生渗水风712023 年险，确保隧道运营安全，工程采用 EPDM(三元乙丙)防水弹性密封垫。通过防水性能指标计算公式2 可得，弹性
9、橡胶密封垫在设计使用年限内能抵抗的最高水压为 08 MPa。密封垫沟槽尺寸如图 1所示。密封垫压缩量越大，防水效果越好，但过大的压缩量需要的装配力过大，会影响隧道管片拼装。根据施工机械设备的拼装能力，确定本工程中接缝密封垫拼装力不应大于 60 kN/m。密封垫断面尺寸大小如图 2 所示。密封垫分区示意图如图 3 所示。图 1密封垫沟槽尺寸图Fig1Size diagram of sealing gasket groove图 2密封垫断面尺寸图Fig2Size diagram of sealing gasket section图 3密封垫分区示意图Fig3Partition diagram of
10、 sealing gasket2数值模型建立使用 ABAQUS 有限元软件对密封垫进行防水性能模拟，在单道密封垫的最不利工况(张开 6mm，错台 15 mm)下优化密封垫的断面形式，确保密封垫能抵挡 08 MPa 水压。考虑到工程的防水要求和拼装力要求，设置 4种工况如表 1 所示。通过接缝密封垫在不同张开量和错台量工况下的数值模拟，验证工程中所用密封垫是否满足拼装力和防水性能的要求。表 1接缝密封垫数值模拟工况设置Tab1Working condition setting of joint sealing gasketnumerical simulation工况张开量/mm错台量/mm工况一
11、00工况二015工况三60工况四615防水密封垫和混凝土管片沟槽二维有限元模型如图 4 所示。管片沟槽采用刚体进行模拟，橡胶材料采用可变形实体单元进行模拟。图 4二维有限元模型Fig4Two-dimensional finite element model21参数选取文献 5 按照既有研究结果，橡胶密封垫统一采用 EPDM 材料，邵氏硬度为 60，在后续计算中采用相关计算参数进行计算。橡胶材料为超弹性材料，在数值模拟中，弹性密封垫材料模型选取超弹性模型，应变位能模型采用 Mooney-ivlin 模型，即:W=C10I1 3()+C01I2 3()(1)式中:W 应变能函数;I1、I2 变形张
12、量不变量;C10、C01 密封垫主要材料参数。密封垫材料参数设置如表 2 所示。表 2密封垫材料参数Tab2Material parameters of sealing gasket邵氏硬度C10/MPaC01/MPa600495006422网格划分及接触设置有限元模型采用四边形单元划分，如图 5 所示。81第 1 期研究报告图 5网格划分Fig5Mesh division有限元模型中，密封垫孔洞设置为自接触，上下密封垫之间及密封垫与沟槽之间均设置为面接触，接触面法向采用硬接触，切向采用罚函数接触。密封垫之间的摩擦系数为 057，密封垫与沟槽之间的摩擦系数为 050。密封垫失效时，发生渗水的路
13、径可能有 2 种，即密封垫与沟槽之间的接触面和密封垫之间的接触面。选取这 2 种接触面作为接触应力的提取路径，可以一定程度上反映密封垫的防水性能优劣。密封垫接触面提取位置如图 6 所示。图 6密封垫接触面提取位置Fig6Extraction position of sealing gasket contact face3计算结果及分析31拼装力分析根据计算结果，对各工况下的拼装力进行整理分析。密封垫断面拼装力曲线如图 7 所示。在“张0 错 0”条件下，密封垫断面需要的拼装力为 386kN/m;在“张 0 错 15”条件下，密封垫断面需要的拼装力为 3829 kN/m;在“张 6 错 0”条件
14、下，密封垫断面需要的拼装力为 1196 kN/m;在“张 6 错 15”条件下，密封垫断面所需要的拼装力为 1209 kN/m。4种工况下的装配力均小于 60 kN/m，本工程中密封垫设计满足工程中拼装力的需求。32应力分析文献 3 基于密封垫接触面上接触应力分布的不均性，将接触应力大于设计水压的部分定义为“有效接触应力”，并从数值模拟结果中提取密封垫间的接触应力，绘制出内道密封垫的有效接触应力图，如图 8 所示。在“张 0 错 0”条件下，密封垫间有2 个峰值区间的接触应力大于08 MPa，满足先前图 7密封垫断面拼装力曲线Fig7Curve of assembly force of sea
15、ling gasket section提出的防水指标;虽然在“张 0 错 15”条件下有一个峰值区间的接触应力大于 08 MPa，但是一旦该区间失效，其余部分不具备 08 MPa 的防水能力，安全储备较小;在“张 6 错 0”条件和“张 6 错 15”条件下，密封垫之间的接触应力减小，防水能力都小于 08MPa，不能满足 08 MPa 的防水性能需求，需要对密封垫断面进行优化。33密封垫断面优化在目前已有专利的基础上进行密封垫断面优化，优化后密封垫断面形式如图 9 所示。对优化后的密封垫断面进行数值模拟，分析其在“张 0 错 0”和“张 6 错 15”这两种不利条件下912023 年图 8密封
16、垫之间有效接触应力曲线Fig8Curve of effective contact stress between sealing gaskets图 9优化后密封垫断面Fig9Section of optimized sealing gasket的力学性能及防水性能，模拟结果分别如图 10 和图11 所示。可以看出:优化后，密封垫最大拼装力仅为43 kN/m，满足工程中小于 60 kN/m 的拼装力需求;在防水最不利工况中，密封垫的防水性能得到了有效提高，有 4 个峰值区间的接触应力大于 08 MPa。图 10优化后密封垫断面拼装力曲线(“张 0 错 0”条件)Fig10Curve of assembly force of sealing gasket section afteroptimization(opening 0 and dislocation 0)图 11优化后密封垫接触应力曲线(“张 6 错 15”条件)Fig11Curve of contact stress between sealing gaskets afteroptimization(opening 6 and d