考慮擊穿水壓的雙道密封墊防水機制研究

肖明清， 虞雄兵， 薛光橋， 張超勇

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063； 2. 水下隧道技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心， 湖北 武漢 430063； 3. 華中科技大學(xué)， 湖北 武漢 430074)

0 引言

盾構(gòu)法因其機械化程度高、對環(huán)境影響相對較小等優(yōu)點，在隧道工程中被廣泛采用。21世紀以來，我國大規(guī)模建設(shè)水下隧道和城市地鐵，盾構(gòu)法得到了快速發(fā)展[1]。隧道防水是隧道施工建設(shè)以及運營過程中的重難點，盾構(gòu)管片接縫處更是防水的關(guān)鍵部位，若隧道內(nèi)長期滲水，則有可能造成孔壓和管片內(nèi)力的變化，甚至?xí)斐傻乇沓两礫2]。

管片接縫密封墊按止水原理分為彈性橡膠密封墊和遇水膨脹橡膠密封墊，前者主要材料為三元乙丙橡膠(EPDM)與氯丁橡膠(CR)，后者主要材料為遇水膨脹樹脂與橡膠。目前，國內(nèi)外學(xué)者做了很多關(guān)于密封墊防水性能以及耐水壓力的研究： Paul[3]對密封條進行了防水試驗，發(fā)現(xiàn)管片溝槽面與密封條間有泄露的可能；葉美錫等[4]對密封墊張開量、錯位量、斷面形狀、開孔率等因素進行了敏感性分析；朱洺嵚等[5]對不同斷面密封墊進行防水性能及閉合壓縮力數(shù)值模擬，優(yōu)化得到防水性能較優(yōu)的密封墊斷面形式；薛光橋等[6]依托南京和燕路長江隧道工程，選取2種密封墊設(shè)計極限工況下的防水試驗，得出了極限工況下密封墊防水性能的變化規(guī)律； Kurihara等[7]認為彈性密封墊的防水能力和孔洞率、斷面形式有關(guān),其中斷面形式對防水能力的影響較為顯著；雷震宇[8]采用數(shù)值模擬的方法，對壓縮情況下密封墊孔洞的合理變形、薄弱處應(yīng)力集中、最大張開量下接觸應(yīng)力的大小及其分布等因素進行綜合分析；張子新等[9]、Ding等[10]、Li等[11]采用自主設(shè)計的新型彈性密封墊耐水壓測試裝置，進行了一字縫、T型縫的防水試驗；李拼等[12]提出有效接觸應(yīng)力的概念，并通過數(shù)值模擬，對典型張開及錯位工況下接縫的防水性能進行分析，揭示出密封墊接觸應(yīng)力的分布特性；董林偉等[13]建立了密封墊力學(xué)模型，對在外側(cè)水壓作用下表面接觸應(yīng)力進行理論推導(dǎo)，得出影響密封墊防水性能的因素不僅包括密封墊自身的物理性能，而且包括螺栓的彈性模量及有效橫截面積等。

然而，上述文獻的研究成果大多針對單道密封墊。隨著水下隧道的發(fā)展，盾構(gòu)隧道管片承受的水壓會越來越高，為提高接縫的防水能力，增強防水設(shè)計的韌性，雙道密封墊的應(yīng)用將會越來越廣泛，但目前關(guān)于雙道密封墊的理論研究卻相對較少。因此，本文采用理論推導(dǎo)與防水試驗相結(jié)合的方法，對雙道密封墊的防水機制進行研究，以期為高水壓盾構(gòu)隧道的防水設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 雙道密封墊防水機制

相比單道密封墊防水，雙道密封墊增加了一道防線，使其在高水壓環(huán)境中更具保障性，同時，更重要的是： 由于雙道密封墊之間寄生容積(指雙道密封墊間的空腔)的存在，使得整個泄露過程分段進行，并衍生出擊穿水壓的概念。擊穿水壓可定義為使密封墊完全失去黏滯阻力的外界臨界水壓，此時外界水壓和寄生容積內(nèi)水壓相等。所以，在外道密封墊被徹底擊穿之前，內(nèi)道密封墊處于一個小于外界水壓的環(huán)境，雙道密封墊的防水機制需要分階段分析。

1.1 雙道密封墊防水機制定性分析

在外道密封墊發(fā)生泄露之前，雙道密封墊的防水機制與單道密封墊相同，此時只有外道密封墊發(fā)揮作用。研究顯示，密封墊表面接觸應(yīng)力與防水能力密切相關(guān)，所以從接觸應(yīng)力防水的角度分析，密封墊的防水機制主要由2部分構(gòu)成： 第1部分是管片拼裝時壓縮密封墊提供的初始接觸應(yīng)力σ0； 第2部分是由于外界水壓p1作用于外道密封墊迎水側(cè)，使密封墊產(chǎn)生豎向變形，進一步提供了接觸應(yīng)力σ1，增大了防水能力。外道密封墊泄露前示意圖如圖1所示。

在外道密封墊發(fā)生泄露后，地下水向寄生容積中泄露，直至寄生容積里形成穩(wěn)定水壓。在外道密封墊被擊穿之前，由于接觸面黏滯阻力的存在，寄生容積內(nèi)的水壓p2小于外界水壓p1。此時，內(nèi)道密封墊除了初始接觸應(yīng)力外，還受到寄生容積內(nèi)地下水的側(cè)向擠壓，產(chǎn)生接觸應(yīng)力σ2，防水能力繼續(xù)提升；而外道密封墊則同時受到兩側(cè)水壓的擠壓作用，一定程度上修復(fù)了外道密封墊的不對稱變形，使其防水能力得到提升。外道密封墊泄露后示意圖如圖2所示。

圖2 外道密封墊泄露后示意圖

在外道密封墊被擊穿后，寄生容積內(nèi)的水壓和外界水壓p1相等，此時，外道密封墊完全失效，只有內(nèi)道密封墊發(fā)揮作用。外道密封墊被擊穿后示意圖如圖3所示。

圖3 外道密封墊被擊穿后示意圖

1.2 外道密封墊擊穿水壓數(shù)值估算

肖明清等[14]指出，雙道密封墊能提高整體防水能力的直接原因就是外道密封墊接觸面間的黏滯阻力很大程度地降低了水壓，從而使整體防水能力高于單道密封墊。但如果外界水壓較大地超出了外道密封墊的初始防水能力，此時密封墊被完全擊穿，寄生容積內(nèi)的水壓和外界水壓相等，雙道密封墊的整體防水能力會降低至與內(nèi)道密封墊相等。下文將會對外道密封墊的擊穿水壓數(shù)值采用彈性力學(xué)理論進行估算。

對密封墊表面進行受力分析，如圖4所示。在微觀下，密封墊表面的接觸實際是粗糙峰之間的相互接觸(如圖5所示)，存在非接觸面積，且隨著地下水滲入接觸面，水壓逐漸增大的同時，非接觸面積也在增大。

(a) 無外界水壓

(b) 有外界水壓

圖5 微觀下密封墊表面粗糙峰

在t1時刻，無外界水壓時，Y方向上外力的合力為0，可得：

G1(t1)=G2(t1)。

(1)

在t2時刻，外界水壓為pw，假設(shè)雙道密封墊間外側(cè)水壓和容積水壓的平均值為αpw(0<α<1)。一方面，水壓作用于側(cè)面使接觸面應(yīng)力有所提升； 另一方面，接觸面間的水壓使得上下密封墊分離。綜合考慮2種影響，隨著水壓的增大，水壓的正向貢獻逐漸弱化，接觸面仍具有分離趨勢。若由于水壓作用引起的上下密封墊的位移為Δx，則有：

G1(t2)=G2(t2)+αpwAw。

(2)

設(shè)ΔG為位移量Δx引起的彈性復(fù)原力，對于上密封墊，水壓的作用使其向上位移Δx，下密封墊向下位移Δx，則式(1)和式(2)相減可得：

ΔG=αpwAw-ΔG；

(3)

2ΔG=αpwAw。

(4)

需要說明的是，由于是估算，所以式(3)和式(4)中忽略了粗糙峰回彈前后接觸面積的變化，近似認為二者相等。

設(shè)密封墊的線性剛度為K，彈性模量為E，厚度為h，則有：

(5)

則對于密封墊，有：

ΔG=KΔx。

(6)

將式(3)—(5)代入式(6)，得：

(7)

從密封墊中選取一個微元體進行分析，在無水壓作用情況下，有：

(8)

式中：σx、σy分別為x軸和y軸方向上的應(yīng)力；εy、εz分別為y方向和z方向上的應(yīng)變；ε0為水壓作用前的垂直應(yīng)變；x為x軸方向上的形變量。

代入平面應(yīng)變問題的物理方程，得：

(9)

式中μ為橡膠材料的泊松比，數(shù)值接近0.5。

在水壓pw的作用下

(10)

式中σp為水壓作用后微觀下粗糙峰相接觸產(chǎn)生的垂直應(yīng)力。

代入物理方程，得：

(11)

由式(7)、式(9)、式(11)，可得：

(12)

令：

(13)

(14)

式(13)—(14)中:φ為孔隙率，0<φ≤1；b為無定義的普通變量。

求解式(14)，可得b≥1.5。將式(13)和式(14)代入式(12)，得：

(15)

當(dāng)粗糙峰完全分離時，可認為密封墊被徹底擊穿，此時φ=1。根據(jù)有限元仿真的規(guī)律，密封墊失效時接觸應(yīng)力與外界水壓十分接近，即σy=pw。則：

pw=bσ0。

(16)

其中b≥1.5，密封墊的初始防水能力與接觸面初始接觸應(yīng)力密切相關(guān)[15]，可表示為：

p=λσ0。

(17)

式中：p為密封墊的初始防水能力；λ為密封系數(shù)，可取0.8～1.1。

將式(17)代入式(16)，得：

(18)

2 雙道密封墊試驗

2.1 密封墊的物理性能

試驗工況中雙道密封墊的布局方式及橫截面如圖6所示，密封墊的主要性能指標如表1所示。

圖6 雙道密封墊的布局方式及橫截面

表1 密封墊的主要性能指標

密封墊1的截面總面積為614.6 mm2，溝槽面積為635.6 mm2，面積比為1.034； 密封墊2的截面總面積為716.6 mm2，溝槽面積為722.0 mm2，面積比為1.008。可以看出，密封墊2的截面面積大于密封墊1的截面面積，密封墊2的防水能力大于密封墊1的防水能力。另外，在實際工程中密封墊長度比溝槽長度略短，但影響較小，可忽略不計，所以2道密封墊都滿足密封墊橫截面積=(1～1.15)×溝槽面積[16]。

2.2 試驗裝置

本文的試驗裝置可模擬實際情況中“一型縫”和“T型縫”的防水，試驗裝置如圖7所示。水壓機往密封墊內(nèi)腔注水，完成加壓環(huán)節(jié)；內(nèi)腔和寄生容積各放置1個水壓計，用以記錄任意時間段的水壓數(shù)值；游標卡尺用以控制張開量和錯臺量，以滿足試驗設(shè)計要求。

2.3 試驗方案和結(jié)果

調(diào)整防水試驗裝置后，按照既定工況設(shè)置張開量和錯位量。向橡膠密封圈內(nèi)注滿水，以每次0.1 MPa的增量持續(xù)加壓，待密封墊內(nèi)腔和密封墊間寄生容積水壓穩(wěn)定后，繼續(xù)升高水壓直至密封墊泄露，取泄露發(fā)生后的上一級水壓作為最終耐水壓力值。密封墊試驗工況和試驗結(jié)果如表2所示[14]。寄生容積水壓與外部水壓變化過程試驗數(shù)據(jù)(工況1)如表3所示。

圖7 密封墊防水試驗裝置

表2 密封墊試驗工況和試驗結(jié)果

表3 寄生容積水壓與外部水壓變化過程試驗數(shù)據(jù)(工況1)

2.4 試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗結(jié)果，工況1測試到密封墊1的擊穿水壓為2.0 MPa，為其自身防水能力1.5 MPa的1.33倍，與1.2節(jié)計算值1.36倍非常接近(一方面每組試驗本身存在一定的偶然性，另一方面本文所提的擊穿水壓系數(shù)為估算值引起)；工況4和工況7未測試到密封墊2的擊穿水壓，原因是密封墊1的防水能力小于密封墊2，寄生容積水壓提前超過密封墊1的防水能力而產(chǎn)生了滲漏。

由1.2節(jié)理論推導(dǎo)與后續(xù)試驗結(jié)果來看，當(dāng)缺乏試驗數(shù)據(jù)時，可大約取1.36倍的自身防水能力值作為密封墊的擊穿水壓估算值。具體到本試驗，密封墊1的擊穿水壓約為2.04 MPa，密封墊2的擊穿水壓約為4.08 MPa。

由工況1—工況3可知： 外道密封墊1面對的外界水壓3.6 MPa大于其自身擊穿水壓2.04 MPa，此時外道密封墊1沒有任何殘余防水能力，被徹底擊穿，雙道密封墊的整體防水能力與單道密封墊相等；不同的密封墊布置方式會影響雙道密封墊的防水能力。由工況4—工況6可知，當(dāng)防水能力更強的密封墊2布置在外側(cè)時，外界水壓3.9 MPa小于其自身擊穿水壓4.08 MPa，外道密封墊不會被擊穿，仍有殘余防水能力，雙道密封墊總的防水能力也有所增強。工況7—工況9也可得出與工況4—工況6相同的結(jié)論。因此，在雙道密封墊的實際應(yīng)用中，需要將防水能力更強的密封墊布置在外側(cè)，且雙道密封墊的防水能力差距不宜過大，或者將內(nèi)外側(cè)設(shè)置成完全相同的密封墊，這樣能保證內(nèi)側(cè)密封墊的防水能力能完全應(yīng)對寄生容積水壓。

此外，由工況2—工況6可以看出，同樣的密封墊布置在不同側(cè)時，其防水能力不同，主要是由于內(nèi)外側(cè)密封墊溝槽的深度和側(cè)壁長度不同引起的，也說明溝槽的形狀和尺寸會對密封墊的防水能力有一定影響。由工況4和工況7、工況5和工況8、工況6和工況9可以看出，無論是單道密封墊還是雙道密封墊，無錯位量密封墊的防水壓力遠大于有錯位量密封墊的防水壓力(本文試驗無錯位量密封墊的防水能力是有錯位量密封墊防水能力的1.5～1.9倍)，因此，施工中應(yīng)盡量減少錯位量。

3 結(jié)論與討論

本文采用理論推導(dǎo)和防水試驗相結(jié)合的方法對雙道密封墊的防水機制進行研究，提出擊穿水壓的概念，并估算出其數(shù)值； 通過防水試驗對理論公式進行驗證，探究雙道密封墊的優(yōu)越性。得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)外界水壓大于外道密封墊初始防水能力的1.36倍時，密封墊被完全擊穿，從而不具備任何殘余防水能力。所以，在實際應(yīng)用中應(yīng)把防水能力更強的密封墊布置在外側(cè)，且內(nèi)外側(cè)密封墊的防水能力差距不宜過大，或者將內(nèi)外側(cè)設(shè)置成完全相同的密封墊，這樣能保證內(nèi)側(cè)密封墊的防水能力能完全應(yīng)對寄生容積水壓。

2)溝槽的尺寸和形狀會對密封墊的防水能力有一定影響。由試驗結(jié)果可以得出，同樣的密封墊放在不同側(cè)的溝槽時，防水能力有所不同，其具體的影響還需通過更多的防水試驗和數(shù)值模擬進一步研究。

3)無論是單道密封墊，還是雙道密封墊，無錯位量密封墊的防水壓力遠大于有錯位量密封墊的防水壓力，因此，施工中應(yīng)采取措施盡量減少錯位量。

本文對密封墊的擊穿水壓值進行了理論推導(dǎo)，并得到了試驗驗證，但當(dāng)外界水壓小于擊穿水壓時，雙道密封墊中外道密封墊殘余防水能力的計算方法，還有待進一步研究。