防水密封墊布置方式對(duì)管片接頭的力學(xué)影響分析

張建剛， 孟慶明， 李 圍， 何 川

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院， 山東 泰安 271018； 2. 中國(guó)電建集團(tuán)鐵路建設(shè)有限公司， 北京 100044；3. 深圳市地鐵集團(tuán)有限公司， 廣東 深圳 518026； 4. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

0 引言

盾構(gòu)隧道襯砌由管片通過(guò)接頭相互連接裝配而成。為確保隧道內(nèi)車輛、人員、電力管線的安全，或防止輸水隧洞內(nèi)外水源發(fā)生交叉污染，在管片接頭接縫面上布置防水密封墊防止隧道滲漏水是十分有必要的。

密封墊在接頭接縫空間的存在對(duì)管片接頭的受力和變形將產(chǎn)生影響，而管片接頭變形也會(huì)對(duì)密封墊的防水性能產(chǎn)生影響。黃宏偉等[1]將管片接頭易損性指標(biāo)分為混凝土壓潰、螺栓拉剪屈服、滲漏水等，并認(rèn)為接頭處剪力、彎矩等均會(huì)對(duì)接頭抗?jié)B易損性產(chǎn)生不利影響。朱合華等[2]給出了有無(wú)防水密封墊情況下管片接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度模型的參數(shù)取值方法。封坤等[3]對(duì)獅子洋隧道的管片接頭進(jìn)行了足尺試驗(yàn)，認(rèn)為止水材料對(duì)于接頭抗彎剛度的影響很小。張子新等[4]結(jié)合密封墊力學(xué)性能試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究了錯(cuò)縫量和張開(kāi)量對(duì)于密封墊防水性能的階段性影響。吳煒楓等[5]對(duì)管片接頭在不同張開(kāi)量和錯(cuò)位量情況下的接縫防水能力和裝配力等進(jìn)行了試驗(yàn)。黃大維等[6]給出了關(guān)于防水密封墊布置形式和斷面形式的建議。龔琛杰等[7]提出了大直徑水下盾構(gòu)隧道接縫密封墊設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[8-10]從火災(zāi)、凍結(jié)、拼裝等角度探討了接縫密封墊滲漏水情況。綜上，目前關(guān)于管片密封墊防水的研究主要側(cè)重于材質(zhì)、斷面形狀、張開(kāi)和錯(cuò)位的適應(yīng)性、裝配力等，而關(guān)于管片接頭力學(xué)的研究并未考慮防水密封墊的承壓力。雖然密封墊在接頭處的承壓力很小，但其占據(jù)接縫空間，使接縫面有效承壓面積減少和形心變動(dòng)，因此，仍將對(duì)接頭受力和變形產(chǎn)生影響。目前的研究缺乏對(duì)接頭受力與接縫防水共贏關(guān)系的探討，這正是本文要討論的問(wèn)題。

利用可以模擬復(fù)雜接頭特性的管片接頭力學(xué)模型，研究不同寬度、不同位置、不同數(shù)量的密封墊對(duì)管片接頭的力學(xué)影響，討論兼顧受力和防水的管片接頭設(shè)計(jì)，給出實(shí)現(xiàn)受力和防水共贏的初步建議。

1 管片接頭力學(xué)計(jì)算模型

選取能體現(xiàn)接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜特性的管片接頭改進(jìn)條帶算法[11]對(duì)帶有防水密封墊的管片接頭進(jìn)行分析。

1.1 改進(jìn)條帶算法計(jì)算原理和計(jì)算步驟

改進(jìn)條帶算法總思路是： 借鑒高等混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中條帶算法的思想，對(duì)混凝土接頭結(jié)構(gòu)采用先分層后綜合的方法進(jìn)行求解。計(jì)算步驟分為3步： 1)材料分層階段； 2)接頭螺栓施加預(yù)緊力階段； 3)接頭正常受力階段。在接頭正常受力階段，接頭的變形和受力示意圖如圖1所示。對(duì)管片接頭施加彎矩和軸力，建立平衡方程組，解出相應(yīng)結(jié)果。該階段具體公式如式(1)和式(2)所示。

根據(jù)軸力平衡條件可得：

(1)

根據(jù)彎矩平衡條件可得：

k[x1-d(x1-x2)/H]}×(H/2-d)。

(2)

式中：N為管片接頭軸力；M為管片接頭彎矩；H為管片厚度；a為有效寬度；b為管片幅寬；m為管片結(jié)構(gòu)材料層數(shù)；n1為管片螺栓個(gè)數(shù)；d為螺栓中心到管片接頭上邊緣的距離；k為螺栓與端肋的共同剛度；T1′為經(jīng)換算后的螺栓預(yù)緊力；x1為接頭上邊緣變形量；x2為接頭下邊緣變形量；σi(h)為第i層接頭混凝土結(jié)構(gòu)層中高度h處對(duì)應(yīng)的混凝土壓力值。

(a) 變形

(b) 受力

Fig.1 Diagrams of joint deformation and stress during normal stress stage

1.2 改進(jìn)條帶算法對(duì)復(fù)雜接縫面的體現(xiàn)

首先，根據(jù)接縫面的不同接觸區(qū)域?qū)⒐芷宇^實(shí)體結(jié)構(gòu)劃分為不同層，如圖2所示； 然后，根據(jù)計(jì)算精度要求，再分別進(jìn)行二級(jí)細(xì)化分層，原則上總層數(shù)不少于50層。

圖2 改進(jìn)條帶算法中管片接頭實(shí)體分層示意圖

Fig.2 Schematic diagram of stratification of segment joint in improved strip algorithm

將管片接頭結(jié)構(gòu)的承壓襯墊、防水密封墊、初始縫隙、螺栓和螺栓預(yù)緊力等各要素與混凝土端肋結(jié)構(gòu)統(tǒng)一在一起，通過(guò)上述分層，實(shí)現(xiàn)各層材料和變形特性的分別控制，化繁為簡(jiǎn)。最后，把各層綜合起來(lái)，聯(lián)立求解方程組，計(jì)算出所需結(jié)果。

1.3 改進(jìn)條帶算法的可靠性驗(yàn)證

將改進(jìn)條帶算法與有限元計(jì)算結(jié)果、接頭實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果以及經(jīng)過(guò)實(shí)體接頭試驗(yàn)驗(yàn)證的日本的Betongelenkel公式進(jìn)行分析比較，證明改進(jìn)條帶算法是較為可信的，具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

2 防水密封墊的布置方式

通過(guò)以下3個(gè)方面對(duì)防水密封墊進(jìn)行研究，即： 不同位置密封墊、不同寬度密封墊、不同數(shù)量密封墊。

為便于研究，其他管片接頭的主要參數(shù)保持一致，例如： 管片厚度統(tǒng)一取0.5 m，管片寬度為2.0 m，管片采用C50混凝土、直螺栓接頭，螺栓直徑取36 mm，接縫中間加填1 mm厚的承壓襯墊。

2.1 不同位置的密封墊

將密封墊布置在接縫面的不同位置，以密封墊中心到襯砌結(jié)構(gòu)外緣的距離為基準(zhǔn)，分別考慮設(shè)置在距管片外邊緣2 cm位置、距外邊緣12 cm位置、管片接縫面中央位置(距外邊緣25 cm)3種情況，具體如圖3所示。防水密封墊寬度統(tǒng)一取4 cm，高度統(tǒng)一取3 cm。其中，圖3(a)情形僅用于力學(xué)比較，表示極端情況，在實(shí)際接頭制作使用中有諸多困難。

(a) 距外邊緣2 cm

(b) 距外邊緣12 cm

(c) 距外邊緣25 cm

Fig.3 Arrangement of segment joint when positions of water sealing gaskets are different (unit: cm)

2.2 不同寬度的密封墊

分別取防水密封墊的寬度為4 cm和8 cm 2種情況進(jìn)行研究。防水密封墊的中心距管片外邊緣的距離統(tǒng)一取10 cm，其余參數(shù)保持不變，具體如圖4所示。

(a) 密度墊寬度為4 cm

(b) 密度墊寬度為8 cm

Fig.4 Arrangement of segment joint when sizes of water sealing gaskets are different (unit: cm)

2.3 不同數(shù)量的密封墊

在同一個(gè)接縫面上，分別考慮防水密封墊按單側(cè)和雙側(cè)布置2種情況，具體如圖5所示。單側(cè)布置時(shí)，僅考慮防水密封墊靠近管片接頭的外側(cè)區(qū)域設(shè)置； 雙側(cè)布置時(shí)，考慮在管片接頭的內(nèi)外兩側(cè)設(shè)置。

(a) 1個(gè)防水密封墊(單側(cè)布置)

(b) 2個(gè)防水密封墊(雙側(cè)布置)

Fig.5 Arrangement of segment joint when numbers of water sealing gaskets are different (unit: cm)

3 防水密封墊位置不同時(shí)管片接頭受力對(duì)比

密封墊位置不同時(shí)管片接頭受力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6(a)可以看出，隨著密封墊位置從接縫面邊緣向中部移動(dòng)，接頭抗彎剛度逐漸增大。從整環(huán)襯砌受力角度來(lái)看，較大的接頭抗彎剛度對(duì)于軟地層較為有利，可以防止整環(huán)襯砌發(fā)生過(guò)大變形、影響正常使用；較小的接頭抗彎剛度對(duì)硬地層較為有利，這樣可以發(fā)揮外部土層抗力的優(yōu)勢(shì)以達(dá)到以柔克剛的效果。

由圖6(b)和圖6(c)可以看出，隨著密封墊位置從接縫面邊緣向中部移動(dòng)，接頭螺栓拉應(yīng)力和端面混凝土最大壓應(yīng)變逐漸減小。較小的螺栓拉應(yīng)力和混凝土壓應(yīng)變意味著管片接頭受力更安全，或者也可認(rèn)為螺栓受拉屈服和混凝土壓潰破壞發(fā)生延遲。

(a) 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

(b) 螺栓拉應(yīng)力-彎矩曲線

(c) 端面混凝土最大壓應(yīng)變-彎矩曲線

(d) 接縫張開(kāi)量-彎矩曲線

圖6密封墊位置不同時(shí)管片接頭受力計(jì)算結(jié)果

Fig. 6 Calculating results of force of segment joint when positions of water sealing gaskets are different

由圖6(d)可以看出，隨著密封墊位置從接縫面邊緣向中部移動(dòng)，接頭受拉邊緣的張開(kāi)量逐漸減小。接縫邊緣的張開(kāi)量和密封墊位置的張開(kāi)量有一定關(guān)系。密封墊的防水能力主要與自身位置的張開(kāi)量有關(guān)，如果密封墊處于接縫面受壓一側(cè)，不張開(kāi)或張開(kāi)很小，對(duì)防水影響不大；如果處于受拉側(cè)，則與接縫張開(kāi)量正相關(guān)，即隨著密封墊接縫張開(kāi)而張開(kāi)，對(duì)防水不利。

將彎矩相同情況下密封墊位置不同時(shí)管片接頭受力計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。由表1可以看出，彎矩相同情況下密封墊位于接縫面中央部位時(shí)管片接頭的轉(zhuǎn)角、接縫張開(kāi)量、螺栓拉應(yīng)力、混凝土最大壓應(yīng)變均偏小，說(shuō)明這種情況受力是較好的。

表1 彎矩相同情況下密封墊位置不同時(shí)管片接頭受力計(jì)算結(jié)果

4 防水密封墊寬度不同時(shí)管片接頭受力對(duì)比

防水密封墊寬度不同時(shí)管片接頭的受力計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)可以看出，當(dāng)密封墊寬度增大到8 cm時(shí)，接頭的抗彎剛度相應(yīng)減小，減小量并不十分明顯。從整環(huán)結(jié)構(gòu)受力角度看，小寬度密封墊對(duì)于軟地層較有利，大寬度對(duì)硬地層較有利，但差別不大。

由圖7(b)和圖7(c)可以看出，當(dāng)密封墊寬度增大到8 cm時(shí)，接頭對(duì)應(yīng)的螺栓拉應(yīng)力有輕微增大，而端面混凝土最大壓應(yīng)變則明顯增大。密封墊的寬度增大意味著管片接頭受力不好，易損壞，尤其是易出現(xiàn)混凝土壓潰脆性破壞。

(a) 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

(b) 螺栓拉應(yīng)力-彎矩曲線

(c) 端面混凝土最大壓應(yīng)變-彎矩曲線

(d) 接縫張開(kāi)量-彎矩曲線

圖7密封墊寬度不同時(shí)管片接頭的受力計(jì)算結(jié)果

Fig. 7 Calculating results of force of segment joint when sizes of water sealing gaskets are different

由圖7(d)可以看出，當(dāng)密封墊寬度增大到8 cm時(shí)，接頭受拉邊緣的張開(kāi)量有所增大。接縫張開(kāi)將使密封墊防水能力降低，但是密封墊寬度增大又使得防水能力提高，所以寬度對(duì)防水的具體影響需綜合考慮確定。

彎矩相同情況下密封墊寬度不同時(shí)管片接頭受力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，相同彎矩時(shí)，采用較大寬度的密封墊對(duì)接頭各項(xiàng)性能具有削弱作用。雖然增大密封墊寬度可以提高防水能力，但會(huì)增加造價(jià)及增大密封墊施工裝配力。綜上可看出，密封墊寬度的取值需要兼顧力學(xué)、防水和造價(jià)。

表2 彎矩相同情況下密封墊寬度不同時(shí)管片接頭受力計(jì)算結(jié)果

5 防水密封墊數(shù)量不同時(shí)管片接頭受力對(duì)比

密封墊數(shù)量不同時(shí)管片接頭受力計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，當(dāng)密封墊從單側(cè)布置變?yōu)殡p側(cè)布置時(shí)，各參數(shù)變化均不大。負(fù)彎矩作用下(即隧道內(nèi)側(cè)受壓)，雙側(cè)布置與單側(cè)布置相比，接頭抗彎剛度、螺栓拉應(yīng)力略有減小，而混凝土壓應(yīng)變?cè)龃?、接縫張開(kāi)量略有增大。

從管片接頭受力安全來(lái)看，密封墊雙側(cè)布置時(shí)管片接頭在負(fù)彎矩下可能會(huì)出現(xiàn)螺栓松弛、混凝土提前壓潰等情況，但程度并不嚴(yán)重。

從防水角度看，在雙側(cè)布置方案下管片接頭受彎時(shí)，始終有一側(cè)的密封墊沒(méi)張開(kāi)或張開(kāi)量很小，因此，密封墊雙側(cè)布置比單側(cè)布置更有保障。

6 兼顧受力與防水的管片接頭設(shè)計(jì)

根據(jù)以上研究，綜合考慮接頭力學(xué)的安全性和接縫防水需求等對(duì)管片接頭設(shè)計(jì)作出如下分析。

處于軟弱地層的隧道襯砌，為防止地面堆載等原因引起整環(huán)管片變形過(guò)大，管片接頭要有較好的抗彎剛度；另外，可以考慮將密封墊靠近接縫面中部布置，防水允許時(shí)亦可以考慮采用小寬度的密封墊。從受力角度看，這種做法能保持接頭抗彎剛度處于較高水平，并且延遲了接縫混凝土壓潰和螺栓受拉屈服破壞，管片接頭受力更安全； 從防水角度看，此時(shí)該密封墊的張開(kāi)量小，張開(kāi)變幅最小，所以防水能力更有保障。

對(duì)于處于硬地層的隧道襯砌，土層抗力大且持久，在確保安全的情況下應(yīng)盡量選用柔性接頭，管片接頭抗彎剛度取較小值； 密封墊可以考慮靠近接縫面的邊緣設(shè)置，造價(jià)允許時(shí)亦可考慮采用大寬度密封墊。從受力角度看，這種做法對(duì)管片接頭受力不好，建議同時(shí)采取改進(jìn)接縫面接觸方式、改善螺栓材質(zhì)等措施，以達(dá)到延緩接頭破壞的目的。從防水角度看，密封墊靠近接縫面邊緣時(shí)，張開(kāi)量較大，因此，選用內(nèi)外雙側(cè)防水較為合適。如果硬質(zhì)土層抗力能長(zhǎng)期保持，在隧道外壁注漿以提高隧道整圓度，這將對(duì)整環(huán)受力和變形、管片接頭受力和接縫防水有利。

(a) 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

(b) 螺栓拉應(yīng)力-彎矩曲線

(c) 端面混凝土最大壓應(yīng)變-彎矩曲線

(d) 接縫張開(kāi)量-彎矩曲線

Fig.8 Calculating results of force of segment joint when numbers of waterproof gaskets are different

某些情況下，處于硬地層的隧道襯砌，如果遇到水壓高、儲(chǔ)水豐富、地層來(lái)壓復(fù)雜或襯砌結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配工藝特殊等情況，就不可隨意選用柔性接頭，相應(yīng)地密封墊布置也要謹(jǐn)慎處理。

7 結(jié)論與建議

本文分析了密封墊的位置、寬度、數(shù)量對(duì)管片接頭受力的影響，探討了管片接頭受力安全和接縫面密封墊防水能力的相互關(guān)系，并給出了相應(yīng)的初步建議。具體如下。

1)管片接頭的密封墊靠近接縫面中部布置時(shí)，可以使管片接頭保持較高的抗彎剛度水平，降低接頭混凝土壓潰和螺栓受拉屈服風(fēng)險(xiǎn)，保證管片接頭受力安全，同時(shí)接縫部位的防水能力較好。

2)管片接頭的密封墊靠近接縫面邊緣布置或者采取大寬度密封墊時(shí)，可以有效降低管片接頭抗彎剛度水平。同時(shí)，為了確保管片接頭受力安全，建議改進(jìn)接縫面接觸方式和改善螺栓材質(zhì)等。采用雙側(cè)密封墊防水或外壁注漿等措施對(duì)接頭受力和接縫防水均有利。

實(shí)際施工過(guò)程很復(fù)雜，總有某個(gè)環(huán)節(jié)可能會(huì)成為盾構(gòu)隧道管片接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，上述建議僅僅基于常規(guī)情形。針對(duì)具體工程時(shí)，還要對(duì)施工拼裝工藝、地層變形穩(wěn)定情況、接頭張開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)、地層水壓和蓄水、襯砌防排水方案等因素逐一討論，再綜合確定采用哪種接頭形式。