考慮水壓作用過程的盾構(gòu)隧道接縫防水機(jī)制研究

張亞洲， 馮升明， 由廣明， 溫竹茵

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司， 上海 200092)

0 引言

隨著我國城市建設(shè)的快速推進(jìn)和交通需求的增加，盾構(gòu)法隧道不斷朝大直徑、高水壓方向發(fā)展[1-5]。盾構(gòu)隧道由預(yù)制管片逐塊、逐環(huán)拼裝而成，因而管片塊間及環(huán)間存在大量接縫。如上海周家嘴路隧道工程，盾構(gòu)段全長2.57 km，隧道外徑14.5 m，含縱縫12 860個、環(huán)縫1 286個，合計(jì)縫長8.43萬m； 上海北橫通道工程Ⅱ標(biāo)，盾構(gòu)段全長6.4 km，盾構(gòu)外徑15.0 m，接縫總長達(dá)21.5萬m。接縫防水問題已成為制約盾構(gòu)隧道技術(shù)發(fā)展的重要因素。

目前在管片接縫防水構(gòu)造中，三元乙丙橡膠(EPDM)彈性密封墊是最重要的防水線。國內(nèi)外對管片接縫彈性密封墊防水能力的研究主要有試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等方法。文獻(xiàn)[6-12]結(jié)合實(shí)際工程對管片接縫彈性密封墊的防水能力開展了一字縫、T字縫防水試驗(yàn)和閉合壓縮力試驗(yàn)。文獻(xiàn)[13-15]基于不可壓縮橡膠材料Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，利用數(shù)值分析軟件對彈性密封墊在不同形狀及不同壓縮量下的變形特性、接觸面應(yīng)力分布及壓縮力進(jìn)行數(shù)值模擬分析。孫廉威[16]建立了彈性密封墊受水壓作用下的數(shù)值模型，對彈性密封墊在不同張開量下的防水性能、接觸應(yīng)力分布以及防水失效模式進(jìn)行研究，提出基于施加水壓的防水性能評價方法。

目前在密封墊的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究中，認(rèn)為三元乙丙橡膠彈性密封墊主要依靠橡膠密封墊的彈性壓密，以接觸面的表面接觸應(yīng)力來止水。然而，彈性密封墊粘貼于管片槽口，在盾尾拼裝、脫出盾尾直至其發(fā)揮防水作用期間，水壓作用過程較為復(fù)雜，這一過程對密封墊的防水能力有何影響，當(dāng)前的研究并不多，部分考慮水壓作用的研究僅以面力施加于密封墊表面[16]，與水體滲透的實(shí)際工況存在較大差距，且不能正確直觀地表現(xiàn)水體滲透過程，進(jìn)而得到密封墊表面應(yīng)力狀態(tài)。因此，本文以上述學(xué)者的研究為基礎(chǔ)，結(jié)合密封墊拼裝至發(fā)揮防水作用的動態(tài)過程，采用有限元分析軟件構(gòu)建流固耦合計(jì)算模型，對接縫滲流進(jìn)行動態(tài)精細(xì)化模擬，并探討密封墊的防水機(jī)制。

1 彈性密封墊水壓作用過程分析

管片拼裝前，彈性密封墊粘貼于管片槽口，并隨管片調(diào)運(yùn)下井，隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，管片依次在盾尾拼裝成環(huán)。由于彈性密封墊頂部表面高于管片接縫面，彈性密封墊受到千斤頂頂力(環(huán)縫)、管片自重壓力產(chǎn)生的分力(縱縫)及螺栓緊固力的作用而發(fā)生壓縮變形，如圖1(a)所示，此時，在盾殼及盾尾刷的保護(hù)下，彈性密封墊未承受水壓作用。

隨著盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)，開始下一環(huán)管片拼裝，該環(huán)管片部分彈性密封墊暴露于盾殼及盾尾密封刷的保護(hù)之外，如圖1(b)所示。此時，部分彈性密封墊將承受來自地層中的水壓作用，并且水壓的作用方向主要垂直于彈性密封墊的壓縮方向。

隨著盾構(gòu)的繼續(xù)掘進(jìn)，該環(huán)管片完全暴露于地層中，如圖1(c)所示。此時，若水壓較大，密封墊防水能力不足，地下水將沿彈性密封墊之間或密封墊與管片密封墊槽之間滲入隧道。

(a)

(b)

(c)

2 CEL流固耦合計(jì)算模擬

2.1 工程概況及防水設(shè)計(jì)

上海周家嘴路越江隧道全長4.45 km，其中盾構(gòu)段長2.57 km，隧道直徑為14.5 m，單管雙層雙向4車道布置。盾構(gòu)隧道最大覆土深度近45 m，隧道底部最大水壓力約為0.6 MPa，是目前上海已建和在建隧道項(xiàng)目中覆土最深、承受水壓力最大的盾構(gòu)隧道[17]。隧道采用單道接縫防水體系及EPDM作為主防水材料，彈性密封墊斷面如圖2所示。防水設(shè)計(jì)要求為： 張開6 mm、錯縫8 mm時，能長期抗1.2 MPa水壓； 為了避免彈性密封墊壓縮時擠壞密封墊槽外側(cè)的混凝土，要求控制密封墊的閉合壓縮力不大于60 kN/m。

圖2 彈性密封墊斷面 (單位： mm)

2.2 有限元計(jì)算模型

為探索在水壓作用過程中防水密封受力變形狀態(tài)及密封機(jī)制，在有限元軟件中建立了采用歐拉-拉格朗日計(jì)算方法的流固耦合計(jì)算模型。模型中混凝土密封墊槽采用剛體進(jìn)行模擬，彈性密封墊采用實(shí)體單元，水體采用歐拉單元。水體上部設(shè)置一剛體壓板來壓迫水體運(yùn)動。彈性密封墊與混凝土密封墊槽之間采用表面對接觸，密封墊自身外表面及內(nèi)孔間采用自接觸。接觸對法向設(shè)置采用硬接觸，切向設(shè)置為罰模式，參考相關(guān)數(shù)值計(jì)算[18-20]，密封墊與管片摩擦因數(shù)設(shè)定為0.5，自接觸摩擦因數(shù)為0.3。水體與混凝土密封墊槽、彈性密封墊及上部壓板之間設(shè)置通用接觸。有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 有限元模型及網(wǎng)格劃分

橡膠材料應(yīng)力與應(yīng)變之間的非線性關(guān)系主要通過應(yīng)變能函數(shù)來定義。盾構(gòu)隧道防水用三元乙丙橡膠密封墊，工程上通常采用Mooney-Rivlin模型來模擬，水體狀態(tài)方程采用Us-Up，具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

模型初始邊界條件設(shè)置為固定剛體只釋放水平方向位移，固定密封墊只釋放豎向及水平向位移，限制垂直歐拉區(qū)域邊界面的速度為0。

本次模擬根據(jù)周家嘴路隧道工程彈性密封墊壓縮力試驗(yàn)，兩側(cè)密封墊相對壓縮量為10 mm，使雙側(cè)墊槽張開6 mm。為使模型計(jì)算穩(wěn)定，10 mm分3次加載，單側(cè)分別相對壓縮1、2、2 mm。豎向水體位移采用壓板控制，壓板每級加載位移2 mm，直至水流突破密封墊。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

水體滲入過程見圖4。由圖4可以看出： 隨著管片相對擠壓，密封墊逐漸變形充滿整個槽腔，隨后水體進(jìn)入腔內(nèi)逐漸充滿剩余空間，壓力作用于密封墊表面，此時水體還未能突破密封墊之間的間隙，對密封墊整體進(jìn)行再壓縮，密封墊間的接觸壓力進(jìn)一步增強(qiáng)； 當(dāng)水壓增大到一定程度后，水體開始楔入密封墊之間，使得密封墊上部向兩側(cè)擠壓，進(jìn)而使得密封墊下部的相對壓縮更加緊密； 隨著水壓進(jìn)一步增大，水體繼續(xù)沖擠密封墊，最終完整突破進(jìn)入內(nèi)部空腔。

(a) (b) (c) (d)

提取各階段密封墊間的平均接觸應(yīng)力，如圖5所示?？梢钥闯?，在張開量為6 mm時，管片擠壓完成后，水體的楔入使得密封墊的接觸應(yīng)力不斷增大。在水體楔入后，平均接觸應(yīng)力提升了約42.5%；當(dāng)水體恰好突破密封墊時，平均接觸應(yīng)力較水體未楔入時增大了61.25%。

圖5 密封墊頂面平均接觸應(yīng)力變化曲線

2.4 彈性密封墊防水試驗(yàn)分析

周家嘴路隧道工程三元乙丙橡膠彈性密封墊經(jīng)過壓縮力試驗(yàn)、不同錯臺量及張開量下的一字縫及T字縫試驗(yàn)驗(yàn)證[17]，滿足設(shè)計(jì)要求。為與數(shù)值分析工況對應(yīng)，僅取閉合壓縮力試驗(yàn)及0錯縫情況下的一字縫試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)過程如圖6和圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。

(a) 壓縮試驗(yàn)設(shè)備

(b) 壓縮試驗(yàn)過程

(a) 水壓試驗(yàn)設(shè)備

(b) 一字縫試驗(yàn)過程

圖8 彈性密封墊壓縮力試驗(yàn)曲線

圖9 彈性密封墊防水能力試驗(yàn)曲線

由圖8可知，2次彈性密封墊壓縮力試驗(yàn)得到的閉合壓縮力分別為53.3 kN/m和49.3 kN/m，主要是由于伺服作動器讀數(shù)波動導(dǎo)致的試驗(yàn)系統(tǒng)誤差。同時，數(shù)值計(jì)算得到的閉合壓縮力曲線形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，計(jì)算得到的最大閉合壓縮力為49.8 kN/m。

此外，由于彈性密封墊最大壓縮量為8 mm，張開3 mm(即與設(shè)計(jì)要求的雙側(cè)張開6 mm情況一致)相應(yīng)的壓縮量為5 mm，此時的壓縮力為25 kN/m。密封墊頂面寬度為30 mm，可換算在無外水壓作用下彈性密封墊頂面的平均接觸應(yīng)力約為0.83 MPa?？紤]由于密封墊變形、腰部拱起引起的接觸面積增大，平均接觸應(yīng)力應(yīng)略小于0.83 MPa。這一結(jié)果與數(shù)值計(jì)算得到的管片擠壓階段密封墊頂面平均接觸應(yīng)力相符。

由圖9可知，隨著水平縫張開量的增大，滲漏水壓基本呈下降趨勢。在張開6 mm的情況下，密封墊的防水能力為1.27 MPa，大大高于相應(yīng)張開量下的初始平均接觸應(yīng)力(略小于0.83 MPa)。同時，這一結(jié)果也與數(shù)值計(jì)算得到的水體突破階段密封墊頂面平均接觸應(yīng)力相差不大。

2.5 考慮水壓作用過程的防水機(jī)制分析

結(jié)合上述彈性密封墊水壓作用過程、CEL流固耦合計(jì)算及防水試驗(yàn)結(jié)果，可以得到考慮水壓作用過程的彈性密封墊防水機(jī)制，即管片擠壓-外水推擠-水體楔入-水體突破4個階段，如圖10所示。

1)管片擠壓階段。當(dāng)管片在盾尾拼裝完成后，彈性橡膠密封墊被管片擠壓，并且不承受外水壓作用(見圖1(a))，產(chǎn)生起始接觸應(yīng)力p0，這是密封墊產(chǎn)生防水能力的基礎(chǔ)，如圖10(a)所示。

2)外水?dāng)D壓階段。當(dāng)管片脫出盾尾后(見圖1(b))，水體瞬時作用于密封墊迎水面一側(cè)，使密封墊發(fā)生推擠，由于管片密封槽的限制，引起密封墊產(chǎn)生垂直于水壓方向的應(yīng)力增量p1，如圖10(b)所示。需要明確的是，由于密封墊構(gòu)造、底部與密封槽之間的摩擦和粘貼作用，不同情況下密封墊推擠變形形態(tài)差異較大。這時，密封墊的防水能力可以表達(dá)為p=α(p0+p1)(α為與密封墊的材質(zhì)和變形特征、耦合面的表面狀況等因素有關(guān)的參數(shù))。當(dāng)水壓pw

3)水體楔入階段。當(dāng)外水壓足夠大，管片擠壓、外水推擠產(chǎn)生的密封性能不足以抵抗水的楔入作用時，水體將會從迎水面楔入，迫使密封墊產(chǎn)生垂直于水楔入方向的擠壓，從而進(jìn)一步產(chǎn)生應(yīng)力增量p2，且在水體楔入過程中p2處于不斷增長狀態(tài)，如圖10(c)所示。這時，密封墊的防水能力可表達(dá)為p=α(p0+p1+p2)。當(dāng)水壓α(p0+p1)

4)水體突破階段。當(dāng)水壓過大時，水體沿著密封墊間的接觸面不斷楔入，直至突破密封墊，此時由于水體楔入產(chǎn)生的密封墊頂面接觸應(yīng)力增量達(dá)到p2max，即pw>α(p0+p1+p2max)時，水體突破密封墊，發(fā)生滲漏，如圖10(d)所示。

(a) 管片擠壓階段

(b) 外水推擠階段

(c) 水體楔入階段

(d) 水體突破階段

3 雙道彈性密封墊的防水機(jī)制探討

接縫處的彈性密封墊可以設(shè)置單道或雙道(如圖11所示)。單道防水以其防水體系簡單、容易找到滲漏點(diǎn)以及施工方便等優(yōu)勢，在盾構(gòu)隧道中被廣泛應(yīng)用，如上海北橫通道、諸光路通道、迎賓三路隧道、外灘通道工程等。雙道防水主要是在內(nèi)側(cè)加設(shè)1道三元乙丙橡膠密封墊，近年來使用雙道防水的案例逐漸增多，如上海青草沙水源地原水工程、上海蘇州河深層排蓄水隧道工程、南京緯三路隧道、蘇通GIL管廊等。

(a) 單道防水密封 (b) 雙道防水密封

對于雙道彈性密封墊，認(rèn)為主要存在以下優(yōu)勢： 1)有助于管片拼裝時受力均勻，平穩(wěn)閉合。2)當(dāng)發(fā)生滲漏時，可在2道密封墊之間注入止水材料，堵漏效果較好。3)適用于有內(nèi)水壓的隧道。4)增加防水可靠性。

然而，目前尚未明確雙道彈性密封墊可靠性能提升的機(jī)制，本文基于上文考慮水壓作用過程的盾構(gòu)隧道接縫防水機(jī)制，分析雙道彈性密封墊可靠性能提升的原因。

雙道彈性密封墊防水機(jī)制示意圖如圖12所示。圖12(a)-(d)的4個階段是水壓突破第1道密封墊的過程，這一過程與單道密封墊相同。當(dāng)水突破第1道密封墊后，進(jìn)入第1道與第2道密封墊之間的空腔，并逐漸充滿，產(chǎn)生水壓pw′，對第1道密封墊產(chǎn)生向迎水側(cè)的擠壓作用，從而使第1道密封墊接觸應(yīng)力產(chǎn)生增量Δp2，此時產(chǎn)生的應(yīng)力增量使防水能力提升為p=α(p0+p1+p2max+Δp2)。由此可知，當(dāng)外水壓pw稍大于α(p0+p1+p2max)時，水體即使突破第1道彈性密封墊，也會由于Δp2的作用使其發(fā)生"自愈"，如圖12(e)所示。需要明確的是，這種"自愈"作用相對有限，相較于單道彈性密封墊，雙道彈性密封墊的外道彈性密封墊防水性能僅能提升10%左右。當(dāng)水壓較大時，Δp2不能使第1道密封墊發(fā)生"自愈"，從而導(dǎo)致第2道密封墊經(jīng)歷水體楔入、水體突破，導(dǎo)致密封失效。

(a) 管片擠壓階段

(b) 外水推擠階段

(c) 水體楔入階段

(d) 水體突破階段

(e) "自愈"階段

4 結(jié)論與建議

1)利用CEL流固耦合模擬能夠較為直觀、精細(xì)地模擬水體突破彈性密封墊的過程。

2)從管片拼裝到隧道滲漏的過程中，彈性密封墊經(jīng)歷了管片擠壓-外水推擠-水體楔入-水體突破4個階段。

3)當(dāng)水壓pwα(p0+p1+p2max)時，水體突破密封墊，發(fā)生滲漏。

4)由于雙道彈性密封墊之間存在儲水空腔，空腔中的水壓作用于第1道彈性密封墊的背水側(cè)，能夠引起第1道彈性密封墊的"自愈"，因而能夠在一定程度上增加防水的可靠性。

本文僅結(jié)合無錯動情況下單道防水密封墊的動態(tài)數(shù)值模擬對雙道防水密封墊的工作機(jī)制進(jìn)行相關(guān)探討，而對于其產(chǎn)生"自愈"時的形態(tài)及各階段壓力的具體分界數(shù)值還不清晰，后續(xù)將結(jié)合錯縫狀態(tài)下雙道防水密封墊的相關(guān)試驗(yàn)及數(shù)值模擬進(jìn)一步探索。