大型盾構(gòu)管片接頭高溫張開與防水關(guān)系研究

王安華，周 年

（1、南昌軌道交通集團(tuán)有限公司 南昌330038；2、江西省藥品檢驗檢測研究院，國家藥品監(jiān)督管理局中成藥質(zhì)量評價重點實驗室，江西省藥品與醫(yī)療器械質(zhì)量工程技術(shù)研究中心 南昌330029）

隨著我國交通強(qiáng)國建設(shè)的提出，軌道交通快速發(fā)展，全國已開通軌道交通城市共43 座，其中開通地鐵城市40座。為進(jìn)一步優(yōu)化交通結(jié)構(gòu)，許多城市開始建造公路、鐵路、地鐵等共用的大型跨江（河）盾構(gòu)隧道。這些大型隧道直徑在10 m 以上，一旦發(fā)生火災(zāi)，特別是大型火災(zāi)，隧道內(nèi)急劇升溫，高達(dá)1 000 ℃以上，進(jìn)而影響隧道結(jié)構(gòu)防水和安全。

一般而言，盾構(gòu)管片可通過原材料、混凝土配合比等措施達(dá)到自防水效果；接頭則是盾構(gòu)隧道防水薄弱環(huán)節(jié)，需采用橡膠條進(jìn)行防水。［3-4］因此，本文從試驗［5-8］、軟件模擬［8-13］、計算分析等角度，對大型盾構(gòu)隧道接頭張開變形、溫度與防水關(guān)系進(jìn)行研究。

1 接頭高溫試驗

采用北京地下直徑線管片，C50 混凝土，內(nèi)徑10.5 m，外徑11.6 m，厚0.55 m，環(huán)寬1.8 m，接頭M36螺栓連接，設(shè)內(nèi)外2道防水橡膠條，設(shè)計防水水壓1.3 MPa。試驗荷載F=250 kN，N=158 kN；采用ISO834 升溫曲線［14］，時長120 min 和180 min，在橡膠條處設(shè)溫度測點，接頭處設(shè)位移計測張開值（見圖1、表1）。

圖1 管片接頭試驗示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Segment Joint Test

2 數(shù)值模擬

應(yīng)用ANSYS 軟件模擬高溫下管片接頭并進(jìn)行數(shù)值分析，其中管片采用solid70 三維實體單元［15］，螺栓采用link33桿單元，進(jìn)而建立三維模型（見圖2a）。

表1 管片接頭高溫試驗工況Tab.1 High Temperature Test Cases of Segment Joint

按試驗條件數(shù)值模擬，得到高溫條件下，不同時間的管片接頭的張開變化（見圖2b）。

圖2 接頭數(shù)值分析模型及數(shù)值模擬下接頭變形Fig.2 Numerical Analysis Model of Segment Joint and Joint Deformation under Numerical Simulation

3 結(jié)果和分析

3.1 高溫試驗下接頭張開變形

試驗下接頭張開量-時間關(guān)系如圖3 所示，如圖3可知，溫度越高、受溫時間越長，接頭張開越大，特別在1 000 ℃受溫時（工況5、工況6），接頭張開變化顯著。

圖3 試驗工況下接頭張開量-時間關(guān)系Fig.3 Relationship between Joint Opening and Time under Test Cases

3.2 數(shù)值模擬下接頭張開變形

對比圖3與圖4，數(shù)值模擬得出的接頭張開變形曲線與高溫試驗基本吻合。這也說明試驗結(jié)果是可靠的。因此，接下來采用試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行接頭防水分析。

3.3 不同溫度下橡膠條防水分析

在不考慮接頭錯臺的情況下，對文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］進(jìn)行分析，提出管片接頭橡膠條耐水壓值和溫度、張開量的關(guān)系：

⑴當(dāng)橡膠條溫度≤120 ℃時，橡膠條性能與常溫下橡膠條耐水性能基本相當(dāng)［2］，因此可認(rèn)為橡膠條耐水壓值只與接頭張開量有關(guān)。

⑵當(dāng)橡膠條溫度＞200 ℃時，橡膠條耐水壓值為0［1］，則可直接認(rèn)定橡膠條防水失效。

圖4 數(shù)值模擬下接頭張開量-時間關(guān)系Fig.4 Relationship between Joint Opening and Time under Numerical Simulation

⑶當(dāng)橡膠條溫度在120～180 ℃時，根據(jù)橡膠條在不同張開量下的溫度、耐水壓值數(shù)據(jù)［1］，可分析得到相應(yīng)的擬合曲線（見圖5）及函數(shù)（見表2），并計算出橡膠條的耐水壓值。

圖5 不同張開量下橡膠條耐水壓值-溫度擬合曲線Fig.5 Water Pressure Value and Temperature Fitting Curve of Rubber Strip under Different Opening

表2 耐水壓值與溫度關(guān)系擬合函數(shù)Tab.2 Fitting Functions of the Relationship between Water Pressure Value and Temperature

⑷ 當(dāng)溫度在180～200 ℃間時，可通過180 ℃和200 ℃的耐水壓值，插值求得橡膠條耐水壓值。

圖6 不同張開量下高溫下接頭橡膠條耐水壓-溫度關(guān)系分段Fig.6 Sectional of Relationship between Water Pressure and Temperature of Rubber Strip under Different Opening

綜上，可得出一系列不同張開量下，橡膠條耐水壓值與溫度的關(guān)系曲線（見圖6），具體分為常溫計算段（溫度＜120 ℃）、擬合段（120 ℃≤溫度≤180 ℃）、插值段（180 ℃＜溫度＜200 ℃）、0 值段（溫度≥200 ℃）。即通過高溫下橡膠條張開量、溫度數(shù)組，可求得橡膠條的耐水壓值。

3.4 高溫下接頭防水有效性分析

3.4.1 對管片外側(cè)橡膠條防水分析

根據(jù)圖7 可知，各工況下外側(cè)橡膠條溫度均在50 ℃內(nèi)，遠(yuǎn)小于120 ℃。結(jié)合圖6、圖8，可知外側(cè)橡膠條耐水壓值僅與張開量有關(guān)。

圖7 各工況下外側(cè)橡膠條溫度與時間關(guān)系Fig.7 Relationship between Temperature and Time of Outer Rubber Strip under Different Test Cases

圖8 各工況下外側(cè)橡膠條張開與時間關(guān)系Fig.8 Relationship between Opening and Time of Outer Rubber Strip under Different Test Cases

按圖6 的常溫計算段，可得橡膠條張開7.3 mm時，耐水壓正好為1.3 MPa（即設(shè)計防水水壓），大于7.3 mm 可認(rèn)為防水失效。因此，可直接根據(jù)外側(cè)橡膠條最大張開量，直接判斷防水是否有效（見表3）。

表3 各工況下外側(cè)橡膠條防水情況Tab.3 Waterproof Failure of Outer Rubber Strips under Different Cases

3.4.2 對管片內(nèi)側(cè)橡膠條防水分析

由圖9 可知，工況4、工況5 及工況6 的內(nèi)側(cè)橡膠條最高溫都達(dá)到200 ℃，耐水壓值為0，防水失效。其余工況可通過張開量、溫度數(shù)組（見圖9、圖10）算出最小耐水壓值，并與設(shè)計防水水壓對比，判斷防水是否有效（見表4）。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行管片接頭高溫試驗和軟件模擬，并對橡膠條耐水壓值與接頭橡膠條張開、溫度的關(guān)系進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

圖9 各工況下內(nèi)側(cè)橡膠條溫度與時間關(guān)系Fig.9 Relationship between Temperature and Time of Inner Rubber Strip under Different Test Cases

圖10 各工況下內(nèi)側(cè)橡膠條位置張開量與時間關(guān)系Fig.10 Relationship between Opening and Time of Inner Rubber Strip under Different Test Cases

表4 各工況下內(nèi)側(cè)橡膠條防水失效情況Tab.4 Waterproof Failure of Inner Rubber Strips under Different Cases

⑴數(shù)值模擬與高溫試驗得出的接頭張開變形基本吻合。

⑵提出了一系列張開量下的橡膠條溫度與耐水壓值關(guān)系曲線。當(dāng)橡膠條溫度小于120 ℃時，可按常溫分析，其耐水壓值只與張開量有關(guān)；當(dāng)橡膠條溫度在120～180 ℃間時，可通過不同張開量下橡膠條耐水壓值與溫度的擬合曲線，計算橡膠條耐水壓值；當(dāng)橡膠條溫度高于200 ℃時，耐水壓值為0；當(dāng)橡膠條溫度在180～200 ℃間時，可通過插值計算出橡膠條耐水壓值。

⑶通過不同工況下接頭橡膠條的溫度、張開量數(shù)組，可判斷接頭橡膠條的防水有效性。