硬巖盾構(gòu)隧道彈性密封墊防水性能研究

李 建，李海峰，李克金，商金華，吳圣智，朱士豪

(1.山東高速工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014；2.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；3.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；4.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，隧道工程的規(guī)模不斷增加，我國目前是世界上隧道建設(shè)與運(yùn)營里程最多的國家之一。但是，隨著規(guī)模的增大和運(yùn)營時間的增長，隧道的病害問題日益凸顯[1]。其中，隧道滲漏水是盾構(gòu)隧道中最為常見的病害。針對盾構(gòu)隧道滲漏水病害，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列研究。邵華等[2]對上海地鐵開展的病害檢測表明，滲漏水、結(jié)構(gòu)損傷、結(jié)構(gòu)變形是隧道的主要病害，滲漏水病害發(fā)生概率為結(jié)構(gòu)損傷病害的3～4倍。董飛等[3]統(tǒng)計(jì)分析了北京地鐵7條線路，共計(jì)112.7 km的盾構(gòu)隧道區(qū)間，結(jié)果顯示滲漏水病害在全部病害中占比高達(dá)64.95%。龔琛杰等[4]總結(jié)了典型工程的接縫防水設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，建立了大直徑水下盾構(gòu)隧道接縫處彈性密封墊的設(shè)計(jì)方法。王湛[5]對接縫張開及錯開情況下的密封墊防水失效機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了接縫張開和錯開情況下的滲漏位置。上述研究探明了盾構(gòu)隧道滲漏水特征及盾構(gòu)隧道接縫防水性能。

對于硬巖盾構(gòu)隧道，由于存在注漿層，管片及接縫處受力特性明顯不同，需進(jìn)一步研究硬巖盾構(gòu)隧道接縫防水性能。為此，本文依托青島地鐵2號線，采用文獻(xiàn)調(diào)研、理論分析及數(shù)值模擬等方式，研究了接縫處彈性密封墊的防水性能，為硬巖盾構(gòu)隧道接縫防水設(shè)計(jì)提供參考。

1 盾構(gòu)隧道滲漏水特征

滲漏水是盾構(gòu)隧道建設(shè)及運(yùn)營期最常見的病害。滲漏水病害按照滲流量可分為濕跡、滲水、滴漏、漏泥砂。滲漏水類型占比見圖1?；诒本?、上海等地區(qū)的盾構(gòu)隧道調(diào)研[6-8]，滲漏水病害常見的滲漏水位置有接縫滲漏、螺栓孔滲漏、注漿孔滲漏、管片裂縫滲漏等。滲漏水位置占比見圖2。管片接縫處是盾構(gòu)隧道防水最薄弱的部位，該部位采用彈性密封墊防水。影響接縫處彈性密封墊防水性能的關(guān)鍵因素為接縫的張開，盾構(gòu)隧道滲漏水災(zāi)害應(yīng)以控制接縫張開為主。

圖1 滲漏水類型

圖2 滲漏水位置

2 不同張開量下彈性密封墊防水性能

接縫處彈性密封墊防水性能與接縫張開量有關(guān)。本文通過數(shù)值模擬，分析接縫張開量與彈性密封墊的防水性能關(guān)系。

2.1 依托工程概況

青島地鐵2號線采用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行施工，隧道埋深15～25 m，隧道穿越區(qū)以花崗巖為主，地下水以裂隙水為主[9]。隧道采用厚0.3 m、幅寬1.5 m、外徑6 m的管片作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，錯縫拼裝，塊間采用2根M27的螺栓連接，環(huán)間為10根M27的螺栓均勻布置。隧道管片結(jié)構(gòu)見圖3。管片接縫采用三元乙丙橡膠密封墊壓縮擠密防水，彈性密封墊長33 mm，厚16 mm，嵌入管片內(nèi)部7 mm，最大壓縮量為6 mm。彈性密封墊設(shè)計(jì)見圖4。

圖3 隧道管片結(jié)構(gòu)

圖4 彈性密封墊設(shè)計(jì)(單位：mm)

2.2 彈性密封墊防水性能分析

采用ANSYS分析不同接縫張開量下彈性密封墊防水性能。彈性密封墊可視為各向同性不可壓縮的超彈性材料，采用Mooney-Rivlin模型，應(yīng)變勢能W函數(shù)為

W=C10(J1-3)+C1(J2-3)

(1)

式中，J1、J2為應(yīng)變張量的第一不變量和第二不變量；C1、C10為Rivlid系數(shù)。

采用超彈性單元HYPER56用于彈性密封墊的模擬，采用CONTA172和TARGE169模擬單元接觸，彈性密封墊空洞內(nèi)設(shè)置柔-柔接觸，四周設(shè)置剛-柔接觸單元。模型將彈性密封墊一側(cè)簡化為剛體，彈性密封墊下部設(shè)置豎向與水平向約束，上部設(shè)置水平向約束。通過上部剛體施加豎向位移模擬接縫的張開及擠密。計(jì)算模型見圖5。

圖5 計(jì)算模型

彈性密封墊上的接觸壓力反映了彈性密封墊的防水性能，研究分析了不同張開量下彈性密封墊的接觸壓力，圖6為張開量為4 mm和7 mm時接觸壓力分布。從圖6可知，張開量越大，彈性密封墊上的接觸壓力越小，彈性密封墊防水能力越小。彈性密封墊上接觸壓力分布不均勻，圖7給出了彈性密封墊滲流路徑。由滲流路徑可以看出，彈性密封墊存在3個關(guān)鍵部位：彈性密封墊與彈性密封墊的接觸部位(關(guān)鍵部位1)、彈性密封墊兩側(cè)與管片之間的接觸部位(關(guān)鍵部位2)、彈性密封墊下側(cè)與管片之間的接觸部位(關(guān)鍵部位3)，決定了彈性密封墊的防水能力。

圖6 接觸壓力分布(單位：Pa)

圖7 滲水路徑與關(guān)鍵部位示意

不同張開量下3個關(guān)鍵部位的平均接觸壓力見圖8。從圖8可以看出，關(guān)鍵部位1、3接觸壓力隨張開量增大逐步降低，關(guān)鍵部位2則先降低再增加后降低?？傮w上，接縫張開量越大，接觸壓力越低。關(guān)鍵部位3的接觸壓力最大，其次是關(guān)鍵部位1，關(guān)鍵部位2接觸壓力最小。地下水滲流路徑主要有2條：通過關(guān)鍵部位1流至隧道內(nèi)側(cè)和通過關(guān)鍵部位2、3流至隧道內(nèi)側(cè)?？紤]隧道滲漏路徑，關(guān)鍵部位1、3是影響隧道接縫防水的最主要部位，而關(guān)鍵部位1防水性能低于關(guān)鍵部位3，是防水的薄弱部位。因此，應(yīng)以關(guān)鍵部位1的接觸壓力作為評價(jià)接縫防水能力的指標(biāo)。

圖8 接縫張開量與接觸壓力分布

隨著接縫張開量的增大，隧道接縫防水能力經(jīng)歷了快速降低、緩慢降低和快速失效3個階段。以關(guān)鍵部位1擬合得出接縫張開量σ與接縫防水能力P的對應(yīng)關(guān)系為

P=-0.044σ+0.657 0<σ≤2

P=-0.015σ+0.599 2<σ≤6

P=-0.089σ+1.092 6<σ≤11

(2)

3 硬巖盾構(gòu)隧道防水性能

3.1 接縫張開量計(jì)算方法

分析接縫處彈性密封墊防水性能首先要確定接縫處張開量。管片塊間接縫張開量計(jì)算分為3種情況：

(1)混凝土受壓區(qū)高度x<0。接縫處于受拉狀態(tài)，螺栓將承擔(dān)全部拉力，接縫張開量σ包括2部分：管片繞螺栓轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的張開量和螺栓受拉產(chǎn)生的張開量，即

(3)

式中，h為管片厚度；θ為接縫張開角度；N為接縫拉力值；E為螺栓的變形模量；La為螺栓的錨固長度。

(2)混凝土受壓區(qū)高度0

σ=(h-x)θ

(4)

(3)混凝土受壓區(qū)高度x>h/2?；炷敛糠纸佑|或完全接觸，螺栓受壓，張開量計(jì)算與式(4)一致。接縫轉(zhuǎn)動位置為混凝土與螺栓計(jì)算得出的中性軸處，見圖9。接縫張開角度θ可由接縫處彎矩M與其抗彎剛度kθ求得，即

圖9 接縫張開

σ=(h-x)θ

(5)

3.2 硬巖盾構(gòu)隧道接縫防水性能

3.2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

接縫張開量分析需確定接縫處受力狀態(tài)，采用殼-彈簧模型分析管片及接縫受力狀態(tài)。計(jì)算模型見圖10。接縫采用抗彎彈簧模擬，抗彎彈簧剛度與接縫處受力有關(guān)，根據(jù)文獻(xiàn)[10]成果，拱頂處抗彎彈簧剛度取50 MN·m/rad，邊墻處抗彎彈簧剛度取30 MN·m/rad。管片承受荷載按淺埋隧道荷載計(jì)算方法確定。

圖10 計(jì)算模型

硬巖盾構(gòu)隧道管片壁后存在注漿層，注漿層與圍巖共同約束管片變形，對此在進(jìn)行管片受力分析時需考慮注漿層的作用[11]，注漿層與圍巖耦合抗力系數(shù)kR計(jì)算公式為

(6)

(7)

式中，kr圍巖彈性抗力系數(shù)；C1、C2、C3、C4為系數(shù)；Eh為注漿層的彈性模量；vh為注漿層的泊松比；b為注漿層厚度；R為管片輪廓半徑。注漿層彈性模量為1 GPa，厚度0.2 m，管片外半徑3 m，計(jì)算得出的耦合抗力系數(shù)kR。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 抗力系數(shù)計(jì)算結(jié)果 MPa/m

3.2.2 接縫防水性能分析

通過數(shù)值模擬得出了管片受力特征。IV級圍巖管片彎矩分布見圖11。提取接縫處彎矩，進(jìn)一步計(jì)算接縫張開量，并根據(jù)接縫張開量結(jié)合式(2)計(jì)算分析接縫處防水性能。

圖11 圍巖為IV級時管片的彎矩(單位：N·m)

螺栓錨固長度為15 cm時，計(jì)算結(jié)果見表2。從表2可以看出，管片接縫張開量較小，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，接縫處防水能力均超過0.6 MPa。管片接縫抗彎剛度越大，張開量越小，接縫抗彎剛度與結(jié)構(gòu)彎矩、軸力有關(guān)。因此，減小隧道張開量應(yīng)首先控制管片受力。

表2 計(jì)算結(jié)果

對青島地鐵2號線雙護(hù)盾TBM隧道徐麥區(qū)間滲漏水情況進(jìn)行了調(diào)研，隧道整體干燥，僅1處接縫出現(xiàn)了滲漏水。造成滲漏水出現(xiàn)的原因?yàn)楣芷囱b存在較大錯臺，管片應(yīng)力集中，接縫出現(xiàn)了一定的張開，彈性密封墊防水性能降低。拼裝錯臺導(dǎo)致的滲漏水見圖12。對于滲漏部位，地鐵施工方利用管片上的注漿孔進(jìn)行了注漿堵漏。注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿范圍為滲漏點(diǎn)處5環(huán)。注漿后，管片壁后漿液形成了隔水層，有效抑制了管片接縫的滲漏。

圖12 拼裝錯臺導(dǎo)致的滲漏水

4 結(jié) 語

本文采用文獻(xiàn)調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬等方法，對青島硬巖盾構(gòu)管片接縫的受力特征及彈性密封墊防水性能進(jìn)行了研究，得出了以下結(jié)論：

(1)盾構(gòu)隧道滲漏水最常見的災(zāi)害型式為滲水，滲水位置以接縫為主，造成盾構(gòu)隧道滲水的主要原因?yàn)榻涌p張開。

(2)彈性密封墊相互接觸部位為管片防水最薄弱部位。隨著接縫張開量的增大，隧道彈性密封墊防水性能經(jīng)歷快速降低、緩慢降低和快速失效3個階段，并擬合出了彈性密封墊防水能力與接縫張開量的關(guān)系。

(3)考慮硬巖盾構(gòu)隧道注漿層對管片的約束作用，得出管片接縫受力特征并探明了接縫處防水性能?，F(xiàn)場調(diào)研及數(shù)值模擬均顯示，青島地鐵管片接縫處防水性能良好。