彈性復(fù)合橡膠密封膠墊制備及防水試驗

馮 超，鐘黎陽

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018； 2.中鐵二十局集團有限公司，陜西 西安 710000)

盾構(gòu)開挖法因其高效性、高機械化性和較小環(huán)境擾動性的特點，被廣泛用于地鐵隧道的開挖。盾構(gòu)法是將預(yù)制鋼筋混凝土管片拼裝成環(huán)和襯砌壁后注漿，這種特殊結(jié)構(gòu)就造成了盾構(gòu)法開挖過程中，頻頻出現(xiàn)地下水泄漏的問題，進(jìn)而引發(fā)一系列災(zāi)害，對盾構(gòu)隧道的耐久性和施工安全性產(chǎn)生較大的影響。通過ABAQUS 有限元軟件建立了密封膠墊-管片溝槽三維精細(xì)化模型，研究了T型縫處防水性能，證明了圓形開孔密封膠墊效果最佳；有以開發(fā)的接頭連接單元為基礎(chǔ)，模擬盾構(gòu)襯砌接頭位置的力學(xué)變形，采用有限元軟件二次開發(fā)數(shù)值實現(xiàn)接頭滲流，建立管片接頭滲流下的盾構(gòu)隧道流固耦合數(shù)值模型，對盾構(gòu)隧道流固耦合提供一些參考；又有從盾構(gòu)接縫處堵漏材料出發(fā)，研究了環(huán)氧樹脂作為堵漏材料的力學(xué)性能變化?；诖?，本試驗以彈性膠墊為主要材料，對盾構(gòu)隧道管片進(jìn)行防水處理，為盾構(gòu)隧道管片接縫處防水優(yōu)化提供了一些參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本實驗裝置主要分為3個部分：支撐、軸力加載和水壓加載裝置；組合后可對多種接縫構(gòu)造工況進(jìn)行模擬，具體試驗裝置及相應(yīng)設(shè)備尺寸分別如圖1和表1所示。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

表1 設(shè)備尺寸Tab.1 Equipment dimensions mm

支撐裝置

支撐裝置需要承擔(dān)整個試驗過程的重力總和，因此對支撐裝置的材料性質(zhì)要求較高，選擇Q345高強度鋼材為支撐裝置的材料，將厚度為20 mm的鋼板作為底板，具體如圖2所示。

圖2 支撐架構(gòu)造Fig.2 Structure of support frame

軸力與水壓加載裝置

通過調(diào)節(jié)軸壓力模擬管片拼裝過程和調(diào)節(jié)管片模擬接縫張開量。管片接縫處施加水壓力，該水壓力通過管片接縫兩端周圍形成的密閉水壓空間進(jìn)行保存。

1.2 試驗條件

工程背景

試驗以某工程為依托，該工程的主體是由淤泥質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土構(gòu)成的軟土，厚度約為0.5～5.6 m。在工程內(nèi)，存在埋藏較淺的第4系孔隙潛水，一旦泄漏，可能影響施工安全、隧道安全、隧道使用，造成巨大的安全隱患。

接縫防水構(gòu)造

在實際工程中，盾構(gòu)隧道管道埋深小于30 m，因此采用的防水處理方法為外側(cè)單道密封膠墊處理。由于盾構(gòu)管道環(huán)縫和縱縫防水處理方式基本一致，因此本試驗中以盾構(gòu)環(huán)縫以研究對象，具體示意圖如圖3所示。

圖3 接縫構(gòu)造示意圖Fig.3 Schematic diagram of joint structure

接縫防水設(shè)計要求

考慮管片拼裝閉合壓力和密封膠墊壓縮回彈力防水能力進(jìn)行接縫處防水試驗的設(shè)計。拼裝管片時，彈性橡膠密封膠墊產(chǎn)生阻擋管片拼裝的壓縮反力，可能對管片局部造成損傷 ，使其出現(xiàn)破損或開裂，需要考慮施工拼裝要求以及工程最大水壓。在此前提下，長期防水能力要求為0.8 MPa，短期水壓為0.3 MPa，閉合壓力為150 kN/m。

1.3 試件設(shè)計與制作

本試驗密封膠墊材料為三元乙丙橡膠與水膨脹性橡膠硫化成型的復(fù)合型橡膠。

混凝土管片試件的制備

通過多組試件對實際工程中盾構(gòu)隧道管片接縫真實狀態(tài)進(jìn)行模擬，具體如圖4所示。

圖4 混凝土管片足尺試件Fig.4 Full scale test piece of concrete segment

接縫彈性密封膠墊制備

選擇 Z2號和優(yōu)化后Z2斷面為試驗對象。對2種彈性密封膠墊斷面設(shè)計參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，具體如表2所示；斷面形式及實物圖如圖5所示。

由表1可知，、、分別為密封槽斷面、斷面外輪廓、孔洞面積；、分別為密封膠墊開孔率、密封槽與密封膠墊凈面積比；、分別為密封膠墊高度、槽深度；為密封膠墊最大壓縮率。

表2 斷面設(shè)計參數(shù)Tab.2 Section design parameters

(a)Z2 型密封膠墊

1.4 試驗方法

工況設(shè)計

在本試驗中，選擇管道的最大張開量為12 mm，接縫最大錯臺量為10 mm，具體試驗工況如表3所示。因2種斷面外觀輪廓尺寸相同，因此可按照以下工況進(jìn)行試驗。

表3 試驗工況Tab.3 Test conditions

接縫防水性能足尺試驗方法

接縫防水性能足尺試驗主要分為管片拼裝模擬與接縫防水試驗。

第1階段：管片拼裝模擬。管片拼裝模擬作為防水試驗的基礎(chǔ)，主要過程為：組合支撐架組合、吊裝管片、粘貼接縫彈性密封膠墊、軸向施力裝置的組裝和管片閉合。通過以上過程將裝置組合好后，完成管片瓶裝模擬過程。

第2階段：管片接縫防水試驗。完成管片拼裝模擬過程后，待壓力穩(wěn)定后密封管片接縫處，使其內(nèi)部形成穩(wěn)定的水壓空間。通過在管片外部施加穩(wěn)定水壓，使其在管片外環(huán)面接縫處產(chǎn)生作用，對實際施工過程中盾構(gòu)隧道管片工作狀態(tài)進(jìn)行模擬。

調(diào)整管片接縫張開量和錯臺量，并進(jìn)行相應(yīng)的密封和固定處理。將水管、水壓表和出水閥安裝在水壓蓋板上，在出水閥連接排空的細(xì)管。做好準(zhǔn)備工作后，對盾構(gòu)隧道管片施加水壓，開始防水試驗。

密封膠墊力學(xué)壓縮試驗

通過上下軸力施力裝置進(jìn)行試驗，因油缸施力點表現(xiàn)為對稱的狀態(tài)，因此在試驗過程中的總閉合壓力是2個油缸的軸力和。將管片0 mm工況最大閉合壓力為依據(jù)設(shè)計并進(jìn)行試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 Z2 型密封膠墊防水性能試驗分析

用1.4中的方法對Z2型密封膠墊防水性能進(jìn)行測試，具體結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前密封膠墊試驗結(jié)果Fig.6 Test results of gasket before optimization

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨壓縮量的增加， Z2 型彈性橡膠密封膠墊(下文簡稱Z2)防水能力也越來越大。在錯臺量為0 mm、壓縮量為0～6 mm條件下，密封膠墊對水壓的抵抗方式為線性增長。提升壓縮量至9.5 mm時，Z2開始表現(xiàn)出波動性防水的狀態(tài)，在9.5～12 mm內(nèi)，Z2防水能力又表現(xiàn)出指數(shù)型增強的趨勢。在10 mm錯臺量下，彈性墊增長趨勢與0 mm錯臺量增長趨勢類似。從圖6還可以觀察到，雖然變化趨勢較為類似，但在前2個階段，10 mm錯臺量工況壓縮量區(qū)間有所滯后，后2階段變化則較為類似。

以5.5 mm壓縮量為分界線，10 mm錯臺量工況防水能力更優(yōu)，錯臺工況為0，密封膠墊開始表現(xiàn)出對稱壓縮的狀態(tài)。壓縮前期主要對密封膠墊孔洞進(jìn)行壓縮，小幅度提高了密封膠墊防水能力。在10 mm錯臺量，密封膠墊不對稱壓縮變形，密封膠墊間錯位，某些孔洞閉合，提高了密封膠墊防水能力。在壓縮量大于5.5 mm，10 mm 工況條件下的防水能力較好；當(dāng)壓縮量超過5.5 mm，0 mm工況的防水能力反超過10 mm工況，這是因為在此工況下完全壓縮了橡膠。而10 mm錯臺量工況下，存在橡膠錯位的情況，橡膠難以完全進(jìn)入密封槽，影響密封膠墊防水。

由圖6數(shù)據(jù)分析可知，在張開量為6 mm，錯臺量分別為0、10 mm的工況條件下，Z2彈性密封膠墊防水分別為0.4、0.3 MPa，可滿足0.3 MPa的短期水壓要求；但達(dá)不到0.8 MPa長期水壓要求。

2.2 優(yōu)化密封膠墊防水性能試驗分析

圖7為優(yōu)化斷面后的密封膠墊防水性能測試結(jié)果。

圖7 優(yōu)化后Z2型密封膠墊防水性能Fig.7 Waterproof performance of optimized Z2 gasket

由圖7可知，優(yōu)化后的密封膠墊防水能力與Z2密封膠墊較為類似，這說明橡膠彈性密封性與壓縮量關(guān)系存在普遍性，2種工況下同樣分為4個階段，但是壓縮量有所提前。在張開量為6 mm，錯臺量分別為0、10 mm的工況，優(yōu)化后Z2型斷面彈性密封膠墊防水能力分別為0.5、0.4 MPa。此結(jié)果雖然超過了Z2密封膠墊，但仍舊達(dá)不到長期水壓要求。

2.3 縫防水性能試驗結(jié)果對比

將不同的斷面形式在同種工況條件下進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示。

(a)0 mm 錯臺防水試驗結(jié)果對比

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，在同種工況條件下，彈性密封膠墊壓縮量變大，2種斷面形式的密封膠墊防水能力皆明顯增加，且增加趨勢皆分為4個階段。不同錯位量工況，2種斷面彈性墊壓縮量變化僅在非線性階段有一定的差異。

雖然2種密封膠墊均無法滿足設(shè)計要求，但埋深30 m為理想的試驗狀態(tài)，實際工程中達(dá)不到這樣的深度，因此在實際工程中，要求的密封膠墊防水能力為0.6 MPa。由圖8還可知，Z2型后優(yōu)化型密封膠墊分別在壓縮量為8、7.5 mm時可滿足要求。同時，本試驗水壓為最不利工況，此時2種密封膠墊滿足瞬時水壓設(shè)計要求。在實際工程應(yīng)用中，遇水膨脹橡膠還會發(fā)揮一定的防水作用，因此本試驗設(shè)計的2種斷面形式防水橡膠墊表現(xiàn)出良好的防水效果。

2.4 密封膠墊力學(xué)壓縮試驗結(jié)果

圖9為密封膠墊閉合壓力測試結(jié)果。

(a)優(yōu)化密封膠墊閉合壓力

由圖9可知，優(yōu)化Z2密封膠墊在小壓縮量工況條件下，油缸壓力表檢測值為0 kN/m，土壓力盒檢測結(jié)果則略有上升。這是因為土壓力盒檢測精度較高，因此數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。當(dāng)壓縮量超過2 mm時，管片閉合壓力基本表現(xiàn)出線性上升的變化趨勢，閉合量上升為7～9 mm，受橡膠回彈力的影響，管片閉合壓力呈現(xiàn)非線性變化。增加壓縮量超過9 mm后，此時橡膠完全被壓縮在管片密封槽內(nèi)，因此閉合壓力增長趨勢為指數(shù)增長。油缸壓力表測試值為127 kN/m，土壓力盒測試值為119 kN/m。油缸壓力表測試的管片閉合壓力較大的原因在于，管片構(gòu)成的設(shè)備間存在一定的摩擦阻力。通過管片外環(huán)面?zhèn)惹犊p張開量對管片閉合情況進(jìn)行評斷，管片內(nèi)環(huán)面受密封膠墊壓縮影響而超壓，對管片接頭部位造成較為嚴(yán)重的擠壓，導(dǎo)致了油缸壓力值上升的狀態(tài)。

由圖9還能觀察到，Z2密封膠墊與優(yōu)化后Z2密封膠墊閉合壓力-壓縮量曲線變化趨勢基本一致。在完全壓縮的狀態(tài)下，最大油缸壓力和土壓力盒值分別為87、98 kN/m。

2種斷面形式的密封膠墊均滿足防水設(shè)計要求的閉合壓150 kN/m限值。

3 結(jié)語

(1)優(yōu)化后彈性密封膠墊防水能力更佳。從壓縮前期轉(zhuǎn)化到壓縮后期，大錯臺量工況下密封膠墊的防水能力開始緩慢的下降；

(2)土壓力盒測量值較為精準(zhǔn)。在壓縮前期，主要是對密封膠墊孔洞壓縮，壓縮量表現(xiàn)為線性增長，在壓縮后期主要是對橡進(jìn)行膠壓縮，因此管片閉合壓力表現(xiàn)為非線性增長。