盾構(gòu)管片橡膠密封墊斷面形式設計及耐久性研究

丁　楊，孟　偉，鄧文武

（1.華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013；2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司城市軌道交通設計院，天津300308）

盾構(gòu)管片橡膠密封墊斷面形式設計及耐久性研究

丁楊1，孟偉2，鄧文武2

（1.華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013；2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司城市軌道交通設計院，天津300308）

由于密封墊的使用壽命對今后隧道工程有著重要的工程意義；因此，對比不同密封墊材料的優(yōu)缺點，根據(jù)規(guī)范對尺寸的規(guī)定，選取合適的盾構(gòu)管片橡膠密封墊材料（EPDM）和3種尺寸分別進行防水試驗。得出的結(jié)論是：當橡膠密封墊的接觸應力與設計水壓力之比K≥1.15時能滿足防水要求。針對目前盾構(gòu)隧道管片接縫彈性密封墊以經(jīng)驗為主的設計思路，提出利用數(shù)值模擬手段，將第3種試驗產(chǎn)品的耐久性實驗所得的數(shù)據(jù)利用“阿累尼烏斯方程”的“P-T-t三元模型”進行橡膠密封墊使用壽命預測。所得出的結(jié)論是：橡膠密封墊在使用100年后其應力保持率為83.3%。第3次試驗所用橡膠密封墊的短期防水壓力最高達到1.8 MPa，通過計算可知使用100年后該斷面尺寸橡膠密封墊的防水壓力為：1.8×83.3%=1.5 MPa，滿足0.4 MPa的長期防水指標。研究結(jié)果表明“阿累尼烏斯方程”的“P-T-t三元模型”能夠很好地解決密封墊的使用壽命問題，具有較好的推廣應用前景。

三元乙丙橡膠；盾構(gòu)隧道；斷面設計；耐久性

盾構(gòu)隧道管片接縫處易發(fā)生漏水，是盾構(gòu)隧道防水設計中最為關鍵的環(huán)節(jié)，在所有管片接縫防水的措施中，密封墊防水是最為重要也是最為可靠的，是防水的重點［1］。近年來，對密封墊的使用壽命研究越來越多［2-5］，但利用“阿累尼烏斯方程”的“P-T-t三元模型”進行預測使用壽命較少。本文結(jié)合蘇埃隧道通道工程，設計3種不同規(guī)格的密封墊，依據(jù)實驗設備對3種密封墊層進行滲透性實驗，對符合實驗的產(chǎn)品，利用已有數(shù)學模型“阿累尼烏斯方程”的“P-T-t三元模型”，計算與預測其耐久性，計算的結(jié)果與在實驗所模擬的結(jié)果誤差不大；因此，所采用的模型可以對今后密封墊的耐久性進行預測。

1　工程概況及盾構(gòu)管片確定

1.1盾構(gòu)管片接縫防水形式的確定

擬建蘇埃通道盾構(gòu)段的最大水頭為40 m，單、雙道彈性密封墊均有實例，比本隧道埋深稍大一點的上海崇明隧道采取了單道三元乙丙（EPDM）橡膠密封墊，德國易北河第四座道路隧道采用了雙道彈性密封墊。

因此，從工程經(jīng)濟角度考慮，擬建蘇埃通道盾構(gòu)管片接縫防水可采取單道EPDM橡膠彈性密封墊做為主防水線，外側(cè)黏貼遇水膨脹橡膠止水條做為輔助防水線的防水措施。

1.2盾構(gòu)管片橡膠密封墊材料的確定

通過表1的對比可知，通常隧道工程均采用單一的EPDM橡膠或者EPDM橡膠頂部搭接遇水膨脹橡膠的彈性密封墊，且使用單一的EPDM橡膠做為密封墊的居多；因此，從材料的耐久性和耐腐蝕性出發(fā)，蘇埃通道盾構(gòu)管片接縫橡膠密封墊擬采用單一的做為彈性密封墊的材料［6］。

表1　盾構(gòu)管片橡膠密封墊材料Tab.1　Shield rubber gasket materials

2　橡膠密封墊試驗設計與確定

2.1橡膠密封墊防水機理分析

設盾構(gòu)管片承受的最大水壓力為σw，橡膠密封墊初始接觸面壓應力與自封作用產(chǎn)生的接觸面壓應力之和為σr，橡膠密封墊防水機理如圖1。橡膠密封墊防水條件［7］為

1）橡膠密封墊初始接觸面壓應力與自封作用產(chǎn)生的接觸面壓應力之和σr應大于設計水壓力a·σw，其中a為安全系數(shù)。

2）橡膠密封墊材料由于隨時間的變化產(chǎn)生應力松弛和老化而導致接觸面應力降低；因此長時間內(nèi)接觸面應力應不低于管片承受的最大水壓力。

所以盾構(gòu)管片接縫橡膠密封墊防水應滿足以下公式：

1）短期防水條件：σr≥a·σw；

2）長期防水條件：σr≥σw。

圖1　橡膠密封墊防水機理示意圖Fig.1　Waterproof mechanism of rubber sealing

2.2橡膠密封墊室內(nèi)試驗確定

擬建蘇埃隧道盾構(gòu)段管片接縫彈性橡膠密封墊應滿足如下幾點［8］：

1）作為橡膠材料，蘇埃隧道盾構(gòu)段管片接縫彈性密封墊的材料性能要求應滿足相關國家標準要求。

2）在千斤頂推力和管片拼裝的作用力下，不致使管片端面和角部損傷等弊病發(fā)生，同時彈性密封墊應方便管片拼裝。

3）對止水所需的接觸面壓力，設計時應考慮接縫的張開量和錯位量；并在設計確定的耐水壓力下不出現(xiàn)滲漏。

4）滿足在海水環(huán)境下工作100年不失效的耐久性要求。

3　盾構(gòu)管片橡膠密封墊尺寸的確定方法

3.1橡膠密封墊尺寸的相關規(guī)定

管片接縫密封墊應被完全壓入密封墊溝槽內(nèi)，密封墊溝槽的截面積應大于或等于密封墊溝槽的截面積，其關系宜符合：

式中：A為密封墊溝槽的面積；A0為密封墊的面積。

3.2橡膠密封墊寬度的確定方法

密封墊接觸面的寬度應為最大錯位量的3倍左右，見式（2）：

式中：B為密封墊的寬度；S為最大錯位量。

3.3橡膠密封墊高度的確定方法

密封墊的高度應考慮應力松弛和老化的影響，并在最大張開量時，滿足設計防水壓力所需要接觸面壓力［9］。參照圖2，橡膠密封墊溝槽深度與密封墊的高度按照（3）（4）式計算：

式中：εmax為彈性密封墊的最大壓縮率，即壓至接縫張開量為0 mm時的壓縮率，為設計所定。一般不小于40%；εmin為彈性密封墊最小壓縮率，為設計所定，一般不小于25%；δ為設計的接縫允許張開量；d為要求的密封墊溝槽深；h為要求的彈性密封墊高度。

圖2　橡膠密封墊溝槽、密封墊形狀斷面示意Fig.2　Rubber sealing gasket groove，seal pad shape section

4　橡膠密封墊使用壽命預測

對于盾構(gòu)密封墊使用壽命的預測，目前國內(nèi)外通常采用熱氧加速老化的方式進行預測。認為橡膠密封墊的自然老化與熱氧加速老化相仿，都服從于“阿累尼烏斯方程”；因此目前推測橡膠密封墊使用壽命通常通過基于“阿累尼烏斯方程”的“三元模型”［10］。

4.1橡膠密封墊使用壽命預測模型簡介

老化性能指標（P）與老化溫度（T）和老化時間（t）三者的關系可以用公式表示［11］：

式中：P為老化系數(shù)，對于應力松弛試驗為老化后的應力與初始應力的比值；B為接近于1的常數(shù)；t為老化時間，d；T為老化試驗溫度，K；b0，b1，b2為待定系數(shù)。利用二元回歸即可求出b0，b1，b2的值，待定參數(shù)B可以通過逐次逼近方法求得。

4.2橡膠密封墊耐久性實驗

橡膠密封墊耐久性實驗數(shù)據(jù)如表2，表3所示。

表2　橡膠試樣老化后應力保持系數(shù)Tab.2　Stress retention coefficient of rubber sample after aging

將老化后的數(shù)據(jù)帶入“P-T-t”三元數(shù)學模型，利用軟件進行二元回歸求解出b0，b1，b2，并利用逐次逼近法求出參數(shù)B，各參數(shù)的值如表3所示。

表3　各個參數(shù)值Tab.3　Parameter values

將表3數(shù)據(jù)帶入公式（5）中，可得：P=0.833?？梢哉J為，橡膠密封墊在使用100年后其應力保持率為83.3%。第3次試驗所用橡膠密封墊的短期防水壓力最高達到1.8 MPa，通過計算可知使用100年后該斷面尺寸橡膠密封墊的防水壓力為：1.8×83.3%=1.5 MPa，滿足0.4 MPa的長期防水指標。

5　結(jié)論

針對盾構(gòu)隧道橡膠密封墊設計難點，通過實驗結(jié)果來進行對比，從而進行斷面形式設計。設計時需滿足各項基本要求，其中驗算耐久性建立了壽命預測模型，驗算是否滿足所建立的公式，根據(jù)實驗可得以下結(jié)論：

1）密封墊硬度在密封墊壓縮全過程中均起到重要作用，硬度越大，密封墊防水能力越強。較小的硬度改變會帶來密封墊防水能力的巨大變化。

2）密封墊溝槽體積填充率隨接縫張開量的減少對防水能力的貢獻逐漸增加。當張開量較小時，較小的體積填充率變化可帶來防水能力的大幅提高；張開量較大時，體積填充率對橡膠密封墊防水能力影響不大。

［1］王民.隧道盾構(gòu)施工管片橡膠密封墊的材料和結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品性能特性［J］.特種橡膠制品，2005，26（1）：42-46.

［2］雷震宇.盾構(gòu)隧道管片橡膠密封墊的優(yōu)化設計方法［J］.地下空間與工程學報，2010，6（4）：770-774.

［3］向科，石修巍.盾構(gòu)管片彈性密封墊斷面設計與優(yōu)化［J］.地下空間與工程學報，2008，4（2）361-364.

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［5］樊慶功，方衛(wèi)民，蘇許斌.盾構(gòu)隧道遇水膨脹橡膠密封墊止水性能試驗研究［J］.地下空間與工程學報，2002，22（4）：335-338.

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［7］蔡光偉，蔡文勝.復雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)法隧道施工防水、防腐及防迷流技術［J］.鐵道建筑技術，2012（9）：64－66.

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［9］周建軍，賀維國.汕頭蘇埃通道盾構(gòu)設計施工關鍵技術探討［C］//海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會，廣州，2013.

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［11］彭鈞.地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)設計方法探討［J］.華東交通大學學報，2011，28（4）：38-41.

（責任編輯劉棉玲）

Study on Durability and Section Design of Sealing Rubber Pad of Shield Segment

Ding Yang1，Meng Wei2，Deng Wenwu2
（1.School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China；2.Urban Rail Transit Design Institute，Sixth Survy and Design Institute of China Railway Group Co.，Ltd，Tianjing 300308）

The service life of sealing pads is of great significance for future tunnel engineering.This study，in order to compare advantages and disadvantages of different sealing pad materials，selects shield segment rubber sealing pad materials（EPDM）of three suitable dimensions according to size specifications in the provisions，and then conducts waterproof tests respectively.It concludes that when the ratio of contact stress of the rubber seal to the designed water pressure is K≥1.15，the water pressure can be satisfied.The durability experimental data for the third test is used to predict the service life for the rubber sealing pad by“P-T-t ternary model”of the Arrhenius equation.Results are as follows:the stress retention rate is 83.3%after the rubber seal pad has been used for 100 years.For the third test of rubber sealing pad，the short-term waterproof pressure peaks at 1.8 MPa，and the waterproof pressure for the rubber sealing pad section is 1.8×83.3%=1.5 MPa after a hundred years’use through calculation，which could meet the long-term waterproof index.The study proves that"P-T-t ternary model in Arrhenius equation can well solve the sealing problem of the service life of the pad，and has a good prospect of application.

ethylene propylene dienmischpolymere rubber；shield tunnel；section design；durability

TU433

A

1005-0523（2016）04-0045-05

2016－03－25

國家自然科學基金項目（51168015）

丁楊（1992—），男，碩士研究生，研究方向為材料結(jié)構(gòu)工程。