郭志明,李 拼,魯志鵬,馬天宇,謝宏明,王士民

(1.南京市公共工程建設(shè)中心,南京 210019； 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 4.水下隧道技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,武漢 430063)

引言

伴隨著越來越多的過江、跨海盾構(gòu)隧道的出現(xiàn)，其防水問題逐漸引起大家的關(guān)注[1]。一旦隧道發(fā)生滲漏水，將極大影響隧道的正常服役。接縫密封墊防水是整個盾構(gòu)隧道防水系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，是盾構(gòu)隧道防水設(shè)計的關(guān)鍵所在[2]。

關(guān)于盾構(gòu)隧道接縫防水的研究主要以數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)為主。在室內(nèi)試驗(yàn)方面，有眾多學(xué)者[3-11]結(jié)合不同工程進(jìn)行了一系列的密封墊防水試驗(yàn)，研究了各工況下不同斷面形式的密封墊防水性能。通過防水試驗(yàn)，可以直觀地得到彈性密封墊在不同工況下的防水能力，但所耗費(fèi)金錢與精力較多。因此，盾構(gòu)隧道防水設(shè)計中往往結(jié)合數(shù)值模擬與防水試驗(yàn)，在防水試驗(yàn)前，先利用數(shù)值模擬進(jìn)行預(yù)設(shè)計[12]。

在密封墊防水?dāng)?shù)值模擬方面，由于對水流的模擬較為困難，無法直接模擬出水流在密封墊間滲漏的過程。業(yè)內(nèi)往往將密封墊滲漏路徑上的接觸應(yīng)力大小以及分布情況作為評判密封墊防水能力好壞的依據(jù)[13-16]，因而，密封墊防水?dāng)?shù)值模擬更多地是用于密封墊防水性能的定性分析。根據(jù)文獻(xiàn)[17]，密封墊在受水壓作用時，水壓將在接觸面上產(chǎn)生附加應(yīng)力。而目前在對密封墊的防水?dāng)?shù)值模擬中，對于水壓作用考慮得較少，孫廉威[18]、李拼[19]雖在數(shù)值計算中考慮了水壓，但并未系統(tǒng)地分析在密封墊防水?dāng)?shù)值計算中水壓發(fā)揮的作用，也并無防水試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證其計算的準(zhǔn)確性。

基于以上背景，依托南京和燕路長江隧道工程，對其采用的接縫防水密封墊進(jìn)行考慮水壓作用與不考慮水壓作用情況下的防水性能數(shù)值模擬，分析兩種計算方式造成的差異，并根據(jù)密封墊防水性能試驗(yàn)結(jié)果對兩種計算方式進(jìn)行對比。

1 工程概況

南京和燕路長江隧道位于長江大橋和長江二橋之間，距離上游的長江大橋約7.4 km，距下游長江二橋約2.7 km，采用盾構(gòu)法下穿長江水域，盾構(gòu)段長約3 km，線路總平面如圖1所示。

圖1 南京和燕路長江隧道總平面

圖2為南京和燕路長江隧道盾構(gòu)斷面，盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑13.3 m，外徑14.5m，管片厚600 mm。1環(huán)管片由7個標(biāo)準(zhǔn)塊(B1～B7)、2個鄰接快(L1～L2)和1個封頂塊(F)組成，EPDM橡膠嵌于管片間接縫溝槽內(nèi)，用于結(jié)構(gòu)防水。

圖2 南京和燕路長江隧道盾構(gòu)斷面(單位：mm)

南京和燕路長江隧道穿越中風(fēng)化角礫巖、灰?guī)r和角礫狀灰?guī)r、砂層、含礫砂巖等地層，同時穿越了4條斷層和F7區(qū)域斷裂，穿越的地層屬典型的土巖復(fù)合地層。同時，隧道穿越區(qū)河道成不對稱“V”形，靠近南岸段成急陡地形，最大水深達(dá)53 m，造成隧道承受水壓高達(dá)0.79 MPa，屬超高水壓情況。

針對隧道穿越的地層地質(zhì)情況不同，共設(shè)計兩種密封墊以滿足不同地層地質(zhì)情況下的防水要求，選取其中的Ⅱ型密封墊進(jìn)行數(shù)值模擬計算和防水試驗(yàn)。Ⅱ型密封墊防水要求為：在接縫張開10 mm，錯臺15 mm(設(shè)計最不利工況)下，能即時抵抗2.0 MPa水壓，設(shè)計使用年限內(nèi)能夠抵抗0.80 MPa的水壓。其截面形式如圖3所示。

圖3 Ⅱ型密封墊截面尺寸(單位：mm)

2 數(shù)值模型

采用ABAQUS數(shù)值分析軟件對密封墊進(jìn)行防水性能模擬分析，重點(diǎn)模擬其在設(shè)計最不利工況下(張開量10 mm，錯臺15 mm)的防水性能。

利用軟件對圖3中彈性密封墊及其周邊溝槽建立二維非線性有限元模型，如圖4所示。

圖4 彈性密封墊及其周邊混凝土管片溝槽模型

本次密封墊防水性能數(shù)值模擬中，利用混凝土剛度遠(yuǎn)大于彈性密封墊的性質(zhì)，將混凝土溝槽用解析剛體進(jìn)行模擬，彈性密封墊劃分網(wǎng)格時采用平面應(yīng)變單元。密封墊孔洞間接觸設(shè)置為自接觸，上下密封墊間及密封墊與溝槽之間的接觸關(guān)系均設(shè)置為面接觸，接觸面法向的接觸屬性設(shè)置為硬接觸，切向的接觸屬性設(shè)置為罰函數(shù)接觸。密封墊壓縮行程采用位移控制。本次數(shù)值模擬中采用的橡膠本構(gòu)模型是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近的yeoh三參數(shù)模型[20]。其應(yīng)變能勢函數(shù)為

U(I1，I2)=C10(I1-3)+C20(I2-3)2+C30(I1-3)3

(1)

式中，U為應(yīng)變勢能；I1、I2為應(yīng)變不變量；C10、C20、C30為橡膠材料參數(shù)，通過橡膠材料拉伸實(shí)驗(yàn)獲得。在本次數(shù)值模擬中，C10取0.682 83，C20取-0.100 43，C30取0.031 34。

2.1 不考慮水壓作用情況密封墊防水性能

未考慮水壓作用情況下，密封墊在設(shè)計最不利工況下的變形形態(tài)如圖5所示。

圖5 密封墊變形形態(tài)云圖(未考慮水壓作用)

2.2 考慮水壓作用下密封墊的防水性能

在前文建模的基礎(chǔ)上，在密封墊壓縮至設(shè)計張開量后，以均布荷載的形式將0.8 MPa的水壓施加于密封墊的迎水側(cè)，如圖6所示。

圖6 施加水壓示意

在設(shè)計最不利工況下，考慮水壓作用，密封墊的變形形態(tài)如圖7所示。

圖7 密封墊變形形態(tài)云圖(考慮水壓作用)

觀察兩種情況下密封墊的變形形態(tài)云圖可以發(fā)現(xiàn)：在考慮水壓作用后，密封墊明顯地朝著背水側(cè)變形，上下密封墊間相互擠壓程度更為劇烈；密封墊迎水側(cè)與溝槽脫離，密封墊腳部發(fā)生翹起現(xiàn)象，腳部僅邊緣與溝槽接觸，易導(dǎo)致密封墊與溝槽接觸應(yīng)力集中。

將密封墊間接觸應(yīng)力及密封墊與溝槽間接觸應(yīng)力按圖8所示路徑提取。

圖8 接觸應(yīng)力提取路徑

在設(shè)計最不利工況下，密封墊的接觸應(yīng)力分布如圖9、圖10所示。

圖9 密封墊間接觸應(yīng)力分布

圖10 密封墊與溝槽間接觸應(yīng)力分布

對密封墊2條滲水路徑上的接觸應(yīng)力取平均值，見表1。

表1 2種防水計算方式下密封墊平均接觸應(yīng)力 MPa

從圖9及表1可以看出，密封墊與溝槽間接觸應(yīng)力整體上要大于密封墊之間的接觸應(yīng)力。未考慮水壓作用下的密封墊間接觸應(yīng)力普遍小于2.0 MPa，不滿足防水要求?？紤]水壓作用后，密封墊平均接觸應(yīng)力有所提升，有效接觸應(yīng)力分布更為集中，這是由于受水壓作用后，上下密封墊角部擠壓程度更為劇烈導(dǎo)致。這種接觸應(yīng)力分布情況的改變使得密封墊間部分點(diǎn)接觸應(yīng)力大于2.0 MPa，初步滿足防水要求。

考慮水壓作用后，密封墊整體朝背水側(cè)變形，密封墊迎水側(cè)存在與溝槽脫離接觸的情況，這與圖10中左邊接觸應(yīng)力為0的點(diǎn)相對應(yīng)。同時，在水壓作用下，密封墊間的接觸應(yīng)力以及密封墊與溝槽間的有效接觸應(yīng)力分布更為集中，且發(fā)生了突變現(xiàn)象，這可能導(dǎo)致密封墊防水能力的不穩(wěn)定。

3 防水試驗(yàn)

3.1 防水試驗(yàn)設(shè)備

對Ⅱ型密封墊進(jìn)行防水實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示。

圖11 防水試驗(yàn)裝置

該試驗(yàn)裝置由全自動水壓加載裝置、防水試驗(yàn)?zāi)＞?、壓力表、連接管道、開關(guān)閥門等部分組成。全自動水壓加載裝置可實(shí)現(xiàn)水壓自動加載，水壓加載精度為0.01 MPa，最大加載水壓為10 MPa，同時可在發(fā)生微小滲水時進(jìn)行水壓補(bǔ)償以保持水壓的穩(wěn)定，并追蹤水腔中注水水量的變化，以此可計算密封墊在對應(yīng)水壓下的變形量。該防水試驗(yàn)?zāi)＞甙筛鼡Q內(nèi)膽，對應(yīng)的密封墊溝槽位于內(nèi)膽上，不同內(nèi)膽對應(yīng)不同的溝槽截面，如此可通過更換含對應(yīng)密封墊溝槽的內(nèi)膽來實(shí)現(xiàn)不同截面形式密封墊的防水試驗(yàn)，模具內(nèi)膽如圖12所示。

圖12 防水模具內(nèi)膽

3.2 防水試驗(yàn)開展情況

針對選取的密封墊開展防水性能試驗(yàn)。首先將防水試驗(yàn)?zāi)＞邇?nèi)表面及溝槽清理干凈，然后用橡膠粘結(jié)劑將密封墊固定于溝槽，并靜置12 h。之后進(jìn)行密封墊張開量以及錯臺量的設(shè)置操作，如圖13所示。

圖13 密封墊錯臺量及張開量設(shè)置

錯臺量設(shè)置好以后，通過擰緊防水試驗(yàn)?zāi)＞呱系母邚?qiáng)螺栓以控制密封墊的張開量。之后將全自動水壓加載裝置及水壓表與防水試驗(yàn)?zāi)＞哌B接，開始加水；將水加入到水壓泵中，再將水壓調(diào)至0.1 MPa，待水壓保持穩(wěn)定后，開始加壓；在0.1 MPa下保持15 min，若沒有發(fā)生漏水現(xiàn)象則以0.1 MPa為一個單位，逐級往上加壓，每加一個單位，保持15 min不發(fā)生漏水則繼續(xù)往上加壓，在達(dá)到設(shè)計水壓后，保壓24 h，不漏則繼續(xù)加壓直到出現(xiàn)滲水，將比滲水水壓小0.1 MPa的水壓定為密封墊在此工況下的耐水水壓。

3.3 防水試驗(yàn)結(jié)果

Ⅱ型密封墊在設(shè)計最不利工況下的防水試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 Ⅱ型密封墊耐水水壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，同一種密封墊在同一工況下的耐水壓值也存在差異，這既受試樣加工精度、密封墊與溝槽粘接的均勻性、試驗(yàn)裝置安裝精度等多種因素的影響，也與水壓作用下分布過于集中的接觸應(yīng)力以及突變的接觸有關(guān)。

3.4 防水試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計算對比分析

考慮水壓作用下的密封墊防水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果中，密封墊間最大接觸應(yīng)力為3.59 MPa，密封墊與溝槽間最大接觸應(yīng)力為2.85 MPa。即理想情況下，密封墊將水壓達(dá)到2.85 MPa時發(fā)生滲漏。防水試驗(yàn)中，密封墊耐水壓值在3.0 MPa左右波動，與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。

如計算中不考慮水壓作用，該密封墊間的接觸應(yīng)力普遍小于2.0 MPa，不滿足設(shè)計防水要求。從防水試驗(yàn)結(jié)果來看，該密封墊的耐水壓值在3.0 MPa左右，滿足防水要求。這說明不考慮水壓作用的密封墊防水?dāng)?shù)值模擬方式在結(jié)果上存在一定偏差，過于保守。

4 結(jié)論與建議

基于南京和燕路過江隧道工程，對Ⅱ型密封墊進(jìn)行了防水性能數(shù)值模擬計算，并對其進(jìn)行了設(shè)計最不利工況下的防水性能試驗(yàn)，通過數(shù)值模擬結(jié)果及防水試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，得到以下結(jié)論。

(1)密封墊迎水側(cè)施加水壓后，密封墊整體朝背水側(cè)變形，上下密封墊間擠壓程度更為劇烈，密封墊整體接觸應(yīng)力有所提升。

(2)考慮水壓作用后，密封墊的接觸應(yīng)力分布更為集中，且出現(xiàn)了應(yīng)力突變點(diǎn)，這種更為集中的應(yīng)力分布方式既導(dǎo)致了密封墊接觸應(yīng)力的提升，增加了防水能力，同時也可能導(dǎo)致密封墊防水能力不穩(wěn)定。

(3)不考慮水壓作用時，密封墊防水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果與防水試驗(yàn)結(jié)果相差頗大，數(shù)值模擬結(jié)果過于保守。在防水要求不高的盾構(gòu)隧道中，可采用這種計算方式，增大安全儲備。但對于承受超高水壓作用，防水要求十分嚴(yán)格的水下盾構(gòu)隧道來說，該計算方式顯然已不再適用，建議在今后的密封墊防水?dāng)?shù)值模擬中充分考慮水壓的作用。

水流于密封墊的相互作用是十分復(fù)雜的，受筆者能力所限，文中采用水壓模擬方式較為粗糙，在未來的密封墊防水?dāng)?shù)值模擬計算中，應(yīng)進(jìn)一步改善水壓的作用方式，得到更為精確的計算結(jié)果以指導(dǎo)密封墊設(shè)計與選型。