崔光耀 蔣夢新 寧茂權(quán) 唐再興 劉順水

（1.北方工業(yè)大學，北京 100144；2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430064；3.海峽（福建）交通工程設(shè)計有限公司，福州 350004）

隨著我國城市建設(shè)的飛速發(fā)展，地面已有空間已 不能滿足城市建設(shè)發(fā)展需求，地下隧道作為解決城市地面交通擁擠問題的重要措施而被廣泛采用［1］。城市隧道往往深埋于地下，管片接縫作為薄弱部位常受到地下水的影響［2-3］。為保護隧道在地下水侵蝕下的安全與穩(wěn)定，管片接縫處需采取相應(yīng)的防水措施，彈性密封墊是應(yīng)用較為廣泛的措施之一［4-5］。因此，在施工前對彈性密封墊進行相關(guān)的設(shè)計研究就十分重要。

目前，專家學者對管片接縫彈性密封墊進行了大量的研究，陳云堯等［6］在對密封墊現(xiàn)狀統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，分析了閉合孔形式、開孔率以及橡膠硬度對密封墊的防水性能的影響；江河等［7］通過有限元計算與防水試驗對不同截面型式密封墊的防水性能進行了研究；張建剛等［8］利用改進條帶算法建立了管片接頭力學模型，分析了不同布置方式的防水密封墊對管片接頭的力學影響；薛光橋等［9］以某城市隧道為研究背景，對密封墊超出設(shè)計允許值后的極限防水性能進行研究分析；丁楊等［10］通過橡膠密封墊使用壽命模型和耐久性試驗數(shù)據(jù)對彈性密封墊耐久性進行了研究；朱瑤宏等［11］依托某地鐵工程，通過ABAQUS 顯式計算模塊對不同截面型式遇水膨脹橡膠密封墊的防水效果進行了分析；張穩(wěn)軍等［12］對管片接縫密封墊進行了足尺試驗與數(shù)值模擬。以上文獻雖對密封墊進行了不同程度的研究，但針對火車站矩形盾構(gòu)隧道工程管片接縫彈性密封墊防水性能截面型式的研究較少。

本文依托某城市火車站矩形盾構(gòu)隧道工程，采用ABAQUS 有限元分析軟件，對所設(shè)計的不同截面型式EPDM 彈性密封墊處于不同張開量、錯位量時的防水性能進行對比分析，對矩形盾構(gòu)隧道彈性密封墊進行截面型式優(yōu)選。研究結(jié)果可為類似工程管片接縫防水提供參考。

1 研究概況

1.1 工程概況

隧址區(qū)呈南北走向，隧道掘進距離246 m，最大埋深約11.11 m，隧道斷面寬度為12.6 m、高度為7.65 m，盾構(gòu)段管片為整環(huán)預(yù)制管片。地層圍巖以Ⅵ級為主，局部為Ⅴ級，圍巖性質(zhì)差，屬上軟下硬地層，力學性質(zhì)不均勻，極易坍塌變形。

隧址區(qū)穩(wěn)定水位埋深0.3～11.2 m，大部分盾構(gòu)段處于地下水位以下。該隧道防水設(shè)計以混凝土自防水為主，柔性防水為輔。隧道設(shè)計要求管片接縫處EPDM 彈性密封墊在接縫張開量7 mm、錯位量12 mm 的情況下需具備承受1.0 MPa 水壓而不發(fā)生滲水漏水的能力。

1.2 計算工況

設(shè)計5 種截面型式彈性密封墊截面型式如圖1所示，設(shè)置兩種計算工況如表1所示。

圖1 密封墊截面型式圖（mm）

表1 計算工況表

1.3 計算模型

采用有限元軟件ABAQUS 建立不同工況下各彈性密封墊的計算模型，如圖2所示（以截面A 為例）。橡膠本構(gòu)選用Monney-Revlin 模型，其應(yīng)變能函數(shù)如式（1）所示。將上下溝槽混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置為剛體［13-14］，部件間法向采用硬接觸，切向采用罰函數(shù)接觸。模型采用位移控制加載，底部混凝土進行全約束。正常壓縮計算工況時僅對上部結(jié)構(gòu)施加18 mm 豎向位移，錯位壓縮計算時先對上部結(jié)構(gòu)施加橫向位移后在進行豎向位移加載，每1 mm 為一個加載步。

圖2 計算模型圖（截面A）

式中：W——應(yīng)變式能函數(shù)；

C10、C01——橡膠的性能參數(shù)；

彈性密封墊材料是三元乙丙橡膠，硬度取為65°，C10取0.527 38 MPa，C01取0.010 25 MPa。

1.4 測線布置

一般來說，若溝槽與密封墊、密封墊與密封墊接觸面之間的接觸應(yīng)力大于滲水壓力，則彈性密封墊防水性能良好［15］。因此，為分析彈性密封墊在接縫張開量不同時的防水性能，分別在混凝土管片上、下溝槽與彈性密封墊接觸部位以及上、下彈性密封墊之間設(shè)置測線，如圖3所示。

圖3 測線布置圖

2 計算結(jié)果分析

2.1 正常壓縮性能分析

提取正常壓縮計算工況下各截面型式彈性密封墊不同張開度下的接觸應(yīng)力云圖，如圖4所示。

圖4 接觸應(yīng)力云圖（以截面C 為例）

從接觸應(yīng)力云圖中提取各工況張開度7 mm 時最大接觸應(yīng)力，如表2所示。繪制張開度-最大接觸應(yīng)力變化圖，如圖5～圖7所示。

表2 設(shè)計張開度最大接觸應(yīng)力表（MPa）

圖5 測線1 最大接觸應(yīng)力圖

圖7 測線3 最大接觸應(yīng)力圖

由圖5與表2可知，對于測線1 來說，各截面最大接觸應(yīng)力隨著張開度減小而減小，且僅有截面型式A最大接觸應(yīng)力小于設(shè)計防水壓力；總體上，測線1 處截面A 防水性能最差，截面C 防水性能最優(yōu)；接縫張開度為12 mm 時，截面C、D、E 最大接觸應(yīng)力分別為1.255 MPa、1.002 MPa、1.207 MPa，滿足防水要求；測線1 處各截面型式防水性能由高到低依次為C、E、D、B、A。

由圖6與表2可知，對于測線2 來說，各截面型式防水性能在張開度為7 mm 時均滿足要求；截面A防水性能最差，當接縫張開度為12 mm 時，各截面最大接觸應(yīng)力均大于1.0 MPa，滿足防水要求。

圖6 測線2 最大接觸應(yīng)力圖

由圖7與表2可知，對于測線3 來說，各截面在設(shè)計張開度時最大接觸應(yīng)力均大于1 MPa。測線1 處截面A 防水性能最差，截面C 防水性能最優(yōu)，接縫張開度為0 時最大接觸應(yīng)力為5.983 MPa，張開度為12 mm 時截面A、B 最大接觸應(yīng)力為0.758 MPa 與0.788 MPa，不能滿足防水要求；測線3 處各截面型式密封墊防水性能總體上與測線1 相同。

2.2 錯位壓縮性能分析

提取錯位壓縮時不同截面型式密封墊在不同張開度下的接觸應(yīng)力云圖，如圖8所示。

圖8 接觸應(yīng)力云圖（以截面C 為例）

從接觸應(yīng)力云圖中提取各工況不同測線設(shè)計張開度時最大接觸應(yīng)力，如表3所示，繪制不同張開度時各測線張開度-最大接觸應(yīng)力變化圖，如圖9～圖11所示。

圖9 測線1 最大接觸應(yīng)力圖

圖11 測線3 最大接觸應(yīng)力圖

表3 設(shè)計張開度最大接觸應(yīng)力表（MPa）

由圖9與表3可知，對于測線1 來說，當處于錯位壓縮工況下時，張開度在處于較小狀態(tài)時最大接觸應(yīng)力相較于正常壓縮工況有所提升，且在設(shè)計張開度時最大接觸應(yīng)力均滿足要求，截面A 防水性能仍為最差；張開度在從0 mm 上升到4.2 mm 時，截面D 防水性能最優(yōu)；從4.2 mm 上升到8 mm 時，截面C 防水性能最優(yōu)；從8 mm 上升到12 mm 時，截面E 防水性能最優(yōu)；截面C、D、E 均能滿足張開度12 mm 時的防水性能要求。

由圖10與表3可知，對于測線2，僅有截面A 在張開度為7 mm 時防水性能達不到要求；除接縫張開度位于0～1 mm 外截面D 最大接觸應(yīng)力最大外，其余接縫張開度下截面C 最大接觸應(yīng)力占優(yōu)勢；當接縫張開度為12 mm 時，截面C 密封墊測線2 最大接觸應(yīng)力為2.337 MPa。

圖10 測線2 最大接觸應(yīng)力圖

由圖11及表3可知，對于測線3 來說，各截面最大接觸應(yīng)力隨著張開度減小而減小，且在設(shè)計張開度時最大接觸應(yīng)力均滿足要求；總體上，測線3 處截面A 防水性能最差，截面B 略防水性能略優(yōu)于截面A，截面型式C 密封墊防水性能優(yōu)于其余截面型式的密封墊。

3 結(jié)論

本文通過對某城市火車站矩形盾構(gòu)隧道工程的EPDM 彈性密封墊防水性能進行分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）彈性密封墊在正常壓縮計算工況時：截面型式A 防水性能最差，達不到防水設(shè)計要求，截面型式B略優(yōu)于截面形式A，總體上各截面型式密封墊防水性能從高到低依次為：C／E ＞ D ＞ B ＞ A。

（2）彈性密封墊在錯位壓縮計算工況時：截面C、D、E 均能滿足防水要求張開度7 mm、錯縫量12 mm的防水要求，各截面型式防水性能總體上從高到低依次為：C／D ＞ E ＞ B ＞ A。

（3）綜上，截面型式A、B 防水性能較差，建議采用截面型式C 彈性密封墊作為矩形盾構(gòu)隧道接縫防水措施。