盾构隧道管片接缝内外双道密封垫防水性能试验研究

为探究螺栓孔防水对内外双侧布置双道密封垫防水体系的影响,依托某超大直径盾构隧道工程,自主设计新型双道密封垫防水性能测试装置,开展考虑螺栓孔构造的内外双道密封垫防水体系耐水压测试。研究结果表明:1)螺栓孔对内外双侧布置双道密封垫的整体防水性能具有一定的控制作用,当螺栓孔防水能力不足时,其存在将成为内外双道密封垫防水体系的薄弱环节,可能早于内道密封垫发生渗漏,由此降低内外双道密封垫防水性能较单道密封垫的提升水平;2)当螺栓孔防水性能达到要求后,与单道密封垫相比,内外双侧布置双道密封垫防水体系的防水能力大幅提升;3)对于超大直径盾构隧道,当管片接缝采用内外双侧布置双道密封垫时,应确保螺栓孔防水性能满足双道密封垫间的协同防水要求。

大直径盾构隧道内高速列车振动下管片接缝变形与防水性能仿真分析

[目的]为防治大直径盾构隧道渗漏水病害,保障高速列车行驶安全与隧道正常运营,必须对高速列车振动下的隧道管片接缝变形与防水性能进行分析研究。[方法]依托湛江湾海底隧道工程,利用有限元软件建立地层-隧道三维模型与密封垫-沟槽二维精细化模型。首先以纵缝为例研究了大直径盾构隧道内高速列车振动下管片位移动力响应与管片接缝变形特征,然后基于最不利管片接头变形工况分析了一种密封垫防水性能。[结果及结论]单列高速列车振动下管片接缝位移响应过程分为变形增加、变形危险与变形消退3个阶段;变形危险阶段管片环上部与左右两端处接缝张开且错台量较大,邻近接缝受两侧管片挤压作用张开且错台变小;轨道道床下接缝几乎无变形,轨道道床会大大减弱列车振动对管片衬砌的影响;密封垫与密封垫间接触应力呈U形分布,密封垫与管片沟槽间接触应力由中间接触部位向两边逐渐减小;相较于密封垫与管片沟槽间接触路径,密封垫与密封垫间接触面更易发生渗漏水。在本工程的最不利工况下,提供的一种三角形开孔密封垫能满足本隧道防水要求。

三元乙丙橡胶密封垫长期防水性能预测研究

为对盾构隧道密封垫长期防水性能进行预测,通过总结以往的密封垫性能预测方法与老化试验方法及成果,参考以往研究将老化试验温度控制在90℃以内、老化时长控制在168 h以内,开展哑铃Ⅰ型三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)热氧老化试验,分析EPDM试件拉断伸长率、拉伸强度和拉断永久变形率的变化规律,给出化学层面的解析,并与以往EPDM密封垫老化试验结果进行对比。根据试验结果认为:EPDM拉断伸长率和拉断永久变形率的衰减是EPDM密封垫防水能力下降的原因之一,EPDM拉伸强度对EPDM密封垫防水能力影响较小,采用EPDM单个拉伸性能指标老化规律预测密封垫长期防水能力不可靠。最后,基于阿伦尼乌斯方程的动力学曲线直化法,预测EPDM拉断伸长率100年后的老化系数约为37%。

盾构管片接缝弹性密封垫防水性能研究

为研究地铁盾构管片接缝弹性防水密封垫的防水性,以天津地铁6号线渌水道站—双港站区间盾构项目为研究背景,采用有限元数值模拟方式,研究了材料硬度、接缝张开量、各种开孔形式和填充率对弹性防水密封垫闭合压力和防水性能的有关影响,并对管片接缝弹性防水密封垫进行了防水性能试验。研究结果表明,接缝防水性能优劣受到装配闭合力、弹性防水密封垫参数、接缝张开量、错台量等因素影响,在装配闭合力、弹性防水密封垫参数一致的情况下,接缝张开量的增大和错台量的增大均会削弱弹性防水密封垫的防水性能。

公路隧道内壁接缝处弹性密封垫的防水失效机理研究

依托某公路隧道工程项目,通过有限元软件建立弹性密封垫与混凝土沟槽的数值模型。研究施加水压力后弹性密封垫的变形和受力特性,对不同水压力作用下的失效机理进行剖析,从而验证其合理性。结果表明:未施加水压力时,弹性密封垫接触应力沿中轴线呈对称分布,峰值出现在端部位置。由于水压力对密封垫的冲击,使得弹性密封垫出现了明显变形,主要表现在密封垫中间孔洞的缩小和左侧与沟槽间空间的增大。左侧孔洞明显变小,但仍上下对称。施加水压力后,施加水压力的一侧接触应力减小,接触应力非对称分布,总体呈现出左高右低的变化趋势,且接触应力大小变化趋势相较于无水压工况较为滞后。

超高水压大直径盾构隧道管片接缝防水设计与试验研究

针对目前国内承受水压最高的大直径盾构隧道工程,提出一套较系统的弹性密封垫设计流程与研究方法,研究该类管片接缝防水的规律。首先,基于国内外现有研究成果,结合工程特点,确定了超高水压大直径盾构管片接缝防水双道弹性体的布置方式;其次,对防水技术标准进行研究,为深入分析弹性密封垫的相关设计内容与试验成果奠定基础;再次,重点对弹性密封垫的断面形式进行多方案比选分析;最后,通过独特的试验系统与试验方法,对不同断面的弹性密封垫进行高水压防水能力试验以及密封垫装配力试验,综合分析试验成果,最终确定最优防水设计方案。

越江盾构隧道防水密封垫应力松弛试验研究

分析了越江盾构隧道接缝防水密封垫止水机理及耐久性失效成因,基于橡胶接触应力松弛的经时老化模型,针对上海长江隧道三元乙丙弹性密封垫开展了加速热氧老化试验,研究了其接触应力松弛行为,预测了密封垫作为防水材料的使用寿命.

软土地区通缝拼装地铁盾构隧道管片纵缝接头的优化

针对软土地区地铁盾构隧道管片纵缝接头因地表超载易发生破损的问题,考虑软土地层的特性,提出在软土地区盾构隧道横向刚度设计中,采用加大隧道结构刚度和强度的"刚性衬砌"设计理念,对管片纵缝接头进行优化。通过局部或者整体增加管片的厚度,均可增加管片纵缝接头的抗弯刚度,从而明显减小管片环的变形,虽然由此使得管片环的弯矩有所增大,但管片环变形减小的幅度远大于其弯矩增大的幅度;分别设计外张纵缝接头与内张纵缝接头连接螺栓的位置,纵缝接头的连接螺栓应靠近接头张开的一侧;在管片环分块时尽量将管片纵缝接头设计在弯矩较小的位置,同时在满足施工的条件下,尽量减少管片环的分块数量;局部加强纵缝接头位置的管片棱角,以预防管片接头棱角破损;通过合理设计防水密封垫的位置及断面形式,加强盾构隧道管片纵缝接头的防水能力。

和燕路隧道盾构防水密封垫极限防水性能试验研究

为对超出设计允许张开量、错台量情况下的盾构隧道接缝防水性能进行评价,探究满足防水要求的密封垫极限张开量、错台量,基于南京和燕路长江隧道工程,选取设计的2种密封垫开展极限张开与极限错台工况下的防水试验,得到密封垫在张开量与错台量超出设计允许值后其防水性能的变化规律。(1)在密封垫张开量超过设计允许张开量后,密封垫防水性能随张开量的增大逐步减小,且减小幅度随着张开量的增大逐渐增大。(2)错台量超过设计允许错台量后,随着错台量的增大,密封垫的耐水压能力总体呈波动式减小的趋势,直至错台量达到某一临界值,其防水性能迅速下降,直至失效。对于存在张开量与错台量超出设计允许值风险的水下盾构隧道,建议在设计时考虑其在极限工况下的防水性能。

盾构法隧道管片接缝双道密封垫防水试验研究

研究目的:管片接缝防水是盾构法隧道整个防水系统中最为关键的部位,以往研究多针对单道弹性密封垫,对于双道密封垫,虽然应用案例越来越多,但对其防水机理与设计方法的研究较少,防水设计缺少理论支撑。为此,本文以某隧道为案例,对双道密封垫的防水机理、防水能力和设计方法进行研究。研究结论:(1)由于密封垫接触面凹凸不平,存在极细微渗漏孔洞,因此其防水能力受接触面最大接触应力和接触面细微孔洞的水流阻力双控制,通过提高密封垫接触面的平整度进而减少细微孔洞的数量与大小,是加强防水能力的关键因素;(2)当内侧密封垫防水能力不高于外侧密封垫时,其总防水能力为外侧密封垫残余防水能力与内侧密封垫防水能力之和,且残余防水能力要低于初始防水能力;当内侧密封垫防水能力高于外侧密封垫时,总防水能力约等于内侧密封垫防水能力;(3)建立了双道密封垫整体防水能力的计算公式,提出了双道密封垫、双道密封垫与遇水膨胀橡胶止水条组合时的布置方法与技术要求;(4)本研究成果可为高水压盾构隧道的防水设计提供技术支撑。

装置材料对防水试验中密封垫性能的影响

为研究管片密封垫防水试验中不同装置材料下密封垫性能的差异,采用弹性力学理论对钢制装置和混凝土装置下密封垫的耐水压力和装配力进行研究。以管片接缝密封中常用的三元乙丙密封垫为研究对象,对钢制装置和混凝土装置下的密封垫进行防水试验,研究2种不同装置下密封垫的装配力和耐水压力与张开量的关系。研究结果表明:1)钢制装置下密封垫的竖向应力比混凝土装置下密封垫的竖向应力大,导致其耐水压力高于混凝土装置;2)2种装置得出的装配力-张开量和耐水压力-张开量曲线变化规律相似;3)采用钢制装置代替混凝土装置进行混凝土管片密封垫的防水试验时,应将张开量减小一定的数值;4)在密封垫的防水试验中应尽量采用混凝土装置进行测试;5)采用钢制装置代替混凝土装置进行混凝土管片密封垫耐水压力测试时,应对试验数据进行平移转换。

大直径越江盾构隧道管片新型接缝双道密封垫防水性能研究

针对高水压作用下盾构隧道防水问题,提出一种螺栓孔外侧间隔布置双道密封垫的新型防水体系,并依托江阴靖江长江隧道工程,利用有限元软件ABAQUS建立完整接缝防水体系模型进行模拟,对外道密封垫的背水面施加逐级水压,用以模拟外水压力击穿外道密封垫后,在双道密封垫之间的空腔后形成水压的过程中外道密封垫的受力状态,揭示管片接缝密封垫的变形与接触应力分布特性。并开展相关试验验证仿真结果,对外道密封垫在最不利工况下的防水性能进行综合评价。研究表明:仿真计算与防水试验结果一致,在外道密封垫发生渗漏水后,新型双道密封垫空腔中所形成的水压能够在一定程度上改善外道密封垫受力变形状态,提升外道密封垫的防水能力,较单道外道密封垫防水性能更优。

深埋排蓄水隧道接缝密封垫防水性能试验研究

采用自主设计的新型弹性密封垫耐水压测试装置,研究弹性密封垫在不同张开量和错缝量组合情形下的防水能力;同时结合密封垫力学性能试验和数值模拟,解释错缝量和张开量对于防水能力的阶段性影响.结合深隧工程所设计的双道防水体系,对两道密封垫防水性能进行研究.研究结果表明:当道密封垫同步张开时,在设计工况范围内,耐水压能力可提高9%~12%;当两道密封垫张开量不同时,所设计的双道防水体系由于总有1条密封垫受压,较单道防水体系有更佳的防水效果.

盾构隧道管片接缝防水体系演化历程与展望

为应对不断变化的防水需求,接缝防水体系经过不断演化,产生了多种布置方式,但当前业内对各种布置形式的接缝防水体系尚未有统一的描述。为便于统一指代,调研分析国内各种盾构隧道管片接缝防水的发展过程,针对盾构隧道管片接缝防水体系特征提出代系划分方法,并详细阐述各代系的构造特征及主要适用范围,具体包括3代:采用单道三元乙丙橡胶密封垫的第1代接缝防水体系,以单道三元乙丙橡胶+遇水膨胀弹性体形成“一主一辅”的第2代接缝防水体系,以双道三元乙丙橡胶密封垫为主体的第3代接缝防水体系。最后,结合目前大型水下盾构隧道的建设需求,从防水体系韧性、极端工况下防水体系及密封垫受力状态下耐久性等方面提出接缝防水体系今后的发展趋势。

孔洞排布型式对盾构隧道橡胶密封垫的受力差异及稳定性分析

针对某大型盾构隧道接头采用不对称沟槽,给出了对孔排布与错孔排布这两种不同形式的弹性密封垫型式,并建立了其单压模型以及错位压缩模型。通过有限元模拟求解分析,指出在密封垫优化设计中,应充分考虑弹性密封垫自身的稳定性;在压缩量较大时,对孔排布断面的稳定性明显不如错孔排布断面;对于不对称沟槽,弹性密封垫优化时应优先考虑错孔排布的密封垫型式。

盾构隧道管片接头嵌入式密封垫防水性能探究

为解决传统密封垫易于与混凝土管片胶结处发生渗漏水的问题,对新型嵌入式密封垫的防水性能进行研究。与传统的现场粘贴防水橡胶密封垫的工艺不同,嵌入式密封垫是将密封垫与混凝土管片整浇预制。采用模型试验和有限元数值模拟方法,对隧道接头中嵌入式密封垫的防水能力进行分析和论述。研究结果表明:文中所涉截面形式的嵌入式密封垫在控制工况,即张开量7mm、错缝量10mm的情况下,满足上海深层排水调蓄隧道0.6MPa的耐水压力要求,且弥补了传统密封垫易从密封垫与混凝土接触面渗漏水的缺陷。此外,通过在密封条两侧设置凹槽,可有效减小密封垫脚部与混凝土间接触应力,减少局部应力集中,保证混凝土管片的完整性,提高接头防水能力。

盾构管片弹性密封垫断面设计与优化

以国内某城市地铁盾构隧道弹性密封垫断面设计为背景,从弹性密封垫的防水机理出发,考虑实际工况并结合管片拼装的需要,分析并提出盾构隧道管片弹性密封垫断面的主要设计参数。基于对国内外多个已建盾构隧道弹性密封垫的分析,初步拟定出适合该隧道的弹性密封垫断面形式。通过有限元数值模拟,得到不同压缩量下弹性密封垫的变形特性、接触面压应力分布、压缩所需顶推力等,据此对盾构隧道管片接缝弹性密封垫断面进行调整和优化,并最终得到满足各项设计要求的弹性密封垫断面形式。

水下盾构隧道弹性密封垫防水失效数值模拟研究

结合某水下盾构隧道工程的防水设计,采用大型有限元软件ABAQUS对弹性密封垫的防水失效机理进行数值模拟研究。将本文有限元模型与前人简化模型进行了对比分析,并对接缝张开及接缝错开情况下的密封垫防水失效机理进行了分析。研究表明,在接缝张开的情况下,渗漏主要发生在密封垫间的接触面上;接缝错开的情况下,随错缝位移的增大,渗漏将由发生在密封垫接触面上而转变为发生在密封垫与混凝土间的接触面上。

防控盾构隧道渗漏灾变的管片密封垫尺寸优化

增加密封垫防水性能可有效减少管片接缝渗漏现象的发生,进而提高隧道渗漏防控可靠度。优化密封垫截面尺寸可明显提高密封垫防水性能,因此,针对密封垫截面外轮廓尺寸取值对密封垫防水性能的影响进行数值模拟。采用ABAQUS内嵌网格求解变换技术解决数值模拟计算收敛困难的问题,结合已有研究成果验证该技术的可行性。通过对比分析计算结果得到密封垫接触应力和闭合压力随压缩度的变化规律,为提高密封垫防水性能提供新思路。

防水密封垫布置方式对管片接头的力学影响分析

为实现管片接头的受力和接缝防水共赢,利用可模拟复杂接头特性的管片接头力学模型,分析不同位置、不同宽度、不同数量的密封垫对管片接头的力学影响,并探讨兼顾管片接头受力与密封垫防水的接头设计,给出相应改进建议。研究表明:1)对于软弱地层的管片接头,密封垫靠近接缝面中部布置可以使管片接头保持较高的抗弯刚度,降低接头混凝土压溃和螺栓受拉屈服的风险,确保管片接头的受力安全,并具有良好的接缝防水能力;2)对于硬质地层的管片接头,其密封垫靠近接缝面边缘布置或采用大宽度密封垫,并配合采用改进接缝面接触方式和改善螺栓材质等综合措施,可达到同时降低接头抗弯刚度、确保接头安全、提高接缝防水的目的。