薄型管片密封垫沟槽外侧混凝土损伤规律.pdf

第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号：10031995（2023）07008904薄型管片密封垫沟槽外侧混凝土损伤规律孙文昊1，2 王博1，2 李策1，21.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心，武汉 430063摘要 依托某电力盾构隧道工程，建立密封垫-管片相互作用模型，通过改变弹性密封垫硬度、接缝张开量、错台量、密封垫沟槽尺寸和位置，对密封垫沟槽外侧混凝土的裂损情况进行了分析。结果表明：密封垫与管片的正向挤压和切向错台均会引起混凝土裂损，其中接缝错台量的影响最大；密封垫沟槽深度越小、沟槽与管片外侧的距离越大，混凝土裂损程度越低。对于薄型混凝土管片接缝设计，在满足管片防水和局部承压要求前提下，建议尽量减小密封垫沟槽深度，增大沟槽与管片外侧的距离。关键词 盾构隧道；管片裂损；数值模拟；薄型管片；弹性密封垫；接缝张开量；接缝错台量；沟槽中图分类号 U455.43 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.17引用格式：孙文昊，王博，李策.薄型管片密封垫沟槽外侧混凝土损伤规律 J.铁道建筑，2023，63（7）：8992.近年来，盾构法隧道施工技术快速发展并应用于各个工程领域，在盾构隧道向着大直径、大埋深方向发展的同时，小直径盾构隧道也广泛应用于电力、给排水等领域。大量的工程实践表明，盾构隧道接缝处是整个结构体系中最薄弱的部位，管片开裂、渗漏、掉块等灾害多发生在接缝附近。卢岱岳等1对盾构隧道的裂损病害进行了统计分析，研究了裂损病害的形态特征、分布规律以及危害程度，总结出管片裂损的主要原因有千斤顶推力作用、管片错台、管片环间接触面不平整等。龚琛杰等2对盾构掘进、管片拼装和壁后注浆等施工过程出现的管片裂损进行了现场调查，总结出掘进速度过快、总推力过大、同步注浆量偏小以及施工参数的离散性是管片裂损的主要原因。马成贤等3采用扩展有限元法对拱顶背后空洞引起管片裂纹的变形特性进行了研究，得出空洞范围对裂纹的分布位置、扩展方向和最终裂纹形状有很大影响。刘杰4对管片受力状态进行了精细化数值模拟，分析了偏压顶推工况对管片开裂的影响。李军等5对天津粉砂地层盾构隧道管片开裂和压溃病害进行调研和监测，并通过数值模拟揭示了管片裂损的主要原因是隧道漏水、漏沙等水土流失导致的衬砌背后岩土体支撑减弱。既有研究多是针对管片内侧裂损问题，而对接缝外侧密封垫周边混凝土裂损的研究相对较少。工程实践表明，密封垫沟槽外侧混凝土裂损会引起密封垫局部的防水能力下降甚至丧失，造成接缝渗漏水。小直径盾构隧道管片厚度通常较薄（厚度不大于300 mm），在考虑内侧嵌缝、混凝土结构受压所需的接触面积等因素后，防水密封垫沟槽离管片外边缘较近。在密封垫与管片相互作用下，沟槽外侧的混凝土容易发生损伤，进而导致管片渗漏，影响隧道的正常使用和安全运营。因此，研究不同因素对管片裂损的影响，提出适用于薄型管片的密封垫参数和接缝构造，对盾构隧道结构和防水设计具有重要意义。本文建立了密封垫-管片相互作用模型，分析了密封垫硬度、接缝张开量、错台量、密封垫沟槽尺寸和位置对密封垫沟槽外侧混凝土裂损的影响，通过对各因素的敏感性分析，提出薄型管片接缝设计的建议。1 数值模拟 1.1依托工程简介大连液流电池储能调峰电站国家示范项目220 kV送出工程盾构段的管片外径、内径、厚度和幅宽分别为4.0 m、3.5 m、250 mm和1.2 m，混凝土强度等级为C50。管片接缝防水构造如图1所示，密封垫沟槽的深度 d、宽度 b 和沟槽与管片外侧距离 h 分别为 10、40、40 mm。弹性密封垫采用三元乙丙橡胶，多孔梳形结构，面积350 mm2。收稿日期：20220720；修回日期：20221002基金项目：中铁第四勘察设计院集团有限公司科研课题(2020K150)第一作者：孙文昊(1975)，男，高级工程师，硕士。E-mail：铁道建筑第 63 卷1.2计算模型通过有限元分析软件ABAQUS建立密封垫-管片的平面应变模型。计算模型见图2，采用四边形单元，最小网格尺寸为1 mm。左侧管片采用固结约束，右侧管片采用水平和竖直方向的位移边界来模拟接缝张开和错台。1.3材料参数管片采用各向同性的线弹性体模型，基于扩展有限元法模拟裂纹。采用最大拉应力理论校核混凝土管片的破坏，即单元的最大拉应力达到C50混凝土单向拉伸的强度标准值时破坏。其力学参数见表1。弹性密封垫初选邵氏硬度为65。根据文献 6，采用超弹性模型MooneyRivlin模拟密封垫，即W=C10(I1-3)+C01(I2-3)（1）式中：W为应变能函数，是变形张量不变量 I1、I2的函数，即W=W（I1，I2）；C10和C01为两个相关参数，分别为0.586、0.147 MPa。2 计算结果分析2.1 密封垫硬度、接缝张开量和错台量对混凝土裂损的影响不同于管片接缝内侧裂损，接缝外侧的喇叭口避免了两管片的直接接触，外侧裂损主要是由密封垫与管片的相互作用（正向挤压和切向错台）引起的，如图3所示。1）密封垫硬度对混凝土裂损的影响密封垫硬度会影响对混凝土的挤压作用。根据GB 18173.42010 高分子防水材料 第4部分：盾构法隧道管片用橡胶密封垫，三元乙丙橡胶密封垫的邵氏硬度为 5070，偏差 5。设定邵氏硬度分别为55、60、65、70、75，接缝张开量为0，错台量为8 mm，密封垫尺寸相同，计算得到五种工况下混凝土裂损情况，见图4。不同密封垫硬度条件下混凝土裂缝长度及破碎区面积见表2。由图4和表2可知：在相同的接缝张开量和错台量下，密封垫硬度越大，对混凝土的挤压作用越明显，裂缝长度和破碎区面积也越大。图2密封垫-管片模型图3密封垫与管片相互作用示意表1混凝土管片力学参数密度/（kgm-3）2 500弹性模量/GPa36泊松比0.2强度标准值/MPa2.64图4不同密封垫硬度条件下管片裂损情况表2不同密封垫硬度条件下混凝土裂缝长度及破碎区面积邵氏硬度5560657075裂缝长度/mm2.3452.8573.6964.0894.718破碎区面积/mm21.7632.1892.6553.1783.520图1管片接缝防水构造（单位：mm）90第 7 期孙文昊等：薄型管片密封垫沟槽外侧混凝土损伤规律2）接缝张开量对混凝土裂损的影响管片拼装完成后，密封垫对沟槽外侧混凝土产生挤压作用，接缝张开量的大小对密封垫与管片间的挤压作用有直接影响。根据工程经验7-8，小直径盾构隧道接缝防水能接受的最大张开量为6 mm。设定接缝张开量分别为0、2、4、6 mm，接缝错台量为0，密封垫尺寸相同且邵氏硬度均为65，计算得到四种工况下混凝土裂缝长度及破碎区面积，见表3。由表3可知：随着接缝张开量增大，密封垫对沟槽外侧混凝土的挤压作用减弱，破碎区面积减小；张开量对混凝土裂缝影响很小。3）接缝错台量对混凝土裂损的影响管片拼装误差、地层软硬不均、地震作用等容易导致接缝错台。根据工程经验7-8，小直径盾构隧道管片接缝防水能接受的最大错台量为10 mm。设定接缝错台量分别为2、4、6、8、10 mm，接缝张开量为0，密封垫尺寸相同且邵氏硬度均为65，计算得到五种工况下混凝土裂缝长度及破碎区面积，见表4。由表4可知：接缝错台量对混凝土裂损影响很大；错台量越大，沟槽外侧混凝土的剪切效应越强，裂缝越长，破碎区面积也越大。4）三种因素对混凝土裂损的影响对比对比表2、表3和表4可知：接缝错台量对混凝土裂损的影响最大，密封垫邵氏硬度和接缝张开量对管片裂损的影响较小；随着错台量的增大，裂缝长度及破碎区面积的变化最明显；当错台量较大时，裂缝扩展较严重且破碎区面积较大，易产生管片渗漏水、密封垫失效、钢筋锈蚀等问题，影响结构性能。2.2密封垫沟槽尺寸和位置对混凝土裂损的影响 工程实践中通常采用两种方式来减少管片的裂损：控制错台量，如加强螺栓连接、设置凹凸榫和剪力棒9等；优化接缝构造，降低错台对密封垫沟槽外侧混凝土的影响，通过调整沟槽参数d、b、h得到合理的接缝形式。1）d对混凝土裂损的影响设定d分别为10、11、12、13 mm，接缝张开量为0，错台量为10 mm，密封垫邵氏硬度为65，保持沟槽两侧斜率不变，计算得到四种工况下混凝土裂损情况，见表5。由表5可知：混凝土裂缝长度和破碎区面积随d的增大而增大；在满足防水要求的前提下，较小的d对密封垫沟槽外侧混凝土受力更有利。2）b对混凝土裂损的影响设定b分别为30、35、40、45 mm，接缝张开量为0，错台量为10 mm，密封垫邵氏硬度为65，计算得到四种工况下混凝土裂缝长度及破碎区面积，见表6。可知：b对混凝土的裂损影响不明显；随着b变化，裂缝长度和破碎区面积均无明显变化。3）h对混凝土裂损的影响设定h分别为25、30、40、50、60、70 mm，接缝张开量为0，错台量为10 mm，密封垫邵氏硬度为65，计算得到六种工况下混凝土裂缝长度及破碎区面积，见表7。可知：混凝土裂缝长度和破碎区面积随h的增大而减小，说明h对管片裂损有抑制作用。4）三种因素对混凝土裂损的影响对比对比表5、表6和表7可知：h对密封垫沟槽外侧混表3不同接缝张开量条件下混凝土裂缝长度及破碎区面积接缝张开量/mm0246裂缝长度/mm2.4192.4192.4192.419破碎区面积/mm20.8790.5630.0350表4不同接缝错台量条件下混凝土裂缝长度及破碎区面积接缝错台量/mm246810裂缝长度/mm5.1285.7717.4347.45810.649破碎区面积/mm25.8228.25710.32713.34415.330表5不同d条件下混凝土裂缝长度及破碎区面积d/mm10111213裂缝长度/mm8.0959.01011.42712.759破碎区面积/mm215.33016.36817.21422.679表6不同b条件下混凝土裂缝长度及破碎区面积b/mm30354045裂缝长度/mm8.0958.0438.0158.006破碎区面积/mm215.33015.31715.31215.302表7不同h条件下混凝土裂缝长度及破碎区面积h/mm253040506070裂缝长度/mm21.11716.56511.6746.2572.4331.028破碎区面积/mm2127.64183.01526.1718.8641.1310.37891铁道建筑第 63 卷凝土裂损的影响最大，随着h的增大，裂缝长度及破碎区面积减小；其次是d，随着d增大混凝土裂缝长度和破碎区面积增大；b对管片裂损的影响最小。因此，适当的减小d和加大h，对控制混凝土裂损有利。3 结论 本文建立了密封垫-管片相互作用模型，通过改变弹性密封垫硬度、接缝张开量、错台量、密封垫沟槽尺寸和位置，分析了各因素对薄型混凝土管片裂损的影响。主要结论如下：1）薄型管片密封垫沟槽外侧混凝土的裂损是密封垫与管片的相互作用（正向挤压和切向错台）引起的。接缝错台量对沟槽外侧混凝土裂损的影响最大，密封垫邵氏硬度和接缝张开量对管片裂损的影响相对较小。混凝土裂缝长度及破碎区面积随错台量增大而增大。2）密封垫沟槽深度和沟槽与管片外侧距离对沟槽外侧混凝土裂损都有影响，距离的影响更大。距离越大、深度越小，管片的裂损程度越低，结构越安全。3）对于薄型混凝土管片接缝设计，在满足管片防水和局部承压要求的前提下，建议尽量减小密封垫沟槽的深度，增大沟槽与管片外侧的距离。参考文献1 卢岱岳，孙文昊，苏昂，等.施工期盾构隧道管片衬砌裂损病害统计分析 J.铁道工程学报，2018，35（6）：59-66，87.2 龚琛杰，阳军生，傅金阳.复合岩层大直径越江盾构隧道管片施工裂损特征及影响因素分析 J.现代隧道技术，2020，57（5）：30-42.3 马成贤，罗驰，李新志.盾构隧道拱顶背后空洞引起管片裂损机理研究 J.铁道建筑，2022，62（2）：114-117.4 刘杰.偏压顶推工