董林偉， 江玉生， 楊志勇， 江 華， 高 勇

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

裝置材料對防水試驗中密封墊性能的影響

董林偉， 江玉生， 楊志勇， 江 華， 高 勇

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

為研究管片密封墊防水試驗中不同裝置材料下密封墊性能的差異，采用彈性力學(xué)理論對鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊的耐水壓力和裝配力進行研究。以管片接縫密封中常用的三元乙丙密封墊為研究對象，對鋼制裝置和混凝土裝置下的密封墊進行防水試驗，研究2種不同裝置下密封墊的裝配力和耐水壓力與張開量的關(guān)系。研究結(jié)果表明： 1)鋼制裝置下密封墊的豎向應(yīng)力比混凝土裝置下密封墊的豎向應(yīng)力大，導(dǎo)致其耐水壓力高于混凝土裝置； 2)2種裝置得出的裝配力-張開量和耐水壓力-張開量曲線變化規(guī)律相似； 3)采用鋼制裝置代替混凝土裝置進行混凝土管片密封墊的防水試驗時，應(yīng)將張開量減小一定的數(shù)值； 4)在密封墊的防水試驗中應(yīng)盡量采用混凝土裝置進行測試； 5)采用鋼制裝置代替混凝土裝置進行混凝土管片密封墊耐水壓力測試時，應(yīng)對試驗數(shù)據(jù)進行平移轉(zhuǎn)換。

盾構(gòu)隧道； 防水試驗； 密封墊性能； 裝置材料； 耐水壓力； 裝配力； 張開量

0 引言

隧道防水貫穿地鐵建設(shè)和運營的始終，也是提高隧道耐久性的關(guān)鍵。目前，我國多采用三元乙丙多孔橡膠密封墊進行管片接縫的防水[1]，因此，對三元乙丙多孔橡膠密封墊的防水性能進行研究具有重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者對管片接縫處密封墊的防水問題進行了大量的研究。GONG Chenjie等[2]針對南京緯三路越江盾構(gòu)隧道，采用新型混凝土試驗裝置，開展了管片接縫防水一字縫和T字縫的試驗研究，分析了影響密封墊防水的因素；歐陽文彪[3]采用顯式有限元分析法對密封墊的壓縮過程進行了三維模擬，并對鋼制裝置下密封墊的裝配力進行了驗證；鄧朝輝[4]針對獅子洋隧道管片密封墊的密封性能進行了數(shù)值模擬和鋼制裝置下的防水試驗，提出了相應(yīng)的防水設(shè)計和施工控制措施；拓勇飛等[5]針對超高水壓大直徑盾構(gòu)隧道，提出了盾構(gòu)管片接縫防水設(shè)計的流程和方法，通過耐水壓力和裝配力試驗優(yōu)化了密封墊的設(shè)計方案；王湛[6]對密封墊張開和錯位的情況進行了數(shù)值模擬，分析了張開和錯位對滲漏位置的影響規(guī)律；畢琦等[7]針對不同硬度的密封墊進行了鋼制裝置下的裝配力試驗，得到了密封墊的硬度設(shè)計指標(biāo)，并提出了相應(yīng)的施工方案；高楠[8]通過采用不同的鋼制試驗裝置，進行了蘇埃通道盾構(gòu)隧道接縫密封墊的裝配力試驗和防水試驗，對隧道接縫的防水形式進行了設(shè)計；李鐵成[9]對新華新街臺格廟礦區(qū)斜井鋼制裝置下的管片密封墊進行了T字縫防水試驗和數(shù)值分析；F. I. Shalabi等[10]對隧道管片承受靜力和動力荷載時混凝土裝置中的密封墊進行了一系列試驗和研究，給出了密封墊接縫防水規(guī)律。

以上研究均是針對密封墊的防水優(yōu)化設(shè)計問題進行的，對密封墊在鋼制裝置和混凝土裝置下耐水壓力和裝配力的研究并不多。為對比密封墊在鋼制裝置和混凝土裝置下耐水壓力和裝配力的差異性，筆者開展了密封墊在2種不同裝置下裝配力和耐水壓力的對比試驗，并通過MATLAB軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理及擬合分析，得出2種不同裝置下密封墊裝配力和耐水壓力的變化規(guī)律以及耐水壓力試驗數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

1 密封墊防水性能分析

密封墊的防水性能與接觸面壓力密切相關(guān)。由密封墊的工作原理可知，密封時的水壓力pw與初始接觸面壓力有關(guān)[11-12]，可近似表示為

pw=kp0。

(1)

式中：pw為滲漏水時密封墊的耐水壓力，MPa；p0為密封墊的接觸面壓應(yīng)力，MPa；k為與密封墊性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，對于非膨脹橡膠，一般取1.2[13]。

密封墊彈性體的約束形式示意圖如圖1所示。

圖1 密封墊約束形式示意

密封墊被固定于溝槽中，受力狀態(tài)為平面應(yīng)變狀態(tài)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：

(2)

式中：εx為密封墊的側(cè)向應(yīng)變；εy為密封墊的豎向應(yīng)變；ν為泊松比；σy為密封墊受到的豎向壓應(yīng)力,MPa；E為密封墊的彈性模量,MPa。

由式(2)可得

(3)

分析式(3)可知，在密封墊耐水壓力試驗中，若將裝置材料由混凝土裝置變?yōu)殇撝蒲b置，且假設(shè)密封墊的豎向應(yīng)變εy不變，由于鋼制裝置變形較小，密封墊受到的側(cè)面約束增強，相當(dāng)于對密封墊的側(cè)向進行擠壓，則密封墊的側(cè)向應(yīng)變εx增大，豎向壓應(yīng)力增大。再由式(1)可知，密封墊的耐水壓力增大。

2 防水試驗

2.1 密封墊幾何參數(shù)

選取常用的盾構(gòu)管片密封墊進行防水試驗。密封墊以三元乙丙橡膠為主要成分，采用外輪廓尺寸為47 mm×16.5 mm的多孔橡膠矩形密封圈的構(gòu)造形式，其頂面寬度為36 mm，底部寬度為42 mm，高度為16.5 mm，截面內(nèi)部有10個圓孔。三元乙丙密封墊橫截面圖如圖2所示。

圖2 三元乙丙密封墊橫截面圖(單位： mm)

2.2 試驗原理和裝置

為研究不同裝置材料對密封墊耐水壓力的影響，開展了密封墊在鋼制裝置和混凝土裝置中的防水試驗。

在試驗裝置溝槽中采用氯丁-酚醛膠水粘貼2個物理參數(shù)相同的三元乙丙橡膠密封墊，如圖3所示。

采用壓力機分別對鋼制裝置密封墊和混凝土裝置密封墊進行加載，通過外接水泵對密封墊的內(nèi)腔施加水壓。采用水壓力表測試密封墊承受的水壓力，采用百分表測試裝置的張開量，采用壓力傳感器測試裝置所受的壓力。

(a)鋼制裝置(b)混凝土裝置

圖3 三元乙丙橡膠密封墊

Fig. 3 EPDM rubber gasket

2.3 試驗方案

將試驗裝置及剛性墊塊放置在試驗機加載板間，并安裝百分表及水壓加壓系統(tǒng)。在試驗機加壓至目標(biāo)張開量前，記錄各級壓縮力和對應(yīng)的張開量，作為裝配力的試驗數(shù)據(jù)。當(dāng)試驗機加壓至目標(biāo)張開量時，以每次0.01 MPa的增量施加水壓，直至水壓突破密封墊，并取上一級水壓作為耐水壓力。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 裝配力試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)點的數(shù)學(xué)特征，分別采用4種常見的

通過對比4個函數(shù)的擬合度可知： 倒冪函數(shù)擬合的F值和可決系數(shù)R最大，剩余標(biāo)準(zhǔn)誤差S最小，擬合性最佳。由F檢驗可知，倒冪函數(shù)、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的顯著性檢驗為高度顯著。

表1 鋼制裝置下密封墊的裝配力試驗數(shù)據(jù)擬合曲線參數(shù)及擬合度

注： SSR為回歸平方和; SSE為殘差平方和; SST為總偏差平方和。

表2 混凝土裝置下密封墊的裝配力試驗數(shù)據(jù)擬合曲線參數(shù)及擬合度

注： SSR為回歸平方和; SSE為殘差平方和; SST為總偏差平方和。

采用倒冪函數(shù)分別對鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊裝配力的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合曲線如圖4所示。

(a) 鋼制裝置

(b) 混凝土裝置

圖4 鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊裝配力隨張開量變化的擬合曲線

Fig. 4 Fitting curve of relationship between assembling force of sealing gasket and opening amount under steel apparatus and concrete apparatus

3.2 耐水壓力試驗數(shù)據(jù)分析

試驗得到的鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊的耐水壓力試驗數(shù)據(jù)如圖5所示。

由圖5可以得出，不同張開量的密封墊在鋼制裝置與混凝土裝置下的耐水壓力變化規(guī)律相似。

圖5 鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊的耐水壓力

Fig. 5 Waterproof pressures of sealing gasket under steel apparatus and concrete apparatus

為建立2種裝置材料下密封墊耐水壓力與張開量的關(guān)系，分別選用倒冪函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和倒指數(shù)函數(shù)對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，并考慮2種裝置材料下張開量的差值，即對鋼制裝置下的張開量數(shù)據(jù)進行平移后，再聯(lián)合混凝土裝置下的數(shù)據(jù)進行擬合。采用MATLAB軟件編制相應(yīng)的程序，然后計算出4種函數(shù)的擬合曲線參數(shù)及擬合度。MATLAB程序流程如圖6所示。

圖6 MATLAB程序流程圖

由MATLAB軟件計算得到的2種裝置下密封墊的耐水壓力擬合曲線參數(shù)及擬合度見表3。

表3 2種裝置下密封墊的耐水壓力擬合曲線參數(shù)及擬合度

注： SSR為回歸平方和; SSE為殘差平方和; SST為總偏差平方和。

通過對比4個函數(shù)的擬合度可知： 冪函數(shù)擬合的F值和可決系數(shù)R最大，剩余標(biāo)準(zhǔn)誤差S最小，擬合性最佳。根據(jù)F檢驗可知，4個函數(shù)的顯著性檢驗均為高度顯著。

通過MATLAB軟件采用冪函數(shù)繪制的混凝土裝置下耐水壓力數(shù)據(jù)與鋼制裝置下經(jīng)平移后的耐水壓力數(shù)據(jù)擬合曲線如圖7所示。

圖7 混凝土裝置下耐水壓力數(shù)據(jù)與鋼制裝置下平移后的耐水壓力數(shù)據(jù)擬合曲線

Fig. 7 Fitting curve of waterproof pressure under concrete apparatus and waterproof pressure under steel apparatus after transformation

對于相同材質(zhì)的密封墊，采用鋼制試驗裝置與混凝土試驗裝置得到的耐水壓力隨張開量的變化趨勢高度相似，但仍有一定的差距。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可知，4種函數(shù)擬合得到的位移常數(shù)c均約為2 mm，且擬合性均較好。對于三元乙丙密封墊，若采用鋼制裝置代替混凝土裝置進行耐水壓力試驗，耐水壓力所對應(yīng)的張開量需減小2 mm，試驗結(jié)果方可應(yīng)用于工程中。

4 結(jié)論與討論

1)根據(jù)所得的試驗數(shù)據(jù)以及理論分析，在密封墊的耐水壓力試驗中，采用鋼制裝置得到的耐水壓力高于混凝土裝置。

2)根據(jù)實際工程中密封墊受到的約束狀態(tài)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用混凝土裝置進行密封墊的耐水壓力試驗。當(dāng)采用鋼制裝置代替混凝土裝置進行混凝土管片密封墊的耐水壓力試驗時，所得的耐水壓力試驗數(shù)據(jù)中的張開量需要減小一定的數(shù)值方可應(yīng)用于實際工程中。對于本文研究的密封墊，張開量應(yīng)減少2 mm。

3)三元乙丙密封墊在2種試驗裝置下的裝配力、耐水壓力試驗數(shù)據(jù)與倒冪函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和倒指數(shù)函數(shù)的擬合性均較好，因此，可采用倒冪函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和倒指數(shù)函數(shù)4種函數(shù)對密封墊的裝配力和耐水壓力進行預(yù)測。

本文只針對一種特定的密封墊進行了防水試驗研究，下一步尚需對其他形式的密封墊進行研究。

[1] 朱祖熹. 盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊防水技術(shù)的現(xiàn)狀與今后的課題[J]. 隧道建設(shè), 2016, 36(10): 1171. ZHU Zuxi. State-of-art and developing direction of waterproofing technology for sealing gasket of shield tunnel segment joints[J]. Tunnel Construction, 2016, 36(10): 1171.

[2]GONG Chenjie, DING Wenqi, JIN Yuelang, et al. Waterproofing performance of shield-driven tunnel′s segment joint under ultra high water pressure[J]. Tunnelling & Underground Construction, 2014(24): 410.

[3] 歐陽文彪. 盾構(gòu)隧道橡膠密封墊力學(xué)性能試驗及數(shù)值分析[J]. 隧道建設(shè), 2013, 33(11): 933. OUYANG Wenbiao. Mechanical test and numerical analysis of elastic gaskets of shield tunnels[J]. Tunnel Construction, 2013, 33(11): 933.

[4] 鄧朝輝. 高速鐵路盾構(gòu)隧道防水設(shè)計[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2013, 50(2): 134. DENG Chaohui. Waterproofing design for shield tunnels on high-speed railways[J]. Modern Tunnelling Technology, 2013, 50(2): 134.

[5] 拓勇飛, 舒恒, 郭小紅, 等. 超高水壓大直徑盾構(gòu)隧道管片接縫防水設(shè)計與試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2013, 35(增刊1): 227. TUO Yongfei, SHU Heng, GUO Xiaohong, et al. Design and experimental study of waterproof gasket of large-diameter shield tunnel under ultra high water pressure[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(S1): 227.

[6] 王湛. 水下盾構(gòu)隧道彈性密封墊防水失效數(shù)值模擬研究[J]. 隧道建設(shè), 2015, 35(11): 1164. WANG Zhan. Numerical study of waterproof failure mechanism of elastic sealing gasket of underwater shield-bored tunnel[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(11): 1164.

[7] 畢琦, 劉建國. 盾構(gòu)隧道防水密封墊硬度對管片拼裝的影響研究[J]. 中國建筑防水, 2013(6): 12. BI Qi, LIU Jianguo. Research on influences of waterproof gasket hardness of shield tunnel on segment assembling[J]. China Building Waterproofing, 2013(6): 12.

[8] 高楠. 大斷面海底盾構(gòu)隧道管片接縫防水試驗研究[D]. 北京： 北京交通大學(xué), 2016. GAO Nan. Experimental research on waterproof of large cross-section subsea tunnel segment joints[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2016.

[9] 李鐵成. 盾構(gòu)斜井管片接縫防水設(shè)計及防水性能試驗研究[J]. 施工技術(shù), 2016, 45(21): 124. LI Tiecheng. Waterproof design and experimental research on inclined shied shaft segment joints [J]. Construction Technology, 2016, 45(21): 124.

[10] SHALABI F I, CORDING E J, PAUL S L. Concrete segment tunnel lining sealant performance under earthquake loading[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2012, 31(5): 51.

[11] 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, 2002, 22(4): 335. FAN Qinggong, FANG Weimin, SU Xubin. Experimental study of the waterproof capability of the hydro-expansive rubber sealing cushion in shield tunnel[J]. Underground Space, 2002, 22(4): 335.

[12] 劉印, 張冬梅, 黃宏偉. 基于縱向不均勻沉降的盾構(gòu)隧道滲漏水機理分析[J]. 鐵道工程學(xué)報, 2011, 28(5): 66. LIU Yin, ZHANG Dongmei, HUANG Hongwei. Analysis of mechanism of water leakage induced by longitudinal uneven settlement of shield tunnel [J]. Journal of Railway Engineering Society, 2011, 28(5): 66.

[13] 鐘小春, 秦建設(shè), 朱偉, 等. 盾構(gòu)管片接縫防水材料防水耐久性實驗及分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2011, 7(2): 281. ZHONG Xiaochun, QIN Jianshe, ZHU Wei, et al. Durability tests and analysis of the waterproof material for joint seam of shield tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2011, 7(2): 281.

[14] 王巖, 隋思漣. 試驗設(shè)計與MATLAB數(shù)據(jù)分析[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社, 2012. WANG Yan, SUI Silian. Test design and MATLAB data analysis[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2012.

[15] 王巖, 隋思漣. 數(shù)理統(tǒng)計與MTALAB數(shù)據(jù)分析[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社, 2014. WANG Yan, SUI Silian. Mathematical statistics and MATLAB data analysis[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2014.

Study of Influence of Apparatus with Different Materials on Performance of Sealing Gasket during Waterproof Test

DONG Linwei, JIANG Yusheng, YANG Zhiyong, JIANG Hua, GAO Yong

(SchoolofMechanics&ArchitectureEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China)

The waterproof pressure and assembling force of the sealing gasket under steel apparatus and the concrete apparatus are studied by the theory of elasticity, so as to study the difference of the sealing gasket performance under apparatus with different materials during waterproof test. The waterproof test is carried out on the sealing gasket under steel apparatus and concrete apparatus by taking commonly used ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) gasket for example. And then the relationship between the assembling force and the opening amount and that between the waterproof pressure and the opening amount under steel apparatus and concrete apparatus are studied. The testing results indicate that: 1) The vertical stress of the sealing gasket under steel apparatus is larger than that under concrete apparatus which lead to the higher waterproof pressure of the sealing gasket under steel apparatus. 2) The curve of assembling force-opening amount and that of waterproof pressure-opening amount obtained by the two apparatuses are quite similar. 3) The opening amount should be reduced by a certain value when using the steel apparatus instead of the concrete apparatus. 4) The concrete apparatus should be used in the waterproof pressure test as many as possible. 5) The test data should be translated when using the steel apparatus instead of concrete apparatus.

shield tunnel; waterproof test; sealing gasket performance; material of apparatus; pressure of waterproof; assembling force; opening amount

2017-01-16;

2017-04-19

國家科技支撐計劃子課題(2013BAB10B02-4)； 聯(lián)合資助基金(U1261212)

董林偉(1986—)，男，山東泰安人，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)巖土工程專業(yè)在讀博士，研究方向為城市地下工程。E-mail： dlw860210@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.013

U 45

A

1672-741X(2017)08-0997-06