杨 睿， 蒋道东， 翟世鸿

(中交第二航务工程局有限公司， 湖北 武汉 430040)

0 引言

综合管廊是容纳管线的地下结构，其防水有以下特点： 1)综合管廊里面通常放置有高压电缆和弱电线缆，湿渍或渗水容易引起高压电缆和弱电线缆连接件锈蚀以及高压电缆发生打火现象，严重影响负载端的设备正常运转及工程安全运营； 2)综合管廊里有较多报警、监控、消防等专用设备，渗水可能会引起这些设备生锈失灵，导致发生事故的诱因得不到及时反馈，进而引发综合管廊运营安全问题。因此，对综合管廊的防水进行研究十分必要。

目前国内外对弹性密封垫防水的研究已有较多，拓勇飞等[1]提出一套针对高水压盾构隧道的弹性密封垫设计流程与研究方法； 董林伟等[2-3]研究了不同试验装置材料下密封垫性能差异，建立了密封垫防水的力学模型，并结合试验得到了密封垫防水因素； 欧阳文彪[4]通过有限元模拟和试验研究了橡胶硬度和密封垫开孔率对装配压力的影响； 王湛[5]研究了接缝张开、错位条件下的密封垫防水机制； 吴炜枫等[6]利用自主设计的可三向加载高水压防水试验系统模拟了多组错位量、张开量条件下的接缝防水能力，验证了密封垫在深层排水条件下的可行性； 刘建国等[7]以宁波类矩形盾构隧道为背景，进行了弹性密封垫耐久性试验，结果表明密封垫长期防水能力下降主要是由松弛应力引起的； 雷震宇等[8-9]应用ANSYS-PDS随机模块分析密封垫橡胶材料硬度、孔径等参数对平均接触应力的影响，根据结果对密封垫进行优化，并用试验对优化后的密封垫防水能力进行验证； 丁杨等[10]利用“P-T-t三元模型”进行密封垫寿命预测，并用防水试验验证了“P-T-t三元模型”的合理性； 朱洺嵚等[11]针对上海市深层排水盾构隧道接缝密封垫形式进行设计，用相关试验证明了设计的密封垫截面的合理性； 杨小平等[12]采用数值模拟方法研究了冻结降温作用对盾构隧道管片渗水的影响，得出管片与密封垫接触不紧密是隧道漏水的主因； 张铨婧等[13]通过数值模拟研究了开孔、开槽对弹性密封垫接触应力和装配力的影响。

综合来看，目前相关研究主要针对盾构隧道中的弹性密封垫，且集中在弹性密封垫的优化设计、弹性密封垫的失效机制、弹性密封垫的应力保持率、高水压盾构隧道弹性密封垫设计及试验方面，而对预制装配式综合管廊橡胶密封件的研究较少。成都市蜀龙五期管廊项目是采用移动式支护设备施工的预制装配化综合管廊，不同于盾构法施工，也不同于常见的预制综合管廊施工，相似工程较少。纵向拼缝橡胶密封件装配力可通过千斤顶推力提供，而环向拼缝橡胶密封件装配力提供较困难，由于施工方法不同，防水能力指标也难以借鉴以往工程。故需对蜀龙五期预制装配式综合管廊的防水材料进行针对性研究，选择适合该工程的橡胶密封件。

本文针对成都市蜀龙五期预制装配式综合管廊工程防水的实际需求，对环向及纵向拼缝处橡胶密封件的选型、防水性能以及材料所需闭合压缩力开展研究。首先通过数值模拟初步筛选橡胶密封件的断面形式，然后通过水压试验验证橡胶密封件的防水性能，最后通过装配应力模拟试验确定橡胶密封件所需的闭合压缩力，以期为蜀龙五期综合管廊的设计与施工提供参考。

1 工程概况

成都蜀龙五期预制装配式综合管廊标准断面为马蹄形，采用移动式支护专用设备明挖施工。管廊上部覆土厚度约为5 m。隧道内净空为3.2 m×7.23 m，外尺寸为3.8 m×7.83 m，预制块厚度为0.3 m，中柱厚度为0.25 m，通缝拼装。预制块宽2 m，每环由2个B块、1个A块、1个K块以及中柱(Z块)组成，如图1所示。每环4个拼缝(J1、J2、J3、J4)，环向拼缝采用4个8.8级M30型螺栓连接，并设置凹凸榫，如图2所示。纵向拼缝采用14个8.8级M30型螺栓连接，并设置剪力销。参考小直径盾构隧道施工经验，纵、环拼缝的防水均采用EPDM单道橡胶密封件[14]。密封件定位槽尺寸如图3所示。

图1 综合管廊横断面(单位： mm)

图2 环向拼缝构造示意图

图3 定位槽尺寸(单位： mm)

2 橡胶密封件选型

根据预制块预留梯形定位槽截面尺寸以及国内外现有的形状，拟定密封件形状以及尺寸如图4所示。

根据对密封件制作所用硫化橡胶的单轴拉伸试验、等双轴拉伸试验以及平面拉伸试验，结合ABAQUS软件进行拟合与评估，最终确定3次Ogden模型作为计算的本构模型，本构模型参数如表1所示。Ogden模型应变能函数[15]如下：

(1)

式中：U为应变能；λ1、λ2、λ3为主伸长率；μi、αi为任意数。

(a) 方案1

(b) 方案2

μ1α1μ2α2μ3α362.06-4.880.002 812.8048.71-5.66

预制块定位槽等效为钢材来模拟，计算模型由上定位槽、上密封件、下定位槽以及下密封件组成。将下定位槽6个方向的自由度全约束住，对上定位槽施加位移荷载，从0 mm施加至10 mm，每次增加的位移为1 mm。位移荷载为10 mm时结构的变形如图5所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

从图5可以看出： 橡胶密封件压缩至10 mm时内部孔洞变形较大，部分孔洞几乎被压实，其余孔洞变形后基本都形成了带有尖角形状的异形孔洞。方案1内部仅有4个圆形的孔洞，而方案2内部有7个类三角形孔洞，压缩后方案2橡胶密封件内部孔洞尖角数量比方案1多。这说明即使是外部尺寸相同的情况下，内部孔洞的形状、个数、大小不同的橡胶密封件可能会存在较大的力学性能差异，最终影响橡胶密封件的变形，也会影响到密封件的闭合压缩力。

由于橡胶密封件闭合压缩力是蜀龙五期综合管廊考虑的重要因素，提取方案1以及方案2上定位槽位移为0～10 mm时所需装配力，结果如图6所示。

图6 闭合压力-位移曲线

由图6可以看出： 方案1中压力在压缩量为0～4 mm时近似呈线性增加； 在压缩量为5～7 mm时几乎无变化； 在7～10 mm时再次近似呈线性增加，增加的速度小于压缩量为0～4 mm时增加的速度。方案2中压力在压缩量为0～2 mm时近似呈线性增加； 在压缩量为2～3 mm时几乎无变化； 在4～10 mm时再次近似呈线性增加，增加的速度略小于压缩量为0～2 mm时的增加速度。对比方案1以及方案2的压力，方案1的压力仅在3 mm和5 mm时大于方案2。另外,方案2压力的增加速度大于方案1，故推测出方案2橡胶密封件的闭合压缩力大于方案1。因此，选择方案1作为成都蜀龙五期预制装配式综合管廊的纵、环拼缝止水材料试验方案，进行防水性能试验以及闭合压力试验。

3 成都蜀龙五期综合管廊防水性能试验

3.1 防水性能要求

成都蜀龙五期综合管廊工程最高水头为10 m，理论水压值为0.1 MPa。设计水压力=(理论水压值×安全系数)/压缩应力保持率。国际上安全系数一般取为1.2～1.4，本文偏安全考虑取为1.4。未做橡胶密封件相关老化试验，参考文献[16]中的结论及文献[1]和文献[11]的取值，压缩应力保持率拟取为0.65。最终得到密封件设计水压力为0.21 MPa。

纵向拼缝的张开量由纵向变形、生产及施工误差可能造成的环间间隙、邻近建筑物及桩基沉降引起的隧道挠曲和接缝张开量3部分组成[17]，参考目前国内外盾构隧道管片张开量的设计值(见表2)可知，常见张开量取值为5～10 mm和6～8 mm。蜀龙五期预制块拼装不具备盾构拼装的精度，施工误差大于盾构法施工误差，张开量拟取为10 mm。

表2国内外盾构隧道管片张开量设计值

Table 2 Design values of opening of shield tunnel in China and abroad mm

错位量成因繁杂，由施工误差、不均匀沉降等多种因素造成。蜀龙五期综合管廊错位量的取值目前尚无类似的工程数据可参考，故参考盾构隧道错位量加以修正。盾构法施工纵向相邻管片高差允许值为6 mm[18]。蜀龙五期综合管廊由人工拼装，精度低于盾构机械拼装，故施工时的错位量允许值大于6 mm，再加上不均匀沉降等因素，错位量拟取为12 mm。

3.2 试验方法及试验结果

采用由4块直角板组成的十字形水压试验模拟台进行试验，如图7所示。用不同厚度的垫片调节相邻两直角板间的垂直距离，使得张开量分别达到设计值，采用游标卡尺测量； 用螺栓孔调节两相邻直角板间的水平距离，使得错位量达到设计值，采用钢尺测量。安装完成后，以每次0.02 MPa的增量加压，待压力表读数稳定且保证不漏水后，纪录压力表的读数，直至第n次升水压后密封件渗水为止，则认为第n-1次加压后压力表的读数为弹性密封件在设计错位量、张开量时的耐水压力值。本次试验错位量取为0、4、8、12 mm，张开量取为0、5、10 mm。张开量为10 mm、错位量为12 mm时的试验结果如图8所示。提取12组试验的试验结果，如图9所示。

由图9可以看出： 错位量以及张开量对橡胶密封件耐水压力有直接影响。橡胶密封件耐水压力随着错位量以及张开量的增大而减小。当张开量较小时，错位量的增大对橡胶密封件耐水压力较为敏感； 当张开量较大时，错位量的增大对橡胶密封件耐水压力影响敏感性下降。当错位量较小时，张开量的增大对橡胶密封件耐水压力较为敏感； 当错位量较大时，张开量对橡胶密封件耐水压力影响敏感性下降。张开量为10 mm、错位量为12 mm时橡胶密封件的耐水压力为0.26 MPa，大于设计水压力(0.21 MPa)，满足蜀龙五期综合管廊设计要求。

图7 十字形模拟水压试验台

(a) 错位量为12 mm

(b) 张开量为10 mm

(c) 橡胶密封件抗水压力为0.26 MPa

图9 错位量-张开量-耐水压力曲线

4 橡胶密封件闭合压缩力试验

试验装置及试验试样如图10所示，试样长度为20 cm。按照规范要求反复压缩2次，第3次开始正式试验[19]。分9级加载至张开量为0 mm，每级控制张开量为2 mm，记录加载器的压力数据，试验过程如图11所示。整理每一级的试验压力数据，如图12所示。

(a) 试验装置

(b) 试验沟槽及密封件

(a) 自然状态

(b) 压缩过程

(c) 压缩至张开量为0 mm

由图12可知： 张开量越接近0 mm，每级加载所需装配力越大。张开量为0 mm时，20 cm长的橡胶密封件所需装配力为5 710 N，则每m橡胶密封件所需闭合压缩力为28.55 kN。

图12 装配力-张开量关系曲线

5 结论与讨论

从成都市蜀龙五期预制装配式综合管廊实际需求出发，首先通过数值模拟选择了橡胶密封件的断面形式，然后通过防水性能试验验证了橡胶密封件的防水可靠性，最后通过闭合压缩力试验确定了弹性密封的闭合压缩力，并得到以下结论：

1)针对蜀龙五期明挖预制装配式综合管廊水头较低、所需闭合压缩力低、纵向拼缝张开量较盾构法施工大的特点，研究了适用于上述特点的橡胶密封件，为蜀龙五期综合管廊橡胶密封件的设计提供参考。

2)圆形孔洞断面形式的橡胶密封件在张开量为10 mm、错位量为12 mm的情况下，能够满足蜀龙五期综合管廊的防水需求。

3)成都市蜀龙五期预制装配式综合管廊橡胶密封件的闭合压缩力为28.55 kN/m。施工时应增加环向辅助措施使橡胶密封件达到其闭合压缩力，环向螺栓预紧力补偿是可行的辅助措施之一。

4)橡胶密封件耐水压力随着错位量以及张开量的增大而减小。预制块拼装间隙张开量(错位量)较小时，错位量(张开量)的增大会迅速减小橡胶密封件耐水压力，说明施工时应同时控制张开量和错位量在较小范围内。相比错位量，耐水压力对张开量更为敏感，施工时更应侧重控制张开量。

5)预制块拼装间隙张开量越接近0 mm，加载等间距张开量所需装配力越大。

本文只针对成都蜀龙五期预制装配式综合管廊的特点进行了橡胶密封件的研究，下一步可从以下2方面开展进一步研究：

1)本文对橡胶密封件的比选只选择了2种现有的断面形式，建议扩大断面形式选择范围，并对现有的断面形式进行优化。

2)对类似蜀龙五期综合管廊施工工法中的环向拼缝橡胶密封件装配力的施工措施开展研究。