CN106285729A - 一种用于高水压小断面盾构隧道接缝的防水方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高水压小断面盾构隧道接缝的防水方法，包括以下步骤：在管片环缝设有接缝防水结构；确定接缝防水设计压力P₀；确定管片接缝的最大张开量、管片的最大错缝量及闭合压缩力；设定所述弹性密封垫的孔型结构、孔尺寸、孔数量、孔的布置及弹性密封垫的截面尺寸；进行管片接缝防水性能测试，测试接缝密封防水是否满足要求；若满足要求，接缝防水完成；若不满足要求，返回调整所述弹性密封垫参数。通过本发明所述防水方法能够解决了以往设计不精、依据不足，不能跟进工艺进度的问题，材料选型缺乏指导，不利于工程施工验收等系列问题。

Description

一种用于高水压小断面盾构隧道接缝的防水方法

技术领域

本发明涉及一种用于高水压小断面盾构隧道接缝的防水方法，属于油气管道盾构隧道防水领域。

背景技术

油气管道盾构隧道是油气管道穿越河流、水域的重要载体。由于盾构隧道管片之间和管片环之间存在大量的纵缝与环缝，随着隧道所处环境日趋复杂以及高水压甚至超高水压隧道的出现，隧道管片接缝防水设计愈显重要。以往小断面盾构工程防水设计只是提出一个二级防水要求，接缝防水设计压力、密封沟槽、密封结构、密封材料性能和使用寿命等在接缝防水设计中没有分析和体现。另外由于油气管道盾构断面较小，安装应力需求也小，施工安装误差相应小，稳定性相对较好，盲目参考大断面盾构接缝密封防水设计，不合理也不经济。目前密封材料、生产工艺和配套试验能力也在逐步提升，因此，需要根据目前发展现状，建立一套针对高水压小断面盾构隧道接缝防水的设计方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于高水压小断面盾构隧道接缝的防水方法，通过接缝防水设计压力确定、管片最大张开量、最大错缝量计算、弹性密封垫的初步选型、以及防水性能测试和寿命分析测试，最终设计出满足要求的接缝型式和密封结构。本发明适用于高水压小断面盾构隧道接缝防水设计并为其提供有效的技术措施。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于高水压小断面盾构隧道接缝的防水方法，包括以下步骤：

步骤1，在管片环缝的接缝面两侧均预留密封垫沟槽，且所述密封垫沟槽内分别设有M型多孔弹性密封垫作为接缝密封材料，所述弹性密封垫和密封垫沟槽构成接缝防水结构；

步骤2，根据管片承受的最大外水压力P、弹性密封垫的应力松弛系数β和接缝防水结构的安全系数S，确定接缝防水设计压力P₀；

步骤3，确定管片接缝的最大张开量、管片的最大错缝量及闭合压缩力；

步骤4，设定所述弹性密封垫的孔型结构、孔尺寸、孔数量、孔的布置及弹性密封垫的截面尺寸；

步骤5，进行管片接缝防水性能测试，在步骤2中的接缝防水设计压力P₀及步骤3中管片接缝的最大张开量、管片的最大错缝量下，测试接缝密封防水是否满足要求；若满足要求，接缝防水完成；若不满足要求，返回步骤4，调整所述弹性密封垫的孔尺寸、孔数量、孔的布置及弹性密封垫的截面尺寸。

进一步的，步骤1中接缝防水设计压力P₀根据下式得到：

$P_0=\frac{PS}{\mathrm{\β}}.$

进一步的，步骤3中管片接缝的最大张开量通过下式确定：

$\mathrm{\δ}\≤\frac{BD}{{\mathrm{\ρ}}_{\min }-0.5D}+{\mathrm{\δ}}_0+{\mathrm{\δ}}_s$

δ是管片接缝的最大张开量，为环缝中接缝密封材料在接缝防水设计压力P₀下允许的缝张开值，mm；ρ_min为隧道纵向挠曲的最小曲率半径，mm；D为衬砌外径，mm；B为管片宽度，mm；δ₀为生产、施工中产生的环缝间隙，mm；δ_s为邻近建筑物引起的接缝张开值，mm。

进一步的，步骤3中管片的最大错缝量是根据包括管片拼装时施工误差、隧道不均匀沉降和地震的工况引起管片之间的错缝偏差确定。

进一步的，密封垫沟槽截面积不小于弹性密封垫的截面积，其中，A＝(1～1.15)A₀，A为所述密封垫沟槽截面积，A₀为所述弹性密封垫截面积。

进一步的，步骤4中通过非线性有限元分析确定弹性密封垫的孔型结构；包括以下步骤：

1)分别建立具有三角形孔的弹性密封垫和具有圆形孔的弹性密封垫的几何模型；

2)分别在具有三角形孔的弹性密封垫和具有圆形孔的弹性密封垫的几何模型施加位移荷载，分析其应力随压缩量变化的曲线关系，选择适宜的弹性密封垫。

进一步的，所述弹性密封垫为由三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶通过微波硫化挤出的共挤复合式密封结构，或为三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶通过镶嵌或粘贴的复合而成。

本发明的有益效果为：

本发明所述盾构隧道接缝的防水方法是目前盾构隧道接缝防水中的一次突破，为高水压接缝防水设计提供一套完整的设计理论和应用方法，能够结合目前密封材料性能和试验能力的提升，通过接缝防水设计压力确定、管片张开量、错缝量计算，弹性密封垫的初步选型、有限元分析、以及防水性能测试和寿命分析测试，最终设计出满足要求的接缝型式和密封结构。

通过本发明所述防水方法能够解决了以往设计不精、依据不足，不能跟进现有技术和工艺进度的问题，材料选型缺乏指导，不利于工程施工验收等一系列问题。

采用了本方法开展设计和施工，一定程度也能减少防水堵漏维护次数，有助于提高了高水压小断面盾构隧道整体防水效果。

附图说明

图1为圆形孔密封垫压缩应力曲线图；

图2为三角形孔密封垫压缩应力曲线图；

图3为圆形孔密封垫结构示意图；

图4为接缝圆形孔密封垫连接示意图；

图5为应力松弛系数随年数的变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中一条4.25m内径盾构、外压1.2MPa接缝防水设计为例，用于该盾构隧道的接缝的防水方法，包括以下步骤：

步骤1，在管片环缝的接缝面两侧均预留密封垫沟槽，且所述密封垫沟槽内分别设有M型多孔弹性密封垫作为接缝密封材料，所述M型多孔弹性密封垫和密封垫沟槽构成接缝防水结构；

步骤2，根据隧道管片在接缝防水结构设计、施工及运行期间可能承受的最大外水压力P、接缝防水结构寿命期间所述弹性密封垫的应力松弛系数β和接缝防水结构的安全系数S，确定接缝防水设计压力P₀；

接缝防水设计压力P₀参考下式计算得到：

$P_0=\frac{PS}{\mathrm{\β}}$

本实施例中取管片承受的最大外水压力为1.2MPa，应力松弛系数参考应力松弛曲线取为0.76，安全系数根据工程经验取1.2，通过计算，接缝防水设计压力值为1.9MPa。

步骤3，确定管片接缝的最大张开量、管片的最大错缝量及闭合压缩力；

(1)管片接缝的最大张开量通过下式计算确定：

$\mathrm{\δ}\≤\frac{BD}{{\mathrm{\ρ}}_{\min }-0.5D}+{\mathrm{\δ}}_0+{\mathrm{\δ}}_s$

δ是管片接缝的最大张开量，为环缝中接缝密封材料在接缝防水设计压力P₀下允许的缝张开值，mm；ρ_min为隧道纵向挠曲的最小曲率半径；D为衬砌外径，取4.81mm；B为管片宽度，取1.21mm；δ₀为生产、施工中产生的环缝间隙，取2mm；δ_s为邻近建筑物引起的接缝张开值，根据经验值取1～2mm，ρ_min取1828.5m。计算得到管片接缝的最大张开量约为7.2mm，取为8mm。

(2)管片的最大错缝量是根据包括管片拼装时施工误差、隧道不均匀沉降和地震的工况引起管片之间的错缝偏差确定，其中，施工误差引起管片之间的错缝偏差可为经验值，隧道不均匀沉降引起管片之间的错缝偏差可以预估，地震引起管片之间的错缝偏差可计算得到。管片的错缝主要来源于施工误差以及长期不均匀沉降。施工误差方面，按照《盾构法隧道施工与验收规范》(GB50446-2008)规定，管片在盾尾内拼装完成时，每环相邻管片高差允许值为5mm，纵向相邻管环管片高差允许值为6mm。另外，在长期不均匀沉降方面，针对管道四公司塔吉克斯坦输气管道盾构埋深条件的特点，采用有限元分析程序对隧道长期运营中产生的纵向不均匀沉降进行模拟分析，得到相邻环的最大差异沉降为15mm。因此，最大错缝量可按施工允许最大高差和运营期最大差异沉降之和控制，取为15mm。

(3)所述闭合压缩力为每米弹性密封垫被完全压缩到管片密封垫沟槽中所需要的力。盾构机环缝拼装的最大拼装能力受千斤顶量程的限制，纵缝依靠管片的自身重量压紧及螺栓紧固力拼装，如果只考虑接缝的密封，导致闭合压缩力过大，将直接影响到管片的拼装，进而影响防水效果。弹性密封垫应满足管片拼装要求，即管片拼装应能将弹性密封垫完全压缩至接缝完全闭合(张开量为零)，并且在千斤顶推力和管片螺栓的作用力下，应当不致使管片端面和角部损伤等弊病发生。因此，闭合压缩力，即每米橡胶垫完全被压缩到管片沟槽中所需要的力应为一个合理适中的值。根据上海地铁及成都地铁的施工经验：当密封垫闭合压缩力<60kN/m时，管片均能较好拼装。

步骤4，设定所述弹性密封垫的孔型结构、孔尺寸、孔数量、孔的布置及弹性密封垫的截面尺寸；

所述弹性密封垫可为三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶通过镶嵌或粘贴的复合而成，但粘贴剂长期浸水失效或由于施工不当原因，遇水膨胀条会脱离密封垫，致使效果不太理想。为防止遇水膨胀条脱离多孔密封垫，针对高水压隧道，所述弹性密封垫优选为由三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶通过微波硫化挤出的共挤复合式密封结构，这种结构后期不容易出现分离，能更好的保证长期高水压盾构隧道的密封效果。

目前盾构隧道密封垫孔型大致分为三种：水滴孔、三角孔、圆形孔。水滴型一般外水压不能超过0.6MPa，对于1.2MPa的外水压不适用。因此本实施例主要在三角形和圆形孔进行选择。

通过非线性有限元分析确定弹性密封垫的孔型结构；包括以下步骤：

1)分别建立具有三角形孔的弹性密封垫和具有圆形孔的弹性密封垫的几何模型(三维非线性有限元模型)；

2)分别在具有三角形孔的弹性密封垫和具有圆形孔的弹性密封垫的几何模型施加位移荷载即边界条件，提交ABAQUS进行三维模型分析，即分析其应力随压缩量变化的曲线关系；

边界条件：底部止水带沟槽固定约束，上部沟槽的控制点施加位移为圆形孔垫14.5mm，三角形孔垫20.5mm。

上沟槽下移0.5mm，模拟沟槽与上橡胶止水条的接触。然后进行压缩模拟，直至达到最大压缩量(这是模拟所能达到的最大压缩量：圆形孔垫14mm、三角形孔垫20mm)。

3)图1和图2分别为圆形孔密封垫压缩应力曲线图和三角形孔密封垫压缩应力曲线图，通过图1和图2可以看出，圆形孔密封垫受力压缩时应力变化较为平均，应力上升较为平稳，弹性恢复更加容易，且不易产生应力变形点，稳定性更优越。三角形孔密封垫，前期稳定性较好挤压应力大，存在一段应力平坦期，多在大型隧道中需要高压缩力的情况下使用。因此，本发明中高水压小断面盾构隧道采用圆形内孔的密封垫。

如图3、图4所示，初步设定所述弹性密封垫包括两个凹槽和若干个圆形通孔，所述两个凹槽沿弹性密封垫中心线对称设置于弹性密封垫底端，且呈倒“U”型；所述圆形通孔包括2个第一圆孔和7个第二圆孔，所述通孔分上、中、下三排布置，其中5个第二圆孔布置在上排，2个第一圆孔布置在中排，2个第二圆孔布置在下排；上排的5个第二圆孔、中排的2个第一圆孔、下排的2个第二圆孔均沿所述密封垫本体中心线左右对称分布。

所述遇水膨胀橡胶的顶端为密封垫接触面，所述三元乙丙橡胶底端为管片接触面。初步设定所述防水弹性密封垫的截面最大宽度为36mm，所述管片接触面的宽度为33mm，所述密封垫接触面的宽度为24mm，所述防水弹性密封垫的截面高度为16mm，其中所述三元乙丙橡胶的高度为15mm，遇水膨胀橡胶的高度为1mm。所述凹槽的开口宽度为8.5mm，所述凹槽的深度为7.5mm。所述第一圆孔的直径为1.5mm，所述第二圆孔的直径为4mm。

为使密封垫完全压密(环缝张开量为0mm)，密封垫沟槽截面积不小于弹性密封垫的截面积，其中，A＝(1～1.15)A₀，A为所述密封垫沟槽截面积，A₀为所述弹性密封垫截面积。

步骤5，进行管片接缝防水性能测试，在步骤2中的接缝防水设计压力P₀及步骤3中管片接缝的最大张开量、管片的最大错缝量下，测试接缝密封防水是否满足要求；若满足要求，接缝防水完成；若不满足要求，返回步骤4，调整所述弹性密封垫的孔尺寸、孔数量、孔的布置及弹性密封垫的截面尺寸。

根据管片连接特点，利用两块L型带有密封垫镶嵌内沟槽的侧板和一块带有密封垫镶嵌内沟槽的平板设备连接，利用连接螺栓孔方向的移动来模拟管片步骤3中的最大张开量和最大错缝量，往接缝空间注水逐级加压，来测试接缝的防水性能。若防水设计压力下24小时稳压不泄露，则表明性能测试满足要求。

按照8mm的管片接缝张开量和15mm错缝量，往密封圈内空间注水逐级加压，来测试接缝的防水性能。加压至2.2MPa，出现泄漏。卸载后重新加压至防水设计压力1.9MPa，然后稳压24小时，未出现泄漏，试验表明，拟选定的密封垫防水测试满足要求。

由于密封垫的使用寿命影响到隧道长期的防水安全时效，需要通过试验分析预测密封垫在使用温度下达到性能的临界值的时间，即橡胶老化寿命的预测。利用高温加速老化与使用状态下长期变质原理类似，因此通过烘箱高温加速橡胶老化。通过在各个温度下一系列试验，用回归分析的方法找出各个温度下的变化常数，由这些常数，然后通过下述阿仑尼乌斯方程进行计算，利用压缩应力松弛推算出橡胶的使用寿命。

ln(y)＝ln(C)-Kτ^a

ln(K)＝ln(F)-E/(Rt)

y为1减任一τ时间时的压缩永久变形；

C为试验常数；

K为速度常数，d^-1；

τ位老化时间d；

a为经验常数；

E为表面活化能，J/mol；

R为气体常数，J/k/mol；

t为老化温度，K；

F为频率因子，d^-1。

经过尝试，如表1，得到a最好选择值为0.126(总误差I最小)。

表1

a	0.124	0.125	0.126	0.127	0.128	0.129
							I	0.01256	0.01253	0.01252	0.01254	0.01259	0.01267

根据a，可以计算出各温度下的速度常数K和试验常数C。从而得出：

C(估计)＝(1.2363+1.2560+1.2533+1.2575+1.2304)/5＝1.2467

各个温度下K和C的值如表1所示：

表2

常数	333K	343K	353K	363K	373K
						K	0.27	0.31	0.35	0.39	0.44
C	1.2363	1.2560	1.2533	1.2575	1.2304

根据各个温度下的常数K和B，可以得出一下参数的估计值：

C	D1	r	S
				1.403	-657.2	-0.997	0.007

自由度df＝5-2＝3，显著性水准为0.01时的相关系数的表值为0.959，r的计算值大于表值，所以建立的方式：LgK＝1.403-657.2/T(T为标准温度，K)是相关显著的。

自由度df＝5-2＝3，单侧界限显著水准为0.05时t(老化温度)值为2.353，所以LgK的预测上限为：LgK＝1.403-657.2/T+2.353*Sw

取温度为23℃，标准温度T＝296K，失效临界值Yo＝0.65时，Sw＝0.01666

K_贮＝10^{(1.403-657.2/296+2.353*0.01666)}＝0.16666

τ₂₉₆＝exp{(1/0.126*(lnln(1.2467/0.65)-ln0.16666)}/365＝137年

图5为应力松弛系数随年数的变化曲线图，其中横坐标为年数，纵坐标为应力松弛系数。

从以上寿命分析来看，推算出寿命137年，大于设计使用年限100年的要求，另外100年是应力松弛系数为0.765，大于步骤1防水设计压力的应力松弛系数0.76。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于高水压小断面盾构隧道接缝的防水方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在管片环缝的接缝面两侧均预留密封垫沟槽，且所述密封垫沟槽内分别设有M型多孔弹性密封垫作为接缝密封材料，所述弹性密封垫和密封垫沟槽构成接缝防水结构；

步骤2，根据管片承受的最大外水压力P、弹性密封垫的应力松弛系数β和接缝防水结构的安全系数S，确定接缝防水设计压力P₀；

步骤3，确定管片接缝的最大张开量、管片的最大错缝量及闭合压缩力；

步骤4，设定所述弹性密封垫的孔型结构、孔尺寸、孔数量、孔的布置及弹性密封垫的截面尺寸；

步骤5，进行管片接缝防水性能测试，在步骤2中的接缝防水设计压力P₀及步骤3中管片接缝的最大张开量、管片的最大错缝量下，测试接缝密封防水是否满足要求；若满足要求，接缝防水完成；若不满足要求，返回步骤4，调整所述弹性密封垫的孔尺寸、孔数量、孔的布置及弹性密封垫的截面尺寸。

2.根据权利要求1所述的用于高水压小断面盾构隧道接缝的防水方法，其特征在于，步骤1中接缝防水设计压力P₀根据下式得到：

$P_0=\frac{PS}{\mathrm{\&beta;}}.$

3.根据权利要求1所述的用于高水压小断面盾构隧道接缝的防水方法，其特征在于，步骤3中管片接缝的最大张开量通过下式确定：

$\mathrm{\&delta;}\&le;\frac{BD}{{\mathrm{\&rho;}}_{\min }-0.5D}+{\mathrm{\&delta;}}_0+{\mathrm{\&delta;}}_s$

δ是管片接缝的最大张开量，为环缝中接缝密封材料在接缝防水设计压力P₀下允许的缝张开值，mm；ρ_min为隧道纵向挠曲的最小曲率半径，mm；D为衬砌外径，mm；B为管片宽度，mm；δ₀为生产、施工中产生的环缝间隙，mm；δ_s为邻近建筑物引起的接缝张开值，mm。

4.根据权利要求1所述的用于高水压小断面盾构隧道接缝的防水方法，其特征在于，步骤3中管片的最大错缝量是根据包括管片拼装时施工误差、隧道不均匀沉降和地震的工况引起管片之间的错缝偏差确定。

5.根据权利要求1所述的用于高水压小断面盾构隧道接缝的防水方法，其特征在于，密封垫沟槽截面积不小于弹性密封垫的截面积，其中，A＝(1～1.15)A₀，A为所述密封垫沟槽截面积，A₀为所述弹性密封垫截面积。

6.根据权利要求1所述的用于高水压小断面盾构隧道接缝的防水方法，其特征在于，步骤4中通过非线性有限元分析确定弹性密封垫的孔型结构；包括以下步骤：

1)分别建立具有三角形孔的弹性密封垫和具有圆形孔的弹性密封垫的几何模型；

2)分别在具有三角形孔的弹性密封垫和具有圆形孔的弹性密封垫的几何模型施加位移荷载，分析其应力随压缩量变化的曲线关系，选择适宜的弹性密封垫。

7.根据权利要求1所述的用于高水压小断面盾构隧道接缝的防水方法，其特征在于，所述弹性密封垫为由三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶通过微波硫化挤出的共挤复合式密封结构，或为三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶通过镶嵌或粘贴的复合而成。