CN111718523B

CN111718523B - 一种盾构隧道隔震用低模量高阻尼橡胶及其制备和应用

Info

Publication number: CN111718523B
Application number: CN202010705998.0A
Authority: CN
Inventors: 魏威; 袁涌; 陈健; 资道铭; 李琛
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2040-07-21
Also published as: CN111718523A

Abstract

本发明属于橡胶材料领域和地铁盾构隧道工程领域，更具体地，涉及一种盾构隧道隔震用低模量高阻尼橡胶及其制备和应用。其结合盾构隧道本身的特点，对盾构隧道隔震层材料及结构进行针对性重新选择和设计，特别选择一种低模量高阻尼橡胶材料作为盾构隧道隔震层，设置于盾构隧道土体和隧道管片之间，该隔震橡胶层能够有效实现对盾构隧道等地下结构的隔震和高阻尼比，同时在一定程度上增强隧道的防水性能，尤其适用于城市地铁盾构隧道的隔震。

Description

一种盾构隧道隔震用低模量高阻尼橡胶及其制备和应用

技术领域

本发明属于橡胶材料领域和地铁盾构隧道工程领域，更具体地，涉及一种盾构隧道隔震用低模量高阻尼橡胶及其制备和应用。

背景技术

随着国内地下空间的开发利用，我国已修建大量地铁隧道，且在建隧道里程仍在高速增长。盾构法具有机械化程度高、对周边环境影响小、施工安全快速等诸多优点，已经成为地铁隧道的主流施工方法。

我国地震带分布广泛，特别是已建地铁的众多大城市都位于不同的地震带上。例如，北京、天津等位于华北平原地震带上，广州、厦门等位于华南高烈度地震区，成都、昆明等位于青藏高原地震区。今后若干年内，我国还将处于地铁发展的高峰期，大量地铁盾构隧道不可避免地将会位于高烈度地震区甚至靠近地震断层，面临着严重的震害威胁。

同其它类型隧道相比，盾构隧道是用螺栓将预制管片拼装而成的装配式结构，管片之间存在大量接头，使其受力变形特征变得十分复杂。加之盾构隧道穿越的地层条件一般比较复杂，更容易在地震时受到土体的影响，这就加大了盾构隧道抗震设计的难度。

目前，国内外盾构隧道抗震方法主要有两种，第一是通过壁后注浆，提高围岩刚度，以减小盾构隧道的地震位移量；第二是设置柔性接头，提高管片变形能力。但是，壁后注浆质量难以保证，注浆压力不易控制；而设置柔性接头，在强地震作用下，可能导致盾构隧道管片的环间变形量过大。

市场上传统的对于建筑或桥梁的隔震，通常采用橡胶与钢板的叠合体材料，这种隔震材料不适用于盾构隧道的隔震；另一方面用于建筑或桥梁的传统橡胶隔震材料虽然具有一定的阻尼比，能够提供一定的地震耗能效果，但理论分析表明这种橡胶会导致盾构隧道隔震效果的下降。因此如何获得适用于盾构隧道的隔震层材料以提高盾构隧道的隔震效果，是目前迫切需要解决的技术难题。

另外，由于盾构隧道是一种装配式结构，其接头位置也是隧道防水的薄弱部位。在铁路隧道及公路隧道中，主要使用螺栓密封来进行螺栓孔的防水处理。所使用的密封用垫圈有遇水膨胀橡胶圈。但在实际在螺栓拧紧过程中，由于螺栓拧紧量过大或过小，遇水膨胀橡胶圈的性能不能完全发挥，且遇水膨胀材料的耐久性往往不能得到保证。因此，如何提高盾构隧道的防水性能是目前需要解决的另外一个技术难题。

发明内容

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种盾构隧道隔震用低模量高阻尼橡胶及其制备和应用，其结合盾构隧道本身的特点，对盾构隧道隔震层材料及结构进行针对性重新选择和设计，特别选择一种低模量高阻尼橡胶材料作为盾构隧道隔震层，设置于盾构隧道土体和隧道管片之间，该隔震橡胶层能够有效实现对盾构隧道等地下结构较好的隔震效果和高阻尼比，同时在一定程度上增强隧道的防水性能，尤其适用于城市地铁盾构隧道的隔震。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于盾构隧道隔震的低模量高阻尼橡胶，其包括天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶，其剪切模量≤0.5MPa，阻尼系数在150％剪应变时≥10％。

优选地，所述橡胶其剪切模量为0.35MPa-0.45MPa，阻尼系数在150％剪应变时≥15％。

优选地，所述天然橡胶混炼胶为由天然橡胶生胶与第一配合剂混合后经混炼得到，所述第一配合剂包括活性氧化锌、促进剂、炭黑和硫磺中的一种或多种。

优选地，所述氯化丁基橡胶混炼胶为由氯化丁基橡胶生胶与第二配合剂混合后经混炼得到，所述第二配合剂包括石油树脂、活性氧化锌、促进剂、炭黑和硫磺中的一种或多种。

优选地，所述天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶的重量比为1:2-2:1。

进一步优选地，所述天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶的重量比为1:1-1.5:1。

优选地，所述橡胶还包括第三配合剂，所述第三配合剂包括炭黑、纳米级硬沥青颗粒、增塑剂、防老剂、抗氧剂、阻尼填料与交联剂中的一种或多种。

按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的橡胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)对天然橡胶生胶进行塑炼，控制塑炼温度40-50℃，加入第一配合剂，混炼得到天然橡胶混炼胶；所述第一配合剂包括活性氧化锌、促进剂、炭黑和硫磺中的一种或多种；

(2)对氯化丁基橡胶生胶进行塑炼，控制塑炼温度40-50℃，加入第二配合剂，混炼得到氯化丁基橡胶混炼胶；所述第二配合剂包括石油树脂、活性氧化锌、促进剂、炭黑和硫磺中的一种或多种；

(3)将所述天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶混合后，加入第三配合剂，混合均匀，得到混合混炼胶；所述第三配合剂包括炭黑、纳米级硬沥青颗粒、增塑剂、防老剂、抗氧剂、阻尼填料与交联剂中的一种或多种；

(4)将所述混合混炼胶硫化成型，得到所述低模量高阻尼橡胶。

优选地，步骤(4)所述硫化成型具体为：将所述混合混炼胶连续进行两次硫化加热，第一次硫化加热温度为160-180℃，加热时间为1.5-2小时；第二次硫化加热温度为150-160℃，加热时间为4-5小时。

按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的低模量高阻尼橡胶的应用，用于盾构隧道隔震。

按照本发明的另一个方面，提供了一种盾构隧道隔震结构体，其包括所述的低模量高阻尼橡胶。

优选地，该结构体由外到内依次为土体、隔震层以及隧道管片衬砌；所述隔震层采用的材料为所述的低模量高阻尼橡胶。

优选地，所述隔震层的厚度为15cm-30cm。

优选地，所述隔震层由若干分段设置的隔震片层依次连接构成，每段所述隔震片层的宽度与所述管片衬砌中每段管片的宽度相同，其宽度为1.2-1.5米。

优选地，所述隔震片层之间的环缝与所述管片衬砌的横向接缝交错设置。

优选地，所述隔震片层之间的任一个环缝与和其相邻的管片衬砌横向接缝之间的距离为每段管片宽度的一半。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明以氯化丁基橡胶和天然橡胶为生胶基体，获得了一种高阻尼低模量的隔震橡胶，在保证橡胶阻尼性能的同时，控制了橡胶的剪切模量和硬度，特别适合盾构隧道隔震。

(2)本发明通过在管片外侧设置低模量高阻尼隔震橡胶，使盾构隧道管片衬砌能够更好地适应地震动作用下的地层变形，避免了管片与地下岩层的硬性接触，防止管片变形及接缝张开过大，使管片的内力分布更加均匀，同时通过橡胶的往复变形能够消耗输入到盾构隧道的部分地震动能量。

(3)本发明提供的低模量高阻尼橡胶材料，易于取得原材料，制造成本可控，同时提高了橡胶在盾构隧道中的隔震效果。

(4)本发明在橡胶材料制备过程中，通过向生胶基体中添加炭黑和纳米级硬沥青颗粒，保证了在150％应变时其等效阻尼比可以达到15％以上。

(5)本发明橡胶隔震层在施工中采用分段设置，降低了施工难度，使其施工质量较易控制，确保隧道结构能够达到预期的隔震效果。

(6)本发明将低模量高阻尼橡胶应用于盾构隧道隔震，实验证明相对于传统的橡胶隔震材料，其隧道管片的最大位移和最大加速度降低约6-8％，最大拉应力和最大剪应力降低10-12％，隔震效果显著提升。

(7)本发明提供的一种盾构隧道隔震结构，其在隧道管片和土体之间设置由本发明提供的低模量高阻尼橡胶材料构成的隔震层，隔震层为分段设置，且隔震层的环缝与隧道管片衬砌的横向接缝交错设置，橡胶作为隧道的防水结构，有效解决盾构隧道接头位置防水薄弱的问题。

附图说明

图1是低模量高阻尼橡胶工艺流程示意图；

图2是本发明实施例所述的盾构隧道低模量高阻尼橡胶隔震结构示意图；

图3是本发明实施例所述的盾构隧道低模量高阻尼橡胶隔震结构的管片连接示意图；

其中：1-隧道管片；2-低模量高阻尼橡胶隔震层；3-土体；4-弯螺杆；5-弯螺杆固定螺母；6-遇水膨胀橡胶圈；7-垫片；8-活动螺母；9-管片密封垫。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的一种用于盾构隧道隔震的低模量高阻尼橡胶，其包括天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶，其剪切模量≤0.5MPa，阻尼系数在150％剪应变时≥10％。

一些实施例中，所述橡胶材料其剪切模量为0.35-0.45MPa，阻尼系数为在150％剪应变时≥15％。

一些实施例中，所述天然橡胶混炼胶为由天然橡胶生胶与第一配合剂混合后经混炼得到，所述第一配合剂包括活性氧化锌、促进剂、炭黑和硫磺中的一种或多种。其中活性氧化锌、促进剂和硫磺其添加量分别为所述天然橡胶生胶质量的1wt％～10wt％，其中促进剂和活性氧化锌的添加量相对较小，一般不超过5％；炭黑的添加量较多，约为10wt％～20wt％。

一些实施例中，所述氯化丁基橡胶混炼胶为由氯化丁基橡胶生胶与第二配合剂混合后经混炼得到，所述第二配合剂包括石油树脂、活性氧化锌、促进剂、炭黑和硫磺中的一种或多种。其中石油树脂、活性氧化锌、促进剂、炭黑和硫磺的添加量分别为所述氯化丁基橡胶生胶质量的1wt％～20wt％，其中促进剂、活性氧化锌的添加量较少，一般不超过5wt％，促进剂添加量优选为1wt％-2wt％，其余几种添加剂(本发明所述第一配合剂、第二配合剂和第三配合剂均可视为添加剂)的含量相对多些。各种添加剂用量也可根据实际需求进行调整。

第一配合剂和第二配合剂中，活性氧化锌用于提高橡胶制品的光洁性、耐磨性、机械强度和抗老化性能。促进剂用于促进和提高橡胶硫化的速度。促进剂按化学成分来说，可采用次磺酰胺类化学制品。炭黑用于提高橡胶的阻尼，硫磺用于橡胶的硫化过程。石油树脂与橡胶有很好的互溶性，用于橡胶的补强、增粘。

一些实施例中，所述天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶的重量比在1:2-2:1，优选为1:1-1.5:1。

所述橡胶还包括第三配合剂，所述第三配合剂包括炭黑、纳米级硬沥青颗粒、增塑剂、防老剂、抗氧剂、阻尼填料与交联剂中的一种或多种。其中炭黑可采用常规牌号N110，N220等一种或几种。纳米级硬沥青颗粒用于提高橡胶阻尼。增塑剂可以采用硬脂酸。防老剂用于防止橡胶材料老化，防老剂可采用4010NA。抗氧剂用于防止橡胶材料氧化，抗氧剂可防止天然橡胶氧化，可采用受阻酚抗氧剂AO-60。阻尼填料用于提高橡胶的阻尼，可采用炭黑或纳米级硬沥青颗粒。炭黑和纳米级硬沥青颗粒的添加量在15wt％～40wt％，其它添加剂的含量不超过10wt％，多数在5wt％以下。

本发明还提供了所述低模量高阻尼橡胶的制备方法，包括如下步骤：

一些实施例中，步骤(1)将天然橡胶在开炼机上塑炼5-6次，控制开炼机的温度40-50摄氏度，依次加入活性氧化锌、促进剂、炭黑、硫磺等添加剂中的一种或多种。通过多次割胶，打三角包，打卷，混炼均匀，得到天然橡胶混炼胶。

一些实施例中，步骤(2)将氯化丁基生胶在开炼机上塑炼5-6次，控制开炼机的温度40-50摄氏度，依次加入石油树脂、活性氧化锌、促进剂、炭黑、硫磺等添加剂中的一种或多种。通过多次割胶，打三角包，打卷，混炼均匀，得到氯化丁基橡胶混炼胶。

一些实施例中，步骤(4)所述硫化成型具体为：将所述混合混炼胶放入模具中，在平板硫化机中连续进行两次硫化加热，第一次硫化加热温度为160-180℃，加热时间为1.5-2小时；第二次硫化加热温度为150-160℃，加热时间为4-5小时。

本发明还提供了所述的低模量高阻尼橡胶的应用，用于盾构隧道隔震。

本发明提供的一种盾构隧道隔震结构体，包括本发明所述的低模量高阻尼橡胶。

一些实施例中，该结构体由外到内依次为土体、隔震层以及隧道管片衬砌；所述隔震层采用的材料为本发明所述的低模量高阻尼橡胶。

一些实施例中，所述管片衬砌的管片间的接缝处通过止水接头连接，且所述接缝处设置有密封垫。所述止水接头包括弯螺杆及其两端的螺母，所述螺母的内侧依次设垫片和遇水膨胀橡胶圈。所述垫片为防水密封垫片，所述遇水膨胀橡胶圈材质为丁基橡胶。

一些实施例中，所述隔震层的厚度为15cm-30cm。

一些实施例中，本发明所述隔震层由若干分段设置的隔震片层依次连接构成，每段所述隔震片层的宽度与所述管片衬砌中每段管片的宽度相同，其宽度为1.2-1.5米。

一些实施例中，本发明所述隔震层的环缝(即隔震片层与隔震片层之间的缝隙)与所述管片衬砌的横向接缝(即管片与管片之间的横向接缝)交错设置，优选实施例中，所述隔震层环缝与和其相邻的管片衬砌横向接缝之间的距离为每段管片宽度的一半，约为0.6-0.8米。

市场上传统的用于建筑或桥梁的橡胶材料虽然具有一定的阻尼比，能够提供一定的地震耗能效果，但通常与钢铁组成叠合体起到隔震作用，不适用于盾构隧道的隔震；传统方法将橡胶材料应用于盾构隧道隔震，或者通过增加橡胶的厚度，或通过各种复杂的结构体设计，且通常采用的橡胶材料虽然阻尼比比较高，但其剪切模量和硬度也相对较大，分析表明这种橡胶会导致盾构隧道隔震效果的下降，比如隔震效果不明显，甚至造成管片的受力和变形过大。尤其是对于城市地铁盾构隧道，直接采用传统隔震橡胶材料，其隔震效果不佳。本发明通过首先选择具有低模量的天然橡胶和高阻尼的氯丁橡胶作为生胶基体，将二者进行塑炼和混炼以后，按照特定的配比进行复配，制备得到一种低模量高阻尼的橡胶材料。并将其设置于传统盾构隧道的围岩和隧道管片之间，用作隔震层，经仿真实验证明相对于传统的隔震橡胶材料，本发明采用的隔震橡胶材料能够将隔震效果提高10-20％。

本发明提出的一种低模量高阻尼橡胶材料尤其适用于地铁盾构隧道隔震，特别是在武汉这种长江流域城市，地铁盾构隧道周围主要为土体，或土体与岩石组成的复合地层，纯岩石的情况较少，本发明采用的低模量高阻尼橡胶，在降低橡胶的剪切模量的同时保证了橡胶的阻尼比，能提高隧道的隔震效果。

本发明在隧道外表面增设分段设置的橡胶材料，且橡胶材料的环缝与隧道片层材料的横向接缝交错设置，这样的设置方式能够提高盾构隧道的防水性能。因此本发明低模量高阻尼橡胶材料也适用于水下盾构隧道结构的隔震。

本发明通过在隧道管片外侧设置低模量高阻尼隔震橡胶，使盾构隧道管片衬砌能够更好地适应地震动作用下的地层变形，避免了管片与地下岩层的硬性接触，防止管片变形及接缝张开过大，使管片的内力分布更加均匀，同时通过橡胶的往复变形能够消耗输入到盾构隧道的部分地震动能量。本发明的橡胶隔震层在施工中采用分段设置，降低了施工难度，使其施工质量较易控制，确保隧道结构能够达到预期的隔震效果。

本发明能够有效实现高阻尼橡胶的低剪切模量和高阻尼比，而且具备高耐久、耐低温、无铅环保、成本低以及便于加工制造等优点，使隧道的管片能适应地震时土体的变形，实现对盾构隧道结构的隔震，同时橡胶还能作为隧道的防水层。

以下为实施例：

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

实施例1

如图1所示，本实施例首先将天然橡胶在开炼机上塑炼6次，控制开炼机的温度为45℃，依次加入0.8wt％的活性氧化锌，1.5wt％的促进剂DZ(N,N-二环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺)，25wt％炭黑，1.5wt％硫磺，通过5次割胶，打三角包，打卷，混炼均匀，得到天然橡胶混炼胶。

将氯化丁基生胶在开炼机上塑炼6次，控制开炼机的温度45℃，依次加入15wt％石油树脂、0.8wt％活性氧化锌，1.5wt％的促进剂DZ(N,N-二环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺)，25wt％炭黑，1.5wt％硫磺。通过5次割胶，打三角包，打卷，混炼均匀，得到氯化丁基橡胶混炼胶。

将天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶按1:1混合。加入1.5wt％防老剂4010NA，2wt％受阻酚抗氧剂AO-60，将上述混合得到的混炼胶放入模具中，在平板硫化机中硫化成型。先在170℃进行第一次硫化加热2小时，再在150℃进行第二次硫化加热4.5小时，得到低模量高阻尼橡胶材料，其剪切模量为0.42MPa，在150％剪应变时阻尼系数为16.2％。

如图2所示，将本实施例制备得到的低模量高阻尼橡胶用于水下盾构隧道隔震，获得盾构隧道隔震结构体，该结构体由外到内依次是土体3、本实施例制备得到的低模量高阻尼橡胶隔震层2和隧道管片1。该管片衬砌的管片间的纵向、横向接缝均通过止水接头连接，接缝处设有密封垫。止水接头包括弯螺杆以及弯螺杆两端的螺母，螺母的内侧依次设置有防水密封垫片和丁基橡胶制成的遇水膨胀橡胶圈。本实施例中低模量高阻尼橡胶隔震层的厚度为15cm。

本实施例中橡胶隔震层在施工中采用分段设置，每段宽度等于管片宽度，宽度为1.5米。

本实施例中隔震橡胶层的环缝与盾构隧道管片的横向接缝交错设置；隔震层环缝与和其相邻的管片衬砌横向接缝之间的距离为每段管片宽度的一半，为0.75米。

如图3所示，本实施例中隧道管片接头由弯螺杆4、弯螺杆固定螺母5、活动螺母8、垫片7和遇水膨胀橡胶圈6组成。垫片和遇水膨胀橡胶圈的存在能够有效增大管片接缝的弹性张开量，避免因管片接缝张开量过大，使接头处的应力分布均匀。管片密封垫9为复合型密封垫，由遇水膨胀橡胶条通过硫化工艺镶嵌在盾构隧道橡胶条上。

以某城市地铁某一盾构隧道区间为例，区间所穿越的地层主要为粉质粘土夹粉砂层和粉土层。根据中国地震烈度区划图得到地震动峰值加速度为0.1g，乙类抗震设防类别。通过ANSYS软件建立隧道的分析模型，隧道埋深14米，隧道长度约1300米，外径6米，盾构管片厚度为0.35米，管片混凝土的强度等级为C50。

采用两种橡胶参数，第一种为普通型橡胶，剪切模量为0.5MPa，阻尼比12％。第二种为本实施例制备得到的低模量高阻尼橡胶，剪切模量为0.42MPa，阻尼比16.2％。与传统橡胶相比，采用本实施例橡胶后，隧道管片的最大位移和最大加速度降低约6-8％，最大拉应力和最大剪应力降低10-12％。证明采用低模量高阻尼橡胶的隧道隔震结构，其隔震效果较好。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种城市地铁盾构隧道隔震结构体，其特征在于，该结构体由外到内依次包括土体、隔震层以及隧道管片衬砌；所述隔震层采用的材料为低模量高阻尼橡胶，所述低模量高阻尼橡胶包括天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶，其剪切模量为0.35-0.45MPa，阻尼系数在150％剪应变时为≥15％；

所述天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶的重量比为1:1；

所述天然橡胶混炼胶为由天然橡胶生胶与第一配合剂混合后经混炼得到，所述第一配合剂包括占所述天然橡胶生胶质量0.8wt％的活性氧化锌、1.5wt％的促进剂N,N-二环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺、25wt％的炭黑和1.5wt％的硫磺；

所述氯化丁基橡胶混炼胶为由氯化丁基橡胶生胶与第二配合剂混合后经混炼得到；所述第二配合剂包括占所述氯化丁基橡胶生胶质量15wt％的石油树脂、0.8wt％的活性氧化锌、1.5wt％的促进剂N,N-二环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺、25wt％的炭黑和1.5wt％的硫磺。

2.如权利要求1所述的盾构隧道隔震结构体，其特征在于，所述隔震层的厚度为15cm-30cm。

3.如权利要求1所述的盾构隧道隔震结构体，其特征在于，所述隔震层由若干分段设置的隔震片层依次连接构成，每段所述隔震片层的宽度与所述管片衬砌中每段管片的宽度相同，其宽度为1.2-1.5米。

4.如权利要求3所述的盾构隧道隔震结构体，其特征在于，所述隔震片层之间的环缝与所述管片衬砌的横向接缝交错设置，所述隔震片层之间的任一个环缝与和其相邻的管片衬砌横向接缝之间的距离为每段管片宽度的一半。