基于数值-物理混合试验的隧道接缝密封垫迭代设计方法

1.本发明涉及盾构隧道接缝密封技术领域，具体涉及一种基于数值-物理混合试验的隧道接缝密封垫迭代设计方法。


背景技术：

2.随着新型城镇化和交通强国战略的推进，大量城市轨道交通、公路、铁路、市政盾构隧道工程规划、建设和运营。作为预制拼装式地下结构，盾构隧道不可避免存在海量接缝，接缝是整个结构体系的防水薄弱点。根据某地铁盾构隧道病害巡检结果，90％以上的渗漏水发生在接缝位置。管片接缝的防水对策是在管片端面处设置一道或两道沟槽，沟槽内粘贴中空型弹性密封垫，通过管片拼装将密封垫相互压紧，产生接触应力来抵抗地下水的渗入。因此，接缝密封垫是隧道防水性能最为关键的部件，如何设计合理可靠的密封垫断面结构，是保障盾构隧道防水安全性的核心所在。
3.现有的盾构隧道接缝密封垫设计主要采用工程经验类比法，即参考类似管片厚度、接缝构造、设防水压的盾构隧道接缝密封垫，作为初始设计，采用经验法调整密封垫断面，开展有限元/室内实验，得到相应的闭合压缩力和耐水压值，判断是否满足工程设计要求；若不满足，反复调整，直至到达要求。该方法具有较强的主观性和随意性，且设计工作量巨大。中国发明专利公开号cn113361039a公开的一种盾构隧道管片接缝密封垫截面优化方法及系统，仅考虑接触应力和压缩力作为优化指标，来进行密封垫断面选型，并没有考虑接缝密封垫在实际张开错台条件下的渗漏水压，使得优化结果和实际情况存在较大偏差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种全新的盾构隧道管片接缝密封垫设计方法，使设计的密封垫断面更为科学合理，以便更好地满足工程需求。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种基于数值-物理混合实验的盾构隧道接缝密封垫迭代设计方法，包括以下步骤：
6.(1)收集设计资料，确定隧道接缝密封垫的拼装特性指标和防水特性指标；
7.(2)拟定接缝密封垫沟槽的几何尺寸参数，并设计若干种第一轮密封垫断面；
8.(3)建立隧道接缝密封垫闭合压缩特性数值模型，获得第一轮密封垫的接触应力-压缩量曲线，判断数值计算的接触应力是否不小于短期设计渗漏水压；若是，筛选出第二轮密封垫断面；否则，回到步骤(2)，直至得到符合要求的第二轮密封垫断面；
9.(4)开展密封垫力学压缩物理实验和接缝密封垫防水特性物理实验，获取第二轮密封垫的闭合压缩力和在设计接缝变形量下的渗漏水压，判断实验测试的密封垫极限压缩力是否不大于盾构千斤项推力/管片拼装力，以及实验测试的渗漏水压是否不小于短期设计渗漏水压；若是，筛选出第三轮密封垫断面；否则，重复步骤(2)～(4)，直至得到符合要求的第三轮密封垫断面；
10.(5)建立隧道管片-接缝-沟槽-密封垫足尺数值模型，模拟管片接缝拼装过程，判
断数值计算的沟槽区域混凝土是否不发生剪切破坏；若是，筛选出第四轮密封垫断面；否则，重复步骤(2)～(5)，直至得到符合要求的第四轮密封垫断面；
11.(6)建立隧道接缝-密封垫系统时变数值模型，获得接触应力-服役年限曲线，判断数值计算的隧道设计使用寿命(100年)对应的接触应力是否不小于长期设计渗漏水压；若是，筛选出最终密封垫断面；否则，重复步骤(2)～(6)，直至得到符合要求的最终密封垫断面。
12.进一步地，所述的步骤(1)拼装特性指标的含义是隧道接缝闭合过程中密封垫压缩力在盾构拼装力以内，不同类型接缝的设计指标如下：
13.①
纵缝：f
g，max
≤f
erector
ꢀꢀ
(1)；
14.式中，f
g，max
为密封垫极限压缩力，f
erector
为管片拼装机拼装力；
15.②
环缝：f
g，max
≤f
jack
ꢀꢀ
(2)；
16.式中，f
g，max
为密封垫极限压缩力，f
jack
为盾构千斤项拼装力。
17.进一步地，所述步骤(1)防水特性指标的含义是隧道接缝在设计使用周期内，在接缝变形模式下，承受设计水压而不发生渗漏现象；接缝的防水能力rj等于接缝发生渗漏时的渗漏水压p
wl
，具体的表达式如下：
18.rj＝p
wl
ꢀꢀ
(4)
19.p
wl
≥αp
wd
ꢀꢀ
(5)
20.式中，p
wd
为理论设计水压，α为安全系数；
21.理论设计水压由下式得到：
22.p
wd
＝γ
whw，max
ꢀꢀ
(6)
23.式中，γw为水自重，h
w，max
为隧道承受的最大水头高度；
24.短期防水安全系数：α＝γ0/ε
ꢀꢀ
(7)
25.式中，γ0为荷载分项系数，ε为橡胶材料老化系数；
26.长期防水安全系数：α＝γ0ꢀꢀ
(8)
27.利用公式(6)～(8)确定接缝短期设计渗漏水压p
wd，s
和接缝长期设计渗漏水压p
wd，l
的数值。
28.所述步骤(2)的接缝密封垫沟槽的几何尺寸参数，包括侧边角度、底部宽度和沟槽深度。
29.进一步的，所述步骤(3)的数值计算接触应力pc和理论设计水压p
wd
的判断关系式如下：
30.pc≥p
wd
ꢀꢀ
(9)。
31.进一步的，所述步骤(4)的实验测试密封垫极限压缩力和盾构千斤项推力/管片拼装力的判断关系式，根据公式(1)和公式(2)确定。
32.进一步的，所述步骤(4)的实验测试渗漏水压p
wl，exp
和短期设计渗漏水压的判断关系式如下：
33.p
wl，exp
≥p
wd，s
ꢀꢀ
(10)。
34.进一步的，所述步骤(5)的数值计算模型采用混凝土损伤塑性模型，数值计算沟槽区域混凝土是否发生剪切破坏，需同时满足下述判断关系式如下：
35.f
c，fea
≤fcꢀꢀ
(11)；
36.式中，f
c，fea
为数值计算混凝土最大压应力，fc为混凝土设计抗压强度；
[0037][0038]
式中，为混凝土拉伸等效塑性应变。
[0039]
进一步的，所述步骤(6)的时变数值模型输入的密封垫接触应力松弛系数按下式确定：
[0040][0041]
式中，t为绝对温度，t为服役年限。
[0042]
进一步的，所述步骤(6)的数值计算接触应力和长期设计渗漏水压的判断关系式如下：
[0043]
pc≥p
wd，l
ꢀꢀ
(14)。
[0044]
进一步地，所述的基于数值-物理混合试验的盾构隧道接缝密封垫迭代设计方法，所述密封垫为带有内部孔洞的中空型断面结构，材质为三元乙丙橡胶或其他高分子橡胶。
[0045]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明综合考虑了接缝拼装性能和防水性能，同时考虑了真实状态下管片接缝的张开与错台，得到的密封垫断面更符合工程需求，避免了现有经验类比法的主观性和随意性，使得设计工作更快速、更合理。
附图说明
[0046]
图1为本发明的流程图。
[0047]
图2为本发明实施例提供的第一轮密封垫断面。
[0048]
图3为本发明实施例提供的密封垫-沟槽系统数值模型。
[0049]
图4为本发明实施例提供的计算接触应力-张开量曲线。
[0050]
图5为本发明实施例提供的第二轮密封垫断面。
[0051]
图6为本发明实施例提供的实验压缩力-压缩量曲线。
[0052]
图7为本发明实施例提供的实验渗漏水压-张开量曲线。
[0053]
图8为本发明实施例提供的第三轮密封垫断面。
[0054]
图9为本发明实施例提供的隧道管片-接缝-沟槽-密封垫系统数值模型。
[0055]
图10为本发明实施例提供的管片沟槽混凝土塑性应力分布。
[0056]
图11为本发明实施例提供的第四轮密封垫断面。
[0057]
图12为本发明实施例提供的密封垫-沟槽系统时变数值模型。
[0058]
图13为本发明实施例提供的计算接触应力-服役年限曲线。
[0059]
图14为本发明实施例提供的最终密封垫断面。
[0060]
标记说明：1为epdm密封垫、2为管片沟槽、3为混凝土管片。
具体实施方式
[0061]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。
[0062]
如图1所示，图1为本发明的流程图。具体步骤如下：
[0063]
(1)收集资料，确定隧道接缝密封垫的拼装特性指标和防水特性指标。设计指标具体如下：
[0064]
1.水的容重γw为10kn/m3；
[0065]
2.最大水头高度h
w，max
为98m；
[0066]
3.理论设计水压p
wd
为0.98mpa；
[0067]
4.荷载分项系数γ0为1.2；
[0068]
5.epdm橡胶材料的老化系数ε为0.65；
[0069]
6.短期防水要求p
wd，s
和长期防水要求p
wd，l
分别为1.8mpa和1.2mpa；
[0070]
7.接缝张开量的设计值δ
g，d
为6mm；
[0071]
8.接缝错位量的设计值sd为15mm；
[0072]
9.盾构机千斤项的拼装力f
jack
为200kn/m。
[0073]
10.服役年限100年。
[0074]
(2)拟定了接缝沟槽尺寸，设计了5种第一轮密封垫断面，记作密封垫1-密封垫5，如图2所示。
[0075]
(3)建立隧道接缝密封垫闭合压缩特性数值模型，如图3所示，通过数值模型计算获得了第一轮5个密封垫的接触应力-压缩量曲线，如图4所示，从图4中看出密封垫1在接缝张开量为6mm时的密封垫间接触应力仅为1.75mpa小于短期设计渗漏水压p
wd，s 1.8mpa，其余四个密封垫在6mm时的密封垫间接触应力均大于1.8mpa，故淘汰密封垫1，筛选剩余4个密封垫断面作为第二轮密封垫断面，如图5所示。
[0076]
(4)开展密封垫力学压缩物理实验和接缝密封垫防水特性物理实验，获取第二轮密封垫的试验压缩力-压缩量曲线和实验渗漏水压-张开量曲线，如图6及图7所示，从图6中可以看出当压缩量达到20mm即张开量为0时密封垫2所需的压缩力达到了210kn/m，超过了盾构千斤项拼装力f
jack
200kn/m，其余三种密封垫断面在压缩量达到20mm时所需的压缩力均小于200kn/m。从图7中可以看出，当接缝张开量为6mm时，密封垫2的实验渗漏水压为1.7mpa，小于短期防水要求p
wd，s 1.8mpa，其余三个密封垫的实验渗漏水压均大于1.8mpa，根据设计原则淘汰密封垫2，筛选剩余的密封垫3-密封垫5作为第三轮密封垫断面，如图8所示。
[0077]
(5)建立隧道管片-接缝-沟槽-密封垫足尺数值模型，如图9所示，模拟管片接缝拼装过程，得到管片沟槽混凝土应力分布，如图10所示，由应力云图可知，密封垫3压缩完全时，管片混凝土内最大应力达到了20mpa，虽低于27.5mpa的c60混凝土抗压强度设计值，但根据混凝土的单轴本构关系可知，出现了非弹性应变。密封垫4与密封垫5压缩到完全时的管片混凝土内的最大应力皆低于16mpa，未出现非弹性应变，根据设计原则，淘汰密封垫3，筛选密封垫4与密封垫5作为第四轮密封垫断面，如图11所示。
[0078]
(6)建立密封垫-沟槽系统时变数值模型，如图12所示，得到密封垫接触应力-服役年限曲线，如图13所示，从图13中可知在管片接缝密封垫服役100年时，采用密封垫4断面的密封垫间的平均接触应力降至了1.17，低于密封垫的长期防水要求p
wd，l 1.2mpa。采用密封垫5的密封垫间平均接触应力高于1.2mpa，故淘汰密封垫4，筛选密封垫5为本次盾构隧道接缝密封垫迭代设计方法的最终密封垫断面，如图14所示。