防水密封垫布置方式对管片接头的力学影响分析

张建刚， 孟庆明， 李 围， 何 川

(1. 山东农业大学水利土木工程学院， 山东 泰安 271018； 2. 中国电建集团铁路建设有限公司， 北京 100044；3. 深圳市地铁集团有限公司， 广东 深圳 518026； 4. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点试验室， 四川 成都 610031)

0 引言

盾构隧道衬砌由管片通过接头相互连接装配而成。为确保隧道内车辆、人员、电力管线的安全，或防止输水隧洞内外水源发生交叉污染，在管片接头接缝面上布置防水密封垫防止隧道渗漏水是十分有必要的。

密封垫在接头接缝空间的存在对管片接头的受力和变形将产生影响，而管片接头变形也会对密封垫的防水性能产生影响。黄宏伟等[1]将管片接头易损性指标分为混凝土压溃、螺栓拉剪屈服、渗漏水等，并认为接头处剪力、弯矩等均会对接头抗渗易损性产生不利影响。朱合华等[2]给出了有无防水密封垫情况下管片接头转动刚度模型的参数取值方法。封坤等[3]对狮子洋隧道的管片接头进行了足尺试验，认为止水材料对于接头抗弯刚度的影响很小。张子新等[4]结合密封垫力学性能试验和数值模拟方法，研究了错缝量和张开量对于密封垫防水性能的阶段性影响。吴炜枫等[5]对管片接头在不同张开量和错位量情况下的接缝防水能力和装配力等进行了试验。黄大维等[6]给出了关于防水密封垫布置形式和断面形式的建议。龚琛杰等[7]提出了大直径水下盾构隧道接缝密封垫设计方法。文献[8-10]从火灾、冻结、拼装等角度探讨了接缝密封垫渗漏水情况。综上，目前关于管片密封垫防水的研究主要侧重于材质、断面形状、张开和错位的适应性、装配力等，而关于管片接头力学的研究并未考虑防水密封垫的承压力。虽然密封垫在接头处的承压力很小，但其占据接缝空间，使接缝面有效承压面积减少和形心变动，因此，仍将对接头受力和变形产生影响。目前的研究缺乏对接头受力与接缝防水共赢关系的探讨，这正是本文要讨论的问题。

利用可以模拟复杂接头特性的管片接头力学模型，研究不同宽度、不同位置、不同数量的密封垫对管片接头的力学影响，讨论兼顾受力和防水的管片接头设计，给出实现受力和防水共赢的初步建议。

1 管片接头力学计算模型

选取能体现接头结构复杂特性的管片接头改进条带算法[11]对带有防水密封垫的管片接头进行分析。

1.1 改进条带算法计算原理和计算步骤

改进条带算法总思路是： 借鉴高等混凝土结构设计计算中条带算法的思想，对混凝土接头结构采用先分层后综合的方法进行求解。计算步骤分为3步： 1)材料分层阶段； 2)接头螺栓施加预紧力阶段； 3)接头正常受力阶段。在接头正常受力阶段，接头的变形和受力示意图如图1所示。对管片接头施加弯矩和轴力，建立平衡方程组，解出相应结果。该阶段具体公式如式(1)和式(2)所示。

根据轴力平衡条件可得：

(1)

根据弯矩平衡条件可得：

k[x1-d(x1-x2)/H]}×(H/2-d)。

(2)

式中：N为管片接头轴力；M为管片接头弯矩；H为管片厚度；a为有效宽度；b为管片幅宽；m为管片结构材料层数；n1为管片螺栓个数；d为螺栓中心到管片接头上边缘的距离；k为螺栓与端肋的共同刚度；T1′为经换算后的螺栓预紧力；x1为接头上边缘变形量；x2为接头下边缘变形量；σi(h)为第i层接头混凝土结构层中高度h处对应的混凝土压力值。

(a) 变形

(b) 受力

Fig.1 Diagrams of joint deformation and stress during normal stress stage

1.2 改进条带算法对复杂接缝面的体现

首先，根据接缝面的不同接触区域将管片接头实体结构划分为不同层，如图2所示； 然后，根据计算精度要求，再分别进行二级细化分层，原则上总层数不少于50层。

图2 改进条带算法中管片接头实体分层示意图

Fig.2 Schematic diagram of stratification of segment joint in improved strip algorithm

将管片接头结构的承压衬垫、防水密封垫、初始缝隙、螺栓和螺栓预紧力等各要素与混凝土端肋结构统一在一起，通过上述分层，实现各层材料和变形特性的分别控制，化繁为简。最后，把各层综合起来，联立求解方程组，计算出所需结果。

1.3 改进条带算法的可靠性验证

将改进条带算法与有限元计算结果、接头实体试验结果以及经过实体接头试验验证的日本的Betongelenkel公式进行分析比较，证明改进条带算法是较为可信的，具体参见文献[11]。

2 防水密封垫的布置方式

通过以下3个方面对防水密封垫进行研究，即： 不同位置密封垫、不同宽度密封垫、不同数量密封垫。

为便于研究，其他管片接头的主要参数保持一致，例如： 管片厚度统一取0.5 m，管片宽度为2.0 m，管片采用C50混凝土、直螺栓接头，螺栓直径取36 mm，接缝中间加填1 mm厚的承压衬垫。

2.1 不同位置的密封垫

将密封垫布置在接缝面的不同位置，以密封垫中心到衬砌结构外缘的距离为基准，分别考虑设置在距管片外边缘2 cm位置、距外边缘12 cm位置、管片接缝面中央位置(距外边缘25 cm)3种情况，具体如图3所示。防水密封垫宽度统一取4 cm，高度统一取3 cm。其中，图3(a)情形仅用于力学比较，表示极端情况，在实际接头制作使用中有诸多困难。

(a) 距外边缘2 cm

(b) 距外边缘12 cm

(c) 距外边缘25 cm

Fig.3 Arrangement of segment joint when positions of water sealing gaskets are different (unit: cm)

2.2 不同宽度的密封垫

分别取防水密封垫的宽度为4 cm和8 cm 2种情况进行研究。防水密封垫的中心距管片外边缘的距离统一取10 cm，其余参数保持不变，具体如图4所示。

(a) 密度垫宽度为4 cm

(b) 密度垫宽度为8 cm

Fig.4 Arrangement of segment joint when sizes of water sealing gaskets are different (unit: cm)

2.3 不同数量的密封垫

在同一个接缝面上，分别考虑防水密封垫按单侧和双侧布置2种情况，具体如图5所示。单侧布置时，仅考虑防水密封垫靠近管片接头的外侧区域设置； 双侧布置时，考虑在管片接头的内外两侧设置。

(a) 1个防水密封垫(单侧布置)

(b) 2个防水密封垫(双侧布置)

Fig.5 Arrangement of segment joint when numbers of water sealing gaskets are different (unit: cm)

3 防水密封垫位置不同时管片接头受力对比

密封垫位置不同时管片接头受力计算结果如图6所示。

由图6(a)可以看出，随着密封垫位置从接缝面边缘向中部移动，接头抗弯刚度逐渐增大。从整环衬砌受力角度来看，较大的接头抗弯刚度对于软地层较为有利，可以防止整环衬砌发生过大变形、影响正常使用；较小的接头抗弯刚度对硬地层较为有利，这样可以发挥外部土层抗力的优势以达到以柔克刚的效果。

由图6(b)和图6(c)可以看出，随着密封垫位置从接缝面边缘向中部移动，接头螺栓拉应力和端面混凝土最大压应变逐渐减小。较小的螺栓拉应力和混凝土压应变意味着管片接头受力更安全，或者也可认为螺栓受拉屈服和混凝土压溃破坏发生延迟。

(a) 弯矩-转角曲线

(b) 螺栓拉应力-弯矩曲线

(c) 端面混凝土最大压应变-弯矩曲线

(d) 接缝张开量-弯矩曲线

图6密封垫位置不同时管片接头受力计算结果

Fig. 6 Calculating results of force of segment joint when positions of water sealing gaskets are different

由图6(d)可以看出，随着密封垫位置从接缝面边缘向中部移动，接头受拉边缘的张开量逐渐减小。接缝边缘的张开量和密封垫位置的张开量有一定关系。密封垫的防水能力主要与自身位置的张开量有关，如果密封垫处于接缝面受压一侧，不张开或张开很小，对防水影响不大；如果处于受拉侧，则与接缝张开量正相关，即随着密封垫接缝张开而张开，对防水不利。

将弯矩相同情况下密封垫位置不同时管片接头受力计算结果汇总如表1所示。由表1可以看出，弯矩相同情况下密封垫位于接缝面中央部位时管片接头的转角、接缝张开量、螺栓拉应力、混凝土最大压应变均偏小，说明这种情况受力是较好的。

表1 弯矩相同情况下密封垫位置不同时管片接头受力计算结果

4 防水密封垫宽度不同时管片接头受力对比

防水密封垫宽度不同时管片接头的受力计算结果如图7所示。

由图7(a)可以看出，当密封垫宽度增大到8 cm时，接头的抗弯刚度相应减小，减小量并不十分明显。从整环结构受力角度看，小宽度密封垫对于软地层较有利，大宽度对硬地层较有利，但差别不大。

由图7(b)和图7(c)可以看出，当密封垫宽度增大到8 cm时，接头对应的螺栓拉应力有轻微增大，而端面混凝土最大压应变则明显增大。密封垫的宽度增大意味着管片接头受力不好，易损坏，尤其是易出现混凝土压溃脆性破坏。

(a) 弯矩-转角曲线

(b) 螺栓拉应力-弯矩曲线

(c) 端面混凝土最大压应变-弯矩曲线

(d) 接缝张开量-弯矩曲线

图7密封垫宽度不同时管片接头的受力计算结果

Fig. 7 Calculating results of force of segment joint when sizes of water sealing gaskets are different

由图7(d)可以看出，当密封垫宽度增大到8 cm时，接头受拉边缘的张开量有所增大。接缝张开将使密封垫防水能力降低，但是密封垫宽度增大又使得防水能力提高，所以宽度对防水的具体影响需综合考虑确定。

弯矩相同情况下密封垫宽度不同时管片接头受力计算结果如表2所示。

由表2可以看出，相同弯矩时，采用较大宽度的密封垫对接头各项性能具有削弱作用。虽然增大密封垫宽度可以提高防水能力，但会增加造价及增大密封垫施工装配力。综上可看出，密封垫宽度的取值需要兼顾力学、防水和造价。

表2 弯矩相同情况下密封垫宽度不同时管片接头受力计算结果

5 防水密封垫数量不同时管片接头受力对比

密封垫数量不同时管片接头受力计算结果如图8所示。

由图8可以看出，当密封垫从单侧布置变为双侧布置时，各参数变化均不大。负弯矩作用下(即隧道内侧受压)，双侧布置与单侧布置相比，接头抗弯刚度、螺栓拉应力略有减小，而混凝土压应变增大、接缝张开量略有增大。

从管片接头受力安全来看，密封垫双侧布置时管片接头在负弯矩下可能会出现螺栓松弛、混凝土提前压溃等情况，但程度并不严重。

从防水角度看，在双侧布置方案下管片接头受弯时，始终有一侧的密封垫没张开或张开量很小，因此，密封垫双侧布置比单侧布置更有保障。

6 兼顾受力与防水的管片接头设计

根据以上研究，综合考虑接头力学的安全性和接缝防水需求等对管片接头设计作出如下分析。

处于软弱地层的隧道衬砌，为防止地面堆载等原因引起整环管片变形过大，管片接头要有较好的抗弯刚度；另外，可以考虑将密封垫靠近接缝面中部布置，防水允许时亦可以考虑采用小宽度的密封垫。从受力角度看，这种做法能保持接头抗弯刚度处于较高水平，并且延迟了接缝混凝土压溃和螺栓受拉屈服破坏，管片接头受力更安全； 从防水角度看，此时该密封垫的张开量小，张开变幅最小，所以防水能力更有保障。

对于处于硬地层的隧道衬砌，土层抗力大且持久，在确保安全的情况下应尽量选用柔性接头，管片接头抗弯刚度取较小值； 密封垫可以考虑靠近接缝面的边缘设置，造价允许时亦可考虑采用大宽度密封垫。从受力角度看，这种做法对管片接头受力不好，建议同时采取改进接缝面接触方式、改善螺栓材质等措施，以达到延缓接头破坏的目的。从防水角度看，密封垫靠近接缝面边缘时，张开量较大，因此，选用内外双侧防水较为合适。如果硬质土层抗力能长期保持，在隧道外壁注浆以提高隧道整圆度，这将对整环受力和变形、管片接头受力和接缝防水有利。

(a) 弯矩-转角曲线

(b) 螺栓拉应力-弯矩曲线

(c) 端面混凝土最大压应变-弯矩曲线

(d) 接缝张开量-弯矩曲线

Fig.8 Calculating results of force of segment joint when numbers of waterproof gaskets are different

某些情况下，处于硬地层的隧道衬砌，如果遇到水压高、储水丰富、地层来压复杂或衬砌结构复杂、装配工艺特殊等情况，就不可随意选用柔性接头，相应地密封垫布置也要谨慎处理。

7 结论与建议

本文分析了密封垫的位置、宽度、数量对管片接头受力的影响，探讨了管片接头受力安全和接缝面密封垫防水能力的相互关系，并给出了相应的初步建议。具体如下。

1)管片接头的密封垫靠近接缝面中部布置时，可以使管片接头保持较高的抗弯刚度水平，降低接头混凝土压溃和螺栓受拉屈服风险，保证管片接头受力安全，同时接缝部位的防水能力较好。

2)管片接头的密封垫靠近接缝面边缘布置或者采取大宽度密封垫时，可以有效降低管片接头抗弯刚度水平。同时，为了确保管片接头受力安全，建议改进接缝面接触方式和改善螺栓材质等。采用双侧密封垫防水或外壁注浆等措施对接头受力和接缝防水均有利。

实际施工过程很复杂，总有某个环节可能会成为盾构隧道管片接头结构设计的控制因素，上述建议仅仅基于常规情形。针对具体工程时，还要对施工拼装工艺、地层变形稳定情况、接头张开风险、地层水压和蓄水、衬砌防排水方案等因素逐一讨论，再综合确定采用哪种接头形式。