基于水楔侵彻方法的地铁盾构隧道EPDM密封垫长期服役性能研究

After the metro shield tunnels were put into operation, the deformation of shield tunnel segments and leakage of tunnel appeared frequently, Especially the segment joint leakage. An important reason is that the Waterproof Specification lags behind the transit construction. The main problem: lack of means to analyze the long-term service performance of gasket under condition of joint deformation(the opening quality, stagger quality and the opening angle of joint). This application will introduce the water-penetration method to reveal the mechanism of gasket failure,design a method to analyze the limition of pressure by numerical analysis.This application will also analyze the micro level of stress states of gasket Under the influence of train load and the settlement of the shield-tunnel. Time-varying law of EPDM material and its characteristics will be revealed by the Aging test, fatigue test and compression test. the results of theoretical analysis will be verified by the the Aging test and the Waterproof test of gaskets. So the relationship will be built between the service time and the waterproof performance.and the gasket service life will be able to match the one of the shiled-tunnel life.The research results will provide theoretical support for the technological development of the waterproof design and the maintenance of metro shield tunnel.

我国的轨道交通盾构隧道投入运营后，结构病害凸显，其中管片接缝渗漏水尤为突出。防水设计规范发展滞后是一个重要原因，主要表现在目前的设计手段尚无法对在管片错台、张开及张角情况下密封垫的长期服役性能给出明确结论。本申请将通过引入水楔侵彻的方法揭示密封垫失效的机理，构建一种通过数值分析获得密封垫极限防水压力的方法；本申请将分析密封垫在运营条件下受隧道几何形位变化及列车荷载作用影响的微观应力水平，并通过三元乙丙基材的老化试验、疲劳试验及压缩试验获取计算分析所需参数的时变规律，采用成品密封垫的老化试验及防水试验对理论分析的结果加以验证，建立起服役时间与成品密封垫防水能力的直接关系，使得密封垫的服役寿命与盾构隧道结构体系寿命相匹配，研究成果将为提高我国盾构隧道防水设计及维修养护的技术发展提供理论支撑。

我国目前正大规模建设城市轨道交通网络，市政隧道建设也连创佳绩。盾构法由于其安全、快速被广泛采用，然而在建设和运营过程中，防水问题逐渐凸显。受制于防水理论的发展水平，盾构隧道的接缝防水设计仍处于经验设计阶段，对于接缝防水措施的长期服役性能更缺乏有效的评价手段。.本研究主要围绕盾构隧道接缝防水的主要环节-盾构隧道密封垫的服役性能展开，在分析中引入基于水楔侵彻的计算方法用于揭示密封垫的失效机理，并通过大量防水试验验证了管片间张角、张开量以及错台量与密封垫极限防水压力之间的关系。密封垫孔洞中的密闭空气的“气囊效应”在研究中一并得到深入分析。.影响密封垫服役过程中的应力状态的主要因素是管片接缝的变形，本研究首先提出了考虑铰接头的变形圆环方法用于初步估算管片间张角；采用运动分析的方法，分析了管片的错台、张开以及张角的刚性变形规律；改进了壳-接头管片计算方法，将管片间螺栓、凹凸榫等限位部件简化成接头的抗剪刚度，从而实现了管片接头的三维变形分析，计算表明，影响密封垫的长期服役性能的主要因素还是管片接缝的长期变形。.本研究通过对不同老化程度橡胶材料进行了单轴压缩试验，分析得到了橡胶计算模型基材参数的时变规律。采用试验方法模拟了弹性密封垫不同张开量状态下接触应力短期内松弛规律，并分析了 “气囊效应”对于应力松弛的限制作用。采用高温加速老化模拟密封垫在长期服役过程中老化引起的应力松弛，利用基于Arrhenius方程的预测模型对试验数据进行了拟合，实现了对于弹性密封垫长期服役性能的评估。采用粘弹性有限元方法对隧道密封垫的老化现象进行了分析验证。.本项目研究首次实现了盾构隧道密封垫防水量化设计以及服役期限的的量化评估，为地下工程防水技术的发展提供了一个新的思路，成果先后应用于宁波地铁、广州地铁以及上海申通地铁的防水设计中，取得了较好的社会经济效益。