弹性复合橡胶密封胶垫制备及防水试验

冯 超，钟黎阳

(1.陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018； 2.中铁二十局集团有限公司，陕西 西安 710000)

盾构开挖法因其高效性、高机械化性和较小环境扰动性的特点，被广泛用于地铁隧道的开挖。盾构法是将预制钢筋混凝土管片拼装成环和衬砌壁后注浆，这种特殊结构就造成了盾构法开挖过程中，频频出现地下水泄漏的问题，进而引发一系列灾害，对盾构隧道的耐久性和施工安全性产生较大的影响。通过ABAQUS 有限元软件建立了密封胶垫-管片沟槽三维精细化模型，研究了T型缝处防水性能，证明了圆形开孔密封胶垫效果最佳；有以开发的接头连接单元为基础，模拟盾构衬砌接头位置的力学变形，采用有限元软件二次开发数值实现接头渗流，建立管片接头渗流下的盾构隧道流固耦合数值模型，对盾构隧道流固耦合提供一些参考；又有从盾构接缝处堵漏材料出发，研究了环氧树脂作为堵漏材料的力学性能变化。基于此，本试验以弹性胶垫为主要材料，对盾构隧道管片进行防水处理，为盾构隧道管片接缝处防水优化提供了一些参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本实验装置主要分为3个部分：支撑、轴力加载和水压加载装置；组合后可对多种接缝构造工况进行模拟，具体试验装置及相应设备尺寸分别如图1和表1所示。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

表1 设备尺寸Tab.1 Equipment dimensions mm

支撑装置

支撑装置需要承担整个试验过程的重力总和，因此对支撑装置的材料性质要求较高，选择Q345高强度钢材为支撑装置的材料，将厚度为20 mm的钢板作为底板，具体如图2所示。

图2 支撑架构造Fig.2 Structure of support frame

轴力与水压加载装置

通过调节轴压力模拟管片拼装过程和调节管片模拟接缝张开量。管片接缝处施加水压力，该水压力通过管片接缝两端周围形成的密闭水压空间进行保存。

1.2 试验条件

工程背景

试验以某工程为依托，该工程的主体是由淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土构成的软土，厚度约为0.5～5.6 m。在工程内，存在埋藏较浅的第4系孔隙潜水，一旦泄漏，可能影响施工安全、隧道安全、隧道使用，造成巨大的安全隐患。

接缝防水构造

在实际工程中，盾构隧道管道埋深小于30 m，因此采用的防水处理方法为外侧单道密封胶垫处理。由于盾构管道环缝和纵缝防水处理方式基本一致，因此本试验中以盾构环缝以研究对象，具体示意图如图3所示。

图3 接缝构造示意图Fig.3 Schematic diagram of joint structure

接缝防水设计要求

考虑管片拼装闭合压力和密封胶垫压缩回弹力防水能力进行接缝处防水试验的设计。拼装管片时，弹性橡胶密封胶垫产生阻挡管片拼装的压缩反力，可能对管片局部造成损伤 ，使其出现破损或开裂，需要考虑施工拼装要求以及工程最大水压。在此前提下，长期防水能力要求为0.8 MPa，短期水压为0.3 MPa，闭合压力为150 kN/m。

1.3 试件设计与制作

本试验密封胶垫材料为三元乙丙橡胶与水膨胀性橡胶硫化成型的复合型橡胶。

混凝土管片试件的制备

通过多组试件对实际工程中盾构隧道管片接缝真实状态进行模拟，具体如图4所示。

图4 混凝土管片足尺试件Fig.4 Full scale test piece of concrete segment

接缝弹性密封胶垫制备

选择 Z2号和优化后Z2断面为试验对象。对2种弹性密封胶垫断面设计参数进行设计，具体如表2所示；断面形式及实物图如图5所示。

由表1可知，、、分别为密封槽断面、断面外轮廓、孔洞面积；、分别为密封胶垫开孔率、密封槽与密封胶垫净面积比；、分别为密封胶垫高度、槽深度；为密封胶垫最大压缩率。

表2 断面设计参数Tab.2 Section design parameters

(a)Z2 型密封胶垫

1.4 试验方法

工况设计

在本试验中，选择管道的最大张开量为12 mm，接缝最大错台量为10 mm，具体试验工况如表3所示。因2种断面外观轮廓尺寸相同，因此可按照以下工况进行试验。

表3 试验工况Tab.3 Test conditions

接缝防水性能足尺试验方法

接缝防水性能足尺试验主要分为管片拼装模拟与接缝防水试验。

第1阶段：管片拼装模拟。管片拼装模拟作为防水试验的基础，主要过程为：组合支撑架组合、吊装管片、粘贴接缝弹性密封胶垫、轴向施力装置的组装和管片闭合。通过以上过程将装置组合好后，完成管片瓶装模拟过程。

第2阶段：管片接缝防水试验。完成管片拼装模拟过程后，待压力稳定后密封管片接缝处，使其内部形成稳定的水压空间。通过在管片外部施加稳定水压，使其在管片外环面接缝处产生作用，对实际施工过程中盾构隧道管片工作状态进行模拟。

调整管片接缝张开量和错台量，并进行相应的密封和固定处理。将水管、水压表和出水阀安装在水压盖板上，在出水阀连接排空的细管。做好准备工作后，对盾构隧道管片施加水压，开始防水试验。

密封胶垫力学压缩试验

通过上下轴力施力装置进行试验，因油缸施力点表现为对称的状态，因此在试验过程中的总闭合压力是2个油缸的轴力和。将管片0 mm工况最大闭合压力为依据设计并进行试验。

2 结果与讨论

2.1 Z2 型密封胶垫防水性能试验分析

用1.4中的方法对Z2型密封胶垫防水性能进行测试，具体结果如图6所示。

图6 优化前密封胶垫试验结果Fig.6 Test results of gasket before optimization

由图6可以发现，随压缩量的增加， Z2 型弹性橡胶密封胶垫(下文简称Z2)防水能力也越来越大。在错台量为0 mm、压缩量为0～6 mm条件下，密封胶垫对水压的抵抗方式为线性增长。提升压缩量至9.5 mm时，Z2开始表现出波动性防水的状态，在9.5～12 mm内，Z2防水能力又表现出指数型增强的趋势。在10 mm错台量下，弹性垫增长趋势与0 mm错台量增长趋势类似。从图6还可以观察到，虽然变化趋势较为类似，但在前2个阶段，10 mm错台量工况压缩量区间有所滞后，后2阶段变化则较为类似。

以5.5 mm压缩量为分界线，10 mm错台量工况防水能力更优，错台工况为0，密封胶垫开始表现出对称压缩的状态。压缩前期主要对密封胶垫孔洞进行压缩，小幅度提高了密封胶垫防水能力。在10 mm错台量，密封胶垫不对称压缩变形，密封胶垫间错位，某些孔洞闭合，提高了密封胶垫防水能力。在压缩量大于5.5 mm，10 mm 工况条件下的防水能力较好；当压缩量超过5.5 mm，0 mm工况的防水能力反超过10 mm工况，这是因为在此工况下完全压缩了橡胶。而10 mm错台量工况下，存在橡胶错位的情况，橡胶难以完全进入密封槽，影响密封胶垫防水。

由图6数据分析可知，在张开量为6 mm，错台量分别为0、10 mm的工况条件下，Z2弹性密封胶垫防水分别为0.4、0.3 MPa，可满足0.3 MPa的短期水压要求；但达不到0.8 MPa长期水压要求。

2.2 优化密封胶垫防水性能试验分析

图7为优化断面后的密封胶垫防水性能测试结果。

图7 优化后Z2型密封胶垫防水性能Fig.7 Waterproof performance of optimized Z2 gasket

由图7可知，优化后的密封胶垫防水能力与Z2密封胶垫较为类似，这说明橡胶弹性密封性与压缩量关系存在普遍性，2种工况下同样分为4个阶段，但是压缩量有所提前。在张开量为6 mm，错台量分别为0、10 mm的工况，优化后Z2型断面弹性密封胶垫防水能力分别为0.5、0.4 MPa。此结果虽然超过了Z2密封胶垫，但仍旧达不到长期水压要求。

2.3 缝防水性能试验结果对比

将不同的断面形式在同种工况条件下进行比较，结果如图8所示。

(a)0 mm 错台防水试验结果对比

由图8可以发现，在同种工况条件下，弹性密封胶垫压缩量变大，2种断面形式的密封胶垫防水能力皆明显增加，且增加趋势皆分为4个阶段。不同错位量工况，2种断面弹性垫压缩量变化仅在非线性阶段有一定的差异。

虽然2种密封胶垫均无法满足设计要求，但埋深30 m为理想的试验状态，实际工程中达不到这样的深度，因此在实际工程中，要求的密封胶垫防水能力为0.6 MPa。由图8还可知，Z2型后优化型密封胶垫分别在压缩量为8、7.5 mm时可满足要求。同时，本试验水压为最不利工况，此时2种密封胶垫满足瞬时水压设计要求。在实际工程应用中，遇水膨胀橡胶还会发挥一定的防水作用，因此本试验设计的2种断面形式防水橡胶垫表现出良好的防水效果。

2.4 密封胶垫力学压缩试验结果

图9为密封胶垫闭合压力测试结果。

(a)优化密封胶垫闭合压力

由图9可知，优化Z2密封胶垫在小压缩量工况条件下，油缸压力表检测值为0 kN/m，土压力盒检测结果则略有上升。这是因为土压力盒检测精度较高，因此数据更为准确。当压缩量超过2 mm时，管片闭合压力基本表现出线性上升的变化趋势，闭合量上升为7～9 mm，受橡胶回弹力的影响，管片闭合压力呈现非线性变化。增加压缩量超过9 mm后，此时橡胶完全被压缩在管片密封槽内，因此闭合压力增长趋势为指数增长。油缸压力表测试值为127 kN/m，土压力盒测试值为119 kN/m。油缸压力表测试的管片闭合压力较大的原因在于，管片构成的设备间存在一定的摩擦阻力。通过管片外环面侧嵌缝张开量对管片闭合情况进行评断，管片内环面受密封胶垫压缩影响而超压，对管片接头部位造成较为严重的挤压，导致了油缸压力值上升的状态。

由图9还能观察到，Z2密封胶垫与优化后Z2密封胶垫闭合压力-压缩量曲线变化趋势基本一致。在完全压缩的状态下，最大油缸压力和土压力盒值分别为87、98 kN/m。

2种断面形式的密封胶垫均满足防水设计要求的闭合压150 kN/m限值。

3 结语

(1)优化后弹性密封胶垫防水能力更佳。从压缩前期转化到压缩后期，大错台量工况下密封胶垫的防水能力开始缓慢的下降；

(2)土压力盒测量值较为精准。在压缩前期，主要是对密封胶垫孔洞压缩，压缩量表现为线性增长，在压缩后期主要是对橡进行胶压缩，因此管片闭合压力表现为非线性增长。