盾构隧道EPDM密封垫截面形式对防水性能的影响分析

2020 No.12
December
2020年第12期
12月
中国建筑防水
China Building Waterproofing D01：10.15901/ki.1007-497x.2020.12.012
盾构隧道EPDM 密封垫截面形式
对防水性能的影响分析
崔永刚
（中铁十八局，广西南宁530012）
摘要：以南宁市轨道交通3号线工程某施工段为例，设计了两类开孔截面形式、三种截面填充率的三元乙丙橡胶密封
垫，对其防水性能进行对比分析。

结果表明：圆角三角形孔洞截面形式的综合防水性能优于圆形孔洞截面，当密封垫压
缩量较小时，仅有部分圆角三角形孔洞截面能满足接触应力要求；当密封垫处于完全压缩状态时，所有截面的防水性能
均满足要求，且截面填充率越大，防水性能越佳。

综合各种因素，推荐采用填充率97.2%的圆角三角形孔洞A 截面为本 工程管片接缝密封垫截面形式。

关键词：盾构隧道;EPDM 密封垫;截面形式；压缩量；闭合压力；接触应力文章编号：1007-497X （2020）-12-0040-05
中图分类号:U45;TU761.1+1 文献标志码：B
Analysis on Influence of the Section Forms of EPDM Sealing Cushion of Shield Tunnel on Waterproofing Performance
Cui Yonggang
(China Railway 18th Bureau Group Co., Ltd., Nanning, Guangxi 530012, China )
Abstract ： Taking some construction section of the rail transit line 3 in Nanning as an example, two types of open hole
section form and EPDM rubber sealing cushion with three different section filling rates are designed for comparative analysis
of their waterproofing performance. Results show the waterproofing performance of triangle hole section with rounded angles is better than that of round hole section, and when the compression of sealing cushion is less, only some of the triangle hole
sections with rounded angles can meet the requirements of contact stress; when the sealing cushion is completely compressed, the waterproofing performance of all types of section can meet the requirements, the higher filling rate of section is, the better the waterproofing performance will be. Considering all these factors, triangle hole section of rounded angles and with a filling
rate of 97.2% is recommended as the sealing cushion section form for the segment joints of this project.
Key words ： shield tunnel; EPDM sealing cushion; section form; compression amount; closed pressure; contact stress
盾构法施工具有适用性好、安全性高、施工速度 快、施工质量好等优点，在铁路、公路、水利、隧道工程 中得到了广泛应用。

但在盾构施工过程中，因受地下
收稿日期:2020-07-01
作者简介：崔永刚，男，1985年生，本科，研究方向为地铁工程 施工等。

联系地址：530012广西南宁兴宁建兴路金源城中铁十
八局。

水的影响，隧道易产生渗流、侵蚀等现象，对其安全运 行产生威胁，因此有必要对盾构隧道的防水问题展开
专项研究[1-3]o
盾构隧道的防水设计一般是以混凝土结构自防
水为主，辅以接缝防水，具体包括管片自防水、管片之
间的密封垫防水以及嵌缝防水、接缝注浆防水等辅助
措施，其中最重要且最具效果的是密封垫防水关
崔永刚:盾构隧道EPDM密封垫截面形式对防水性能的影响分析
于密封垫防水，国内学者开展了针对性研究，李拼等问
对大张开量盾构隧道密封垫的防水性能进行了研究，
认为在密封垫设计时应重点考虑密封垫与沟槽间的
渗水路径；张子新等!7］对密封垫的长期服役性能进行
了研究，得出密封垫服役百年后的老化系数值为
0.364；王文浩冏针对水下盾构隧道的防水性能进行了研究,并对密封垫的选型情况进行了初步分析。

以上研究有助于提升盾构施工管片的防水效果，但很少有人考虑密封垫的选型问题。

随着隧道施工技术的不断发展，三元乙丙橡胶密封垫和以三元乙丙橡胶为主的复合型密封垫在工程中应用越来越普遍-叫因此，有必要对不同截面形式下三元乙丙橡胶密封垫的防水性能进行专项研究，以期为盾构隧道防水设计提供借鉴。

1工程概况
南宁市轨道交通3号线工程某施工区间段总长约 1062m（起YCK9+556.258、终YCK10+618.341），沿线地形经过平整,地势稍有起伏，地面高程为80~ 100m。

本区间下穿填土层包括杂填土、素填土、粉质黏土、粉砂、细砂、泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩，区间地下水主要有上层滞水、潜水和承压水,部分施工区间段位于高水压情况下，且地下水位整体变化较大。

区间隧道采用盾构法施工，盾构外径6.25m,管片外径6m,厚度35cm,管片环宽1.5m,抗渗等级设计为P10。

2密封垫截面选型
2.1防水机理及密封垫类型
弹性密封垫的防水机理主要是利用接触压力完成防水任务，即当密封垫受到外界水压力时,会产生与另外一半密封垫及混凝土管片之间的接触应力；当水压力超过极限值后，就会造成密封垫防水功能失效。

密封垫的防水机理示意见图1。

常用的密封垫材料主要包括弹性橡胶密封垫、遇水膨胀橡胶密封垫及复合型弹性橡胶密封垫三类。

其中，弹性密封橡胶垫包括氯丁橡胶（CR）和三元乙丙
图1密封垫防水机理
橡胶（EPDM）,后者的厚度较大，可以保证在接缝张开量较大的情况仍有足够的防水性能,且由于EPDM 的压缩特性曲线较为平缓，在拼装过程中产生的闭合压力较小，能确保管片不会发生开裂等现象。

因此, EPDM密封垫在市场上逐渐取代了CR密封垫，成为弹性橡胶密封垫的主要类型，在盾构管片接缝施工中逐渐普及。

2.2密封垫截面选型
盾构管片接缝形式一般包括单道密封垫防水和双道密封垫防水,其中：单道密封垫防水主要应用于铁路、公路等仅外侧受水压的盾构隧道，双道密封垫防水主要应用于水工隧洞这类两侧均受水压的隧洞,部分地下水发育的铁路、公路隧道也常使用双道密封垫防水。

密封垫的截面形式对于发挥防水能力起到了关键性作用,常用的密封垫截面形式包括梯形、梳形和中孔型三类，见图2。

其中，梯形截面形式常用于遇水膨胀材质的密封垫，梳形截面形式常用于弹性橡胶材
图2密封垫常用截面形式
2020年第12期中国建筑防水总第432期
质的密封垫，而中孔截面形式是在梳形截面形式基础上发展而来的，也主要用于弹性橡胶材质的密封垫,但也可用于遇水膨胀材质的橡胶密封垫，由于其开孔形式多变、适用范围广，故在盾构隧道施工过程中最为常用。

依据相关设计规范，计算得到南宁轨交隧道用密封垫防水指标：1）长期防水能力!0.6MPa,短期防水能力!1.2MPa;2）密封垫闭合压力"60kN/m；3）密圭寸垫厚度!18.7mm;4）管片截面面积为536mm2,密封垫截面面积为466-536mm2。

根据密封垫防水指标，初步设计图3所示的6种不同EPDM密封垫截面形式（编号分别为A、B、C、D、E、F）,其中,A、B、C 为圆角三角形开孔截面,D、E、F为圆形开孔截面，各截面形式的具体参数见表1o
3不同截面密封垫防水性能分析
3.1数值模型
采用ANSYS软件建立不同截面EPDM密封垫模型,并采用Mooney-Rivlin模型对EPDM密封垫进行模拟分析，同时做出如下假设:1）EPDM密封垫橡胶本身是不可压缩的，变形前可视为各向同性材料; 2）混凝土管片为刚性面，管片沟槽采用刚体进行代替;3）简单剪切过程视为满足胡克定律;4）在管片上
23^5r8t8]8t5戸2
23.56.門6406円6冲
235]8#8]8平卩2
（c）C截面
（b）B截面
（e）E截面
图3初步设计截面形式2,3.561.3*6卩|,6艸6352
（F）F截面
表1各截面参数
编号开孔形状
上部孔洞
面积/mm2中部孔洞
面积/mm2
截面面
积/mm2
截面填
充率/%
A圆角三角形888052197.2
B圆角三角形64
11051596.1
C圆角三角形88110491
91.6
D圆形798552598.0
E圆形11349
51796.5
F圆形11385491
91.6
部施加刚体来模拟EPDM密封垫的受压过程。

EPDM密封垫采用plane182单元模拟，在EPDM 密封垫和管片刚性面之间设置刚-柔接触单元,橡胶与混凝土之间的摩擦系数为0.45-0.85,考虑到橡胶与混凝土之间通常为湿性接触,刚-柔接触单元的静摩擦系数取极小值0.5o在EPDM密封垫各开孔之间设置柔-柔接触单元，橡胶之间的摩擦系数根据品种不同有较大区别，一般为0.3-1.2,根据以往工程经验，柔-柔接触单元的静摩擦系数取0.8o目标单元和接触单兀分别采用targe169单兀和conta172单兀，EPDM的硬度值为70度（邵A）,材料的位移荷载梯度值为0-8mm o密封垫的有限元模型示意见图4o 3.2结果分析
3.2.1闭合压力
崔永刚:盾构隧道EPDM 密封垫截面形式对防水性能的影响分析
刚性面
刚性面
密封垫
图4有限元数值模型示意
图 5 所示为模拟分析得到的不同截面形式下闭 合压力随压缩量的变化关系。

从图 5 可看出，在圆角 三角形开孔截面形式下（A 、B 、C ）,闭合压力随压缩量
呈三阶段变化特征:1）快速增长阶段1,当压缩量为
0~4 mm 时,闭合压力增加较快;2）缓慢增长阶段，当
压缩量为4~6 mm 时，闭合压力增长较慢;3）快速增 长阶段2,当压缩量超过6 mm 后，闭合压力增长速度
快速增大。

在圆形开孔截面形式下（D 、E 、F ）,闭合压 力随压缩量呈两阶段变化特征：）相对较慢的近似直
线增长阶段，当压缩量为0~6 mm 时，闭合压力与压 缩量之间近似呈线性增长关系;2）快速增长阶段,当 压缩量超过6 mm 后，闭合压力的增长速度快速增 大。

05050505050
54332211(EZM
上)、
Z M
如M
-------A
一一#
—C
—
—D ——E
—F
284
6压缩量
10
闭合压力随压缩量的变化关系
图5同时由图5可看出，在相同开孔截面形式和压缩
量下,截面填充率越大的设计组闭合压力越大；近似 相等填充率下，当密封垫处于低压缩量（0~6 mm ）时,
圆角三角形开孔截面的闭合压力略大于圆形开孔截 面形式，当密圭寸垫处于高压缩量（6~8 mm ）时，圆形开 孔截面形式的闭合压力大于圆角三角形开孔截面形
式。

由上述分析得知，当密封垫处于完全压缩状态时,
圆形开孔截面形式所需的闭合压力要大于圆角三角 形开孔截面形式。

因此，为了保证EPDM 密封垫在高
压缩量下的防水性能，认为采用圆角三角形孔洞截面 形式更好。

3.2.2接触应力
图6所示为模拟分析得到的不同截面形式下密 封垫之间、密封垫与混凝土间的接触应力随压缩量的 变化关系。

从图6中可以看到,密封垫的接触应力随
压缩量的增大而增大，且呈两阶段的变化特征,当压 缩量超过一定量时，密封垫的接触应力会迅速增大。

相比较而言,密封垫相互之间的接触应力略低于密封
垫与混凝土之间的接触应力，因此，当不考虑错缝情 况存在时,可以认为渗漏主要发生在密封垫与密封垫
之间,密封垫相互之间的接触应力大小对于防水性能 的影响起到关键性作用。

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图6接触应力随压缩量的变化关系
在相同开孔形式和填充率相近的截面形式下，圆
形三角形开孔截面形式下的接触应力要大于圆形开
2020年第12期中国建筑防水总第432期
孔截面的接触应力。

当压缩量小于5mm时，只有A 截面和B截面的接触应力满足!1.2MPa的防水性能要求；当密封垫处于完全压缩状态时,所有界面的接触应力均满足！1.2MPa的防水性能要求。

这表明,在相同截面形式下,随着填充率的增大，密封垫的接触应力逐渐增大,此时可有效提升防水能力。

综上所述，盾构密封垫设计时,在确保最大压缩量情况下可设计密封垫孔洞被完全压缩,这种情况下可使密封垫的防水性能达到最佳。

3.3分析总结
从上述模拟分析结果可以总结：在EPDM材料材质的硬度值为70度（邵A）时，采用A、B截面形式在接缝张开量仅为5mm时，能够满足!1.2MPa的防水性能要求，且闭合所需压力值均小于60kN/m。

考虑到密封垫处于完全压缩时的防水性能，推荐采用A截面作为本工程的密封垫截面形式。

4结论
针对隧道防水施工的密封垫防水问题,根据密封垫常用材质和截面形式，提出两类开孔截面形式、三种截面填充率共计6种EPDM密封垫的初步设计截面形式，对不同密封垫的防水性能进行了对比分析，得到以下结论：
1）所有截面均满足闭合压力"60kN/m的设计要求，闭合压力和接触应力均随压缩量的增大而逐渐增大，且圆角三角形孔洞截面形式的综合防水性能优于圆形孔洞截面形式的防水性能。

2）盾构密封垫设计时，在确保最大压缩量情况下可设计密封垫孔洞被完全压缩，这种情况下可使密封垫的防水性能达到最佳。

3）经综合考虑，认为A截面形式的防水性能最佳，故推荐在本工程中使用。

参考文献：
[1]卢为杰.地铁工程盾构接收渗漏险情的处理实践[J].隧道
建设（中英文）,2020（S1）:1-7.[2]王昂.天津地铁某盾构隧道透水事故的修复技术[J].城市
轨道交通研究,2020,23（6）:103-106.
[3]杨贵生，李宏亮，丁超，等.地铁盾构隧道衬砌管片密封槽
尺寸优化分析[J].土木工程学报，2019,52（S1）：93-98,232.
[4]倪茂明.遇水膨胀橡胶条在盾构管片接缝防水中的应用
[J].四川建材,2019,45（8）:174-175,177.
[5]刘伟，李云鹏，张勇.南宁市轨道交通4号线五象岭站-玉
象路站长盾构区间结构防水设计[J].隧道与轨道交通，2019（S1）63-65.
[6]李拼,谢宏明，何川，等.基于有效接触应力的大张开量盾
构隧道密封垫防水性能分析[J].隧道建设（中英文），2019,39（12）1993-1999.
[7]张子新，张家奇，黄昕，等.盾构隧道密封垫长期防水性能
预测的试验研究[J].浙江大学学报（工学版）,2020,54（1）:118-125.
[8]王文浩.水下盾构隧道防水密封垫性能研究[J].公路交通
科技（应用技术版），2018,14（12）:212-215.
[9]叶美锡，丁文其，陈俊伟，等.盾构隧道管片接缝三元乙丙
橡胶密封垫力学性能影响因素敏感度分析[J].隧道建设（中英文），2019,39（S2）：200-206.
[10]张稳军,丁超，张高乐，等.盾构隧道管片接缝复合型密封
垫选型设计研究[J].隧道建设（中英文）,2020,40（2）：246-255.
[11]伍振志,杨林德,季倩倩,等.上海长江隧道接缝防水密封
垫的耐久性研究[C]//第四届中国国际隧道工程研讨会论文集.上海：同济大学出版社,2009.
[12]黄忠辉.上海长江隧道管片橡胶弹性密封垫的试验及工
程应用[C]//中国土木工程学会隧道与地下工程分会防水排水专业委员会第十五届学术交流会论文集.2009.
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