摘要：科技在不断的发展社会在不断的进步，为探究适合盾构法联络通道工程的密封垫断面形式，以某市轨道交通3号线第1条盾构法联络通道为工程背景，针对遇水膨胀橡胶设计阴阳凹凸、圆形孔洞、梳形、矩形等4类断面。对各断面形式进行可行性分析，选取阴阳凹凸断面与矩形断面作为初选方案。利用Abaqus/Explicit计算模块对2种断面的接触应力进行有限元分析，通过设计“一”字缝耐水压力试验，验证数值模拟中接触应力较大的矩形断面的防水能力。研究表明：1）数值模拟结果显示，接触面最大接触应力与平均接触应力均随着张开量的增加而减小；同等张开量与错台量下，在压缩与膨胀2个阶段中，矩形断面的接触应力均大于阴阳凹凸断面，因此选取矩形断面作为备选方案。2）“一”字缝耐水压力试验结果表明，矩形断面密封垫保压48h后耐水压力明显提升，且张开量越大耐水压力提升幅度越大。3）综合数值模拟与试验结果可知，该矩形断面密封垫满足0．6MPa的防水要求。
关键词：盾构法联络通道；密封垫设计；数值模拟；水密性试验；接触应力；遇水膨胀橡胶密封垫
引言
从技术原理、主要技术特点以及相关配套技术等方面对创新型工法——联络通道盾构法修建技术进行了系统全面的阐述，形成了“弱加固、强支护、可切削、全封闭、保平衡、严防水、集约化”的关键技术，并明确了工法的工艺细节和具体做法。同时，还介绍了运用该技术修建而成的几处联络通道的技术参数控制状况以及工期、质量情况，以佐证工艺之优越性。
1联络通道概述
在城市轨道建设中，GB50157—2003《地铁设计规范》规定“两条单线区间隧道之间，当隧道连贯长度大于600m时，应设联络通道”，JTJ026—1990《公路隧道设计规范》、TB10003—2001《铁路隧道设计规范》也对隧道间联络通道的设置做了具体要求。联络通道的主要作用是火灾救援和消防疏散。目前，全国已批复建设轨道交通城市58个，规划总里程7305km，按照区间长600m左右修建1座联络通道，待建联络通道逾7000座。公路隧道、地下管廊、电力隧道联络通道建设数量未见具体统计数字，但建设数量较大是毋庸置疑的。当前，上述工程中联络通道的建设方法主要为浅埋暗挖法、冻结法。浅埋暗挖法主要适用于硬岩地质或无水稳定的地质条件，冻结法在有水软土地质、有水砂性土地质中普遍使用。但是，上述方法存在工期长、周边环境要求高、地层沉降大等问题，亟待解决。2017年12月以来，我公司联合设计单位、高校、装备设计制造单位及国内外有关咨询单位，对联络通道盾构法修建技术开展研究工作，从结构设计、基础理论、装备适应性研究及制造、土压平衡盾构法施工技术等方面进行技术攻关。经过近一年的努力，攻克了这一国内首创、国际领先的成套建造技术。该技术在宁波轨道交通3号线工程中率先应用，目前已完成3条通道的建造。依托该技术形成的施工工法，具有施工速度快、安全系数高、地层扰动小、成形隧道质量稳定等特点，社会效益与经济效益突出。
2盾构法联络通道小管片设计方案
2.1联络通道小管片断面结构及洞门接头防水
在宁波轨道交通3号线盾构法联络通道工程中，主隧道管片内径5．5m，外径6．2m，厚0．35m。联络通道管片内径2．65m，外径3．15m，厚0．25m，小于主隧道管片，为了便于区分，将其称为联络通道小管片（以下简称为小管片）。小管片采用错缝拼装，环缝与纵缝均采用M24弯螺栓进行连接，管片分为5块。
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2.2弱加固”技术
“弱加固”的提出主要是有别于冻结法、全断面加固法。通过局部注浆，止水注浆材料、配比试验等技术攻关，形成了“弱加固”综合技术。主要内容包括：主隧道壁后注浆加固、掘进前洞门深孔注浆微加固、掘进过程中管片壁后充填注浆、负环拆除前洞门止水注浆交叉型加固。主隧道壁后注浆加固是工前补充注浆，采用双液浆配比，其作用是填充主隧道施工土体扰动裂隙，填充同步注浆收缩空隙，增强土体受力的整体性和均匀性（图3）。掘进前洞门深孔微加固注浆选用单液浆配比，其作用是固结洞门周边土体，在始发阶段刀盘切除管片时减小地层扰动，防液化以及避免盾构机通过洞门后的栽头。掘进过程中的管片壁后充填注浆选用单液浆配比，其作用是及时填充刀盘开挖直径3290mm与管片外径3150mm之间形成的70mm环形间隙，即常规盾构中的同步注浆。拆除负环前洞门止水注浆采用实验配制的超细水泥双液浆实施，利用主隧道预留的8个注浆孔和联络通道洞门钢管片上预留的20个球形阀门注浆头。该球形阀门注浆头分布在洞门两环钢管片上。注浆时与主隧道注浆孔形成交叉，从而确保主隧道与联络通道接口位置的堵水效果。
2.3接缝张开量与错台量要求
由于联络通道外荷载的存在以及管片生产和施工时产生的误差，管片接缝处会发生张开与错台的现象，这对管片的防水能力有着直接影响。认为：弹性密封垫张开量最大值实际由隧道外荷载和纵向转向圆弧段等引起的张开量δ1、管片制作和实际拼装误差δ2以及邻近建筑物施工引起的张开量δ3组成。考虑到本工程联络通道不存在纵向转向圆弧段，也没有邻近建筑物施工，因而根据设计资料与工程实际要求，并结合管片沟槽尺寸限制，取耐水压力试验的接缝张开量为4mm。为继续探讨张开量与耐水压力的关系，将试验的张开量分为4mm、5mm和6mm3种工况。盾构隧道管片错台量一般取实际施工误差值以及长期不均匀沉降之和。中隧道管片错台的构成，本工程联络通道管片错台量是由管片尺寸公差与机械拼装精度组成，取错台量为2mm。
3有限元模型及计算参数设置
针对前述设计的阴阳凹凸断面与矩形断面，利用Abaqus/Explicit计算模块建立二维模型进行计算分析。由于混凝土的刚度远大于橡胶的刚度，故在计算时将管片沟槽视为刚体。遇水膨胀密封垫赋以超弹性材料，采用Mooney－Ｒivlin模型进行模拟，依据橡胶密封垫材料获得相应的C10和C01参数。计算工况设为压缩与膨胀2个阶段，模拟密封垫在拼装时产生的压缩状态以及施工完毕之后遇水发生膨胀的状态。橡胶膨胀率为250%时，其膨胀的过程考虑为完全膨胀，不考虑因部分遇水而产生部分膨胀的影响，通过设置温度场进行模拟。上下密封垫表面之间以及密封垫表面与沟槽表面之间分别设置接触对。在约束的设置方面，密封垫与沟槽之间设置为耦合约束，下部沟槽采用固定约束，通过调节上下沟槽的相对位置模拟不同的张开错台量。
4结束语
1）将遇水膨胀橡胶作为密封垫材料时，由于材料硬度低、质软，应简化密封垫断面形式，使生产简便，尽量避免采用在橡胶上开孔的断面形式。2）借助有限元方法对矩形断面、阴阳凹凸断面2种密封垫的接触应力进行计算，结果表明接触应力与张开量有关，接触面最大接触应力与平均接触应力均随着张开量的增加而减小。在同等张开、错台量下，不论是密封垫压缩阶段还是膨胀阶段，本文试验设计的矩形断面的密封垫接触应力大于阴阳凹凸断面密封垫。
参考文献：
[1]孙成伟，仇培云．广州地铁隧道联络通道冻结法施工技术研究［J］．现代隧道技术，2012，49（3）：161．
[2]刘建航，侯学渊．盾构法隧道［M］．北京：中国铁道出版社，1991．
[3]贺腾飞，刘建国．盾构隧道复合型密封垫压缩性能分析［J］．地下工程与隧道，2015（增刊）：29．
论文作者:蒙贤鸿
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
标签：管片论文; 断面论文; 隧道论文; 盾构论文; 通道论文; 密封垫论文; 耐水论文; 《基层建设》2019年第14期论文;