專利名稱：盾構(gòu)隧道管片接縫防水密封墊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于隧道工程領(lǐng)域，具體的是指一種接觸面上的接觸應(yīng)力分布均勻的 盾構(gòu)隧道管片接縫防水密封墊。
背景技術(shù)：
目前，盾構(gòu)隧道多采用鋼筋混凝土管片襯砌，管片接縫的防水措施最為重要。通常 接縫防水的對策是使用密封材料，歐洲主要采用非膨脹合成橡膠，靠彈性壓密，以接觸面壓 應(yīng)力來止水。密封墊密封的過程是橡膠體在彈性復原力作用下，在接觸表面產(chǎn)生較大的變 形，從而填充了接觸面上微觀上的凸凹不平，阻止液體在接觸間隙中的流動，達到密封的目 的。裝在混凝土管片溝槽中的橡膠密封墊受壓縮時，便對初始接觸面產(chǎn)生彈性復原應(yīng)力^ ； 當其受到液體壓力作用時，也將在接觸面上產(chǎn)生附加應(yīng)力弋，這與填充理論自封作用相似。 如附圖1所示，圖中標號1為密封槽，2標示彈性密封材料，為密封墊彈性復原應(yīng)力，弋密 封墊自封作用在接觸面上產(chǎn)生的附加應(yīng)力，乙為作用于管片上的水壓。接觸面總的應(yīng)力/7 為P=P^P1當P〉a P= a (P^P1) = α φ=Ρ0+βΡ0)時，即發(fā)生滲漏。式中〃、A為橡膠密封墊系數(shù)，由實驗和工程經(jīng)驗確定，其中α與密封材料的材 質(zhì)、耦合面表面狀況有關(guān)，β與材料硬度、斷面形式相關(guān)。密封墊每米完全被壓縮到管片溝槽中所需要的力定義為閉合壓縮力，施工經(jīng)驗表 明閉合壓縮力過大時將影響管片拼裝質(zhì)量，其中封頂塊尤為突出。封頂塊在頂進最后幾厘 米時兩側(cè)摩擦力過大，容易將密封墊擠壓扯斷帶出，甚至可能出現(xiàn)頂不進去，要靠松動鄰接 塊螺栓強行頂進，這使得拼裝的環(huán)不是圓，管片張開量、錯縫量都劇增，影響防水效果。盾構(gòu) 隧道密封墊設(shè)計時，一般要求閉合壓縮力不超過60ΚΝ。為滿足防水壓力要求，密封墊接觸應(yīng)力越大越好；同時，為了減小拼裝誤差，控制 管片的張開量、錯縫量要求閉合壓縮力越小越好。計算和試驗數(shù)據(jù)表明，接觸應(yīng)力與閉合壓 縮力在一定范圍內(nèi)成近似正比關(guān)系，接觸應(yīng)力提高一般會導致閉合壓縮力提高，這是非膨 脹橡膠密封墊設(shè)計的矛盾所在，需要通過優(yōu)化找到二者間的平衡點。在橡膠材質(zhì)一定情況 下，斷面形式是影響接觸應(yīng)力和閉合壓力的關(guān)鍵因素之一。要想接觸應(yīng)力足夠大，同時閉合 壓縮力不超標，必須不斷調(diào)整密封墊斷面形式。目前，在密封墊斷面形式設(shè)計中，未考慮接 觸應(yīng)力與閉合壓縮力兩項指標的最優(yōu)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提出一種盾構(gòu)隧道管片接縫 防水密封墊，考慮接觸應(yīng)力與閉合壓縮力兩項指標的最優(yōu)化，合理設(shè)計了密封墊的斷面結(jié) 構(gòu)，采用數(shù)值模擬、室內(nèi)實驗、現(xiàn)場施工等手段進行驗證，密封墊接觸面上的接觸應(yīng)力分布 均勻，能有效解決應(yīng)力集中問題，不影響管片拼裝質(zhì)量，滿足隧道工程中防水壓力要求。[0009]本實用新型的目的實現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成一種盾構(gòu)隧道管片接縫防水密封墊，具有中孔型斷面，斷面的頂邊與底邊平行，左 右兩側(cè)邊對稱，該密封墊斷面下方設(shè)置有若干條梳齒狀凸起，在所述梳齒狀凸起上方設(shè)置 有若干圓孔，所述圓孔呈一條弧線狀排列，所述圓孔以及梳齒狀凸起均對稱于斷面中軸線 分布。上述梳齒狀凸起在斷面底邊上的寬度相同。密封墊斷面是在梳齒狀凸起方向上的斷面中軸線不經(jīng)過圓孔或梳齒狀凸起。上述圓孔直徑與該圓孔圓心到梳齒狀凸起方向上的斷面中軸線之間的距離大小 成正比。密封墊斷面?zhèn)冗呌梢粓A弧曲線與一直線構(gòu)成，側(cè)邊上部為圓弧曲線，側(cè)邊下部為 直線，側(cè)邊中點為所述圓弧曲線與直線的交合點。上述防水密封墊為三元乙丙橡膠密封墊。本實用新型的優(yōu)點是，本實用新型密封墊設(shè)計有接觸應(yīng)力和閉合壓縮力二者達到 平衡的斷面形式，一方面使接觸應(yīng)力滿足防水壓力要求，另一方面，使閉合壓縮力盡量小， 管片拼裝質(zhì)量得到保證。密封墊接觸面上的接觸應(yīng)力分布均勻，能有效解決應(yīng)力集中問題， 其耐久性更好。

圖1為密封墊表面接觸應(yīng)力示意圖；圖2為梳形密封墊斷面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為梯形I II密封墊斷面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為梯形II密封墊斷面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為中孔形密封墊斷面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實用新型密封墊斷面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖通過實施例對本實用新型特征及其它相關(guān)特征作進一步詳細說明， 以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解附圖1-6中標號1-12代表的是密封槽1、彈性密封材料2、遇水膨脹橡膠3、氯丁橡 膠4、三元乙丙橡膠5、頂邊6、底邊7、圓弧曲線8、直線9、梳齒狀凸起(梳齒)10、圓孔11、斷 面中軸線12。在橡膠材質(zhì)一定情況下，斷面形式是影響接觸應(yīng)力和閉合壓力的關(guān)鍵因素之一。 非膨脹橡膠密封墊斷面形式較早以方形為主，發(fā)展過程中曾出現(xiàn)了多種形式，如歐洲國家 的“謝斯菲爾德”型(即中孔形)、“安特衛(wèi)普”型、“慕尼黑”型(即梳形)。目前工程中使 用較多的斷面形式有三種梯形、梳形和中孔形，見附圖2-圖5，其材質(zhì)多為三元乙丙橡膠 5、遇水膨脹橡膠3與三元乙丙橡膠5、或遇水膨脹橡膠3與氯丁橡膠4的結(jié)合。要想接觸應(yīng) 力足夠大，同時閉合壓縮力不超標，必須不斷調(diào)整密封墊斷面形式。目前，在密封墊斷面形 式設(shè)計中，未考慮接觸應(yīng)力與閉合壓縮力兩項指標的最優(yōu)。本實用新型對比了各類斷面形式，得出中孔型斷面形式接觸應(yīng)力和閉合壓力兩項指標能更好得到滿足。通過不斷調(diào)整中孔型斷面幾何線型尺寸、孔洞數(shù)量和位置，得到了本 實用新型斷面形式，見附圖6。并采用數(shù)值模擬、室內(nèi)實驗、現(xiàn)場施工等手段進行了驗證，其 防水壓力滿足0. 6Mpa要求，閉合壓力小于60KN，適用于城市地鐵中隧道埋深小等于20m的
隧道工程。借助有限元數(shù)值方法進行彈性密封墊壓縮非線性模擬和輔助設(shè)計，確定初步斷面 形式。再運用初步斷面形式加工室內(nèi)實驗試件，用“T”字縫和“一”字縫水密性實驗檢驗其 防水能力，用壓縮變形實驗測定其閉合壓縮力，如此循環(huán)，直到兩項指標都滿足要求。本實 用新型就是經(jīng)過多次計算、實驗循環(huán)，最終確定的兩項指標都滿足要求的合理斷面形式。如附圖6所示，為本實用新型密封墊斷面結(jié)構(gòu)示意圖。在本實施例中，密封墊為三 元乙丙橡膠密封墊。密封墊斷面形式設(shè)計指標為設(shè)計防水壓力大于0. 6Mpa,閉合壓縮力 小于60KN。由圖6可見，密封墊具有中孔型斷面，斷面的頂邊6與底邊7平行，左右兩側(cè)邊對 稱，斷面下方設(shè)置有若干條梳齒狀凸起10。斷面頂邊寬30mm，底邊寬32mm，高度為16mm。 斷面的頂邊6與底邊7平行，左右兩側(cè)邊對稱。在本實施例中，密封墊具有四條梳齒狀凸起 10，梳齒10厚度均勻、線形過渡平滑，梳齒10在斷面底邊7上的寬度相同。在梳齒10上方 設(shè)置有四個圓孔11，圓孔為一排，呈一條弧線狀排列，圓孔11直徑與該圓孔圓心到梳齒狀 凸起方向上的斷面中軸線12之間的距離大小成正比。圓孔11以及梳齒10均對稱于斷面 中軸線11分布。在梳齒狀凸起方向上的斷面中軸線12不經(jīng)過圓孔11或梳齒狀凸起10。密封墊斷面的頂邊6與底邊7平行，左右兩側(cè)邊對稱，斷面?zhèn)冗呌梢粓A弧曲線8與 一直線9構(gòu)成，側(cè)邊上部為圓弧曲線8，側(cè)邊下部為直線9，側(cè)邊中點為所述圓弧曲線與直線 的交合點。其中，圓弧曲線的半徑為18mm。四個圓孔中，鄰近斷面?zhèn)冗叺膬蓤A孔直徑為5. 5mm，兩圓心間距為23. 6mm ；其余 兩圓孔直徑為6mm，兩圓心間距為8. 6mm。直徑為6mm的圓孔距斷面上頂邊為5mm，直徑為 5. 5mm的圓孔距斷面上頂邊為6. 8mm。即相對小的圓孔設(shè)置位置偏下。密封墊材質(zhì)應(yīng)為三元乙丙橡膠5，橡膠材質(zhì)硬度為62 土 3度(邵爾A)，斷面加工精 度應(yīng)符合規(guī)范控制要求。當隧道管片拼裝質(zhì)量較差導致管片張開量在6mm以內(nèi)、錯縫量在IOmm以內(nèi)時，密 封墊防水性能同樣能滿足0. 6Mpa的設(shè)計防水壓力要求。安裝使用時，首先根據(jù)隧道工程具體情況，確定接縫防水密封墊類型，如若采用非 膨脹橡膠密封墊，隧道埋深小等于20m時，可直接運用該斷面形式；當埋深大于20m時，可增 大斷面高度，再結(jié)合有限元模擬計算、室內(nèi)實驗等方法，確定符合設(shè)計防水壓力及閉合壓縮 力兩項控制指標的斷面新高度，以改變高度后的斷面加工密封墊。另外，斷面加工精度要按 規(guī)范進行檢驗控制；三元乙丙橡膠硬度要控制在62 + 3度(邵爾A)。采用本實用新型斷面形式的密封墊，能滿足埋深小等于20m的地鐵盾構(gòu)隧道防水 需求，且管片拼裝誤差控制在張開量為6mm、錯縫量為IOmm以內(nèi)時，防水性能同樣能滿足 20m埋深隧道的需求。本實用新型斷面形式屬于大孔型斷面，較之其它中孔型斷面其加工精度更容易得 到控制。密封墊接觸面上的接觸應(yīng)力分布均勻，能有效解決應(yīng)力集中問題，其耐久性更好。
權(quán)利要求1.一種盾構(gòu)隧道管片接縫防水密封墊，具有中孔型斷面，斷面的頂邊與底邊平行，左右 兩側(cè)邊對稱，其特征是該密封墊斷面下方設(shè)置有若干條梳齒狀凸起，在所述梳齒狀凸起上 方設(shè)置有若干圓孔，所述圓孔呈一條弧線狀排列，所述圓孔以及梳齒狀凸起均對稱于斷面 中軸線分布。
2.如權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道管片接縫防水密封墊，其特征是所述梳齒狀凸起 在斷面底邊上的寬度相同。
3.如權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道管片接縫防水密封墊，其特征是該密封墊斷面是 在梳齒狀凸起方向上的斷面中軸線不經(jīng)過圓孔或梳齒狀凸起。
4.如權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道管片接縫防水密封墊，其特征是所述圓孔直徑與 該圓孔圓心到梳齒狀凸起方向上的斷面中軸線之間的距離大小成正比。
5.如權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道管片接縫防水密封墊，其特征是所述密封墊斷面 側(cè)邊由一圓弧曲線與一直線構(gòu)成，側(cè)邊上部為圓弧曲線，側(cè)邊下部為直線，側(cè)邊中點為所述 圓弧曲線與直線的交合點。
6.如權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道管片接縫防水密封墊，其特征是所述防水密封墊 為三元乙丙橡膠密封墊。
專利摘要本實用新型屬于隧道工程領(lǐng)域，具體的是指一種盾構(gòu)隧道管片接縫防水密封墊，密封墊斷面下方設(shè)置有若干條梳齒狀凸起，在所述梳齒狀凸起上方設(shè)置有若干圓孔，所述圓孔以及梳齒狀凸起均對稱于斷面中軸線分布。密封墊斷面的頂邊與底邊平行，左右兩側(cè)邊對稱，斷面?zhèn)冗呌梢粓A弧曲線與一直線構(gòu)成，側(cè)邊上部為圓弧曲線，側(cè)邊下部為直線，側(cè)邊中點為所述圓弧曲線與直線的交合點。本實用新型的優(yōu)點是，本實用新型密封墊設(shè)計有接觸應(yīng)力和閉合壓縮力二者達到平衡的斷面形式，一方面使接觸應(yīng)力滿足防水壓力要求，另一方面，使閉合壓縮力盡量小，管片拼裝質(zhì)量得到保證。密封墊接觸面上的接觸應(yīng)力分布均勻，能有效解決應(yīng)力集中問題，其耐久性更好。
文檔編號E21D11/38GK201857980SQ20102015739
公開日2011年6月8日 申請日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者何太洪, 向科, 周順華, 宮全美 申請人:同濟大學