一种盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法及应用

本发明涉及盾构隧道橡胶密封垫，具体涉及一种盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法及应用。

背景技术：

1、盾构隧道由于其独特的预制装配式结构，存在非常多的接缝构造(渗漏通道)：纵缝(管片之间的缝隙)和环缝(衬砌环之间的缝隙)。这就要求接缝处的防水能力得到有效保证。盾构隧道接缝处的主要防水结构为弹性橡胶密封垫，地下水通常是由密封垫外侧渐进向内侧渗漏，通过密封垫-密封垫、密封垫-混凝土沟槽间的挤压产生较大的接触应力从而抵御外水压的侵入。密封垫的防水能力一般由室内防水试验可以测得，但这会耗费大量的时间和费用，而且往往会出现较大的试验误差。因此，目前业界内大多学者更愿意采取数值模拟的方式计算得到密封垫的防水能力。现有模拟方法主要有以下几种：接触应力判别法[1]、msm+fpp[2]、cel[3]、python语言与abaqus有限元软件的二次编程相结合的方法[4]。虽然现存有较多的模拟方法，但都有一定的局限性。

2、原始的接触应力判别法只考虑了装配挤压和常规静止侧水压对防水垫片的作用，忽略了渗水加压对自密封效果的增强，未能揭示渗水过程的动态演化；msm+fpp方法只考虑了密封垫间发生渗漏的通道，未考虑密封垫与管片沟槽间发生渗漏的通道，计算过程相当耗时且难以收敛；cel方法虽然建模更接近实际情况，但构造相当复杂，计算过程极为耗时且难以收敛，特别是当密封垫过度变形时，很可能发生穿透；python语言与abaqus有限元软件的二次编程相结合的方法，需要采用python语言进行二次开发，模拟过程分较多步骤，较为繁琐；未考虑密封垫与混凝土沟槽间的渗漏通道。

3、因此，有必要提出一种新型的能够快速高效、不用担心收敛问题、可考虑盾构隧道接缝密封垫多接触界面渐进渗漏的模拟方法，实现盾构隧道接缝橡胶密封垫防水能力快捷畅通的预测，为盾构隧道的设计提供新举措。

4、参考文献：

5、[1]gong,c.,ding,w.,soga,k.,mosalam,k.,tuo,y.,2018b.sealant behaviorof gasketed segmental joints in shield tunnels:an experimental and numericalstudy.tunnelling underground space technology,77,127-141.

6、[2]gong,c.,ding,w.,2018a.acomputational framework to predict thewater-leakage pressure of segmental joints in underwater shield tunnels usingan advanced finite element method.international journal for numerical andanalytical methods in geo-mechanics 42,1957-1975.

7、[3]zhou,w.,liao,s.,men,y.,2021.a fluid-solid coupled modeling onwater seepage through gasketed joint of segmented tunnels.tunnelling andunderground space technology,114,104008.

8、[4]yan,q.,zhong,h.,zhang,c.,zhao,z.,wen,y.,wang,p.,2023.novelnumerical model to simulate water seepage through segmental gasketed jointsof underwater shield tunnels considering the superimposed seepage squeezingeffect.underground space 13,104-120.

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的未考虑密封垫与管片沟槽间的渗漏、计算繁琐耗时且难以收敛等问题，本发明提供了一种盾构隧道管片接缝橡胶密封垫防水能力评估方法及应用，采用有限元软件abaqus及其中vdload子程序对密封垫渗漏情况进行数值模拟，建立密封垫防水能力预测模型对渗漏破坏极限水压进行预测。

2、vdload是abaqus的一个显式子程序，可以用于有限元分析中的负荷施加，对结构进行一定的负载，模拟实际工作条件下的受力情况，使其施加的力的大小和作用位置可以随着分析时间进行相应的移动，这与水压作用于密封垫防水结构发生渐进渗漏时的情形相同，因此可以将其运用于盾构隧道接缝密封垫多接触界面渗漏的模拟。

3、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、一种盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法，包括如下步骤：

5、s1：根据实际工程建立管片接缝密封垫防水结构仿真模型；

6、所述仿真模型包括第一管片和第二管片，在第一管片和第二管片上相对应的两个沟槽之间设有两块完全相同的密封垫，所述两个密封垫的一个端面相互密贴，另一个端面分别与所述两个沟槽密贴；

7、需要说明的是，s1中，所述两块完全相同的密封垫，是指形状、结构、材质均相同的两块密封垫。

8、s2：根据实际工况设置管片相对位移；

9、在仿真模型中，约束第一管片使其不发生位移，同时根据实际工况调整第二管片相对第一管片的相对位移；

10、需要说明的是，s2中，第一管片和第二管片的相对位移，包括纯张开(δp)、错台(δs)、转角(δθ)中的任意一种或多种组合，其中转角分为正转角和负转角两种(正转角是指第一管片和第二管片在接缝内部打开、在接缝外部关闭，反之为负转角)。

11、s3：采用数值模拟法确定密封垫-密封垫接触界面的渗漏破坏水压；

12、采用abaqus软件中的vdload子程序在所述仿真模型中沿密封垫-密封垫接触界面从外向内(即由隧道外侧向隧道内侧)渐进施加恒定水压进行数值模拟，使密封垫-密封垫接触界面发生渗漏破坏；按照二分法的原则在水压为范围内任选水压进行数值模拟，直至压差小于等于阈值y(y≤0.01mpa)时，选择不渗漏时的水压作为渗漏破坏水压

13、需要说明的是，s3中，沿密封垫-密封垫接触界面从外向内渐进施加恒定水压或的过程为：设定密封垫未受到水压作用的状态作为初始状态(第二管片和第一管片具有相对位移)，设定密封垫-密封垫接触界面发生渗漏破坏时的状态作为最终状态，设定初始状态时密封垫-密封垫界面外侧端点位置为起始加力位置横坐标x＝ar，设定最终状态时密封垫-密封垫接触界面内侧端点位置为终止加力位置横坐标x＝br，且br＝ar+lr+xr，其中lr为初始状态时密封垫-密封垫接触界面的宽度，xr为最终状态时密封垫-密封垫接触界面内侧端点的位移量，同时设定时间步长为tr，则水压沿密封垫-密封垫接触界面从外向内渐进施加的速度vr＝(br-ar)/tr。

14、需要说明的是，s3中，密封垫-密封垫接触界面的渗漏破坏判断标准为：两块密封垫完全分离，即互不接触。

15、s4：采用数值模拟法确定密封垫-沟槽接触界面的渗漏破坏水压；

16、采用vdload子程序在所述仿真模型中沿密封垫-沟槽接触界面从外向内渐进施加恒定水压进行数值模拟，使密封垫-沟槽接触界面发生渗漏破坏；按照二分法的原则在水压为范围内任选水压进行数值模拟，直至压差小于等于阈值y(y≤0.01mpa)时，选择不渗漏时的水压作为渗漏破坏水压

17、需要说明的是，s4中，沿密封垫-沟槽接触界面从外向内渐进施加恒定水压或的过程为：设定密封垫未受到水压作用的状态作为初始状态(第二管片和第一管片具有相对位移)，设定密封垫-沟槽接触界面发生渗漏破坏时的状态作为最终状态，设定初始状态时密封垫-沟槽接触界面外侧端点位置为起始加力位置横坐标x＝ag，设定最终状态时密封垫-沟槽接触界面内侧端点位置为终止加力位置横坐标x＝bg，且bg＝ag+lg+xg，其中lg为初始状态时密封垫-沟槽接触界面的宽度，xg为最终状态时密封垫-沟槽接触界面内侧端点的位移量，同时设定时间步长为tg，则水压沿密封垫-密封垫接触界面从外向内渐进施加的速度vg＝(bg-ag)/tg。

18、需要说明的是，密封垫-沟槽接触界面的渗漏破坏判断标准为：密封垫的柱脚与沟槽间完全分离，即与沟槽无接触、不再具有接触应力以防止水压侵入。

19、经过大量防水试验和渗漏模拟可知，密封垫发生渗漏绝大部分都是在密封垫间接触界面发生的渗漏，密封垫与沟槽间发生渗漏的情况较少，一般会出现在张开量较大和有错台时，无论是密封垫间发生渗漏，还是密封垫与沟槽间发生渗漏，采用本发明方法均能考虑，因而预测模拟结果更加准确。

20、s5：确定密封垫防水能力(渗漏破坏的极限水压)；

21、将s3所得密封垫-密封垫接触界面的破坏水压和s4所得密封垫-沟槽接触界面的破坏水压中的较小值作为密封垫的防水能力(渗漏破坏的极限水压)pwlim。

22、一种盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法，在应用时，针对任一种形状、结构相同的密封垫，选择不同材质(弹性模量)的密封垫，同时设定不同的管片相对位移，组成多种不同的模拟工况；采用数值模拟法确定每种模拟工况下密封垫的防水能力(渗漏破坏的极限水压)pwlim，采用回归分析法建立pwlim随不同模拟工况的变化关系，将该变化关系作为相应形状、结构密封垫的防水能力预测模型；根据实际工程中的管片相对位移和密封垫材料类型(包括形状、结构、材质)，采用防水能力预测模型对密封垫的防水能力(渗漏破坏的极限水压)进行预测。

23、需要说明的是，所述密封垫防水能力预测模型按式(1)建立：

24、

25、式中：pwlim为密封垫的防水能力，k1～k5均为待定系数，e0为密封垫的杨氏模量，δp为接缝的张开量，δs为接缝的错台量。

26、当管片存在相对转角位移θ时，将δp替换成δp+δpθ，其中δpθ为由于相对转角产生的张开量(可根据管片接缝构造进行计算)，即：将接缝相对转角对密封垫防水能力的影响转化为其对接缝张开量的影响。

27、需要说明的是，对于实施例2中的密封垫，得到的密封垫防水能力预测模型按式(2)建立：

28、

29、本发明的技术原理为：采用abaqus有限元软件中的显式子程序vdload，实现水压沿密封垫-密封垫间接触界面(垫-垫界面)、密封垫-混凝土沟槽接触界面(垫-槽界面)的渐进施加，通过定义作用在接触界面上的水压大小以及与之相应的水压路径，来模拟真实情况下密封垫多接触界面渗漏的过程，继而确定沿垫-垫界面的渗漏水压和沿垫-槽界面的渗漏水压通过比较与的大小即可获得密封垫的防水能力pwlim。

30、与现有技术相比，本发明能带来如下有益效果：

31、1)与以往的密封垫渗漏的数值模拟不同，本发明技术方案创新性地使用abaqus的显式子程序vdload对接触界面进行渐进水压施加，能够动态考虑渗水加压对密封垫密封效果的增强，克服了以往诸如接触应力判别法、msm+fpp方法、cel方法、python语言与abaqus有限元软件的二次编程相结合的方法等不合理、容易出现收敛问题、建模繁琐复杂、模拟过程耗时费力等局限性，可实现单工况一次性渗漏模拟，大大缩短了计算时间、提高了计算效率、模拟结果较为准确。

32、2)考虑了密封垫与密封垫间、密封垫与沟槽间两个接触界面的渗漏，更加完备地考虑了密封垫发生渗漏的各种情况，适用于任何形式的密封垫截面，能够较为准确地预测密封垫的防水能力。

33、3)本发明根据数值模拟结果，建立了在形状、结构相同时，不同材质密封垫在不同管片相对位移时的防水能力预测模型，根据实际工程中的管片相对位移和密封垫材料类型，采用该模型可以对密封垫的防水能力进行预测，该预测方法准确性较高，具有较大的工程应用价值。

技术特征：

1.一种盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法，其特征在于：s1中，所述两块完全相同的密封垫，是指形状、结构、材质均相同的两块密封垫。

3.如权利要求1所述的盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法，其特征在于：s2中，第二管片和第一管片的相对位移，包括纯张开、错台、转角中的任意一种或多种组合。

4.如权利要求1所述的盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法，其特征在于：s3中，沿密封垫-密封垫接触界面从外向内渐进施加恒定水压或的过程为：设定密封垫未受到水压作用的状态作为初始状态，设定密封垫-密封垫接触界面发生渗漏破坏时的状态作为最终状态，设定初始状态时密封垫-密封垫界面外侧端点位置为起始加力位置横坐标x＝ar，设定最终状态时密封垫-密封垫接触界面内侧端点位置为终止加力位置横坐标x＝br，且br＝ar+lr+xr，其中lr为初始状态时密封垫-密封垫接触界面的宽度，xr为最终状态时密封垫-密封垫接触界面内侧端点的位移量，同时设定时间步长为tr，则水压沿密封垫-密封垫接触界面从外向内渐进施加的速度vr＝(br-ar)/tr。

5.如权利要求1所述的盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法，其特征在于：s4中，沿密封垫-沟槽接触界面从外向内渐进施加恒定水压或的过程为：设定密封垫未受到水压作用的状态作为初始状态，设定密封垫-沟槽接触界面发生渗漏破坏时的状态作为最终状态，设定初始状态时密封垫-沟槽接触界面外侧端点位置为起始加力位置横坐标x＝ag，设定最终状态时密封垫-沟槽接触界面内侧端点位置为终止加力位置横坐标x＝bg，且bg＝ag+lg+xg，其中lg为初始状态时密封垫-沟槽接触界面的宽度，xg为最终状态时密封垫-沟槽接触界面内侧端点的位移量，同时设定时间步长为tg，则水压沿密封垫-密封垫接触界面从外向内渐进施加的速度vg＝(bg-ag)/tg。

6.如权利要求1所述的盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法，其特征在于：s3中，密封垫-密封垫接触界面的渗漏破坏判断标准为：两块密封垫完全分离。

7.如权利要求1所述的盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法，其特征在于：s4中，密封垫-沟槽接触界面的渗漏破坏判断标准为：密封垫的柱脚与沟槽间完全分离。

8.如权利要求1-7任一项所述的盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法，其特征在于：在应用时，针对任一种形状、结构相同的密封垫，选择不同材质的密封垫，同时设定不同的管片相对位移，组成多种不同的模拟工况；采用数值模拟法确定每种模拟工况下密封垫的防水能力pwlim，采用回归分析法建立pwlim随不同模拟工况的变化关系，将该变化关系作为相应形状、结构密封垫的防水能力预测模型；根据实际工程中的管片相对位移和密封垫类型，采用防水能力预测模型对密封垫的防水能力进行预测。

9.如权利要求8所述的盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法的应用，其特征在于：所述密封垫防水能力预测模型按式(1)建立：

技术总结
本发明涉及盾构隧道密封垫，公开一种盾构隧道管片接缝密封垫防水能力评估方法及应用，包括：建立管片接缝密封垫防水结构仿真模型；采用ABAQUS有限元软件中的VDLOAD子程序进行数值模拟，确定密封垫‑密封垫接触界面和密封垫‑混凝土沟槽接触界面的渗漏破坏水压，取二者中的较小值作为密封垫防水结构防水能力P<subgt;Wlim</subgt;。此外，本发明还提出防水能力预测模型对实际工程中的密封垫防水能力进行预测。本发明创新性地使用VDLOAD子程序模拟密封垫渗漏水压的渐进施加，具有与实际密封垫张开渗漏情况贴合、容易收敛、建模方便快捷、适用于各种截面等优势，考虑了密封垫与沟槽间的渗漏，大幅缩短了计算时间、提高了计算效率、模拟结果较为准确。

技术研发人员：龚琛杰,程明进,朱合华,丁文其
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23