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1、盾构密封垫材质选型试验研究摘要:以成都地铁1号线盾构隧道管片密封垫材质选型为背景,对非膨胀型与复合型两类密封垫的特性进行了对比,通过水密性试验、应力松弛和蠕变试验研究了两类密封垫的防水性能。根据试验结果,推荐成都地铁1号线盾构隧道采用单一非膨胀型密封垫。关键词:盾构隧道;弹性密封垫;遇水膨胀橡胶1工程概况成都地铁1号线工程范围内地下水系为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。以孔隙潜水为主,主要埋藏于砂卵石地层中,地下水位埋藏较浅,水量丰富,渗透系数K=15～40m/d,补给来源为大气降水和地表河流、沟渠。基岩裂隙水主要赋存于泥岩风化裂隙带中,含水层厚20m左右,渗透系数K=0.3～1
2、.2m/d,裂隙水不发达,迳流条件差,主要为孔隙潜水补给。这样的工程地质和水文地质条件对盾构隧道防水提出了很高的要求。尽管不同国家根据不同地质条件与不同类型的盾构管片而采用不同的防水方法,但都公认以接头面的密封为主要防线,目前广泛采用弹性密封防水[1￣2],这在水压高的地层中使用,效果更好[3]。因此弹性密封垫作为隧道的首道防水线处于十分重要的地位。本文针对成都地铁1号线工程,对其盾构隧道管片接缝密封垫的材质选型进行了研究,并为今后相似地质与水文条件地区的工程提供参考。2常见密封垫材质和结构型式按材质的不同,盾构隧道橡胶密封垫可分为非膨胀型与遇水膨胀型两类。结构形式上橡胶密封垫可分为
3、单一材料制品和复合型制品,目前德国及欧洲部分国家仍使用以三元乙丙(早期为氯丁橡胶)为主的橡胶密封垫,日本以遇水膨胀橡胶为主,我国也有采用由两种材料构成的复合断面[4￣5]。2.1遇水膨胀橡胶密封垫遇水膨胀橡胶(WaterSwellingRubber)密封垫是近年来开发应用的新型防水材料(见图1),它是在橡胶或弹性塑料的基础上引入吸水组分制备的新型防水止水材料,其持点是保持了原有弹性止水材料的力学和弹性性能,增加了吸水膨胀功能。因吸水性树脂等膨胀材料的品种差异、膨胀后氯丁橡胶等基材的长期强度与变形性能的下降以及膨胀剂的溶出和膨胀压性能的低下等原因,实际使用中遇水膨胀材料的性能难以达到预
4、期效果。遇水膨胀橡胶其膨胀的方向性、膨胀材料的析出等问题,易使其止水密封压力降低,导致止水效果下降甚至失效。如何克服析出物多的问题,一直是困扰研制开发者的难题。同时,大膨胀率橡胶的耐久性同样也有待验证。2.2非膨胀型橡胶密封垫非膨胀橡胶密封垫(见图2)主要利用橡胶本身的弹性复原力密封止水,4以耐久性见长。在欧洲,盾构隧道接缝防水是以非膨胀橡胶为主流,其材质有氯丁橡胶和三元乙丙橡胶等。这些橡胶作为防水密封材料已有几十年的历史,对其应力状态和长期耐水性已有充分的研究评价。2.3复合型密封垫常见的复合型密封垫(见图3)是在非膨胀橡胶密封垫表面加覆膨胀橡胶,即在橡胶生产过程中,非膨胀橡胶与膨
5、胀橡胶经过相同的工艺流程,硫化挤出成型,这样,复合型橡胶密封垫便拥有弹性压密止水与膨胀止水的双重功效。主要采用两种方式来达到两者之间的复合:一种是采用特殊的弹性橡胶密封垫的构造形式,将遇水膨胀橡胶直接嵌入非膨胀弹性橡胶密封垫表面;另一种是以模压的形式,将遇水膨胀橡胶与非膨胀橡胶同时硫化成型,从而构成复合型弹性橡胶密封垫。3密封垫防水试验研究考虑单一遇水膨胀橡胶的析出物及耐久性问题,不建议在成都地铁的富水条件下采用。而对于非膨胀橡胶密封垫和复合型密封垫,将通过试验来确定哪一种更适合成都地铁的盾构密封垫材质及结构形式。3.1试验概况根据管片密封垫凹槽尺寸,并考虑成都地铁盾构隧道的地质、水
6、文条件和设计水压力,设计并制作了两种形式的密封条用于试验研究,其断面如图4所示,(a)为内嵌遇水膨胀橡胶条的复合型密封垫断面图,(b)为单一非膨胀橡胶密封垫断面图。这种中孔形断面有利于弹性复原力的永久保持,对接缝张开和错位有较好的适应性,压缩时所需顶推力也较小,是目前世界各国盾构密封垫的常用断面形式。密封垫防水特性的试验主要有水密性试验、蠕变与应力松弛试验、老化试验等。对于遇水膨胀密封垫,还有材质质量变化率等相关试验[6]。为进行材质及结构形式比选,拟进行水密性和蠕变(应力松弛)试验。3.2水密性试验通过对密闭成框形的弹性密封垫的一字缝、T字缝进行水密性试验,可模拟管片环缝、纵缝张开
7、及错位情况下,密封垫的短期抗水压能力。试验内容见表1。3.2.2试验方法及步骤(1)不错缝试验将试件放在涂有氯丁橡胶的模具凹槽中,用螺栓紧固模具上下两块模板至完全密合(管片张开量为0mm),然后用手动试压泵加水压,待排净空气,关闭排气孔阀门。加压到设计最大水压。若压力在2h内不降,则增加模具圆板之间的张开量达到1mm,若压力在设计最大水压下仍能稳定2h而不降,则继续加大模具板之间的张开量到2mm、3mm(每次增加量为1mm)……4,直至压力达不到设计最大水
