专利名称：盾构隧道管片接缝防水密封垫的制作方法
技术领域：
本实用新型属于隧道工程领域，具体的是指一种接触面上的接触应力分布均勻的 盾构隧道管片接缝防水密封垫。
背景技术：
目前，盾构隧道多采用钢筋混凝土管片衬砌，管片接缝的防水措施最为重要。通常 接缝防水的对策是使用密封材料，欧洲主要采用非膨胀合成橡胶，靠弹性压密，以接触面压 应力来止水。密封垫密封的过程是橡胶体在弹性复原力作用下，在接触表面产生较大的变 形，从而填充了接触面上微观上的凸凹不平，阻止液体在接触间隙中的流动，达到密封的目 的。装在混凝土管片沟槽中的橡胶密封垫受压缩时，便对初始接触面产生弹性复原应力^ ； 当其受到液体压力作用时，也将在接触面上产生附加应力弋，这与填充理论自封作用相似。 如附图1所示，图中标号1为密封槽，2标示弹性密封材料，为密封垫弹性复原应力，弋密 封垫自封作用在接触面上产生的附加应力，乙为作用于管片上的水压。接触面总的应力/7 为P=P^P1当P〉a P= a (P^P1) = α φ=Ρ0+βΡ0)时，即发生渗漏。式中〃、A为橡胶密封垫系数，由实验和工程经验确定，其中α与密封材料的材 质、耦合面表面状况有关，β与材料硬度、断面形式相关。密封垫每米完全被压缩到管片沟槽中所需要的力定义为闭合压缩力，施工经验表 明闭合压缩力过大时将影响管片拼装质量，其中封顶块尤为突出。封顶块在顶进最后几厘 米时两侧摩擦力过大，容易将密封垫挤压扯断带出，甚至可能出现顶不进去，要靠松动邻接 块螺栓强行顶进，这使得拼装的环不是圆，管片张开量、错缝量都剧增，影响防水效果。盾构 隧道密封垫设计时，一般要求闭合压缩力不超过60ΚΝ。为满足防水压力要求，密封垫接触应力越大越好；同时，为了减小拼装误差，控制 管片的张开量、错缝量要求闭合压缩力越小越好。计算和试验数据表明，接触应力与闭合压 缩力在一定范围内成近似正比关系，接触应力提高一般会导致闭合压缩力提高，这是非膨 胀橡胶密封垫设计的矛盾所在，需要通过优化找到二者间的平衡点。在橡胶材质一定情况 下，断面形式是影响接触应力和闭合压力的关键因素之一。要想接触应力足够大，同时闭合 压缩力不超标，必须不断调整密封垫断面形式。目前，在密封垫断面形式设计中，未考虑接 触应力与闭合压缩力两项指标的最优。
发明内容本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足之处，提出一种盾构隧道管片接缝 防水密封垫，考虑接触应力与闭合压缩力两项指标的最优化，合理设计了密封垫的断面结 构，采用数值模拟、室内实验、现场施工等手段进行验证，密封垫接触面上的接触应力分布 均勻，能有效解决应力集中问题，不影响管片拼装质量，满足隧道工程中防水压力要求。[0009]本实用新型的目的实现由以下技术方案完成一种盾构隧道管片接缝防水密封垫，具有中孔型断面，断面的顶边与底边平行，左 右两侧边对称，该密封垫断面下方设置有若干条梳齿状凸起，在所述梳齿状凸起上方设置 有若干圆孔，所述圆孔呈一条弧线状排列，所述圆孔以及梳齿状凸起均对称于断面中轴线 分布。上述梳齿状凸起在断面底边上的宽度相同。密封垫断面是在梳齿状凸起方向上的断面中轴线不经过圆孔或梳齿状凸起。上述圆孔直径与该圆孔圆心到梳齿状凸起方向上的断面中轴线之间的距离大小 成正比。密封垫断面侧边由一圆弧曲线与一直线构成，侧边上部为圆弧曲线，侧边下部为 直线，侧边中点为所述圆弧曲线与直线的交合点。上述防水密封垫为三元乙丙橡胶密封垫。本实用新型的优点是，本实用新型密封垫设计有接触应力和闭合压缩力二者达到 平衡的断面形式，一方面使接触应力满足防水压力要求，另一方面，使闭合压缩力尽量小， 管片拼装质量得到保证。密封垫接触面上的接触应力分布均勻，能有效解决应力集中问题， 其耐久性更好。
图1为密封垫表面接触应力示意图；图2为梳形密封垫断面结构示意图；图3为梯形I II密封垫断面结构示意图；图4为梯形II密封垫断面结构示意图；图5为中孔形密封垫断面结构示意图；图6为本实用新型密封垫断面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本实用新型特征及其它相关特征作进一步详细说明， 以便于同行业技术人员的理解附图1-6中标号1-12代表的是密封槽1、弹性密封材料2、遇水膨胀橡胶3、氯丁橡 胶4、三元乙丙橡胶5、顶边6、底边7、圆弧曲线8、直线9、梳齿状凸起(梳齿)10、圆孔11、断 面中轴线12。在橡胶材质一定情况下，断面形式是影响接触应力和闭合压力的关键因素之一。 非膨胀橡胶密封垫断面形式较早以方形为主，发展过程中曾出现了多种形式，如欧洲国家 的“谢斯菲尔德”型(即中孔形)、“安特卫普”型、“慕尼黑”型(即梳形)。目前工程中使 用较多的断面形式有三种梯形、梳形和中孔形，见附图2-图5，其材质多为三元乙丙橡胶 5、遇水膨胀橡胶3与三元乙丙橡胶5、或遇水膨胀橡胶3与氯丁橡胶4的结合。要想接触应 力足够大，同时闭合压缩力不超标，必须不断调整密封垫断面形式。目前，在密封垫断面形 式设计中，未考虑接触应力与闭合压缩力两项指标的最优。本实用新型对比了各类断面形式，得出中孔型断面形式接触应力和闭合压力两项指标能更好得到满足。通过不断调整中孔型断面几何线型尺寸、孔洞数量和位置，得到了本 实用新型断面形式，见附图6。并采用数值模拟、室内实验、现场施工等手段进行了验证，其 防水压力满足0. 6Mpa要求，闭合压力小于60KN，适用于城市地铁中隧道埋深小等于20m的
隧道工程。借助有限元数值方法进行弹性密封垫压缩非线性模拟和辅助设计，确定初步断面 形式。再运用初步断面形式加工室内实验试件，用“T”字缝和“一”字缝水密性实验检验其 防水能力，用压缩变形实验测定其闭合压缩力，如此循环，直到两项指标都满足要求。本实 用新型就是经过多次计算、实验循环，最终确定的两项指标都满足要求的合理断面形式。如附图6所示，为本实用新型密封垫断面结构示意图。在本实施例中，密封垫为三 元乙丙橡胶密封垫。密封垫断面形式设计指标为设计防水压力大于0. 6Mpa,闭合压缩力 小于60KN。由图6可见，密封垫具有中孔型断面，断面的顶边6与底边7平行，左右两侧边对 称，断面下方设置有若干条梳齿状凸起10。断面顶边宽30mm，底边宽32mm，高度为16mm。 断面的顶边6与底边7平行，左右两侧边对称。在本实施例中，密封垫具有四条梳齿状凸起 10，梳齿10厚度均勻、线形过渡平滑，梳齿10在断面底边7上的宽度相同。在梳齿10上方 设置有四个圆孔11，圆孔为一排，呈一条弧线状排列，圆孔11直径与该圆孔圆心到梳齿状 凸起方向上的断面中轴线12之间的距离大小成正比。圆孔11以及梳齿10均对称于断面 中轴线11分布。在梳齿状凸起方向上的断面中轴线12不经过圆孔11或梳齿状凸起10。密封垫断面的顶边6与底边7平行，左右两侧边对称，断面侧边由一圆弧曲线8与 一直线9构成，侧边上部为圆弧曲线8，侧边下部为直线9，侧边中点为所述圆弧曲线与直线 的交合点。其中，圆弧曲线的半径为18mm。四个圆孔中，邻近断面侧边的两圆孔直径为5. 5mm，两圆心间距为23. 6mm ；其余 两圆孔直径为6mm，两圆心间距为8. 6mm。直径为6mm的圆孔距断面上顶边为5mm，直径为 5. 5mm的圆孔距断面上顶边为6. 8mm。即相对小的圆孔设置位置偏下。密封垫材质应为三元乙丙橡胶5，橡胶材质硬度为62 土 3度(邵尔A)，断面加工精 度应符合规范控制要求。当隧道管片拼装质量较差导致管片张开量在6mm以内、错缝量在IOmm以内时，密 封垫防水性能同样能满足0. 6Mpa的设计防水压力要求。安装使用时，首先根据隧道工程具体情况，确定接缝防水密封垫类型，如若采用非 膨胀橡胶密封垫，隧道埋深小等于20m时，可直接运用该断面形式；当埋深大于20m时，可增 大断面高度，再结合有限元模拟计算、室内实验等方法，确定符合设计防水压力及闭合压缩 力两项控制指标的断面新高度，以改变高度后的断面加工密封垫。另外，断面加工精度要按 规范进行检验控制；三元乙丙橡胶硬度要控制在62 + 3度(邵尔A)。采用本实用新型断面形式的密封垫，能满足埋深小等于20m的地铁盾构隧道防水 需求，且管片拼装误差控制在张开量为6mm、错缝量为IOmm以内时，防水性能同样能满足 20m埋深隧道的需求。本实用新型断面形式属于大孔型断面，较之其它中孔型断面其加工精度更容易得 到控制。密封垫接触面上的接触应力分布均勻，能有效解决应力集中问题，其耐久性更好。
权利要求1.一种盾构隧道管片接缝防水密封垫，具有中孔型断面，断面的顶边与底边平行，左右 两侧边对称，其特征是该密封垫断面下方设置有若干条梳齿状凸起，在所述梳齿状凸起上 方设置有若干圆孔，所述圆孔呈一条弧线状排列，所述圆孔以及梳齿状凸起均对称于断面 中轴线分布。
2.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片接缝防水密封垫，其特征是所述梳齿状凸起 在断面底边上的宽度相同。
3.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片接缝防水密封垫，其特征是该密封垫断面是 在梳齿状凸起方向上的断面中轴线不经过圆孔或梳齿状凸起。
4.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片接缝防水密封垫，其特征是所述圆孔直径与 该圆孔圆心到梳齿状凸起方向上的断面中轴线之间的距离大小成正比。
5.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片接缝防水密封垫，其特征是所述密封垫断面 侧边由一圆弧曲线与一直线构成，侧边上部为圆弧曲线，侧边下部为直线，侧边中点为所述 圆弧曲线与直线的交合点。
6.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片接缝防水密封垫，其特征是所述防水密封垫 为三元乙丙橡胶密封垫。
专利摘要本实用新型属于隧道工程领域，具体的是指一种盾构隧道管片接缝防水密封垫，密封垫断面下方设置有若干条梳齿状凸起，在所述梳齿状凸起上方设置有若干圆孔，所述圆孔以及梳齿状凸起均对称于断面中轴线分布。密封垫断面的顶边与底边平行，左右两侧边对称，断面侧边由一圆弧曲线与一直线构成，侧边上部为圆弧曲线，侧边下部为直线，侧边中点为所述圆弧曲线与直线的交合点。本实用新型的优点是，本实用新型密封垫设计有接触应力和闭合压缩力二者达到平衡的断面形式，一方面使接触应力满足防水压力要求，另一方面，使闭合压缩力尽量小，管片拼装质量得到保证。密封垫接触面上的接触应力分布均匀，能有效解决应力集中问题，其耐久性更好。
文档编号E21D11/38GK201857980SQ20102015739
公开日2011年6月8日 申请日期2010年4月13日 优先权日2010年4月13日
发明者何太洪, 向科, 周顺华, 宫全美 申请人:同济大学