0 引言
隧道防水贯穿地铁建设和运营的始终，也是提高隧道耐久性的关键。目前，我国多采用三元乙丙多孔橡胶密封垫进行管片接缝的防水［1］，因此，对三元乙丙多孔橡胶密封垫的防水性能进行研究具有重要的意义。
国内外学者对管片接缝处密封垫的防水问题进行了大量的研究。GONG Chenjie 等［2］针对南京纬三路越江盾构隧道，采用新型混凝土试验装置，开展了管片接缝防水一字缝和T 字缝的试验研究，分析了影响密封垫防水的因素; 欧阳文彪［3］采用显式有限元分析法对密封垫的压缩过程进行了三维模拟，并对钢制装置下密封垫的装配力进行了验证; 邓朝辉［4］针对狮子洋隧道管片密封垫的密封性能进行了数值模拟和钢制装置下的防水试验，提出了相应的防水设计和施工控制措施; 拓勇飞等［5］针对超高水压大直径盾构隧道，提出了盾构管片接缝防水设计的流程和方法，通过耐水压力和装配力试验优化了密封垫的设计方案; 王湛［6］对密封垫张开和错位的情况进行了数值模拟，分析了张开和错位对渗漏位置的影响规律; 毕琦等［7］针对不同硬度的密封垫进行了钢制装置下的装配力试验，得到了密封垫的硬度设计指标，并提出了相应的施工方案; 高楠［8］通过采用不同的钢制试验装置，进行了苏埃通道盾构隧道接缝密封垫的装配力试验和防水试验，对隧道接缝的防水形式进行了设计; 李铁成［9］对新华新街台格庙矿区斜井钢制装置下的管片密封垫进行了T 字缝防水试验和数值分析; F． I． Shalabi 等［10］对隧道管片承受静力和动力荷载时混凝土装置中的密封垫进行了一系列试验和研究，给出了密封垫接缝防水规律。
以上研究均是针对密封垫的防水优化设计问题进行的，对密封垫在钢制装置和混凝土装置下耐水压力和装配力的研究并不多。为对比密封垫在钢制装置和混凝土装置下耐水压力和装配力的差异性，笔者开展了密封垫在2 种不同装置下装配力和耐水压力的对比试验，并通过MATLAB 软件对试验数据进行处理及拟合分析，得出2 种不同装置下密封垫装配力和耐水压力的变化规律以及耐水压力试验数据之间的转换关系。
1 密封垫防水性能分析
密封垫的防水性能与接触面压力密切相关。由密封垫的工作原理可知，密封时的水压力pw与初始接触面压力有关［11 － 12］，可近似表示为
式中: pw为渗漏水时密封垫的耐水压力，MPa; p0为密封垫的接触面压应力，MPa; k 为与密封垫性质有关的系数，对于非膨胀橡胶，一般取1． 2［13］。
密封垫弹性体的约束形式示意图如图1 所示。
图1 密封垫约束形式示意
密封垫被固定于沟槽中，受力状态为平面应变状态，应力与应变的关系为:
式中: εx为密封垫的侧向应变; εy为密封垫的竖向应变; ν 为泊松比; σy为密封垫受到的竖向压应力，MPa; E 为密封垫的弹性模量，MPa。
由式( 2) 可得
分析式( 3) 可知，在密封垫耐水压力试验中，若将装置材料由混凝土装置变为钢制装置，且假设密封垫的竖向应变εy不变，由于钢制装置变形较小，密封垫受到的侧面约束增强，相当于对密封垫的侧向进行挤压，则密封垫的侧向应变εx增大，竖向压应力增大。再由式( 1) 可知，密封垫的耐水压力增大。
2 防水试验
2． 1 密封垫几何参数
选取常用的盾构管片密封垫进行防水试验。密封垫以三元乙丙橡胶为主要成分，采用外轮廓尺寸为47 mm × 16． 5 mm 的多孔橡胶矩形密封圈的构造形式，其顶面宽度为36 mm，底部宽度为42 mm，高度为16． 5 mm，截面内部有10 个圆孔。三元乙丙密封垫横截面图如图2 所示。
图2 三元乙丙密封垫横截面图( 单位: mm)
2． 2 试验原理和装置
为研究不同装置材料对密封垫耐水压力的影响，开展了密封垫在钢制装置和混凝土装置中的防水试验。
在试验装置沟槽中采用氯丁－ 酚醛胶水粘贴2个物理参数相同的三元乙丙橡胶密封垫，如图3所示。
采用压力机分别对钢制装置密封垫和混凝土装置密封垫进行加载，通过外接水泵对密封垫的内腔施加水压。采用水压力表测试密封垫承受的水压力，采用百分表测试装置的张开量，采用压力传感器测试装置所受的压力。
图3 三元乙丙橡胶密封垫
2． 3 试验方案
将试验装置及刚性垫块放置在试验机加载板间，并安装百分表及水压加压系统。在试验机加压至目标张开量前，记录各级压缩力和对应的张开量，作为装配力的试验数据。当试验机加压至目标张开量时，以每次0． 01 MPa 的增量施加水压，直至水压突破密封垫，并取上一级水压作为耐水压力。
3 试验结果与分析
3． 1 装配力试验数据分析
根据试验数据点的数学特征，分别采用4 种常见的一元非线性回归模型( 倒幂函数模型y = a + b /x、幂函数模型y = axb、指数函数模型y = aebx和倒指数函数模型y = aebx) 对2 种装置下测定的密封垫装配力试验数据进行拟合［14 －15］; 然后，采用MATLAB 软件计算拟合曲线参数及拟合度。钢制装置和混凝土装置下密封垫的装配力试验数据拟合曲线参数及拟合度分别见表1 和表2。
通过对比4 个函数的拟合度可知: 倒幂函数拟合的F 值和可决系数Ｒ 最大，剩余标准误差S 最小，拟合性最佳。由F 检验可知，倒幂函数、幂函数和指数函数的显著性检验为高度显著。
表1 钢制装置下密封垫的装配力试验数据拟合曲线参数及拟合度
表2 混凝土装置下密封垫的装配力试验数据拟合曲线参数及拟合度
采用倒幂函数分别对钢制装置和混凝土装置下密封垫装配力的试验数据进行拟合，拟合曲线如图4所示。
图4 钢制装置和混凝土装置下密封垫装配力随张开量变化的拟合曲线
3． 2 耐水压力试验数据分析
试验得到的钢制装置和混凝土装置下密封垫的耐水压力试验数据如图5 所示。
由图5 可以得出，不同张开量的密封垫在钢制装置与混凝土装置下的耐水压力变化规律相似。
图5 钢制装置和混凝土装置下密封垫的耐水压力
为建立2 种装置材料下密封垫耐水压力与张开量的关系，分别选用倒幂函数、幂函数、指数函数和倒指数函数对试验数据进行拟合，并考虑2 种装置材料下张开量的差值，即对钢制装置下的张开量数据进行平移后，再联合混凝土装置下的数据进行拟合。采用MATLAB软件编制相应的程序，然后计算出4 种函数的拟合曲线参数及拟合度。MATLAB 程序流程如图6 所示。
图6 MATLAB 程序流程图
由MATLAB 软件计算得到的2 种装置下密封垫的耐水压力拟合曲线参数及拟合度见表3。
表3 2 种装置下密封垫的耐水压力拟合曲线参数及拟合度
通过对比4 个函数的拟合度可知: 幂函数拟合的F 值和可决系数Ｒ 最大，剩余标准误差S 最小，拟合性最佳。根据F 检验可知，4个函数的显著性检验均为高度显著。
通过MATLAB 软件采用幂函数绘制的混凝土装置下耐水压力数据与钢制装置下经平移后的耐水压力数据拟合曲线如图7 所示。
图7 混凝土装置下耐水压力数据与钢制装置下平移后的耐水压力数据拟合曲线
对于相同材质的密封垫，采用钢制试验装置与混凝土试验装置得到的耐水压力随张开量的变化趋势高度相似，但仍有一定的差距。根据表3 的数据可知，4种函数拟合得到的位移常数c 均约为2 mm，且拟合性均较好。对于三元乙丙密封垫，若采用钢制装置代替混凝土装置进行耐水压力试验，耐水压力所对应的张开量需减小2 mm，试验结果方可应用于工程中。
4 结论与讨论
1) 根据所得的试验数据以及理论分析，在密封垫的耐水压力试验中，采用钢制装置得到的耐水压力高于混凝土装置。
2) 根据实际工程中密封垫受到的约束状态，应优先考虑采用混凝土装置进行密封垫的耐水压力试验。当采用钢制装置代替混凝土装置进行混凝土管片密封垫的耐水压力试验时，所得的耐水压力试验数据中的张开量需要减小一定的数值方可应用于实际工程中。对于本文研究的密封垫，张开量应减少2 mm。
3) 三元乙丙密封垫在2 种试验装置下的装配力、耐水压力试验数据与倒幂函数、幂函数、指数函数和倒指数函数的拟合性均较好，因此，可采用倒幂函数、幂函数、指数函数和倒指数函数4 种函数对密封垫的装配力和耐水压力进行预测。
本文只针对一种特定的密封垫进行了防水试验研究，下一步尚需对其他形式的密封垫进行研究。
摘自：隧道建设