盾构密封垫材质选型试验研究

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、应力松地和蠕变试验研 究了两类密封热的防水性能。根据试验结果，推荐成都地恢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=1540m/d,补给来源为人气降水和地表河流、沟渠。基岩裂 隙水主要赋存于泥岩风化裂隙带中，含水层厚20 m左右，渗透系数k=0.3

2、1.2m/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巴 水方法，但都公认以接头面的密封为主耍防线，目前广泛采用弹性密封防水1一 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，并为今后和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单一

3、材料制品和复合型制品，口前德国及欧洲部 分国家仍使用以三元乙丙（早期为氯丁橡胶）为主的橡股遛封垫，h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_5o 2.1遇水膨胀橡胶密封垫遇水膨胀橡胶（water s/velling rubber）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，实际使用屮 遇水膨胀材料的性能难以达

4、到预期效果。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，导致止水效果下降其至失效。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）主要利用橡胶木身的弹性复原力密封止水, 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己有几十年的历史，对其 应力状态和长期耐水性已冇充分的研究评价。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而加覆膨胀橡 胶，即在橡胶生产过程中，菲膨胀

5、橡胶与膨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。 主耍采用两种方式来达到两者之间的复合：-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

6、道的地质、水文条件和 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 封垫断而图。这种屮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 断而形式。密封垫防水特性的试验主要冇水密性试验、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

7、环缝、纵缝张开及错位情况下，密封埶的短期抗水压能力。试验内容见表 1o3.2.2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omm）,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2 h内不降，则增加模具圆板 之间的张开量达到1 mm,若压力在设计最大水压下仍能稳定2 h而不降，则 继续加大模具板z间的张开量到2mm3mm （每次增加量为1 mm） ,直 至压力达不到设计最大水压力或压力达到设计最大水压后稳定时间小于2 h而 出现渗漏现象为止。3.3.2试验方法及步骤(1) 压缩蠕变试

8、验将试件安放在侧限装置中并装到蠕变试验仪上，以一定压缩值为断面高度 所对应的压力施加于试件上进行蠕变试验，在试验中保持压力不变，测得压缩量 变化与时间关系曲线，蠕变试验时间为28 do加水试验小通过加载板上的注水 孔注水，试验过程屮始终保持有水状态，观察膨胀止水条的膨胀力对蠕变的补偿 作用。(2) 应力松弛试验取一段200 mm长的密封垫试件，安放在侧限装置中并装到应力松地试 验仪上进行应力松弛试验，在试验屮保持压缩量不变，测得应力变化与时间关系 曲线，应力松弛试验时间为28 do加水试验屮通过加载板上的注水孔注水，试 验过程中始终保持有水状态，观察膨胀止水条的膨胀力对应力松弛的补偿作用。 4

9、主耍试验结果及结论(1) 复合型密封垫与单一非膨胀橡胶密封垫所能抵抗的水压相近通过水密性试验发现，接缝渗水多发生在密封热与钢板接触而上，而遇水 膨胀橡胶条位于密封垫之间，水渗入其中的量很小。因此遇水膨胀橡胶条仅发生 微弱膨胀，其膨胀力不足以显著提高密封垫的防水能力。(2) 错缝时，遇水膨胀橡胶条可能降低密封垫的防水能力遇水膨胀橡胶通常比三元乙丙橡胶皱度小。错缝发生时，叮能导致接缝两 侧密封梨的接触发生在遇水膨胀橡胶和三元乙丙橡胶z间，使得接触应力大幅 度降低。同时，错缝时可能导致遇水膨胀橡胶脱离三元乙丙橡胶的约束而形成口 由膨胀(图10)。由于局部膨胀不受限制，遇水膨胀橡胶膨胀所引起的接触应力

10、 大大减小，其至还可能出现遇水膨胀橡胶条脱出密封垫的情况(图11)o(3) 遇水膨胀橡胶条对蠕变(应力松弛)的补偿作用有限在有水与无水条件下，两种密封垫压缩蠕变试验蠕变量相并不足1 mm0 对于内嵌遇水膨胀橡胶条密封垫，在试验过程发现漏水后，保持有水状态3 d 后，再加水压发现依然漏水。鉴于上述试验结果，推荐采用非膨胀型橡胶止水条用于成都地铁盾构管 片接缝防水。参考文献1 刘建航，侯学渊盾构法隧道m.北京：中国铁道出版,1991.132- 144.2 朱祖熹隧道防水的若干创新技术与值得重新认识的几个问题j.'p国建筑防 水,2006, (1) :55- 59.3 小泉淳，小林亨盾构隧道最新防水技术j隧道译从,1993,(4)