《盾构隧道管片螺栓孔外侧双道密封垫设计规程》标准文本格式-送审稿-修

1T/JSTERAXX—2024盾构隧道管片螺栓孔外侧双道密封垫设计规程本文件规定了盾构隧道管片螺栓孔外侧双道密封垫设计的一般规定、材料要求、设防标准的确定、密封垫设计、密封垫性能验证等要求。本文件适用于管片厚度不小于600mm且外水压力位于0.6MPa~1.5MPa之间盾构隧道密封垫的设计，其他工况可依据实际情况参照使用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T528硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定GB/T531.1硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）GB/T2423.16环境试验第2部分：试验方法试验J和导则：长霉GB/T3512硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验GB/T7759.1硫化橡胶或热塑性橡胶压缩永久变形的测定第1部分：在常温及高温条件下GB/T7759.2硫化橡胶或热塑性橡胶压缩永久变形的测定第2部分：在低温条件下GB/T18173.3高分子防水材料第3部分：遇水膨胀橡胶3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1设防水压盾构隧道管片接缝达到设计允许张开量、错位量工况下，橡胶密封垫需达到的最低防水压力。3.2压缩反力弹性橡胶密封垫完全压入密封垫沟槽时，单位长度密封垫上需要施加的压力。[来源：DG/TJ08—50—2012，2.0.8，有修改]4一般规定4.1复合型密封垫按照复合方式分为两类，一类是内嵌式复合型密封垫，即遇水膨胀橡胶嵌入到三元乙丙橡胶内；一类是共挤式复合型密封垫，即三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶共同硫化挤出。4.2双道密封垫沟槽尺寸设计应满足受力、拼装定位、防水、浇筑脱模的要求。4.3密封垫压缩反力与盾构设备的拼装能力应相匹配。2T/JSTERAXX-20244.4外道密封垫为主防水，内道密封垫为辅助防水，且外道密封垫的防水性能不应小于内道密封垫的防水性能。内道密封垫防水性能宜高于设防水压值。4.5密封垫应沿管片侧面成环设置，密封垫截面形式及尺寸应与密封垫沟槽相匹配。4.6高地温盾构隧道的密封垫应满足隧道设计使用寿命要求。4.7地震区盾构隧道的防水密封垫设计，应考虑动力作用下的动态防水性能。4.8盾构隧道管片螺栓孔外侧双道密封垫结构示意图如图1所示。图1螺栓孔外侧双道密封垫结构示意图5材料要求5.1材料分类橡胶密封垫按照组成材料分为三元乙丙橡胶密封垫、遇水膨胀橡胶密封垫和复合型密封垫。5.2物理性能5.2.1三元乙丙橡胶的物理性能应符合表1规定。若截面构造不具备切片制样的条件，应用硫化胶料标准试样测试。表1三元乙丙橡胶物理性能硬度（邵尔A）/度/%665.2.2遇水膨胀橡胶的物理性能应符合表2的规定。遇水膨胀橡胶的拉伸强度、拉断伸长率和反复浸水试验中的拉伸强度、拉断伸长率性能指标应达到表2规定指标的80%。T/JSTERAXX—20243表2遇水膨胀橡胶物理性能硬度（邵尔A）/度3验32a体积膨胀率≥250%的制品型遇水膨胀橡胶。5.2.3复合型密封垫三元乙丙橡胶物理性能指标应符合表1的规定，遇水膨胀橡胶物理性能指标应符合表2的规定。6设防标准的确定6.1设防三要素盾构隧道防水设计包含三个要素，分别为设防水压、接缝张开量和接缝错台量。6.2设防水压设防水压的取值宜按公式（1）确定。（1）式中：Pw——设防水压，单位为兆帕（MPa）；K0——安全系数，一般取1.2~2.0；P0——工程实际水压，单位为兆帕（MPa）；α——老化松弛系数，一般取0.6～0.65。6.3接缝张开量张开量应按公式（2）计算，计算简图如图2所示。2）式中：δ——环缝中密封垫在设防水压作用下，允许的环缝张开量，单位为米（mB——衬砌环宽，单位为米（mD——衬砌环外径，单位为米（m）；从左到右、从上到下min——隧道纵向变形曲线的最小曲线半径，单位为米（mδ0——生产及施工误差可能造成的环缝间隙，单位为米（mT/JSTERAXX-20244δs——隧道邻近建筑物及桩基沉降引起的隧道挠曲和接缝张开量，单位为米（m）。图2管片接缝张开量计算简图6.4接缝错台量大直径盾构隧道错台量一般按15mm考虑。7密封垫设计7.1沟槽构造7.1.1盾构隧道管片接缝沟槽构造应满足受力、拼装定位、防水的要求，其尺寸和角度应有利于减少局部应力集中以及管片制造、运输、拼装过程中的碰撞破损。7.1.2管片接缝沟槽结构如图3所示，管片接缝沟槽深度H一般在6mm～15mm范围内，沟槽宽度S一般在30mm~50mm范围内。沟槽斜边倾角α一般在60°~80°范围内。图3管片接缝沟槽示意图7.1.3盾构隧道两道沟槽间距应满足接缝承载安全性要求，两道沟槽间距Z如图3所示，设计时两道沟槽间距Z可参考表3确定。表3沟槽间距推荐取值表7.2密封垫高度密封垫高度与沟槽深度的关系应按照公式（3）、公式（4）和图4确定。（3）（4）式中：T——密封垫高度，单位为毫米（mmT/JSTERAXX—20245d1——密封垫最大压缩率，为设计所设定；d2——密封垫最小压缩率，为设计所设定；H——沟槽深度，单位为毫米（mmO——设计中接缝允许张开量的一半，单位为毫米（mm）。图4密封垫截面示意图标引序号说明：1——沟槽；2——橡胶密封垫。7.3密封垫宽度密封垫顶部宽度宜为密封垫高度的1.4~2.5倍，其关系按公式（5）和图4确定，密封垫宽高比可参考表4确定。式中：M——密封垫宽度，单位为毫米（mmT——密封垫高度，单位为毫米（mm）。表4密封垫宽高比推荐取值表7.4密封垫截面设计7.4.1截面积为使密封垫完全压密（环缝张开量为0mm密封垫截面积不应大于密封垫沟槽截面积，其关系宜按公式（6）和图5确定。（6）式中：A——密封垫沟槽截面积，单位为平方毫米（mm2A0——弹性密封垫净截面积，单位为平方毫米（mm2）。若管片接缝设置垫片，则垫片的厚度应纳入沟槽截面积的计算中。T/JSTERAXX-20246图5密封垫沟槽面积示意图7.4.2孔洞形式盾构隧道常用的中孔型截面的孔洞形式大致分圆形、三角形和水滴形三种，如图6所示。8密封垫性能验证三角形图6密封垫孔洞形式水滴形8.1双道密封垫压缩反力试验方法按照附录A。8.2双道密封垫静态耐水压试验方法按照附录B。8.3双道密封垫动态耐水压试验方法按照附录C。8.4密封垫热氧老化试验方法按照附录D。T/JSTERAXX—20247附录A（规范性）双道密封垫压缩反力试验方法A.1原理利用预先制备的带有沟槽的夹具模拟双道密封垫实际装配时的管片沟槽,测定管片拼装接缝完全闭合时的压缩反力。A.2装置A.2.1橡胶密封垫压缩反力试验应在专门的试验装置上进行，试验装置示意图如图A.1。图A.1压缩反力试验装置示意图标引序号说明：1——导向套；2——沟槽下模块；3——橡胶密封垫；4——沟槽上模块。A.2.2试验装置沟槽尺寸应与管片的设计沟槽尺寸一致，沟槽长度为200mm。导向套与沟槽上模板的配合面应尽量光滑，试验时涂润滑剂。A.2.3测试压缩反力的试验机或装有反力传感器的加压装置。A.2.4压缩量测量器具的精度不低于0.02mm，压缩反力测量器具的精度不低于0.01kN。A.3试样制备A.3.1试样的断面形状尺寸应与设计的断面形状尺寸一致。A.3.2试样的长度为200mm，长度公差为-1mm。A.4试验条件除另有规定外，试样应在标准温度（23±2）℃下停放不少于16h，最长不超过3个月，试验应在标准温度（23±2）℃下进行。A.5试验步骤A.5.1先把试样放在试验装置的沟槽内，上下合起来放入导向套内（如试验机平板能固定上下模板,就不需要导向套，可直接上下对准固定后试压）。A.5.2以50mm/min速度压缩试样，直至压缩间隙接近0mm，再以相同速度放松试样，如此反复压缩和放松试样重复二次。A.5.3第三次为正式试验，应绘出压缩量-压缩反力曲线，示例如图A.2。T/JSTERAXX-20248图A.2压缩量-压缩反力曲线示例图A.6试验记录试验记录可用表格形式列出，如表A.1。表A.1压缩反力试验记录表T/JSTERAXX—20249（规范性）静态耐水压试验方法B.1原理利用模拟管片“T”形拼装接缝的静态耐水压试验装置，测定密封垫在设计错位量和张开量时能承受的水压值。B.2装置B.2.1“T”形模拟静态耐水压试验装置由一块平板和两块直角板组成。试验模具的结构和形状如图B.1所示，应保证在最大6.0MPa水压时试验装置不发生变形。图B.1“T”形模拟静态耐水压试验装置标引序号说明：1——平板；2——直角板；3——外道密封垫；4——内道密封垫：5——压力表；6——进水阀；7——排水阀。B.2.2试验装置的沟槽尺寸应与设计的隧道管片密封垫沟槽尺寸一致，试样的长边内框尺寸不应小于400mm，短边内框尺寸不应小于200mm。B.2.3试验装置的模拟接缝张开量可用不同厚度的垫片调节，模拟错位量可用条形螺栓孔调节。T/JSTERAXX-2024B.2.4试验装置应安放稳定和方便操作。B.2.5试验装置应配备一台10MPa水压加载装置。B.2.6试验装置上配备的压力表测量精度不低于0.1MPa。B.3试样制备B.3.1试样的断面形状尺寸应与设计的断面形状尺寸一致。B.3.2试样的框形尺寸应与试验装置匹配。B.4试验条件除另有规定外，试样应在（23±2）℃下停放不少于16h，最长不超过3个月，试验应在（23±2）℃下进行。B.5试验步骤B.5.1清除试验装置沟槽内的水、油及其他杂物，保持干燥清洁。B.5.2将试样按照设计要求粘贴在沟槽内，停放24h后，先拼装两块直角板，再拼装平板。先从直角板竖缝开始，将螺栓均匀拧紧，使“T”形缝的张开量和错位量达到设定值。B.5.3打开排水阀，加压至有水排出后关闭排水阀。以每次0.1MPa的增量从0升压至设计水压值，每次升压时，待压力稳定后保压不小于30min。升压至设计水压值后至少保持24h。B.5.4试验过程中因为螺栓长时间处于应变状态所产生的变形及密封垫产生的变形，允许试验压力有轻微下降。在达到设计水压值后的保压过程中，应注意压力变化，并通过适当的补压来保证压力的稳定。B.5.5遇水膨胀橡胶的试样，在升压过程中如出现渗漏水，应停止升压，待试样膨胀至不渗漏水后继续试验。B.5.6每次测试完毕后，应卸掉压力，松弛装置调换垫片或调整错位量，用同样方法进行下一组试验。B.6试验记录试验记录可用表格形式列出，如表B.1。表B.1静态防水试验记录表T/JSTERAXX—2024（规范性）动态耐水压试验方法C.1原理利用模拟管片“T”形拼装接缝的动态耐水压试验装置，测定密封垫在预设的振动波下能承受的水压值。C.2装置C.2.1“T”形模拟动态耐水压试验装置，由两块直角板、一块平板、一个囊式蓄能器和两个作动器组成。试验模具的结构和形状如图C.1所示，应保证在最大6MPa水压时试验装置不发生变形。T/JSTERAXX-2024图C.1“T”形模拟动态耐水压试验装置标引序号说明：1——导向板；2——平板；3——承台；4——直角板；5——横向作动器；6——纵向作动器：7——竖向作动器；8——外道密封垫；9——内道密封垫。C.2.2试验装置的沟槽尺寸应与设计的隧道管片密封垫沟槽尺寸一致，试样的长边内框尺寸不应小于400mm，短边内框尺寸不应小于200mm。C.2.3试验装置的模拟接缝张开量可用不同厚度的垫片调节，模拟错位量可用滑动平板的位置调节。C.2.4试验装置应安放稳定和方便操作。C.2.5试验装置应配备一台10MPa水压加载装置。C.2.6试验装置上配备的压力测量精度不低于0.1MPa。C.3试样制备C.3.1试样的断面形状尺寸应与设计的断面形状尺寸一致。C.3.2试样的框形尺寸应与试验装置匹配。C.4试验条件除另有规定外，试样应在（23±2）℃下停放不少于16h，最长不超过3个月，试验应在（23±2）℃下进行。C.5试验步骤C.5.1清除试验装置沟槽内的水、油及其他杂物，保持干燥清洁。C.5.2将试样按照设计要求将双道密封垫粘贴在沟槽内，停放24h后，先拼装下部直角板,再拼装上部平板，然后将螺栓均匀拧紧，使“T”形缝的张开量和错位量达到初始设定值。C.5.3将法向伺服作动器对准并固定在上部平板上，然后伸长法向作动器，调至密封垫完全压密，此T/JSTERAXX—2024时张开量为0mm，然后将伺服作动器抬高一定距离，张开量达到振幅的起始位置，保持此位置不变。C.5.4打开排水阀，用水压加载装置往防水试验装置的空腔中注水，待空腔中的空气排空后，同时关闭连接水压加载装置的入水口及连接防水试验装置的水压表的排气阀门。C.5.5利用水压加载装置进行一定水压的加载，保持防水试验装置内部形成一定水压至0.1MPa，保持15min不渗漏即可采用伺服作动器进行振动防水试验。C.5.6通过分别向竖向和横向作动器输入特定振动波形，进行振动防水试验，在一个振动周期后不漏，则以0.1MPa为一个单位，逐级往上加压再振动，直到出现渗漏水现象，即认为弹性橡胶密封垫失效，同时记录发生渗漏时的水压值。C.5.7每次测试完毕后，应卸掉压力，松弛装置调换垫片、调整初始错位量或加载不同的振动波，用同样方法进行下一组试验。C.6试验记录试验记录可用表格形式列出，如表C.1。表C.1动态防水试验记录表/mm/mmT/JSTERAXX-2024（规范性）热氧老化试验方法D.1原理在规定的试验温度下，将硫化橡胶或热塑性橡胶试样压缩到并保持在一恒定应变的状态下，测量压缩力的降低，以所获得的失效时间数值与温度的函数作出阿累尼乌斯图，所得到的直线可以外推到在使用温度下的失效时间，即可推算硫化橡胶或热塑性橡胶的寿命和最高使用温度。D.2试样制备D.2.1尺寸：II型圆柱形试样：直径为（13±0.5）mm，高（6.3±0.3）mm。D.2.2压缩应力松弛试验每组试样为三个，每个试样应单独安装在压缩装置里，如图D.1所示。图D.1压缩反力试验装置示意图标引序号说明：1——导向套；2——沟槽下模块；3——橡胶密封垫；4——沟槽上模块。D.2.3整个寿命试验所用试样数量按照试验温度数量、试验时间选取。D.3试验步骤D.3.1试样调节D.3.1.1试验前，试样先进行热调节，然后进行机械调节。D.3.1.2热调节是将试样放在70℃下预热3h。热调节后，使试样在标准实验室温度下停放不少于16h，最多不超过48h，然后进行机械调节。D.3.1.3机械调节在标准实验室温度下进行，具体如下：将试样循环压缩5次，压缩至规定的压缩量，然后立即恢复到应变。D.3.1.4机械调节后，试样应在标准实验室温度下停放不少于16h，最多不超过48h，然后再进行试验。D.3.2试样温度及时间D.3.2.1老化试验温度推荐至少应不少于3个，相邻温度间隔不少于10℃。D.3.2.2试验温度的上下限因生胶、硫化体系不同而异。上限一般可参照下列数据：天然胶和氯丁橡胶为90℃；丁腈、丁苯、丁基和顺丁橡胶为110℃；乙丙橡胶为130℃；氟橡胶为200℃。试验时间允许的情况下，降低试验温度，可提高预测的准确度。D.3.2.3试样试验温度范围应能保证通过外推法以需要的精确度求得使用寿命，所选择的温度上限应能使试