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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2020, Vol. 54 Issue (1): 118-125    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.01.014
土木工程、交通工程     
盾构隧道密封垫长期防水性能预测的试验研究
张子新1,2(),张家奇1,2,黄昕1,2,*(),庄欠伟3
1. 同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092
2. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092
3. 上海盾构设计试验研究中心有限公司，上海 200137
Experimental study on prediction of long-term durability of sealing gasket of shield tunnel
Zi-xin ZHANG1,2(),Jia-qi ZHANG1,2,Xin HUANG1,2,*(),Qian-wei ZHUANG3
1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
2. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China
3. Shanghai Shield and Research Center Limited Company, Shanghai 200137, China
 全文: PDF(1183 KB)   HTML
摘要：

为了建立盾构隧道弹性密封垫橡胶的老化系数模型，开展热氧加速老化试验. 该模型采用伸长率与应力的比值作为性能劣化指标，可以预测橡胶在不同温度和时间状态下的性能，对密封垫的长期服役状态进行预测. 通过一系列水密性试验，研究密封垫防水能力受服役时间和张开量的影响规律. 研究结果表明，橡胶的拉伸强度在老化前期受拉断伸长率变化的影响迅速下降，后期主导因素转变为拉伸模量；老化系数随着时间的增加而持续下降，但下降速度逐渐减小，最终服役百年后的老化系数为0.364；密封垫耐水压折减系数随着张开量的减小而降低，总体上小于老化系数. 基于试验结果，建立以服役时间和张开量为自变量的耐水压折减系数的预测公式.
关键词： 盾构隧道;  接缝防水;  三元乙丙橡胶（EPDM）;  老化系数;  张开量;  服役时间;  性能预测    
Abstract:

The thermal oxygen-aging experiment was conducted in order to establish an aging coefficient model of rubber of the elastic gasket of shield tunnel. The elongation to stress ratio was used as a performance degradation index in the model, which can predict the performance of rubber at different temperatures and time. Long-term service states of gasket were simulated, and waterproofing tests were conducted to analyze the influence of service time and opening amount on waterproofing ability. Results show that tensile strength of rubber decreases rapidly under the influence of elongation at break in the early aging stage, then the dominant factor changes to the tensile modulus. Aging coefficient declines with time, and the rate of decline gradually decreases. The aging coefficient is 0.364 after 100 years of service. Waterproofing pressure-reduction coefficient of gasket declines with the decrease of the opening amount and is generally smaller than the aging coefficient. An empirical model predicting waterproofing pressure-reduction coefficient was established with service time and opening amount as independent variables based on the experimental data.
Key words: shield tunnel    joint waterproof    Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM)    aging coefficient    opening amount    service time    performance prediction
收稿日期: 2019-02-22 出版日期: 2020-01-05
CLC:  U 451  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目（41877227）；上海隧道工程有限公司资助项目（20170144）
通讯作者: 黄昕     E-mail: zxzhang@tongji.edu.cn;xhuang@tongji.edu.cn
作者简介: 张子新（1966—），男，教授，博导，从事隧道及地下工程的研究. orcid.org/0000-0001-6742-2580. E-mail： zxzhang@tongji.edu.cn
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张子新
张家奇
黄昕
庄欠伟

引用本文:

张子新,张家奇,黄昕,庄欠伟. 盾构隧道密封垫长期防水性能预测的试验研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(1): 118-125.

Zi-xin ZHANG,Jia-qi ZHANG,Xin HUANG,Qian-wei ZHUANG. Experimental study on prediction of long-term durability of sealing gasket of shield tunnel. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2020, 54(1): 118-125.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2020.01.014    或    http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2020/V54/I1/118

指标 指标值
H/（°） 62±5
Ts/MPa ≥10.5
Eb/% ≥350
防霉等级 ≥1级
?H/（°）（热空气老化70 °C×96 h） ≤+6
?Ts$T_{\rm{s}}^{-1} $/%（热空气老化70 °C×96 h） ≥?15
?Eb$E_{\rm{b}}^{-1} $/%（热空气老化70 °C×96 h） ≥?30
表 1  三元乙丙橡胶的性能指标
老化指标 指标值
T/K 358、373、398、423
t/h 0、8、24、48、72、96、168
表 2  橡胶试样老化工况
图 1  358 K-8 h工况试样
图 2  试样拉断伸长率的变化
图 3  试样拉伸强度的变化
项目 H/（°） Ts/MPa Eb/%
未老化 62.3 14.80 576.08
343 K、96 h处理 64.9 13.56 489.92
表 3  橡胶试样的老化性能指标
图 4  伸长率-应力曲线
图 5  性能劣化指标变化曲线
B A r $E/R$ R2
1 1 963.846 0.416 3 886.865 0.985
表 4  老化系数模型参数
t/y fp t/y fp
0 1 50 0.469
5 0.748 75 0.408
10 0.679 100 0.364
30 0.542 — —
表 5  不同服役时间下的老化系数
图 6  密封垫剖面构造
指标 指标值
H/（°） 65±3
Ts/MPa ≥10.5
Cs/%（343 K×24 h，25%） ≤25
Cs/%（296 K×72 h，25%） ≤15
?Eb$E_{\rm{b}}^{-1} $/%（热空气老化343 K×96 h） ≥?15
?H/(°)（热空气老化343 K×96 h） ≤+6
Eb/%（热空气老化343 K×96 h） ≥350
防霉等级 ≥1级
表 6  三元乙丙橡胶密封垫的物理力学性能
t/h t/y t/h t/y
0 0 11.2 23.0
2.2 4.6 16.7 34.5
6.7 13.8 22.3 46.0
表 7  密封垫老化时间工况
图 7  耐水试验钢模
图 8  密封垫耐水压能力变化
图 9  耐水压折减系数与老化系数对比
a b R2
?0.136 2.377 0.992
表 8  耐水压折减系数公式参数
O/mm ${f_{p_{\rm{w}}}} $ pw
7 0.237 0.40
9 0.312 0.30
10 0.358 0.29
表 9  各工况百年耐水压折减系数
图 10  耐水压折减系数曲面
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