用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法

摘要

本发明涉及一种用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，属于油气管道非开挖设计领域。所述防水方法包括：确定高地震烈度高水压条件下的小断面盾构隧道的荷载模式；建立小断面盾构隧道有限元模型；计算高地震烈度高水压条件下盾构隧道的结构变形和应力分布；设计相应的盾构隧道柔性管片及盾构隧道与竖井连接处的柔性接头；设计盾构隧道管片的接缝防水结构；进行盾构隧道的防水性能测试。本发明为高水压接缝防水设计提供一套完整的设计理论和应用方法，能够结合目前密封材料性能和试验能力的提升，最终设计出满足要求的接缝型式和密封结构。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，属于油气管道非开挖设计领域。

背景技术

盾构隧道是油气长输管道穿越河流常用的方式之一，其原理为使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，不扰动围岩而修筑隧道的方法。以往盾构隧道抗震设计主要对钢筋混凝土环片进行结构和构造设计，高烈度地震时在竖井连接处和在地层急剧变化处或活动断层处由于结构刚度突变，盾构隧道产生大变形常导致与竖井接头附近的管片受损、隧道受灾，仅靠隧道自身的变形能力无法满足竖井连接处的变形要求。目前常规的盾构环片接缝型式的防水设计压力为0.6MPa左右，当运营水压达1.2Mpa，传统接缝连防水密封设计均不能满足要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，通过设置合理的柔性管片和竖井连接处柔性接头，以满足高地震烈度下管片变形的要求，同时设计合理防水结构以满足高水压条件下的防水密封要求。本发明适用于油气管道小断面盾构隧道的设计，为高地震烈度高水压条件下的盾构隧道设计提供有效的技术措施。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，包括以下步骤：

步骤1，根据地质条件，确定高地震烈度高水压条件下的小断面盾构隧道的荷载模式；

步骤2，根据荷载模式，建立小断面盾构隧道有限元模型；

步骤3，根据建立的有限元模型，计算高地震烈度高水压条件下盾构隧道的结构变形和应力分布；

步骤4，根据盾构隧道的结构变形和应力分布，设计相应的盾构隧道柔性管片及盾构隧道与竖井连接处的柔性接头；

步骤5，根据盾构隧道管片接缝的错动量和张开量，设计盾构隧道管片的接缝防水结构；

步骤6，进行盾构隧道的防水性能测试，测试盾构隧道接缝的防水是否满足要求，若满足要求，防水完成；若不满足要求，返回步骤4或步骤5，调整盾构隧道柔性管片、盾构隧道与竖井连接处的柔性接头或管片的接缝防水结构。

进一步的，步骤4中所述盾构隧道柔性管片包括：柔性管片主体A和柔性管片主体B，所述柔性管片主体A和柔性管片主体B之间通过传力棒连接和传力，所述柔性管片主体A和柔性管片主体B之间还设有密封止水结构A。

进一步的，所述传力棒由两个承压螺栓、缓冲橡胶和钢套筒组成，其中，两个承压螺栓的头部分别固定在柔性管片主体A和柔性管片主体B上，两个承压螺栓的尾部之间通过缓冲橡胶连接，所述两个承压螺栓和缓冲橡胶外套有一钢套筒。

进一步的，所述密封止水结构A包括两道M形止水带和膨胀橡胶，所述膨胀橡胶设置于柔性管片主体A和柔性管片主体B的缝隙外侧，所述两道M形止水带分别布置在所述传力棒的两侧，且所述两道M形止水带的两端分别通过固定螺栓固定在柔性管片主体A和柔性管片主体B上。

进一步的，步骤4中所述盾构隧道与竖井连接处的柔性接头，包括环向缓冲层、轴向缓冲层和密封止水结构B；所述环向缓冲层设置在管片与竖井壁间的缝隙；所述轴向缓冲层和所述密封止水结构B均设置在管片与盾构隧道洞门密封结构的缝隙，其中，所述轴向缓冲层设置管片与洞门密封结构的缝隙外侧，所述密封止水结构B设置在管片与洞门密封结构的缝隙内侧。

进一步的，所述轴向缓冲层为防水橡胶缓冲层，所述环向缓冲层为聚氨酯缓冲层。

进一步的，所述密封止水结构B是由两块钢板A、通长钢板B和角钢B焊接组成的钢框架，所述钢框架内设有M形止水带；其中，所述两块钢板A分别通过锚固钢筋固定在管片和洞门密封结构上，所述M形止水带的两端分别固定在管片和洞门密封结构的钢板A上，所述通长钢板B和角钢B分别位于所述M形止水带的外侧和内侧。

本发明的有益效果为：

本发明所述用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法是目前盾构隧道接缝防水中的一次突破，为高水压接缝防水设计提供一套完整的设计理论和应用方法，能够结合目前密封材料性能和试验能力的提升，最终设计出满足要求的接缝型式和密封结构。通过本发明所述防水方法能够解决了以往设计不精、依据不足，不能跟进现有技术和工艺进度的问题，材料选型缺乏指导，不利于工程施工验收等一系列问题。采用了本方法开展设计和施工，一定程度也能减少防水堵漏维护次数，有助于提高了高水压小断面盾构隧道整体防水效果。

除外，当地震发生时，盾构隧道管片发生设计限值内的轴向变形时，本发明所述所述柔性管片主体结构能保证盾构隧道管片的稳定性，密封止水结构能保证变形时的密封性，传力棒能将地震力传到相邻管片，保证盾构隧道整体稳定性。本发明所述盾构隧道与竖井连接处的柔性接头在地震发生时，发生设计限值内的轴向变形和环向变形时，柔性接头能保证与竖井连接的盾构管片不与竖井发生碰撞，不破坏，同时密封止水能保证变形时的密封性。且所述管片和柔性接头结构简单，可以在工厂加工，现场组装，便于现场施工。

本发明所述盾构隧道管片接缝防水密封结构在高水压作用下，多孔型EPDM弹性橡胶复合密封垫在特定的接缝张开量范围内，接触面应力几乎不变，并不易长久压缩而造成应力松弛和永久变形。通过所述多孔型EPDM弹性橡胶复合密封垫内部孔的变形产生的内应力，使之在两个接触面产生巨大的应力而密封止水。上挡水条和下挡水条分别设于多孔型EPDM弹性橡胶复合密封垫的内外两侧，可阻挡泥砂作用于密封垫本体，确保密封垫的耐久性使用要求，同时兼起辅助防水的功效，以加强防水，在1.2MPa水压下，接缝张开及错动时，盾构隧道管片接缝的弹性密封实施能够达到工程防水要求。本发明所述接缝防水密封结构其结构简单、性能稳定，且所用材料均可以工厂制作，施工现场可以直接安装，操作方便。

附图说明

图1为地下水作用时小断面盾构隧道的荷载示意图；

图2为多层地层作用时小断面盾构隧道的荷载示意图；

图3为实施例中盾构隧道断面处地层分层示意图；

图4为实施例中盾构隧道横断面有限元模型图；

图5a为实施例中盾构隧道的结构变形图；

图5b为实施例中盾构隧道的弯矩图；

图5c为实施例中盾构隧道的轴力图；

图5d为实施例中盾构隧道的剪力图；

图6a为本发明所述柔性管片内侧结构展开示意图；

图6b为图6a中A-A剖视图；

图7为本发明中盾构隧道与竖井连接处的柔性接头的剖视图；

图8为盾构隧道管片接缝防水密封结构示意图；

图9为隧道接缝防水测试试验装置结构示意图；

其中，1-外壁板A，2-外壁板B，3-外肋板A，4-外肋板B，5-内肋板B，6-外肋板C，7-固定螺栓，8-缓冲橡胶，9-钢套筒，10-承压螺栓，11-M形止水带，12-角钢，13-内肋板A，14-支撑板，15-支撑垫板，16-膨胀橡胶，17-肋板D，18-肋板E，19-肋板F，20-柔性管片主体A，21-柔性管片主体B，22-弯螺栓孔，23-注浆孔，24-锚固钢筋，25-钢板A，26-角钢A，27-连接螺栓A，28-角钢B，29-螺栓套筒，30-通长钢板B，31-连接螺栓B，32-轴向缓冲层，33-环向缓冲层，34-M形止水带。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，包括以下步骤：

步骤1，根据地质条件，确定高地震烈度高水压条件下的小断面盾构隧道的荷载模式；

将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载考虑，其大小宜根据盾构隧道的覆土厚度、盾构隧道的断面形状、外径和围岩条件等来确定。考虑长期作用于盾构隧道上的土压力，如果覆土厚度小于隧道外径，一般不考虑地基的拱效应。不仅是粘性土，即使是砂质土，采用松弛土压力作为设计计算土压力也有许多问题。但当覆土厚度大于隧道外径时，地基产生拱效应的可能性比较可靠，可以考虑在设计计算时采用松弛土压力。在砂性土中，当覆土厚度大于1～2D(D为管片环外径)时多采用松弛土压力。在粘性土中，如果由硬质粘土(N>8)构成的良好地基，当覆土厚度大于1～2D时多采用松弛土压力。对于中等固结的软粘土(2<N<4)或粘土(4<N<8)，将隧道的全覆土作为土压力考虑的实例比较常见。

水平土压力考虑为作用在衬砌两侧，沿其横断面圆的直径水平作用的分布荷载，其大小根据垂直土压力与侧向土压力系数来计算的。必须注意的是，此处与侧向土压力系数相乘的垂直土压力并不是开挖隧道之前原来地基的垂直土压力，而是作用在隧道顶点的水平面上太沙基松弛土压力，并加上以隧道顶点为基点计算的土体自重作为垂直土压力。在难以取得地基抗力的条件下，可以选择考虑到施工条件的静止土压力系数作为侧向土压力系数。在可以得到地基抗力的条件下，使用主动土压力系数作为侧向土压力系数，或者以上述的静止土压力系数为基础考虑适当的减少进行计算都是常用的方法。侧向土压力系数不但应该考虑到土的性质，也要考虑由设计和施工方法共同决定。

多层地层的从上部地层开始依次分层计算各层的荷载p_vn(n号地层)，尔后将该层作为地表面，上荷载为P，计算其下层的荷载值，最后求出隧道顶部的p_vc值。

这种分层计算的方法能够较为全面考虑不同地层互层时外荷载的计算方法，但是注意使用的条件，否则算出的结果会偏离很大。计算中首先建议将产生塌落范围内的岩土参数加权平均，根据综合后的参数确定塌落拱高度。然后确定分层数，分层数应该以岩性大致相同的为一组合适，并且分层层数不宜过多，通过作者计算，当分层数超过4层时，采用这种计算的结果偏大。采用这种分层计算法算出的最终结果还应与将各地层参数加权综合后的单层计算方法相比较，二者不应相差过大为宜，如果分层计算的结果偏大，应重新审核计算过程。

式中：

p_v1—为地层交界面的松动土压。

p_vc—Terzaghi松动土压

K₀—水平土压力和垂直土压力之比(通常取K0＝1即可)；

φ—土的内摩擦角；

P₀—上覆荷载；

γ—土的容重；

c—土的粘着力。

H—土层厚度；

步骤2，根据荷载模式，建立小断面盾构隧道有限元模型；

本实施例中，实例中地层主要为卵石层、粉质粘土层及粉砂层。隧道上覆土层22.30m，并且隧道所在地层为卵石层，计算断面处地层分层见图3，地层材料参数见表1。

表1地层材料参数

盾构隧道结构采用荷载-结构模式，盾构隧道结构和输气管道用beam3单元进行模拟，径向弹簧单元用link10模拟，切向弹簧单元用combine14模拟，其余用plane42单元模拟。盾构隧道横断面一共划分为188个单元，其有限元模型建立如下图4所示。考虑到衬砌环向接头对于衬砌横向整体刚度的影响，并且管片直径相对较小，故横向抗弯刚度的折减系数η取0.8。

步骤3，根据建立的有限元模型，计算高地震烈度高水压条件下盾构隧道的结构变形和应力分布；

针对1.2MPa水压和0.6g地震峰值加速度条件下的环片结构变形和应力分布如图5a-5d所示。

计算最大位移达0.02276m，最大弯矩达1317.00kN·m。

步骤4，根据盾构隧道的结构变形和应力分布，设计相应的盾构隧道柔性管片及盾构隧道与竖井连接处的柔性接头；

本实施例所述盾构隧道柔性管片是在直径Ф4250mm盾构隧道中使用的一种实施方案。

所述盾构隧道柔性管片，如图6a和图6b所示，包括：柔性管片主体A20和柔性管片主体B21，所述柔性管片主体A20和柔性管片主体B21沿盾构隧道的纵向连接，所述柔性管片主体A20和柔性管片主体B21之间通过传力棒连接和传力。所述柔性管片主体A20和柔性管片主体B21是外部由钢板焊接成的钢框架、内部浇筑混凝土构成。所述柔性管片主体A20和柔性管片主体B21与相邻的普通管片之间通过弯螺栓连接。所述柔性管片主体A20或柔性管片主体B21的厚度、曲率半径与普通管片相同。

所述柔性管片主体A20的钢框架是由外壁板A1、外肋板A3、外肋板B4和内肋板A13焊接而成，具体的依次由外肋板A3、内肋板A13、外肋板B4、内肋板A13、外肋板A3、外肋板B4焊接连接为柔性管片主体A20的四周，外壁板1和内壁板分别作为柔性管片主体A20的外壁和内壁。外肋板B4垂直于外肋板A3和内肋板A13，且其中一块外肋板B4设置于所述外肋板A3和内肋板A13之间。

所述柔性管片主体B21的钢框架是由外壁板B2、外肋板B4、内肋板B5、外肋板C6、肋板D17、肋板E18和肋板F19焊接而成，具体的依次由肋板F19、肋板E18、外肋板B4、肋板E18、肋板F19、外肋板C6焊接连接为柔性管片主体B21的四周，外壁板B2和内壁板分别作为柔性管片主体B21的外壁和内壁。所述柔性管片主体B21的钢框架内部沿着平行于外肋板B4的方向还分别设有内肋板B5，所述内肋板B5垂直于肋板E18和肋板F19，且内肋板B5设置于肋板E18和肋板F19连接处。

其中，外肋板A3、内肋板A13、肋板E18和肋板F19均沿盾构隧道的纵向布置，即沿图2的截面方向布置；

外壁板A1和外壁板B2均沿盾构隧道的外周环向布置；

外肋板B4、内肋板B5和外肋板C6均沿盾构隧道的环向竖直布置；

肋板D17为环形肋板，其连接内肋板B5和外肋板C6，且肋板D17布置在所述柔性管片主体A20和柔性管片主体B21的缝隙外侧，且位于所述内肋板A13的内侧。

所述柔性管片主体A20和柔性管片主体B21之间还设有密封止水结构A。

所述传力棒由两个承压螺栓10、缓冲橡胶8和钢套筒9组成，其中，两个承压螺栓10的头部分别固定在柔性管片主体A20和柔性管片主体B21上，两个承压螺栓10的尾部之间通过缓冲橡胶8连接，所述两个承压螺栓10和缓冲橡胶8外套有一钢套筒9；所述承压螺栓10上设有外螺纹，所述钢套筒9内部设有与所述承压螺栓10上外螺纹相匹配的内螺纹。

所述密封止水结构A包括两道M形止水带11和膨胀橡胶16，所述膨胀橡胶16设置于柔性管片主体A20和柔性管片主体B21的缝隙外侧，所述两道M形止水带11设置于内肋板A13内侧，且两道M形止水带11分别布置在所述传力棒的两侧，所述两道M形止水带11的两端分别通过固定螺栓7固定在柔性管片主体A20的外肋板B4和柔性管片主体B21的外肋板C6上。所述两道M形止水带11的两端与固定螺栓7的连接处设有角钢12，且所述角钢12外包有橡胶保护层。

所述膨胀橡胶16内侧两端共设有三块支撑板14，其中一块支撑板14固定内肋板B5上，另外两块支撑板通过支撑垫板15固定在所述肋板D17上吗，同时通过支撑垫板15与内肋板A13固定连接。

M形止水带的材质为氯丁橡胶。

具体的，外壁板A1、外壁板B2的弧形内径为Ф4810mm，厚度16mm，弧形角度为72度；

肋板D17为环形，内径为Ф4680mm，厚度16mm，弧形角度为72度；

外肋板B4、内肋板B5、外肋板C6为环形，内径为Ф4250mm，厚度16mm；

承压螺栓10为直径M24螺栓；钢套筒9为内径Φ51×4的钢管；

所述钢板、螺栓采用的材质均为碳素钢板；

所述柔性管片通过M24弯螺栓与相邻普通管片连接；

本实施例在发生30mm轴向变形量时，能保证盾构隧道柔性管片的稳定性、密封性。

如图7所示，所述盾构隧道与竖井连接处的柔性接头包括环向缓冲层33、轴向缓冲层32和密封止水结构B，所述轴向缓冲层为防水橡胶缓冲层，所述环向缓冲层为聚氨酯缓冲层。所述环向缓冲层33设置在管片与竖井壁间的缝隙；所述轴向缓冲层32和所述密封止水结构B均设置在管片与盾构隧道洞门密封结构的缝隙，其中，所述轴向缓冲层32设置管片与洞门密封结构的缝隙外侧，所述密封止水结构B设置在管片与洞门密封结构的缝隙内侧。

所述密封止水结构B是由两块钢板A25、通长钢板B30和角钢B28焊接组成的钢框架，所述钢框架内设有M形止水带34；其中，所述两块钢板A25分别通过锚固钢筋24固定在管片和洞门密封结构上，所述M形止水带34的两端分别固定在管片和洞门密封结构的钢板A25上，所述通长钢板B30和角钢B28分别位于所述M形止水带34的外侧和内侧。

所述M形止水带34的两端分别通过连接螺栓A27、连接螺栓B31固定在相应钢板A25上，所述M形止水带34的两端与连接螺栓A27、连接螺栓B31连接处分别设有角钢A26，且所述角钢A26外包有橡胶。管片内与所述连接螺栓A27相对应的位置预埋螺栓套筒29。

两块钢板A25之间的间距与所述轴向缓冲层32同宽，所述通长钢板B30的外侧为所述轴向缓冲层32。所述钢板A25与管片的曲率半径相同。所述钢板A25的环形内径为Ф4250mm，厚度为25mm；所述通长钢板B30的弧形内径为Ф4680mm，厚度为4mm；所述角钢B28为L30×3角钢，间距为233mm；所述锚固钢筋24为Φ10@150钢筋。

所述连接螺栓A27和连接螺栓B31均为直径M16螺栓；所述角钢A26为L50×32×4角钢，环形内径为Ф4460mm；所述螺栓套筒29为内径Φ18套筒。

本实施例在盾构隧道与竖井连接处发生200mm轴向变形量、250mm横向变形时，所述柔性接头能保证与竖井连接的盾构管片不与竖井发生碰撞，不破坏，同时密封止水能保证变形时的密封性。

步骤5，根据盾构隧道管片接缝的错动量和张开量，设计盾构隧道管片的接缝防水结构；

如图8所示，盾构隧道管片接缝防水密封结构由三道防水结构组成，从上到下依次设有：上挡水条，防水密封垫和下挡水条三道防水结构；所述接缝面两侧均预留有密封垫沟槽和下挡水条沟槽，其中，所述防水密封垫粘贴在所述密封垫沟槽内，所述下挡水条粘贴在所述下挡水条沟槽内，所述上挡水条通过胶粘剂粘贴在相邻两管片接缝面两侧的最外端，即迎水面侧。

所述上挡水条和下挡水条的材质均为遇水膨胀橡胶或聚氨酯弹性体。

所述防水密封垫为三元乙丙橡胶(EPDM)或三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶的复合材质，本实施例中所述防水密封垫采用多孔型EPDM弹性橡胶复合密封垫，由三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶通过共挤复合而成；所述多孔型EPDM弹性橡胶复合密封垫为“M”型结构。

在直径为4250mm的盾构隧道的实施方案中，以环向接缝面处的接缝防水密封结构为实施例，所述多孔型EPDM弹性橡胶复合密封垫的截面宽度为36mm，截面高度为16mm，其中，三元乙丙橡胶高度为15mm，遇水膨胀橡胶布置在“M”型截面顶端，且高度为1mm。所述上挡水条的截面宽度为20mm，截面高度为5mm；所述下挡水条的截面宽度为15mm，截面高度为5mm。所述上挡水条2与多孔型EPDM弹性橡胶复合密封垫的中心距为35mm，所述多孔型EPDM弹性橡胶复合密封垫与下挡水条的中心距为30mm。所述密封垫沟槽为环片梯形槽，其上口宽为33mm，下口宽为39mm，高度为7mm。

本实施例在1.2MPa水压下，能保证盾构隧道管片的稳定性、密封性。

步骤6，进行盾构隧道的防水性能测试，测试盾构隧道接缝的防水是否满足要求，若满足要求，防水完成；若不满足要求，返回步骤4或步骤5，调整盾构隧道柔性管片、盾构隧道与竖井连接处的柔性接头或管片的接缝防水结构的结构、尺寸或布置方式。

实验装置主要由三部分组成：钢模板、水压泵及水压表、EPDM弹性橡胶密封垫。本实施例的测试台由三块钢模板组成，即两个直角板和一个平板组成一个“T”形试验装置，如图9所示。试验所在室内温度为23±2℃，试验用水为普通地下水；使用手动泵保持必要的试验压力，并通过校准的压力表进行监控。

在测试开始前，先把试验装置内表面及沟槽清理干净，再将弹性密封垫用氯丁橡胶粘结剂固定到沟槽内，并保持这个状态等待12个小时以便氯丁橡胶粘结剂发挥出应有的功效，保证粘结的效果。晚上静置12小时后，第二天早上进行张开量8mm及错动量10mm的设置操作。张开量及错动量设置好后，用高强螺栓将装置拧紧固定，确保装置在试验过程中张开量及错动量的稳定性。装置固定好后，再将水压泵及水压表连接到装置上去，然后开始加水；将所取地下水加入到水压泵中，再把水压调至0.2MPa，待其稳定后，再开始加压。在0.2MPa下保持15分钟，不漏则以0.2MPa为一个单位，逐级往上加，每加一个单位，保持10分钟不漏则继续往下加，假如加到4.2MPa出现渗水现象时，往下一级别4.0MPa，在此水压下再保持24小时不渗水，则表明在张开8mm、错动10mm工况下，密封垫能满足4.0MPa水压下的防水性能，至此，一组实验基本完成。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。