一种盾构隧道管片接头防水结构及计算方法技术

本发明专利技术公开了一种盾构隧道管片接头防水结构，包括盾构管片，盾构管片上设有外侧密封垫槽、内侧密封垫槽和螺栓孔口，螺栓孔口内穿设有螺栓，相邻盾构管片之间通过螺栓连接；外侧密封槽内安装有密封橡胶垫，密封橡胶垫为弹性密封垫，内侧密封槽内安装有嵌缝材料，盾构管片之间安装有传力衬垫，螺栓孔口上安装有止水胶圈，止水胶圈为遇水膨胀型止水胶圈。本发明专利技术还公开了一种盾构隧道管片接头防水结构的计算方法，包括以下步骤：S1、螺栓预紧力计算；S2、螺栓的安装设计；S3、密封橡胶垫的设计；S4、密封橡胶垫防水能力验算；S5、遇水膨胀型止水圈膨胀率验算。本发明专利技术所提供的一种盾构隧道管片接头防水结构，盾构管片防水效果好，耐用度高。高。高。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构隧道管片接头防水结构及计算方法


[0001]本专利技术属于隧道施工
，具体涉及一种盾构隧道管片接头防水结构及计算方法。

技术介绍

[0002]盾构隧道的防水性能好坏是影响隧道结构耐久性及其正常使用的重要方面，其防水重点主要集中在盾构管片自身防水和管片接头防水两个方面，现实中盾构隧道管片自身渗漏的情况很少，漏水基本集中在管片间或环间接缝处，究其原因主要是管片安装的严重错台和设计防水能力不足。
[0003]从理论上讲，管片接头的防水能力与管片间或环间密封胶条的接触紧密程度相关。管片安装完成时，在螺栓预紧力作用下，防水胶条受压紧贴严密，防水效果最好，但在其后的使用过程中，管片受地层压力、不均匀地层沉降或纵向水平地震等作用的影响，管片间或环间接头(缝)会产生外侧张开的变形，使得防水密封胶条的接触压应力松弛，部分密封胶条脱离接触从而影响接头防水能力。
[0004]所以说，管片的接头防水设计考虑胶条材质、隧道最大水位、管片受力与变形、隧道抗震等因素。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决上述问题，提供一种结构简单，密封性好的盾构隧道管片接头防水结构及计算方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种盾构隧道管片接头防水结构，包括盾构管片，盾构管片上设有外侧密封垫槽、内侧密封垫槽和螺栓孔口，螺栓孔口内穿设有螺栓，相邻盾构管片之间通过螺栓连接；外侧密封槽内安装有密封橡胶垫，密封橡胶垫为弹性密封垫，内侧密封槽内安装有嵌缝材料，盾构管片之间安装有传力衬垫，螺栓孔口上安装有止水胶圈，止水胶圈为遇水膨胀型止水胶圈。
[0007]进一步地，所述盾构隧道管片接头防水结构的计算方法包括以下步骤：
[0008]S1、螺栓预紧力计算；
[0009]S2、螺栓的安装设计；
[0010]S3、密封橡胶垫的设计；
[0011]S4、密封橡胶垫防水能力验算；
[0012]S5、遇水膨胀型止水圈膨胀率验算。
[0013]进一步地，所述步骤S1中螺栓的预紧力与密封橡胶垫表面间的接触反力组成了一对力矩平衡系，根据平衡原理，可建立如下力偶平衡方程：
[0014]n
·
N
p
·
L1＝R
s
·
L2，则有：
[0015][0016]N
p
为螺栓安装预紧力设计值，n为每条纵缝上的横向安装螺栓数量，R
s
为密封垫表面间的接触反力，按下式计算；R
s
＝σ
·
a
·
B；其中，σ为密封垫初始接触应力(MPa)；a为密封垫宽度(m)；B为管片宽度(m)。
[0017]进一步地，所述步骤S2中螺栓的预紧力是由安装时的扭矩提供的，根据螺栓的预紧力与施加在扭力扳手上的扭矩成正比例，因此，可通过调整扭矩扳手上的扭矩值来达到螺栓的不同预紧力；
[0018][0019]μ为连接螺栓与垫板间的摩擦系数，一般可取0.30～0.35，k为扭矩系数，取连接螺栓与垫板间的摩擦系数的一半，即约0.15左右，d为螺栓公称直径，螺栓安装时应使用扭矩扳手，考虑到弹性松弛特点，其设定扭矩值可按设计计算值的105％～110％确定。
[0020]进一步地，所述步骤S3包括以下分步骤：
[0021]S31、密封橡胶垫弹性模量计算；
[0022]S32、密封橡胶垫表面接触应力计算。
[0023]进一步地，所述步骤S31包括以下分步骤：
[0024]S311、密封橡胶垫安装施工完成时的初始应变；
[0025]对盾构管片和密封橡胶垫是先粘贴在盾构管片接头处两侧管片的外侧密封槽内的，安装时两片密封橡胶垫对贴，并在螺栓预压力作用下产生压缩变形而贴紧，从而起到防水作用；
[0026]密封垫槽底宽为b，槽上宽为b+2d，槽深为d，密封垫初始宽度为a，初始厚度为t0，在螺栓预压力作用下的密封橡胶垫的初始弹性应变计算如下式：
[0027][0028]其中，
△
为密封橡胶垫的总压缩变形量(
㎜
)，t0为安装前单片密封橡胶垫的初始厚度(
㎜
)，d为密封槽单面深度(
㎜
)，δ为管片间预留传力衬垫厚度，即安装间隙，由设计确定，一般1～2
㎜
；
[0029]S312、密封橡胶垫的横向弹性模量；
[0030]密封橡胶垫垫属于各向异性材料，它与盾构管片间通过粘结材料粘结在一起，其侧向受压变形受到接触面形状的影响，亦即密封垫的横向弹性模量与形状有关，其名义横向弹性模量一般按如下经验公式计算：
[0031]E
ap
＝(4+3.290μ2)
·
G；
[0032]其中，μ为密封垫形状系数，对密封槽内的密封垫属于细长型，其形状系数可按计算，a为密封垫的短边长度，G为密封垫的横向剪切模量，对橡胶材料，其横向剪切模量与材料的邵氏硬度有关，可按如下实验公式计算：当密封垫材料的邵氏硬度H
s
≤70时，按(MPa)计算；当密封垫材料的邵氏硬度H
s
＞70时，按(MPa)计算。
[0033]进一步地，所述步骤S32包括以下分步骤：
[0034]S321、密封橡胶垫安装完成时的初始接触应力；
[0035]安装完成时，螺栓的预紧力达到设计值，密封橡胶垫在预紧力作用下产生弹性压缩变形，根据虎克定律可计算得密封垫的初始压应力为：
[0036]σ1＝E
ap
·
ε；
[0037]其中，ε为修正后的初始应变，按如下经验公式计算；
[0038][0039]S322、密封橡胶垫正常使用中的接触应力计算；
[0040]考虑到橡胶材料的非均匀性，以及管片安装后螺栓预紧力松弛等综合因素的影响，根据国外规范做法，对密封橡胶垫正常使用阶段的表面初始接触应力进行如下修正：
[0041]σ＝γ
s
·
ρ
·
α
·
σ1；
[0042]其中，γ
s
为考虑材料形状和硬度不均匀等因素影响的修正系数，一般取0.6～0.8，ρ为施工完成后正常使用阶段，由于螺栓应力松弛因素的影响修正系数，一般取0.7～1.0，α为施工完成后正常使用阶段，由于自封作用影响的修正系数，一般取0.8～1.0。
[0043]进一步地，所述步骤S4包括以下分步骤：
[0044]S41、外力作用下的盾构管片接缝张开量计算
[0045]在土层压力或纵向水平地震作用下，拱腰处盾构管片间或环间螺栓受拉，相邻盾构管片的接缝会张开，密封橡胶垫的应力会逐渐释放，引起密封胶条间压应力降低，从而降低接缝处的防水能力；
[0046]由于螺栓工作于弹性阶段，据此可计算出螺栓变形量：
[0047][0048]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构隧道管片接头防水结构，其特征在于，包括盾构管片(1)，盾构管片(1)上设有外侧密封垫槽(11)、内侧密封垫槽(12)和螺栓孔口(13)，螺栓孔口(13)内穿设有螺栓(2)，相邻盾构管片(1)之间通过螺栓(2)连接；外侧密封槽(11)内安装有密封橡胶垫(3)，密封橡胶垫(3)为弹性密封垫，内侧密封槽(12)内安装有嵌缝材料(4)，盾构管片(1)之间安装有传力衬垫(5)，螺栓孔口(13)上安装有止水胶圈，止水胶圈为遇水膨胀型止水胶圈。2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片接头防水结构，其特征在于，所述盾构隧道管片接头防水结构的计算方法包括以下步骤：S1、螺栓(2)预紧力计算；S2、螺栓(2)的安装设计；S3、密封橡胶垫(3)的设计；S4、密封橡胶垫(3)防水能力验算；S5、遇水膨胀型止水圈膨胀率验算。3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片接头防水结构，其特征在于，所述步骤S1中螺栓(2)的预紧力与密封橡胶垫(3)表面间的接触反力组成了一对力矩平衡系，根据平衡原理，可建立如下力偶平衡方程：n
·
N
p
·
L1＝R
s
·
L2，则有：N
p
为螺栓安装预紧力设计值，n为每条纵缝上的横向安装螺栓数量，R
s
为密封垫表面间的接触反力，按下式计算；R
s
＝σ
·
a
·
B；其中，σ为密封垫初始接触应力(MPa)；a为密封垫宽度(m)；B为管片宽度(m)。4.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片接头防水结构，其特征在于，所述步骤S2中螺栓(2)的预紧力是由安装时的扭矩提供的，根据螺栓(2)的预紧力与施加在扭力扳手上的扭矩成正比例，因此，可通过调整扭矩扳手上的扭矩值来达到螺栓(2)的不同预紧力；μ为连接螺栓与垫板间的摩擦系数，一般可取0.30～0.35，k为扭矩系数，取连接螺栓与垫板间的摩擦系数的一半，即约0.15左右，d为螺栓公称直径，螺栓(2)安装时应使用扭矩扳手，考虑到弹性松弛特点，其设定扭矩值可按设计计算值的105％～110％确定。5.根据权利要求2所述的一种盾构隧道管片接头防水结构，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：S31、密封橡胶垫(3)弹性模量计算；S32、密封橡胶垫(3)表面接触应力计算。6.根据权利要求5所述的一种盾构隧道管片接头防水结构，其特征在于，所述步骤S31包括以下分步骤：S311、密封橡胶垫(3)安装施工完成时的初始应变；对盾构管片(1)和密封橡胶垫(3)是先粘贴在盾构管片接头处两侧管片的外侧密封槽(11)内的，安装时两片密封橡胶垫(3)对贴，并在螺栓预压力作用下产生压缩变形而贴紧，
从而起到防水作用；密封垫槽底宽为b，槽上宽为b+2d，槽深为d，密封垫初始宽度为a，初始厚度为t0，在螺栓预压力作用下的密封橡胶垫的初始弹性应变计算如下式：其中，
△
为密封橡胶垫的总压缩变形量(
㎜
)，t0为安装前单片密封橡胶垫的初始厚度(
㎜
)，d为密封槽单面深度(
㎜
)，δ为管片间预留传力衬垫厚度，即安装间隙，由设计确定，一般1～2
㎜
；S312、密封橡胶垫(3)的横向弹性模量；密封橡胶垫垫(3)属于各向异性材料，它与盾构管片(1)间通过粘结材料粘结在一起，其侧向受压变形受到接触面形状的影响，亦即密封垫的横向弹性模量与形状有关，其名义横向弹性模量一般按如下经验公式计算：E
ap
＝(4+3.290μ2)
·
G；其中，μ为密封垫形状系数，对密封槽内的密封垫属于细长型，其形状系数可按计算，a为密封垫的短边长度，G为密封垫的横向剪切模量，对橡胶材料，其横向剪切模...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈代秉，邓一三，蒲苏东，李亮，李德明，徐志彬，张河，刘浩杰，刘奇峰，段琴，
申请(专利权)人：中铁科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：