[分享]如何评价盾构管片接缝密封垫的防水能力？
【密封垫防水原理】
根据密封垫的静态密封原理，密封垫在工作状态下具有把压力传递到接触面的特征。在初始拼装阶段，连接螺栓的旋紧使密封垫之间产生接触应力P0；在管片推出盾尾之后，其与外界土层直接接触，外界水压直接作用在密封垫上，由于其自封作用，将在接触面上产生附加应力P1。因此，在正常使用状态下总接触面的应力为P=P0+P1。
国内外学者认为接缝处的防水能力与密封垫接触面之间的接触压力大小存在直接关系。当接触应力与水压Pw满足Pw≤mP=m（P0+P1）时，可以认为密封垫不发生渗漏。其中m是与密封材料的材质、耦合面表面状况有关的参数。
研究密封垫之间接触应力的大小及其应力分布规律是评价密封垫防水能力的关键。
【密封垫大变形压缩有限元分析】
ABAQUS软件具备分析橡胶这种超弹性材料非线性大变形的能力。将密封垫的压缩问题简化为平面应变问题，同时采用解析刚体模拟密封垫沟槽对于密封垫的侧限作用。以国内某隧道的密封垫断面形式作为研究对象建立有限元计算模型。为了研究不同接缝位移情况下接触面上接触应力的分布规律，考虑在错缝量为6 mm情况下的整个压缩过程。以未压缩状态下两密封垫接触面最边缘的接触点作为接触面位置的原点。
密封垫有限元模型
密封垫在压缩量为6 mm、10 mm、14 mm（14 mm对应完全闭合状态）情况下的变形状态如下图所示。
压缩量6 mm
压缩量10 mm
压缩量14 mm
由于断面孔洞的存在，密封垫之间的接触应力分布曲线是凹凸不平的。在接缝压缩量较小的情况下，接触应力在中部位置较小，应力最大位置出现在两侧；当压缩量接近或达到完全闭合时，在接触面中心的接触应力迅速增大，两侧位置的应力振荡明显。
密封垫的压缩过程一般表现为三个阶段：弹性压缩阶段、孔壁失稳阶段和压密阶段。密封垫的孔壁失稳阶段发生在压缩量为6～10 mm之间。在压缩量较大时，由于密封垫之间的相互挤压，接触应力出现急增的趋势。
平均接触应力-压缩量关系图
密封垫在完全闭合（即压缩量分别达到14 mm）的情况下防水能力将达到5.4 MPa以上。但在实际工程中，由于管片拼装误差以及盾构推出盾尾之后受到周围水土荷载的作用，管片接缝处会存在一定的张开量。对国内已经建成的地铁隧道的调研也发现，管片接缝处的张开量是普遍存在的，个别接缝处甚至可以达到10 mm以上。过大的接缝张开量是造成隧道渗漏的主要原因。
因此，从密封垫的设计角度考虑，完全闭合情况下的防水能力显得没有那么重要；而密封垫能在较大的张开量情况下依然保证较高的防水能力显然更有意义。因此，在密封垫断面设计中考虑充分延长失稳阶段的压缩量对于盾构接缝防水是有利的。
