温度-应力耦合作用下盾构隧道接缝密封性能演化机理

Joint leakage is a clutch issue during the construction and operation of shield tunnels. Extra-high voltage tunnels, nuclear water intake/drainage tunnels, and road tunnels under fire, are inevitably subjected to temperature effect. However, very limited research considered the temperature effect on joint sealant behavior. This project plans to perform tensile tests of ethylene-propylene-diene monomer rubber samples after high temperatures and waterproof/mechanical tests of segmental joints using aging gaskets, to comprehensively understand the evolution characteristics of gaskets under high temperatures. Based on phenomenological theory of continuum, an hyper-elastic constitutive relation under variable temperatures for rubber will be derived and implemented into finite element software. A series of thermal-mechanical coupled numerical models for joints and lining structures will be established to reveal the evolution mechanism of the sealant behavior of gasketed joints under varied temperatures. Finally, a detailed numerical-based method to compute the waterproof capacity of tunnel gasketed joints considering temperature effect will be proposed. This method can be used to quantitatively predict the realistic sealant performance of joints under varied temperatures. The research achievements can further enrich the design theory on joint waterproofing and sealing of shield tunnels. The research contributes to providing fundamental basis for the construction safety and stable long-term operation of extra-high voltage tunnels, nuclear water intake/drainage tunnels, as well as for the safety evaluation of tunnels after fire.

接缝渗漏水是盾构隧道建设和运营中“卡脖子”的关键难题。特高压电力隧道、核电取排水隧道以及火灾下公路隧道受到明显的温度作用。然而，现有研究较少考虑温度对接缝密封行为的影响。因此，本项目拟开展高温后三元乙丙橡胶试样拉伸试验及接缝密封垫防水/力学性能演化试验，系统认识密封垫在高温下的性能演化特性；基于连续介质唯象理论，建立不同温度下橡胶材料超弹性本构关系，并通过有限元软件的二次开发功能进行程序实现；构建盾构隧道接缝及衬砌结构热-力耦合密封性能数值模型，全面揭示动态温度作用下接缝密封性能演化机制；开发考虑温度效应的盾构隧道接缝防水性能连续-非连续精细数值计算方法，定量预测变温条件下接缝的防水密封能力。研究成果将丰富深化盾构隧道接缝防水密封设计理论，并为特高压电力隧道及核电取排水隧道的安全建设和长久稳定服役，以及火灾后隧道的安全性评估提供理论基础。

本项目以温度作用下盾构隧道接缝密封性能演化及高水压下盾构隧道接缝防水性能失效为核心科学问题，开展高温下盾构隧道接缝密封垫服役性能、高水压条件下盾构隧道接缝双道密封垫防水失效机理、主要设计参数对接缝防水性能的影响机制以及接缝密封垫精细化设计方法等方面的研究。主要研究成果如下：.（1）探明了接缝密封垫三元乙丙（EPDM）橡胶材料高温老化性能，得到了高温老化后的EPDM材料会产生较大的材性损失现象，影响管片接缝密封垫的密封性能，降低接缝长期防水可靠性；.（2）研究了受压状态下接缝密封垫高温老化性能，探明了受压状态下老化后密封垫接触应力的衰减规律以及错台对接触应力的影响机制，老化后EPDM的热氧稳定性、分子结构变化不大，微观表面产生了坑洞与裂缝；.（3）研发了盾构隧道接缝密封垫密封性能精细化试验方法，揭示了接触应力三维分布规律，基于微观接触理论给出了平均接触应力与微凸体所受荷载之间的关系，验证了渗漏界面理论渗漏水压的存在；.（4）开展了运营盾构隧道渗漏水病害现场调研，针对管片接头变形及渗漏水状况进行了实测数据统计分析，揭示了盾构隧道接头变形及渗漏水的分布规律；.（5）探明了接缝双道密封垫渐进防水失效过程，分析了张开量与错台量的影响，揭示了双道密封垫防水增强机理；.（6）阐明了接缝不连续变形、沟槽几何尺寸、密封垫硬度和界面摩擦系数等参数对接缝防水性能的影响规律；.（7）建立综合考虑密封垫拼装性能和短/长期防水性能的密封垫精细化设计方法，并依托实际工程进行了应用。.依托以上内容，发表学术论文11篇，包括SCI检索6篇（含1篇ESI高被引论文），出版英文专著1部，申请发明专利4项（授权1项），培养硕博士研究生5名。成果为高温作用下盾构隧道接缝密封性能演化机理以及高水压下盾构隧道接缝密封垫设计提供了基础理论和技术支撑。