弹性密封技术

弹性密封技术（精选四篇）

弹性密封技术 篇1

盾构管片接缝防水是盾构法隧道设计中至关重要的一个问题,接缝一旦发生渗漏,将严重影响隧道工程安全。弹性密封垫是盾构管片接缝常用的防水材料,主要靠接触面之间的接触力来抵抗外水压力。作为橡胶高分子材料,弹性密封垫在受挤压状态下的松弛不可避免,这会导致密封垫间的接触应力下降,进而导致防水能力的折减。因此,必须对密封垫的松弛性能进行检测,以保障其良好的长期防水性能。

1 橡胶材料松弛性能的检测现状

目前,国内测定橡胶材料的松弛性能主要有两类:1)测定橡胶试件的应力松弛,对应的标准为GB/T1685—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶在常温和高温下压缩应力松弛的测定》;2)测定橡胶试件的永久变形,对应的标准为GB/T 7759—1996《硫化橡胶、热塑性橡胶常温、高温和低温下压缩永久变形测定》。

1.1 橡胶试件应力松弛的测定

GB/T 1685—2008主要采用的测试仪器为橡胶应力松弛仪,测定原理是在规定的试验温度下,将硫化橡胶或热塑性橡胶标准试样压缩到并保持在一恒定应变的状态下,测定压缩力的降低。

试样规格:1)圆柱形试样,Ⅰ型:Φ10±0.2 mm、高10±0.2 mm,Ⅱ型:Φ13±0.5 mm、高6.3±0.3 mm;2)环形试样(可采用旋转式切刀裁取):厚2±0.2 mm、内径15±0.2 mm、径向宽度2±0.2 mm。

1.2 橡胶试件永久变形的测定

GB/T 7759—1996是将已知高度的试件,在常温、高温和低温条件下,在规定的压缩率,经一定的压缩时间后,测定橡胶的变形量。测定原理:1)室温和高温试验:在标准温度条件下,将已知高度的试件,按压缩率要求压缩到规定的高度,在规定温度条件下,压缩一定时间,然后在标准温度条件下除去压缩,将试样在自由状态下,回复规定时间,测量试样的高度;2)低温试验:在标准温度条件下,将已知高度的试件,按压缩率要求压缩到规定的高度,在规定低温试验温度下,压缩一定时间,然后在相同低温下除去压缩,将试样在自由状态下回复,在低温下每隔一定时间测量试样的高度,得到一个试样高度与时间的对数曲线图,以此评价试样的压缩永久变形。

试样规格:1)A型:Φ29±0.5 mm、高12.5±0.5 mm的圆柱体;2)B型:Φ13±0.5 mm、高6.3±0.3 mm的圆柱体。

上述两种测试橡胶材料松弛性能的方法,均采用标准试件,而非成品密封垫。然而,实际工程中所使用的成品密封垫性能往往同标准试件存在一定差异,标准试件的检测不能真实反映密封垫松弛性能。急需新的测试方法及测试设备,用于成品密封垫松弛性能的测定。

2 早期密封垫成品的松弛检测

上海崇明越江隧道工程中,密封垫材料性能测试尝试使用密封垫闭合压缩试验装置(图1),每次测试时加压至闭合状态,同时读取传感器的读数。该方法得到的密封垫闭合压缩力随时间变化的曲线见图2。

分析图2中曲线,认为应力松弛主要发生在前8d,36 d后应力松弛基本达到稳定。应力变化速率为0.002 kN/h,应力松弛为25%。按照水密性设计1 MPa的要求,应力松弛25%,仍可以达到0.75 MPa的防水能力。

此种装置解决了成品密封垫的松弛检测问题,但仍存在明显缺陷:1)无法测定不同张开量条件下的松弛应力;2)无法反映密封垫之间接触面的压力变化;3)每个工况试验必须占用一个压缩试验装置,造成试验设备浪费严重。对试验装置优化改进势在必行。

3 密封垫松弛测试技术的改进及适用性验证

基于密封垫的闭合压缩试验装置,研究人员研制出一套密封垫松弛应力检测装置,该装置仿照压缩试验装置制成一套夹具,通过在夹具间放置垫片模拟不同开张量,并通过在密封垫间放置传感器,得到密封垫接触面的压力值(图3)。

通过试验,模拟2 mm,4 mm,6 mm三种张开量(维持28 d),测定密封垫接触面压应力随时间变化曲线(图4、图5),详细结果见表1。

分析图4、图5中曲线可以得出:1)夹具中密封垫松弛过程应力处于不断调整和自平衡的状态,因此测试结果存在一定的波动;2)25 d(600 h)后,密封垫的压应力趋于平缓,28 d后密封垫的松弛比例均在13%～15%之间(表1);3)对防水指标有重要参考意义的张开量6 mm的设计工况,28 d后,密封垫的接触应力约0.6 MPa,从理论上讲能够满足防水设计要求。

4 结语

本文基于密封垫的闭合压缩试验装置,研制出一套密封垫松弛应力检测装置,该装置通过在夹具间放置垫片模拟不同开张量,并通过在密封垫间放置传感器,得到密封垫接触面的压力值,能够更加准确地反映密封垫松弛性能,为隧道工程长期可靠的防水性能提供保障。

随着地铁、隧道等工程的大规模建设,盾构管片接缝长期防水问题必定会引起更多的关注,防水弹性密封垫松弛性能测定的研究也会更加深入。谨以此文,与业内人士共同探讨交流。

摘要：介绍了盾构隧道弹性密封垫松弛性能检测现状,并基于密封垫的闭合压缩试验装置,研制出一套密封垫松弛应力检测装置。该装置通过在夹具间放置垫片模拟不同开张量,并通过在密封垫间放置传感器,得到密封垫接触面的压力值,能够更加准确地反映密封垫的松弛性能,为隧道工程长期可靠的防水性能提供保障。

关键词：弹性密封垫,松弛性能检测,闭合压缩试验装置,松弛应力检测装置

参考文献

[1]全国橡标委橡胶物理和化学试验方法分会.GB/T1685—2008硫化橡胶或热塑性橡胶在常温和高温下压缩应力松弛的测定[S].北京:中国标准出版社,2008.

喷嘴自动密封技术简述 篇2

喷嘴自动密封技术：小字符喷码机在每一次关机或开机时，喷出最后一滴墨或第一滴墨都有可能因为墨水循环系统未处于正常工作，而不能进入回收系统。长期以往，会造成喷嘴堵塞。为此，喷码机厂家研发了喷嘴自动密封技术。开机时，喷嘴并没有立即工作，先不喷墨，直到内部的墨水循环系统运行正常后，喷头密封装置才开启，因此喷射第一滴墨时，各个系统已经处于正常工作状态，就不存在第一滴墨的问题了。同理，将要停机前，当墨水循环系统还没有停止工作的状态，喷嘴和回收槽先闭合，就避免了最后一滴墨遗留在喷嘴上，问题也就解决。喷嘴自动密封的优点是喷嘴和墨水循环系统闭合后，喷嘴不再与空气接触，墨路系统成为一个封闭的系统，喷头就很少会堵塞。

小字符喷码机A-98、A-300新式设计，喷嘴3重防堵塞设计。

1、使用独立的喷头电滋阀，喷嘴全自动清洗，不需人工作清洗地。每次关机自动喷射溶剂清洗喷嘴及回收管路，自动清洗，保证下次开机时喷嘴和墨水管路畅通无阻，提高运行的稳定性。

2、独立的喷嘴清洗程序（逆清洗和喷射溶剂清洗），无后顾之忧。

浅谈化工机械密封技术 篇3

【关键词】化工机械；密封

任何一种密封我们所想达到的效果都是要严密、泄露量少、使用寿命长，且在实施过程中还要求操作简便，方便日后维修，成本更要低，从化工密封上来说也是如此的要求，它的泄漏量可控制在0.2～3mL之间，至少要保持一年以上的使用寿命，理论上化工密封应该是长期永久耐用的，但在实际操作可能会出现各种情况，是它达不到应有的使用寿命，例如化工解析密封存在质量问题、人为操作问题、安装误差、冲洗系统失去效果等原因。

1、確定密封损坏的判断标准

1.1 判断辨识泄漏量

1.2 判断辨别每分钟泄漏量的多少

参考标准为化工器械密封轴径在50mm以下时，泄漏量不得超过3ml/min，轴径在50～120之间时，泄漏量要控制在6ml/min以下。

1.3 泄漏量的定义判别

分为正常泄露和反常泄露两个概念，符合正常标准而又稳定的泄露为正常泄露，反之短期超过标准的泄露则是反常泄露。新安装的密封装置或者正处于跑合期，或者停用密封装置又重新启动时，以及电压波动影响，工艺状况发生变化时都是有可能引起反常泄露，这个时候要经常观察，一般都会自行消除泄露的情况，如果长时间没有正常，就需要拆卸装置来进行检查了。

2、化工机械失效的原因分析

2.1冲洗原因

这是化工机械本身造成的原因，动环和静环之间会相互摩擦，之间会生热，就会给化工机械造成某些影响，例如摩擦副内液膜汽化形成干摩擦，或者粘度下降，起不到很好的润滑作用，摩擦副介质蒸汽压增强，会形成泄露，致使介质加快腐蚀的作用，辅助密封圈失去弹性，出现老化的现象，动静环产生变形，这都是化工机械本身特点存在的现象。

摩擦一定生热，为了消除这种现象，延长使用寿命，我们必须针对不同介质需要的条件针对性的进行冷却，以确保表面液膜存在，保持着润滑的作用，这也是化工机械能继续工作下去的最基本的条件。有些机械介质中含有悬浮颗粒以及一些杂质，这些颗粒会进入到摩擦副，会影响到动静环的运动，加大它的磨损，静环密封圈失去浮动，弹簧失去弹性，这样密封的效果就会减弱，所以这时候会用净化后的清洁液或者蒸汽对摩擦副进行冲洗，让其中的固体颗粒和悬浮颗粒冲掉，来保证化工机械的正常运转。

另外冲洗之后可能也会造成化工机械的密封效果变弱，形成这种原因的情况可以考虑以下几点：过滤器由于冲洗形成堵塞导致冲洗液流量不足；没有过滤器，致使冲洗液中的杂质进入密封面；冲洗液管道逆阀使工艺液体流进入管道，增加颗粒和悬浮物，致使冲洗液的化工机械失效。

2.2 静密封失效

它的失效是由于密封圈本身有缺陷造成的，比如说尺寸太大或者存在老化的现象，一般只要密封圈的结构设计的合理，材料选择的合适，在安装之前做认真的对比和检查，仔细安装静密封是可以保证密封圈的安装质量的。

2.3 动密封点失效

影响动密封效果的从理论上来说主要由四点原因：第一是介质原因，介质的粘度、清洁度和介质压力。一般粘度高的比较不容易泄露，介质比较干净稳定的不宜泄露，压力小的不容易泄露；第二是轴的影响，一般情况下轴的转速越低越不容易泄露，转动中摆动幅度小越不易泄露，轴越粗那密封面会越宽，即垂直偏差就会越明显，则比较容易发生泄露；第三原因是密封结构，波纹管密封的浮动性最好，用四氟塑料密封圈的话效果就比较差；第四点密封端面在制造和安装质量中以端面平面度与转轴轴线的垂直最为重要。

2.4 振动偏大

化工机械振动比较大会造成密封效果缺失，但是振动的原因往往不是化工机械密封自身的原因，根本的源头是在泵的其他零部件，比如说泵轴设计不合理，轴承精确度不够。径向力偏大，加工不当等原因都有可能造成振动偏大。

3、提高化工机械效果的措施

3.1 运行平稳

良好的运行环境肯定是会提高化工机械的效果，比如说停车减少会减少突然停车中造成的瞬间破坏力，启动和运行条件正常变化为泵的运作提供了稳定的环境，这些都可以让密封寿命大大提高。

3.2 连续冲洗

适当合理的冲洗会减少化工机械的泄露。冲洗的内容包含了两个方面，一个是工作介质的自冲洗和工艺液冲洗，这些冲洗都会对介质进行一个调整和检查，让介质的压力、流量和温度都能保持在标准范围内，另一方面对洗液过滤器的清晰还可以保证过滤器畅通，减少因为冲洗原因造成的密封损坏。

3.3 设备改良

设备要进行改进，这都是实践工作中总结出来的，技术上的改进才能进一步长久的保证机械性能得到良好地发挥。比如说：DA302塔循环水泵更换化工机械后，一直出现短暂间歇性的密封损坏，查找原因是因为泵壳密封环和叶轮口环间间隙不足产生了摩擦，使得泵产生较大的振动让密封损坏，经过后来的加工让口环配合间隙达到1.4mm，才解决了这一个问题。

3.4 安装

安装过程的仔细认真、准确无误是能够保证化工机械寿命延长的，除了保证环境的稳定来消除密封失效的可能，那设备安装出差错就成了密封失效的主要的原因了。安装中的误差会多少造成振动加大，轴和壳体不合理运动会加大泵的振动，对密封是有影响的，所以检修队伍人员的素质和技术要求也都要有保证。

4、结论

本文的分析讨论可以看出，对于意外密封失效其实是有能力减少的，随着工艺的提高、检修质量改善、设备技术改进是能够使得机械密封达到预想的设计寿命的。另外，操作员工的技术培训也是非常有必要的，员工扎实的理论基础，纯熟的技术操作、丰富的实践经验都能再最大程度上减少甚至避免失效情况的出现，这些都是保持企业可持续发展、经济效益提高、工厂高效运转的根本。

参考文献

[1]胡国桢.化工密封技术[M].北京：化学工业出版社，1990.

[2]罗志新.石油化工釜用机械密封的失效分析与对策[J].聚氯乙烯，2000，（2）.

弹性密封技术 篇4

1 工程概况

国内某城市地铁1号线围岩为饱水的Q3+Q4砂卵砾石,车站埋深1~5 m、区间隧道埋深2~20 m。工程范围内地下水系主要以第4系孔隙潜水为主,孔隙潜水主要埋藏于砂卵石地层中,地下水位埋藏较浅,水量丰富,渗透系数K=15~40 m/d,补给来源为大气降水和地表河流、沟渠。对埋藏于富水砂卵石层中的盾构隧道而言,由于砂性土渗透性强,在车振作用下容易出现液化和弱化,从而导致隧道产生显著的纵向差异沉降,使盾构管片接缝防水问题更为严峻。特别是由于砂性土没有自愈合能力,结构微小裂缝引起的渗水如果不及时加以治理,可能发展成严重的渗漏。因此,确保管片接缝的防水性能就更显重要。

2 接缝防水初始设计方案

初始设计方案中盾构隧道接缝防水采用单道预制成框的弹性橡胶密封垫设于接缝外侧,密封垫以三元乙丙橡胶为材质,管片密封沟槽和密封垫断面如图1所示。防水设计指标:接缝在0.60 MPa水压下,环纵缝分别张开6 mm时不渗漏。

3 密封垫优化设计

初始方案中的沟槽采用的是目前国内盾构隧道中常用的一种形式,其实际使用效果良好,加之盾构管片前期已投入批量生产,故优化设计主要围绕密封垫断面展开。

优化设计的思路:首先根据线路的埋藏条件,确定合理的优化指标,然后通过有限元方法对初始方案中密封垫的压缩特性进行模拟分析,根据分析结果判断其性能是否满足优化指标要求;如果不满足要求,则结合模拟分析的结果进行断面调整,直到找出满足所有优化指标的密封垫断面形式。由于弹性密封垫的压缩具有强烈的非线性性质,对其压缩变形过程模拟的成功与否是优化设计的关键。

3.1 优化指标

为使弹性密封垫具有较好的综合性能,优化指标不仅包括设计水压与接缝张开量,还应考虑压缩密封垫所需压力与错缝量等。

3.1.1 设计水压与接触应力

该盾构隧道底部最大埋深约为20 m,静水压力取0.20 MPa。考虑到线路的埋藏条件以及使用年限内橡胶的应力松弛和蠕变,安全系数取3,故设计水压Pw取0.60 MPa是合理的。

弹性密封垫压入沟槽后,由其弹性复原力在密封垫与沟槽的接触面上产生接触应力从而止水,因此接触应力显然是进行密封垫优化设计的主要控制指标。研究发现,在不错缝情况下,弹性密封垫的最大耐水压力与接触面接触应力比较接近,通常认为接触应力与设计水压之比K≥1.15时即能满足水密性要求[3]。因此当密封垫与沟槽接触面上的接触应力Pc≥1.15×0.6≈0.70 MPa时,即可确保密封垫在0.6 MPa水压不发生渗漏。

3.1.2 管片拼装闭合压力

将单位长度密封垫完全压入沟槽时所需的压力即所谓管片拼装闭合压力,简称闭合压力。闭合压力越大,将密封垫压入沟槽所需的顶推力也就越大。最大顶推力的大小受限于盾构机性能,如果密封垫闭合压力过大,则可能由于顶推力不足而使管片不能闭合。同时,过大的顶推力易产生较大拼装误差或使角部弹性密封垫承受较大拉应力,甚至使接缝的端面、角部受损,这种现象在以往的管片拼装施工中时有发生,并导致接缝防水性能大大降低。因此,控制闭合压力是非常重要的,它是密封垫优化设计中另一主要控制指标。根据所使用的盾构机类型和最大推力,并结合线路所在地区盾构隧道施工经验,闭合压力宜控制在60 k N左右。

3.1.3 接缝张开量和错缝量

接缝防水设计时需要顾及接缝的张开量和错缝量。接缝张开导致密封垫与管片的接触应力减小。根据盾构直径、隧道纵向变形和不均匀沉降,考虑当地施工控制水平、温度变化等影响,并结合国内其他城市相关工程经验,接缝最大张开量可以按6 mm考虑。

错缝压缩将导致密封垫不能均匀压缩,可能影响接触应力的大小和分布。考虑施工及长期沉降、不均匀沉降、错台等因素以及相关工程经验,取最大错缝量为6 mm。不过,以往的经验表明,错缝量对密封垫防水能力的影响比张开量要小,只要错缝不是很大,保证密封垫之间有足够的接触面积,其防水性能是可以保证的。为简化优化设计过程,断面优化分析时可不考虑错缝工况,错缝工况下弹性密封垫的防水能力由水密性试验进一步验证。

3.2 密封垫有限元模拟分析方法

3.2.1 橡胶的本构模型

橡胶材料通常被处理为各向同性不可压缩超弹性材料,超弹性材料应力与应变之间的非线性关系主要通过应变能函数来定义[4]。本计算采用在工程中应用比较广的Mooney-Rivilin二参数模型,并假设橡胶为不可压缩材料,其应变能函数的表达式为:

式中:U为应变势能;为应变不变量;C10、C01为材料参数,通过试验获得。

3.2.2 建立计算模型

弹性密封垫在压缩过程中几何形状发生了显著改变,需要考虑几何非线性。弹性密封垫表面与沟槽之间、各孔压密之后孔的内表面存在着复杂的接触问题,加上橡胶的材料非线性,因此分析时要同时考虑材料非线性、几何非线性及接触非线性三方面的特性,这也使得分析难度大为增加。由于混凝土的刚度远远大于橡胶,因此可认为混凝土为刚体,沟槽可简化为刚性边界。弹性密封垫表面与沟槽表面对应位置需设置刚-柔接触对。弹性密封垫压缩变形后,内部孔洞可能被完全压实,因此在孔的内表面也要设置柔-柔接触对。

考虑不错缝情况下接缝两侧弹性密封垫压缩变形的对称性,可取一侧弹性密封垫进行分析。橡胶采用Hyper56四节点超弹单元进行离散。边界条件方面,下部底边采用固定约束(零位移约束),上部底边竖向设置固定位移约束(非零位移约束),位移量等于密封垫断面高度与沟槽深度之差。据此建立的有限元计算模型如图2所示。

需要指出的是,网格划分的质量直接影响到大变形有限元分析是否能够完成(达到给定的变形量)。因此,在划分网格时一定要注意网格的分布、密度和均匀性。根据试算的结果和预估的变形发展趋势,对初始网格的形状和大小适当进行调整,对于适应大变形模拟分析后期网格的严重扭曲有较好的效果。

3.3 初始断面模拟分析结果

经过多次网格细化和微调,完成了密封垫压缩6mm的模拟分析,结果见图3。当接缝张开量为6 mm,即一侧弹性密封垫压缩量为3 mm时,其接触应力分布如图3(a)。此时密封垫底部和侧面处的接触应力大于顶部,而顶部接触应力大多在0.9 MPa左右,较0.7 MPa的设计指标有较大富余。接缝完全闭合时的密封垫变形图如图3(b)所示。压缩密封垫所需压力等于所有与上部底边发生接触的结点的竖向结点力之和,由此可得压力与压缩量之间的关系曲线如图3(c)所示。由图3(b)可以看到,沟槽闭合时,密封垫内部齿孔已经基本被完全压实,而密封沟槽几乎完全被橡胶填满,密封垫已无进一步压缩变形的空间,这必然导致压缩密封垫所需的闭合压力很大。由图3(c)可以看到,压缩量超过5 mm后,继续压缩密封垫所需的压力迅速增大,最终其闭合压力达到190 k N/m,远远超出60 k N/m的设计指标。

3.4 断面优化

根据有限元分析结果,可以认为初选断面过于厚阔,断面可以适当削弱。断面调整时,可以考虑进一步扩大开孔直径或增加孔的数量,增大齿槽宽度和高度,并适当调整孔和齿的位置。同时,也可以根据需要适当调整断面高度。需要注意的是断面调整时,应注意孔洞的均匀性,避免截面局部被过度削弱而在压缩过程中产生过度扭曲,导致严重应力集中,使橡胶变成塑性并使得分析中断。按此思路,经过20余次调整和试算,最终得到的优化断面如图4所示。

优化断面的有限元分析结果如图5所示。接缝张开量为6 mm时的接触应力分布如图5(a)。除去边角应力集中部位,密封垫顶部接触应力在0.75 MPa左右,两侧及脚部接触应力更大,接触应力满足要求。图5(b)为接缝完全闭合时的密封垫变形图,可以看到此时孔洞尚未被完全压实,由此推断,压缩密封垫所需的闭合压力可以显著减小。图5(c)为压力与压缩量之间的关系曲线,可以看到优化断面的闭合压力约为58 k N/m,满足优化指标要求。由此可以认为优化断面在满足接触应力要求的同时,大大降低了闭合压力。

此外,初始断面的净面积为372.6 mm2,优化断面的净面积为332.1 mm2,两者相差40.4 mm2。优化断面的净面积比初始断面减少了近11%,而盾构隧道一环管片上密封垫的用量近50 m,通过断面优化而节省的材料和成本是非常可观的。

4 试验与结果分析

为测试和验证优化后的密封垫的实际防水性能,委托厂家生产了一批密封垫试件(图6)用于试验研究。研究项目包括压缩试验、张开和错缝条件下的水密性试验。

4.1 压缩试验

压缩试验装置如图7所示,将2根200 mm长的密封垫放入端部有限位装置的钢槽内进行对压,钢槽与密封沟槽断面一致。将整个装置放置到压缩试验仪上,对试件逐级加压,每压缩约0.5 mm记录1次压力数据,直至将密封垫完全压入沟槽。获得的典型压缩量-压力关系曲线如图8所示,5组试件测得的闭合压力平均值为60 k N/m,这个结果与有限元模拟分析是比较接近的。

比较图8与图5(c)可以发现,有限元计算所得曲线与实测曲线在总体趋势上是相近的,但实测曲线在压缩量较小时,压力增加更慢一些;而在后期(压缩量超过5 mm以后),随着压缩量增加而压力迅速增大。这可能与试验中钢槽端部限位装置的设置方式有关,由于其刚度和安装误差,其限位作用到后期可能才得以充分体现。同时,由于密封垫的加工精度有限,不可能与设计断面在尺寸和孔洞位置等方面完全相同,这也是计算曲线和实测曲线存在些许偏差的原因。

4.2 水密性试验

水密性试验装置如9所示。将试件制成框形并用专用粘结剂牢固粘贴在2块开有框形密封沟槽的厚钢板上进行对压,通过试压泵往框形内部密闭空间注水,由此即可测定密封垫的止水能力。通过在2块钢板间设置精加工的不同厚度的垫块、改变上下2块钢板的相对位置,即可实现对不同大小的接缝张开量和2个方向错缝量的模拟。试验共进行了5组,试验结果取其平均值,详见表1。

由表1可以看到,在张开量为6 mm、不错缝、水压0.6 MPa下,5组试件均未发生渗漏;张开量为6mm、双向错缝6 mm、水压0.6 MPa下,5组试件均未发生渗漏。可见,试件的防水能力满足设计指标要求。进一步增大水压、张开量和错缝量发现,不错缝情况下,试件在接缝张开6 mm时,最大可以抵抗0.8 MPa的水压;要抵抗0.6 MPa的水压,试件允许的接缝张开量可达8 mm;在接缝张开6 mm时要抵抗0.6 MPa的水压,允许的最大单向错缝量为10 mm,而当一个方向错缝7 mm时,另一方向的最大错缝量可达10mm。

试验结果表明,少量的错缝对于接缝的防水能力影响不大,且这种影响主要与错缝量的大小有关,而与是单向错缝还是双向错缝关系不大。

试验结果还表明,与设计指标相比,试件所能承受的水压力和允许的接缝张开量还存在一定富余,一定程度上超出了前述有限元计算对其止水能力的预测。其原因可能是计算时对于密封垫的止水能力只考虑了由密封垫弹性复原力而引起的接触应力P0的贡献,而橡胶密封垫遇水之后还将在接触面上产生自封作用压P1[5],因此接触面的总应力Pc=P0+P1。故仅考虑P0而对密封垫防水能力所作的预测是偏小的。不过相比于P0,P1对于止水能力的贡献要小得多,因此试件的实测防水能力与有限元预测的结果还是比较接近的。另外,由于施工工艺和质量的影响,实际工程中接缝的防水能力很难达到室内试验的水平,因此将自封作用压作为安全储备,采用略偏于保守的设计方法是可以接受的。

5 结语

1)以某地铁盾构隧道接缝防水设计方案为背景,考虑隧道埋藏条件并考虑施工等因素,提出了较为完善的弹性密封垫优化设计指标体系。

2)采用有限元方法对橡胶弹性密封垫在密封沟槽内的压缩过程进行模拟,得到不同压缩量下弹性密封垫的变形特性、接触应力大小与分布和闭合压力。以接触应力和闭合压力作为主要控制指标,并依据密封垫的变形特性,对断面进行了调整和优化,得到了更为经济、合理的弹性密封垫断面形式。

3)通过自行研制的试验系统,对密封垫的压缩特性和防水能力进行了研究和验证,其结果与有限元模拟分析结果相近。

4)目前该密封垫已实际应用于在建的盾构隧道工程,效果良好。管片拼装过程中未出现困难或接缝受损等情况,已建成隧道管片接缝处均无湿迹或渗漏发生。事实证明密封垫的优化设计是成功的,所采用的计算方法合理、优化方法得当、试验结果可靠。

参考文献

[1]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社,1991.

[2]叶琳昌,薛绍祖.防水工程[M(]2版).北京:中国建筑工业出版社,1996.

[3]朱祖熹.隧道防水的若干创新技术与值得重新认识的几个问题[J].中国建筑防水,2006(1):55-59.

[4]徐立,吴桂忠.有限元分析橡胶应变能函数的若干形式[J].橡胶工业,1999,46(12):15-18.