盾构隧道“T字缝”接触应力与防水性能研究

周文锋; 廖少明; 门燕青

doi:10.11779/CJGE202012013

盾构隧道“T字缝”接触应力与防水性能研究 English Version

周文锋^1,,
廖少明^{1, 2, ,},
门燕青³

1.
同济大学地下建筑与工程系,上海　200092
2.
同济大学岩土与地下工程教育部重点实验室,上海　200092
3.
济南轨道交通集团有限公司,山东　济南　250014

基金项目:

国家重点基础研究发展计划（“973”计划）项目 2015CB057806

上海市“科技创新行动计划”项目 19511100802

详细信息

作者简介:
周文锋(1987—),男,博士研究生,主要从事盾构隧道防水安全方面的研究工作。E-mail：chow1025@126.com

通讯作者:
廖少明, E-mail：engcent@tongji.edu.cn

中图分类号: U45
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2020-05-07
- 网络出版日期: 2022-12-05
- 刊出日期: 2020-11-30

Contact stress and waterproof capacity of T-joint in shield tunnel

1.
Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
2.
Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China
3.
Jinan Rail Transit Group Co., Ltd., Jinan 250014, China

摘要

摘要: 针对高水压海底盾构隧道防水安全问题,以琼州海峡海底盾构隧道为背景,开展了“T字缝”密封垫接触应力及防水性能研究。首先,建立了“T字缝”渗流流固耦合数值计算模型,揭示了“T字缝”密封垫间接触应力分布特点以及渗流规律；同时,采用自主研制的伺服式高水压试验装置开展了“T字缝”防水性能实验,得到了不同接缝张开量情况下的渗漏临界水压；最后,根据数值模拟结果和试验数据建立了“T字缝”渗漏临界水压公式。研究表明：“T字缝”的环纵缝交点处的平均接触应力最大,纵缝上距离交点20 mm处的平均接触应力最小,易发生渗漏；渗流形态与平均接触应力分布有关,平均接触应力越小,渗流速度越快；“T字缝”的临界水压与接缝张开量呈反比,为保证琼州海峡海底隧道长期防水安全,建议接缝张开量应小于10 mm；“T字缝”渗漏临界水压公式计算结果最大误差为15.7%,满足精度要求。
- 海底盾构隧道 /
- T字缝 /
- 防水安全 /
- 渗流特性 /
- 接触应力
Abstract: For the waterproof safety of undersea shield tunnels with high water pressure, the contact stress and waterproof capacity of T-joint are studied considering the background of Qiongzhou Strait Tunnel. Firstly, a fluid-solid coupling model for the T-joint is established to reveal the distribution characteristics of gasket-gasket contact stress and the seepage pattern. Then, a series of waterproof laboratory tests of the T-joint are conducted using the servo-type equipment developed independently to obtain the critical water pressure of joint leakage. Thirdly, the formula for the critical water pressure of leakage varying with the joint opening is derived based on the numerical data and the in-laboratory test results. The results show that the maximum value of the average contact stress is located at the corner of the T-joint, and the average contact stress of the location 20 mm away from the T-joint corner on the longitudinal seam is the lowest where the leakage is likely to occur. The seepage pattern is consistent with the distribution of the average contact stress, and the seepage velocity is greater where the average contact stress is lower. The critical water pressure of the T-joint is negatively related to the joint opening, and the joint opening should be lower than 10 mm to ensure the long-term waterproof safety of the Qiongzhou Strait Tunnel. The maximum error of the formula for the critical water pressure of leakage is 15.7%, meeting the accuracy requirements.
- undersea shield tunnel /
- T-joint /
- waterproof safety /
- seepage pattern /
- contact stress

HTML全文

0.   引言

中国地热资源禀赋良好、潜力巨大，可在中国未来能源结构中发挥重要作用^[1]；浅层地温能是一种近乎可无限开发利用的可再生清洁能源，其中地源热泵技术可为建筑物提供供暖和制冷，是一种绿色低碳节能技术^[2]；能源桩结合了地下热交换管与桩基础的优势，有效利用了浅层地温能^[3]。然而，现有的浅层地温能资源勘查精度低，缺乏系统的勘查技术体系，勘查评价滞后造成地热能市场供需矛盾日益突出^[1]；如何精确高效地获得土层的热物性参数，仍是高质量开发浅层地温能所面临的主要难题。

热响应试验是目前广泛应用的原位测试土体热物性参数的方法，但是它测试时间长、成本高，且精确度低^[4]。相比之下，温度静力触探（thermal-cone penetration test, T-CPT）作为一种新型原位测试技术，可同时获取土层的力学参数和热物性参数，为土体力学性能、温度分布及换热能力评估提供数据，直接服务于能源桩的优化设计和浅层地温能高效开发^[5]。

本文通过系列温度静力触探室内模型试验，研究了加热时间和贯入深度对T-CPT热物性参数解译的影响以及含水率和密实度对锥尖阻力的影响，探究了单一因素的影响规律并分析了T-CPT贯入-传热机理。

1.   模型试验系统

1.1   试验仪器与测试方法

本研究引入了一种新型温度静力触探测试技术，如图 1（a）所示，即在传统CPT探头摩擦套筒后面安装加热元件和温度传感器。图 1（b）给出了T-CPT测试技术操作流程图。本试验的探头主体设备包括CUMT加热型温度探头、加热型双桥温度静力触探探头、探杆和导线。为了模拟半无限空间环境，减少边界效应，试验采用1 m（长）×1 m（宽）×1 m（高）的组装模型箱。

图 1 T-CPT探头示意图

Figure 1. Schematic of T-CPT

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1.2   土样基本物理参数

试验砂土取自徐州，其最小干密度和最大干密度分别为1.35，1.59 g/cm³。采用筛分法测得颗粒级配如所示。其中， ${d_{60}}$ =0.61， ${d_{30}}$ =0.4， ${d_{10}}$ =0.25，不均匀系数 ${C_{\text{u}}}$ =2.44，曲率系数 ${C_{\text{v}}}$ =1.05，为匀粒土。

图 2 颗粒大小分布曲线

Figure 2. Distribution curve of particle size

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2.   模型试验设计

2.1   温度静力触探试验方法

为研究探头加热时间、贯入深度对试验结果的影响，本试验共进行12次T-CPT测试，其中探头测温的深度h分别为10R，20R，30R，R的大小为探头的外半径值。

试验步骤如下：首先将土样分层填入模型箱，在3个测试深度处预设温度传感器。连接好数据采集设备后，探头以2 cm/s的速度贯入土体，直至探头加热元件到达指定深度处停止。静置30 min后，启动探头内加热元件运行相应时间，随后等待土体温度消散至初始温度。

2.2   不同影响因素下的锥尖阻力分析方案及步骤

为研究土体的密实度和含水率对T-CPT测试锥尖阻力的影响，采用人工夯实和喷壶层层喷水的方法得到3种密实度和两种含水率的试样。贯入步骤与2.1节一致，探头贯入至0.6 m后停止试验。

3.   结果分析

3.1   室内加热-散热试验结果分析

依据所示，在不同加热时长下，探头具有相同的加热散热趋势，而散热时长 ${t_\rm{cool}}$ 与加热时长 ${t_\rm{heat}}$ 比值却不相同。加热时长由60，120，300 s增至600 s，该比值依次为10.2，8.0，5.2，4.0，这说明加热时间越长、温差越大，热量在土体中的消散速度就越快。

图 3 h=10R处温度T₁随时间的变化

Figure 3. Variation of temperature at h=10R with time

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为研究加热时长与加热段的探头平均温升速率的关系（见），计算出不同加热时间下的平均温升速率分别为 ${v_{60 \rm{s}}}$ =0.118 ℃/s， ${v_{120 \rm{s}}}$ =0.134 ℃/s， ${v_{300 \rm{s}}}$ =0.107 ℃/s， ${v_{600 \rm{s}}}$ =0.079 ℃/s，可以看出加热时间在120~300 s内时，平均温升速率会达到峰值，此时升温效率处于较高水平。其中，加热时间为0~2 s时出现的曲线波动由于测试时间极短引起，可不予考虑。

图 4 加热速率随加热时间的变化

Figure 4. Variation of heating rate with heating time

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图 5（a），5（b）分别显示了加热时间为60，120 s时不同贯入深度下的探头温度变化曲线。由图 5可知，h=10R处的温升高于h=20R和h=30R处的温升。这是由于下层土样的密实度和含水率更高，因此其热量耗散速率高于上层土样，导致在对探头的加热过程中，有部分热量消散到土体中。而在图 5（c），5（d）中，h=20R深度处的温升落后于另外两个深度处的温升，这种偏差可能是多种因素作用下的结果。

图 5 不同深度处的温度变化

Figure 5. Variation of temperature at different depths

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采用Mo等^[6]的方法得到不同加热时间下反演的土体导热系数值，结果如图 6所示。其中，计算得到的导热系数均大于土体取样测得的值，这是由于取样的土体部分受到了扰动，土颗粒之间接触不紧密进而引起传热能力下降。图 6中土层深度为h=30R处的土体导热系数高于深度h=10R、h=20R处的导热系数。在各深度处的导热系数随着加热时长的增大有所降低，这是由于后面进行的加热-散热测试难免会受到前面测试的温度扰动，土体的平均初始温度场略有升高，因此计算得到的导热系数会略微下降。根据试验结果可知，通过温度静力触探试验能够获得加-散热过程中桩-土温度响应规律，同时根据探头温度数据能够反演出较为准确的土体导热系数。

图 6 土样导热系数结果

Figure 6. Results of thermal conductivity of soil samples

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3.2   不同影响因素下的锥尖阻力分析

给出了不同密实度土样在贯入过程中的锥尖阻力值 ${q_{\text{c}}}$ 随贯入深度的变化曲线。从图中可以发现，中等密实土和密实土中的 ${q_{\text{c}}}$ 值明显大于松散土样中的 ${q_{\text{c}}}$ 值，即贯入时土样越密实获得的锥尖阻力值越大。

图 7 锥尖阻力随贯入深度的变化

Figure 7. Variation of cone resistance with penetration depth

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中给出的是土样含水率饱和的锥尖阻力曲线，与中土样含水率较低的锥尖阻力相比，在贯入深度为0~400 mm阶段时，饱和砂土 ${q_{\text{c}}}$ 比干砂的 ${q_{\text{c}}}$ 减少了400~620 kPa。而在贯入深度为400~600 mm阶段时，两者却相差无几，这是由于加水后土样静置的时间过短，下层土体的含水率变化很小。

4.   结论

本文介绍了一种温度静力触探室内试验系统，基于此分析了探头加热时间和不同土层深度对桩土传热的影响，得到了加-散热过程中土体的温度响应，验证了温度静力触探技术测试土体导热系数的可行性。此外，还探究了不同密实度和含水率土样影响下探头锥尖阻力的变化规律。

（1）加热时间越长土体散热越快，而加热时间过长就会造成加热效率上的损耗。试验结果表明，随着加热时长的增大，探头对土体的加热效率是先增大后减小的，并在120 s左右达到峰值。

（2）在不同深度处的试验土样，取样测得的土体热特性差异较小；而试验土样的物理力学特性对试验温度响应具有一定的影响。结果表明，贯入深度越大，反演的导热系数值会略高。

（3）试验土样越密实，锥尖阻力值 ${q_{\text{c}}}$ 越大；而含水率越大， ${q_{\text{c}}}$ 则越小，且 ${q_{\text{c}}}$ 随贯入深度变化的曲线波动幅度也越小。

图 1 橡胶密封垫及管片沟槽断面图

Figure 1. Cross-section of grooves and rubber gaskets

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图 2 “T字缝”渗流流固耦合数值模型

Figure 2. Sketch of fluid-solid coupling numerical model for T-joint

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图 3 “T字缝”结构示意图

Figure 3. Sketch of T-joint structure

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图 4 密封垫间接触应力沿横断面分布

Figure 4. Distribution of gasket-gasket contact stress along cross-section of T-joint

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图 5 “T字缝”密封垫间平均接触应力纵向分布曲线

Figure 5. Curves of longitudinal distributions of average contact stress

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图 6 密封垫最小平均接触应力与接缝张开量的关系

Figure 6. Relationship between minimum average contact stress and joint opening

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图 7 “T字缝”渗流形态

Figure 7. Seepage patterns of T-joint

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图 8 伺服式高水压接缝防水试验装置

Figure 8. Servo-type waterproof test device for high water pressure joints

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图 9 “T字缝”角部渗漏

Figure 9. Picture of leakage at corner of T-joint

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图 10 “T字缝”渗漏临界水压与接缝张开量的关系

Figure 10. Relationship between critical water pressure and joint opening

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图 11 “T字缝”参数λ与接缝张开量之间的关系

Figure 11. Relationship between parameterλ and joint opening

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图 12 理论分析与室内试验渗漏临界水压误差分析

Figure 12. Error analysis of critical water pressure between theorical analysis and laboratory tests

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表 1 数值及试验结果汇总表

Table 1 Summary of numerical and laboratory results

δ/mm P_cmin/MPa P_w/MPa λ

10 0.43 3.84 8.93
12 0.35 2.66 7.50
14 0.32 1.82 5.70
16 0.29 1.27 4.44

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