铁２０１３年第８期 道建筑 ９３ Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３—１９９５（２０１３）０８．００９３．０４ 内贴式橡胶止水带结构与性能研究 罗勇欢，冯正林，刘 佳，何波兴，郭红锋 （株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲４１２００７） 摘要：研究了一种适用于港珠澳大桥沉管隧道的内贴式橡胶止水带。介绍沉管隧道接头应用内贴式橡 胶止水带进行密封的工作原理、基本结构和安装方法。建立相关模型，结合实际工况，应用有限元方法 对内贴式橡胶止水带工作状态和水密封特性进行模拟分析，并对内贴式橡胶止水带的水密封特性进行 了试验验证。试验结果表明，内贴式橡胶止水带能很好地满足沉管隧道工程的实际需求。 关键词：沉管隧道橡胶止水带 水密封特性模拟分析 中图分类号：ＴＶ４４２ ．４ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３．１９９５．２０１３．０８．２９ 沉管隧道的每一个管段都是一个预制件，在管段 之间和管段与通风塔之间存在接头。管段接头是沉管 隧道的重要部位，同时也是薄弱部位，其结构强度和刚 度相对混凝土而言都显得非常脆弱。接头一般分为两 种形式：一种接头具有与其连接管段相似的断面刚度 和强度——刚性接头；另一种接头则允许在三个主轴 方向上有相对位移——柔性接头。目前，国内外沉管 隧道多采用柔性接头，柔性接头的防水体系一般采用 “压缩式橡胶止水带（ＧＩＮＡ）＋内贴式橡胶止水带 （ＯＭＥＧＡ）”双层组合方式。管段接头结构断面示意 如图１。 图２ 内贴式橡胶止水带结构示意 等接触面的局部压应力，更好地满足压密止水功效。 １．２ 内贴式橡胶止水带安装方法 内贴式橡胶止水带的安装方法应根据管节接缝的 构造特点，并考虑安装过程的便捷性。如图３所示，首 先将套筒预埋在混凝土中，然后把内贴式橡胶止水带、 压板和圆钢平铺在安装台上，最后用螺杆和螺母进行 固定。本方法采用螺纹联结方式将内贴式橡胶止水带 固定在沉管管节缝隙处，利用橡胶的高弹性，将内贴式 隧道内侧 橡胶止水带压板一端定位，拧紧螺母（扭矩根据实际 需要设定），螺母推动压板的另一端将止水带压紧，从 图１管节接头结构断面（单位：ｍｍ） 而把作用力传递到止水带的两翼，压紧底部的３道密 １ 内贴式橡胶止水带的结构及安装方法 １．１ 内贴式橡胶止水带结构 封唇，达到密封止水效果。 如图２所示，内贴式橡胶止水带主体材料为橡胶， 中间加设纤维层（帘布）以提高其耐水压能力，端头呈 凸圆状，其内设有硬质胶条以确保在高水压下橡胶止 水带不会发生滑移、内缩。此外，在止水带底边设有三 排密封唇，使接触为线接触，从而提高止水带与混凝土 收稿日期：２０１２－Ｏ１—２０；修回日期：２０１３．０３—２０ 螺杆；２一螺母 ３一垫片；４一压板：５一内贴式橡胶止水带 ６一安装台；７一套筒；８一圆钢 图３ 内贴式橡胶止水带安装示意 作者简介：罗勇欢（１９８５一），男，湖南株洲人，助理工程师。 ２０１３年第８期 罗勇欢等：内贴式橡胶止水带结构与性能研究 ９５ ４）螺栓预紧力分析 当压板竖向位移为７．５ ｍｍ时，刚好压平三道密 封唇，取压板竖向位移为７．５ ｍｍ时的受力状况作为 螺栓预紧力的设计依据。 竖向力与竖向位移曲线如图７所示。图中加载起 点在（０，０）位置，ｘ轴正负表示位移的方向，ｙ轴正负 表示力的方向。 竖向位移 ｍ ８ —７ —６ —５ —４ —３ —２ —１ ０ １０ －２Ｏ Ｚ ３０ ４Ｏ瑚 ５０ ６０ ７０ 图７ 竖向力与竖向位移曲线 通过仿真分析，得出当压板竖向位移为７．５ ｍｍ 时，三道密封唇刚好被压平，此时对应的约束反力为 ６６．２ Ｎ，压板的长 和宽 分别为１ ｍｍ和４０ ｍｍ，因 此在压板上需要施加的面压为 Ｆ＝ ＝ ・∞６５５ ＭＰａ ３眦 式中： 为压板面压，ＭＰａ；Ｆ为工况１下压板的约束反 力，Ｎ；Ｌ为模拟分析时压板单位长度，ｍｍ；Ｂ为压板宽 度，ｍｍ。 安装时，压板实际长度 为２２０ ｍｍ，因此螺栓设 计预紧力Ｐ为 Ｐ： Ｂ＝１．６５５ Ｘ ２２０×４０：１４ ５６４ Ｎ＝１４．６ ｋＮ 式中，Ｐ为螺栓设计预紧力，Ｎ。 ３水密封试验验证 ３．１试验装置 试验装置（见图８）分为对称两块，通过变形缝连 接成一个近似长方体，长×宽Ｘ高分别为９００ ｍｍ× １ ０００ ｍｍ Ｘ １ ０００ ｍｍ。装置采用钢箱结构和截面比 例为１：１的止水带，通过往内腔加水来模拟止水带在 实际工况下的水压力。试验通过机械装置调整两个钢 箱的位置，准确模拟钢箱的相对位移，从而检验内贴式 橡胶止水带在不同张开量、不同水压力和一定剪切量 下的水密封性能。 ３．２试验工况 工况一：纯张拉，即沿试验装置水平方向张拉，判 断在不同张开量、不同水压力值工况下的水密封性能。 工况二：剪切一张拉，即先沿试验装置前后张拉 １０ ｍｍ，然后再水平方向张拉，判断在１０ ｍｍ剪切变形 图８水密封试验装置 基础上，不同张开量、不同水压力值工况下的水密封 性能。 ３．３试验步骤 试验过程中，每当水压加到预设值后，先静置０．５ ｈ，如果有压降就补充加压，以消除应力释放带来的误 差，然后保压２ ｈ，每隔２０ ｍｉｎ读取一次数据。具体试 验步骤为：①检查止水带是否安装好，螺栓是否拧紧。 ②通过调节导轨，把装置调节到预设张开量。③打开 钢箱顶部的进水阀，往密闭钢箱内充水。④打开加水 压设备的卸压阀，检查压力表。⑤关闭空压机的出气 阀，插上电源，让空压机工作。⑥施加第一级水压。打 开空压机出气阀，缓慢调节驱动气压调节阀，使驱动气 压慢慢升高到０．１ ＭＰａ，增压泵开始工作，继续缓慢调 节驱动气压调节阀，当压力达到所需压力时，停止调节 驱动气压。⑦保压和读取数据。本试验施加水压从预 设值０．５ ＭＰａ开始，保压２ ｈ，每隔２０ ｍｉｎ读取一次数 据，并认真填写试验原始记录。⑧施加下一级水压。 打开高压截止阀，打开驱动气压调节阀开关，继续⑥的 操作。⑨关闭驱动气压调节阀开关，打开卸压阀，直到 压力显示为０。⑩继续进行下一个张开量下的试验， 直到试验结束。 ３．４试验结果 纯张拉工况下水密封试验结果见表１，剪切一张 拉工况下水密封试验结果见表２。表中，完好表示水 密封试验符合要求，空格表示不需要测试。 表１ 纯张拉工况下水密封试验结果 ９６ 铁道建筑 Ａｕｇｕｓｔ，２０１３ 表２ 剪切一张拉工况下水密封试验结果 式橡胶止水带分别在张拉和剪切两种工况下的模拟分 析，以及按照实际工况进行的水密封试验，验证了内贴 式橡胶止水带的结构形式和水密封特性均满足设计要 求，可以很好地满足我国沉管隧道工程建设的需要。 参 考 文 献 ［１］王兴铎．水下沉管隧道的发展和施工技术［Ｊ］．中国铁路， ２００１（５）：４８—５Ｏ． ［２］王吉云．港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道施工新技术介绍 ［Ｊ］．地下工程与隧道，２０１１（１）：２２—２６． ［３］王艳宁，熊刚．沉管隧道技术的应用与现状分析［Ｊ］．现代隧 道技术，２００７，４４（４）：１—４． ［４］魏鸿，吴剑．沉管隧道高速列车空气阻力水力学模型试验研 从表１和表２可看出：①在纯张拉和１０ ｍｍ剪切 量的剪切～张拉两种工况下，止水带样品的水密封性 究［Ｊ］．铁道建筑，２００７（５）：４１—４５． ［５］唐英，管敏鑫，万晓燕．沉管隧道接头的理论分析及研究 ［Ｊ］．中国铁道科学，２００２，２３（１）：６７—７２． ［６］宁茂权．海底沉管隧道的防水设计［Ｊ］．铁道建筑，２００８ （１Ｏ）：５８—６１． 能均良好；②止水带样品在试验中和试验后均未发现 明显的鼓包、裂痕及破损现象。 ４ 结语 大量的工程应用验证了采用内贴式橡胶止水带是 解决沉管隧道密封止水问题的有效方法。通过对内贴 ［７］朱家祥．外环沉管隧道工程［Ｍ］．上海：上海科学技术出版 社，２００５． ［８］张国文，李雪春，党佳，等．铁路隧道用橡胶止水带的生产及 应用［Ｊ］．铁道建筑，２０１１（１２）：８０—８２． Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｉｎｎｅｒ－ａｄｈｅｓｉｖｅ－ｔｙｐｅ ｒｕｂｂｅｒ ｗａｔｅｒ－ｓｔｏｐ ｂｅｌｔ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｉｔｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＬＵＯ Ｙｏｎｇｈｕａｎ，ＦＥＮＧ Ｚｈｅｎｇｌｉｎ，ＬＩＵ ｊｉａ，ＨＥ Ｂｏｘｉｎｇ，ＧＵＯ Ｈｏｎｇｆｅｎｇ （Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｔｉｍｅｓ Ｎｅｗ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｈｕｎａｎ ４１２００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎ ｉｎｎｅｒ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｒｕｂｂｅｒ ｗａｔｅｒｓｔｏｐ ｔｉｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｍｅｒｓｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ—Ｚｈｕｈａｉ—Ｍａｃａｏ ｂｒｉｄｇｅ．Ｉｔ ｏｕｔｌｉｎｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｉｓ ｗａｔｅｒｓｔｏｐ ｔｉｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｊ ｏｉｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｍｍｅｒｓｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ａ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｅ．Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ，ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｗｉｔｈ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｔａｔｅ，ｉｎ ｔｈｅ ｈｏｐｅ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ—ｓｅａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｕｂｂｅｒ ｗａｔｅｒｓｔｏｐ ｔｉｅ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｐｕｒｐｏｓｅ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ—ｓｅａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗａｔｅｒｓｔｏｐ ｔｉｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｍｅｒｓｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ｐｒｏｊｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｍｍｅｒｓｅｄ ｔｕｎｎｅｌ；Ｒｕｂｂｅｒ ｗａｔｅｒｓｔｏｐ ｔｉｅ；Ｗａｔｅｒ—ｓｅａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ （责任审编 葛全红）
