[发明专利]一种盾构隧道管片接缝密封垫截面优化方法及系统

说明书

一种盾构隧道管片接缝密封垫截面优化方法及系统，方法包括：通过分析实际工况，建立密封垫和沟槽的2.5D截面模型和有限元模型；对密封垫有限元模型施加载荷完成压缩模拟，提取密封垫表面接触应力分布，采用圆锥平面接触模型和Roth模型建立微观下密封垫表面泄漏模型，基于泄漏模型推导泄漏率公式，并计算出泄漏率；以泄漏率和接触应力为指标对密封垫截面进行优化，得到优化后的界面模型。本发明的截面优化方法从微观分析了密封垫表面的泄漏率，采用的模型简单实用，可为盾构隧道管片接缝密封垫乃至其他同类型橡胶密封垫提供截面优化指导。

技术领域

本发明盾构隧道建筑领域，具体涉及一种盾构隧道管片接缝密封垫截面优化方法及系统。

背景技术

盾构法是一种安全快速的隧道施工方法，因其机械化程度高，对环境造成的影响相对较小而被广泛使用，21世纪以来，我国大规模建设水下隧道和城市地铁，盾构法得到了快速发展。隧道防水是隧道施工建设以及运营过程中的重难点，盾构管片接缝处更是防水的关键部位，如果隧道内长期渗水，则影响隧道的使用功能和结构耐久性，更甚者会造成地表沉降或坍陷。

盾构隧道的防水方法包括结构自防水和其他附属措施，如管片外防水涂层、管片接缝防水、二次衬砌防水等，其中以管片接缝防水为重点。通常管片接缝防水的对策是使用密封材料，主要是在管片四周的密封沟槽内设置环状密封垫，待管片拼装后两个管片上的密封垫相互挤压，以接触面压应力来止水。

所以密封垫是隧道防水的重要部件，设计密封垫截面形状也因此至关重要。以往设计中，仅采用密封垫接触面最大压应力这一唯一指标来评价密封垫防水性能优劣。由于密封垫表面在微观层面是凹凸不平的，因而在微观层面总会存在泄漏，当泄漏率到达肉眼可以辨别的程度时，即认为密封垫失效。密封垫泄漏率除与最大压应力有关外，还与平均接触压应力以及压应力分布均相关，因而仅采用最大压应力作为评价指标不完备，也不科学，需要增加泄漏率作为评价指标。

发明内容

鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本发明实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种盾构隧道管片接缝密封垫截面优化方法及系统，具体方案如下：

作为本发明的第一方面，提供一种盾构隧道管片接缝密封垫截面优化方法，所述方法包括：

S1，通过分析实际工况，建立密封垫和沟槽的2.5D截面模型和有限元模型；

S2，对密封垫有限元模型施加载荷完成压缩模拟，并提取密封垫表面接触应力分布，计算出接触应力最大值、平均值以及压缩力；

S3，采用圆锥平面接触模型和Roth模型建立微观下密封垫表面泄漏模型，基于泄漏模型推导泄漏率公式，并计算出泄漏率；

S4，以泄漏率和接触应力为指标对密封垫截面进行优化，得到优化后的界面模型。

进一步地，S2具体包括：对下沟槽进行固定约束，并上下移动上钩槽，对密封垫施加不同的压缩力，以构建有限元模型下密封垫的压缩模拟，并提取密封垫表面接触应力分布，基于密封垫表面接触应力分布，获取接触应力最大值、平均值以及压缩力

进一步地，S3具体包括：

S31：首先选用微观接触模型，根据表面轮廓仪的观察选用更符合实际情况的圆锥平面接触模型，再选用Roth模型为泄漏通道模型，其中，Roth模型是用连续相同的等腰三角形简化随机粗糙峰，模型结构简单直接，便于计算和分析流体在接触面间的泄漏情况；

S32，对泄漏率的计算公式进行推导，假设密封垫间液体为均匀牛顿流体，根据雷诺数可判断其流动状态为层流，液体流动的Navier-Stoks方程为：

方程一：

式中，ρ是流体密度；v是速度矢量，u,v,w是流体在t时刻，在点(x,y,z)处的速度分量；P是压力；f是单位体积流体受的外力，若只考虑重力，则f＝ρg；常数μ是粘性系数。