[發(fā)明專利]一種盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊截面優(yōu)化方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110673139.2
• 申請日: 2021-06-17
• 公開（公告）號: CN113361039B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 肖明清;張超勇;薛光橋;孫文昊;何應(yīng)道;唐宇恒
• 申請（專利權(quán)）人: 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F30/28;E21D11/38;G06F111/04;G06F111/10;G06F119/14;G06F113/08
• 代理公司: 北京匯澤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11228
• 代理人: 鄭飛

一種盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊截面優(yōu)化方法及系統(tǒng)，方法包括：通過分析實際工況，建立密封墊和溝槽的2.5D截面模型和有限元模型；對密封墊有限元模型施加載荷完成壓縮模擬，提取密封墊表面接觸應(yīng)力分布，采用圓錐平面接觸模型和Roth模型建立微觀下密封墊表面泄漏模型，基于泄漏模型推導泄漏率公式，并計算出泄漏率；以泄漏率和接觸應(yīng)力為指標對密封墊截面進行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的界面模型。本發(fā)明的截面優(yōu)化方法從微觀分析了密封墊表面的泄漏率，采用的模型簡單實用，可為盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊乃至其他同類型橡膠密封墊提供截面優(yōu)化指導。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明盾構(gòu)隧道建筑領(lǐng)域，具體涉及一種盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊截面優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

盾構(gòu)法是一種安全快速的隧道施工方法，因其機械化程度高，對環(huán)境造成的影響相對較小而被廣泛使用，21世紀以來，我國大規(guī)模建設(shè)水下隧道和城市地鐵，盾構(gòu)法得到了快速發(fā)展。隧道防水是隧道施工建設(shè)以及運營過程中的重難點，盾構(gòu)管片接縫處更是防水的關(guān)鍵部位，如果隧道內(nèi)長期滲水，則影響隧道的使用功能和結(jié)構(gòu)耐久性，更甚者會造成地表沉降或坍陷。

盾構(gòu)隧道的防水方法包括結(jié)構(gòu)自防水和其他附屬措施，如管片外防水涂層、管片接縫防水、二次襯砌防水等，其中以管片接縫防水為重點。通常管片接縫防水的對策是使用密封材料，主要是在管片四周的密封溝槽內(nèi)設(shè)置環(huán)狀密封墊，待管片拼裝后兩個管片上的密封墊相互擠壓，以接觸面壓應(yīng)力來止水。

所以密封墊是隧道防水的重要部件，設(shè)計密封墊截面形狀也因此至關(guān)重要。以往設(shè)計中，僅采用密封墊接觸面最大壓應(yīng)力這一唯一指標來評價密封墊防水性能優(yōu)劣。由于密封墊表面在微觀層面是凹凸不平的，因而在微觀層面總會存在泄漏，當泄漏率到達肉眼可以辨別的程度時，即認為密封墊失效。密封墊泄漏率除與最大壓應(yīng)力有關(guān)外，還與平均接觸壓應(yīng)力以及壓應(yīng)力分布均相關(guān)，因而僅采用最大壓應(yīng)力作為評價指標不完備，也不科學，需要增加泄漏率作為評價指標。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷和技術(shù)弊端，本發(fā)明實施例提供克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊截面優(yōu)化方法及系統(tǒng)，具體方案如下：

作為本發(fā)明的第一方面，提供一種盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊截面優(yōu)化方法，所述方法包括：

S1，通過分析實際工況，建立密封墊和溝槽的2.5D截面模型和有限元模型；

S2，對密封墊有限元模型施加載荷完成壓縮模擬，并提取密封墊表面接觸應(yīng)力分布，計算出接觸應(yīng)力最大值、平均值以及壓縮力；

S3，采用圓錐平面接觸模型和Roth模型建立微觀下密封墊表面泄漏模型，基于泄漏模型推導泄漏率公式，并計算出泄漏率；

S4，以泄漏率和接觸應(yīng)力為指標對密封墊截面進行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的界面模型。

進一步地，S2具體包括：對下溝槽進行固定約束，并上下移動上鉤槽，對密封墊施加不同的壓縮力，以構(gòu)建有限元模型下密封墊的壓縮模擬，并提取密封墊表面接觸應(yīng)力分布，基于密封墊表面接觸應(yīng)力分布，獲取接觸應(yīng)力最大值、平均值以及壓縮力

進一步地，S3具體包括：

S31：首先選用微觀接觸模型，根據(jù)表面輪廓儀的觀察選用更符合實際情況的圓錐平面接觸模型，再選用Roth模型為泄漏通道模型，其中，Roth模型是用連續(xù)相同的等腰三角形簡化隨機粗糙峰，模型結(jié)構(gòu)簡單直接，便于計算和分析流體在接觸面間的泄漏情況；

S32，對泄漏率的計算公式進行推導，假設(shè)密封墊間液體為均勻牛頓流體，根據(jù)雷諾數(shù)可判斷其流動狀態(tài)為層流，液體流動的Navier-Stoks方程為：

方程一：

式中，ρ是流體密度；v是速度矢量，u,v,w是流體在t時刻，在點(x,y,z)處的速度分量；P是壓力；f是單位體積流體受的外力，若只考慮重力，則f＝ρg；常數(shù)μ是粘性系數(shù)。