一种应用于高水压盾构隧道的密封垫及其制造方法与流程

1.本发明属于管片防水结构领域，具体涉及一种应用于高水压盾构隧道的密封垫及其制造方法。


背景技术：

2.随着盾构法隧道修建技术的快速发展，近年来穿越江河、湖泊以及海洋的水下盾构法隧道工程越来越多，大埋深、高水压条件对结构防水体系提出更高的要求。而在盾构隧道中，管片作为盾构隧道最为重要的组成部分，相邻两管片之间的防水性能，以及抗水压能力是影响整个隧道内部安全性重要因素。
3.在现有技术中，在管片上还设置沟槽以放置密封垫或其他密封材料，其截面图如图1中所示，相邻两管片的密封垫相互挤压并接触，并通过密封垫实现两管片之间的密封。
4.而现有的密封垫存在以下问题：1、受限于密封垫材料性能，在百米级水压力条件下，现有防水密封垫结构安全储备较小，不能满足要求；2、盾构管片在施工和运营过程中，接缝处难免会出现张开和错台，导致密封垫接触应力衰减，防水能力降低；3、密封垫压缩引起纵向变形，安装过程中引起纵缝角部密封垫挤出，降低防水效果。
5.4、现阶段提高防水能力主要采用加大密封垫尺寸、采用双道或多道防水密封垫等措施，但这会削弱接缝处的混凝土，影响结构承载能力且投资较高。
6.综上所述，现有的密封垫无法满足深度高等高压使用环境的需求，并且在使用的过程中容易出现张开、错台等现象的发生，进而导致密封垫的接触应力变小，防水效果降低，无法满足现有技术的使用需求。


技术实现要素：

7.针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种应用于高水压盾构隧道的密封垫及其制造方法，其利用刚性构件与密封垫一体成型，提高了密封垫的部分刚度，进而增加密封垫的接触应力。
8.为实现上述目的，本发明提供一种应用于高水压盾构隧道的密封垫，其包括密封垫本体，所述密封垫本体内沿所述密封垫本体的纵向设置有刚性构件，弹性模量大于所述密封垫本体的弹性模量，用于增大密封垫与盾构管片或密封垫与密封垫之间的接触应力，并限制所述密封垫本体的纵向形变。
9.作为本发明的进一步改进，所述密封垫的表面形成有若干通孔组，若干个所述通孔组沿所述密封垫本体的横向间隔设置；所述通孔组包含有多个通孔单体，多个所述通孔单体沿所述密封垫的纵向间隔排列。
10.作为本发明的进一步改进，所述通孔组包括第一通孔组、第二通孔组和第三通孔组；三所述通孔组沿所述密封垫的横向间隔设置。
11.作为本发明的进一步改进，所述第二通孔组中的通孔单体设置在所述第一通孔组中每相邻两通孔单体之间的位置处；所述第三通孔组中的通孔单体与所述第一通孔组中通孔单体的位置相互对应。
12.作为本发明的进一步改进，所述通孔的截面包括但不限于圆形或三角形。
13.作为本发明的进一步改进，在所述密封垫上形成若干个沿纵向设置的凹槽；若干个所述凹槽沿所述密封垫的纵向等距间隔排列。
14.作为本发明的进一步改进，所述刚性构件有至少两个；至少两所述刚性构件分设于所述密封垫本体横向的两侧。
15.作为本发明的进一步改进，所述刚性构件有两个；两所述刚性构件分设于若干个所述通孔组横向的间隙中。
16.在此基础上，本发明还提供了一种应用于高水压盾构隧道的密封垫的制造方法，其包括以下步骤：s100：设置外围形状模具，并在该模具内腔中设置开孔模具以及卡口；s200：将热熔的生胶材料挤入至模具内，同时将刚性材料插入到所述卡口内；s300：对热熔生胶和刚性构件进行冷却、硫化作业后，得到成品密封垫。
17.在此基础上，本发明还提供了一种应用于高水压盾构隧道的密封垫的制造方法，其包括以下步骤：s100：设置第一外围形状模具，并在该的内墙中设置开孔模具以及卡口；s200：将热熔的生胶材料挤入至模具内，同时将刚性材料插入到所述卡口内；s300：对热熔生胶和刚性构件进行冷却、硫化作业后，得到包含有刚性构件的密封垫；s400：设置第二外围形状模具，并将s300步骤中得到的密封垫放入到第二外围形状模具中；s500：向所述第二外围形状模具中挤入热熔的生胶材料；s600：先所述第二外围模具内的密封垫进行冷却、硫化作业，最后得到成品密封垫。
18.上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
19.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：（1）本发明应用于高水压盾构隧道的密封垫，其通过设置在密封垫本体内的刚性构件，使得密封垫整体的刚度更高，以此增加密封垫在接触时的接触应力，以满足高水压情况下的密封需求，同时，使其在受到横向压力时，能限制其纵向形变，避免纵缝角部密封垫挤出。
20.（2）本发明应用于高水压盾构隧道的密封垫及其制造方法，其通过对刚性构件设置位置和设置数量的优选，使得密封垫在使用时，其与管片沟槽或密封垫之间的接触应力能够更大，使得两管片接触处的防水能力更优、可靠性更强。
21.（3）本发明应用于高水压盾构隧道的密封垫的制造方法，其通过两种不同的制造方式工艺对密封垫进行生产，生产流程简单，不仅能够保证刚性材料与密封垫基材的整体性，还能够确保密封垫在挤压作用下的正常工作。
22.（4）本发明应用于高水压盾构隧道的密封垫及其制造方法，其整体结构简单、受力合理，不仅能够适应更高的水压，而且具有良好接触应力，以保证在出现张开或错台现象时管片接缝处的防水性能，适用范围广，具有较好的实用价值与应用前景。
附图说明
23.图1是现有技术中密封垫的截面图；图2是本发明实施例中应用于高水压盾构隧道的密封垫的整体截面图；图3是本发明实施例中应用于高水压盾构隧道的密封垫的在使用时的状态图；图4是本发明第一种密封垫制造方法中外围形状模具的轴测图；图5是本发明第二种密封垫制造方法中第一外围形状模具的轴测图；图6是本发明第二种密封垫制造方法中第二外围形状模具的轴测图；在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：100、密封垫本体；101、第一通孔组；102、第二通孔组；103、第三通孔组；104、凹槽；200、刚性构件。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
25.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
27.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
29.实施例：请参阅图1和图2，本发明优选实施例中的应用于高水压盾构隧道的密封垫，其将刚性材料与密封垫进行结合，并利用刚性材料在密封垫内的设置位置以及自身的结构形式，提高了密封垫增体的刚度，有效提高了密封垫的接触应力，并相应限制密封垫的纵向形变，进而保证在出现张开、错台等现象的时两管片之间的防水性能。
30.如图1中所示，为现有技术中的密封垫，其包括橡胶胶料，在橡胶胶料的表面沿其长度方向行车有若干组通孔，多组通孔沿密封垫的横向间隔设置，每组通孔中包含有若干个沿其主要用于横向相邻两盾构管片之间密封，用于提高相邻管片之间的防水性能，保证盾构隧道内部的防水性能。不难理解，在将图1所示的两个密封垫分别设置到相邻两管片的沟槽中后，两管片装配后使用的过程中，则会收到横向的挤压力，进而挤压两密封垫，当密封垫受到横向挤压力后，会使其向纵向产生形变，而当横向挤压力过大时，密封垫则会在纵向上产生过大的形变，导致纵缝角部密封垫挤出，降低防水效果。
31.具体而言，本发明优选实施例中密封垫，其包括密封垫本体100，在密封垫内设置有至少一个刚性构件200，该刚性构件200的弹性模量大于密封垫本体100的弹性模量，用于限制密封垫在收到横向挤压时所产生的纵向形变，进而减少两密封垫本体100在收到横向挤压时所产生的纵向形变，以限制张开、错台等现象的出现时的偏移量。
32.更细节地，刚性构件200的两端分别与密封垫本体100长度方向上的两端平齐。进一步优选地，刚性构件200与密封垫本体100的纵向平行，进而通过平行设置的刚性构件200，对密封垫在受到横向挤压后，利用刚性构件200限制其横向形变量，以此通过限制其横向形变来达到限制其纵向形变的效果。
33.进一步地，在密封垫本体100的表面形成有至少一组通孔，每组通孔包括多个通孔单体，多个通孔单体沿密封垫的纵向间隔设置。更进一步地，优选通孔有多组，多组通孔沿密封垫本体100的横向间隔设置。
34.此外，在密封垫本体100的表面还形成有多个凹槽104，多个凹槽104沿密封垫的纵向间隔设置。进一步优选地，凹槽104的剖面呈“u”形。
35.以此通过多个密封垫本体100上多通孔和多凹槽104的设计，使得密封垫本体100在收到挤压时，能够更好的产生形变，进而吸收并缓解多个管片之间的横向压力。
36.在一个具体的实施例中，通孔有三组，三组通孔沿密封垫本体100的横向间隔形成在密封垫本体100的表面，三组通孔包括第一通孔组101、第二通孔组102和第三通孔组103，其中，第二通孔组102的各个通孔单体设置在第一通孔组101每相邻两通孔单体之间的位置，而第三通孔组103中通孔单体的设置位置与第一通孔组101中通孔单体的设置位置一一对应设置。
37.可以理解，在通过对上述通孔设置形式的限制，能够使密封垫更好的产生形变，使其在吸收横向应力的同时，减少其在纵向上产生的形变量。
38.当然，在实际设计的过程中，也设计一组通孔，也能够达到上述效果，因此，在此不对通孔的数量以及其具体的排列的方式进行进一步的限定。在实际使用的过程中，通孔的剖视面可以是圆形、三角形等其他形状。
39.值得注意的是，在制造时，需要满足如下公式：s/（s1+s3）=1~1.15。
40.其中，s为管片接缝密封垫沟槽截面积，s1为橡胶材料1的截面积；s3为刚性材料的截面积。
41.在一个具体的实施例中，如图2中所示，刚性构件200有两个，两刚性构件200分别与密封垫的纵向平行，且两刚性构件200中的其中一个设置在第三通孔组103和第二通孔组102之间，另一个设置在第一通孔组101和凹槽104之间的位置处。
42.可以理解，通过上述设置的方式，使得密封垫的两端在分别管片的沟槽以及另一个管片的密封垫接触后，设置在其内部的刚性构件200能够在管片受到横向挤压力后，由于其内部刚性构件200的存在，使得密封垫顶部第三通孔组103的位置处在产生形变后，其底部其他位置处形变量能够相应减少，并使得两密封垫之间的接触应力，进而限制密封垫本体100的纵向形变。同时，在凹槽104和第一通孔组101之间的刚性构件200其受力形式与上述受力相同，以此达到“管片-密封垫”、“密封垫-密封垫”的双重纵向受力限制。
43.可以理解，在实际设置的过程中，在密封垫的横向的两端可分别设置多层刚性构件200，进而利用多层刚性构件200限制其纵向形变，同时增大两密封垫之间或密封垫与管片沟槽之间的接触应力。
44.更进一步地，优选刚性构件200为板状结构，以此通过板状的刚性构件200使得密封垫无论是在与管片还是在与另一个管片上的密封垫接触时，其接触应力更大，相应地，在两个管片的接缝处的抗水压能力也会更高，同时，利用单层或多层的刚性构件200，提高密封垫纵向刚度，能够约束纵向变形，避免纵缝角部密封垫挤出。
45.在此基础上，本发明还提供了一种密封垫的制造方法，用于上述优选实施例中的密封垫的制造，其包括以下步骤：s100：设置外围形状模具，并在该模具内腔中设置开孔模具以及卡口。
46.s200：将热熔的生胶材料挤入至模具内，同时将刚性材料插入到卡口内。
47.可以理解，这里的卡口只是在模具上起到限位的效果，以保证刚性构件200在放入到模具中后位置的准确，如图4中所示。
48.s300：经硫化等工艺后，得到成品密封垫。
49.对密封垫的生产加工工艺为现有技术中十分成熟的技术手段，一般为注塑、冷却、硫化等步骤，在此不再赘述。
50.在此基础上，本发明还提供了另一种应用于高水压盾构隧道的密封垫的制造方法，其包括以下步骤：s100：设置第一外围形状模具，并在该的内墙中设置开孔模具以及卡口。
51.s200：将热熔的生胶材料挤入至模具内，同时将刚性材料插入到所述卡口内。
52.s300：经硫化等工艺后，得到版包含有刚性构件的密封垫。
53.s400：设置第二外围形状模具，并将s300步骤中得到的密封垫放入到第二外围形状模具中。
54.s500：向第二外围形状模具中挤入热熔的生胶材料。
55.s600：经硫化等工艺后，得到成品密封垫。
56.可以理解，上述两种制造方式均可以实现密封垫的制造过程。第一种为一次性注塑成型，对刚性构件的定位要求高，适用于条件较好的制造；第二种则为两次注塑成型。如
图5和图6中所示，在利用密封垫二次成型的方式进行生产制造时，刚性构件可以贴着钢模挤出，对定位要求不高，方便大批量的生产作业。
57.本发明的应用于高水压盾构隧道的密封垫及其制造方法，其整体结构简单、受力合理，不仅能够适应更高的水压，而且具有良好接触应力，以保证在出现张开或错台现象时管片接缝处的防水性能，适用范围广，具有较好的实用价值与应用前景。
58.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。