《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：A progressive failure approach for toughness evaluation of shield tunnel gasketed joints waterproofness: combined full-scale experimental and fluid-solid coupling simulation
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本研究通过全尺实验与流体-结构耦合数值模拟，系统揭示了两种EPDM橡胶垫圈在盾构隧道接缝处的机械-渗流响应及动态失效过程，提出包含初始楔入压力和峰值抗力压力的渐进失效准则，并基于能量吸收机制阐明其韧性演化机理，建立了面向接缝防水系统韧性优化的评价方法。
张文军|杨阳|张高峰|杨爱新|刘洋|姜水曦|杨汉婷
广西大学土木工程学院，中国南宁530004
摘要
对于盾构隧道接缝的防水性能评估，主要集中在其极限承载能力上，而对其韧性变化及失效过程中的物理机制了解甚少。为填补这一空白，本研究结合了全尺寸实验和流体-固体耦合数值模拟，系统研究了两种典型EPDM橡胶垫片（P1和P2）在各种条件下的力学-渗流响应及整个动态泄漏过程。实验发现了与工程实践高度一致的两种典型泄漏模式，并描述了其三阶段非线性力学行为和防水性能的宏观演变过程。从微观角度，数值模拟阐明了泄漏失效的四个动态阶段。研究还引入了多维指标，包括应力协同系数（Sc）和接触应力储备比（Rcs），揭示了安装可行性和防水可靠性之间的显著权衡。提出的“渐进失效准则”包括初始楔入压力（Pwedge）和峰值抵抗压力（Ppeak），能够定量评估整个失效过程中的韧性。从物理机制角度来看，基于能量的分析表明，垫片通过大弹性变形吸收能量并将其储存为可恢复的应变能是其宏观韧性的主要来源。这些评估标准和理论分析为盾构隧道接缝的防水设计建立了一种新的以韧性为导向的评估方法，将设计重点从传统的极限强度转向了整个失效过程中的能量吸收和安全性冗余。
引言
随着盾构隧道技术广泛应用于城市地铁和海底穿越等要求越来越高的工程环境中（Elbaz等人，2023年；Al-Washali等人，2025年；Wei等人，2025年），由预制段组装而成的隧道结构中的众多节段接缝已成为决定其长期安全性和防水性能的“薄弱环节”。这些接缝的防水功能依赖于预埋EPDM橡胶垫片压缩所产生的接触应力。然而，在施工和运营过程中，不可避免的接缝变形（如开口和偏移）会直接削弱这种应力，从而带来严重的泄漏风险（Jin等人，2025年；Guo等人，2025年）。统计数据显示，高达65%的隧道缺陷与水泄漏直接相关（Dong等人，2017年），如图1(a)所示。在工程实践中，泄漏主要发生在节段接缝和螺栓孔等脆弱位置。这些泄漏问题可能导致节段开裂和水/泥浆涌入，在极端情况下甚至引发地面塌陷（图1(b)），对公共安全构成严重威胁（Zhang等人，2022a；Zhang等人，2022b；Zhao等人，2023年；Hou等人，2024年）。
在实验研究方面，评估垫片防水性能的方法一直在不断发展。早期研究使用钢框架来初步建立接缝变形与防水性能之间的关系（Girnau，1978年；Paul，1978年），随后研究人员采用这种方法研究更复杂的现象，如地震荷载（Shalabi等人，2012年）、安装方法的比较（Choi和Lee，2023年）以及耦合模型的建立（Shi等人，2019年）。为了更真实地模拟界面行为，后续研究逐渐转向使用实际混凝土试件（Ding等人，2017年），并最终发展出能够消除尺寸效应的全尺寸实验（Zhang等人，2021a；Zhang等人，2021b；Zhang等人，2024a），这使得能够模拟旋转和偏心压缩等复杂条件。最近，研究人员开发了能够施加耦合压缩-剪切应力的测试装置，并区分了不同偏移模式的力学机制（Wu等人，2025年）。同时，也使用树脂等替代材料进行了模型测试，以模拟长期运行条件下的泄漏行为（Liu等人，2024年）。基于这些不断改进的实验方法，研究人员深入研究了各种防水系统的性能。多项研究验证了双垫片的协同防水效应及其增强机制（Li等人，2018年；Ding等人，2022年；Xie等人，2022年；Li等人，2025年），评估了新型锚固垫片的优越性（Zhang等人，2024b），并研究了含有吸水橡胶（WSR）的复合垫片的长期性能（Tan等人，2020年；Zhao等人，2023年）。总体而言，这些实验研究为在不同条件和材料配置下更深入理解垫片防水行为提供了丰富的物理观察和数据支持，为揭示泄漏机制和优化设计奠定了基础。
与实验研究并行，数值模拟已成为揭示接缝防水机制不可或缺的工具。早期研究主要采用有限元方法（FEM），将水压简化为静态载荷来分析接触应力（Gong等人，2018年；Zhang等人，2020年）。然而，这种方法无法揭示泄漏的动态过程（Shi等人，2019年；Gong等人，2019年）。为了克服静态分析的局限性，研究人员开始探索能够模拟渗流过程的计算方法。例如，Gong和Ding（2018年）提出了一个多尺度渗流路径耦合计算框架，Gong等人（2019年）引入了基于粘聚区模型（CZM）的渗流传播模拟。此外，耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法在处理大变形流体问题方面具有优势，为模拟水通过接缝的完整过程提供了可行的手段（Zhou等人，2021年）。该方法随后被广泛应用于研究双垫片的协同效应（Li等人，2025年）、耦合压缩-剪切机制（Wu等人，2025年）以及新型垫片的性能（Wang等人，2024年；Zhang等人，2024b）。同时，还开发了考虑叠加渗流挤压效应的重新开发模型（Yan等人，2023年）和用于评估局部泄漏长期影响的流固耦合分析方法（Xie等人，2025年），进一步丰富了研究方法。利用这些日益先进的数值工具，研究人员从多个维度加深了对防水行为的理解。通过系统的参数研究，明确了各种关键因素的影响（Gong等人，2020年），并基于现场调查提出了一种新的密封性能分区评估方法（Lei等人，2021年）。通过构建理论模型，提出了应力-渗流耦合理论（Shi等人，2019年）、临界偏移的概念（Guo等人，2025年）以及双垫片系统的渗流模拟框架（Gong等人，2025年）。此外，研究还扩展到了运营隧道案例（Gong等人，2024a）以及备受关注的长期材料特性，如时间依赖的压缩、老化和微观分子网络的变化（Gong等人，2024b；Xie等人，2024年；Guo等人，2023年）。这些数值和理论工作为性能预测和设计优化提供了强大的分析工具，为更深入地探索失效过程的内在原理创造了条件。
总之，依靠日益复杂的全尺寸实验和先进的数值模拟方法，现有研究在很大程度上阐明了接缝在复杂变形下的防水响应。然而，这些研究仍存在局限性。首先，尽管全尺寸实验提供了最接近实际工程条件的观察手段，但仍然缺乏对垫片从压缩到泄漏整个过程的系统性和详细物理现象观察及数据支持。其次，更重要的是，当前的研究范式主要集中在定义防水性能的“失效边界”（即极限承载能力），而忽视了失效过程的“韧性”。这种以“终点”为导向的评估在应对地震或相邻施工等意外变形时显得特别不足，因为它无法区分急剧恶化的“脆性”系统和提供安全冗余的“韧性”系统。具有良好韧性的防水系统可以表现出“先泄漏后破裂”的渐进失效模式，为紧急修复提供了宝贵的时间，从而显著提高结构的长期安全性和韧性（Zhang等人，2025年）。因此，建立一种科学量化这种“韧性”并揭示其潜在力学机制的评估方法成为接缝防水研究领域亟需解决的问题。
为了解决这些局限性，本研究首先通过全尺寸实验系统地揭示了两种典型垫片（P1和P2）在各种接缝变形条件下的力学和防水性能演变。随后，基于使用经过验证的流体-固体耦合数值模型对动态泄漏过程的详细模拟，本研究旨在建立一个以“韧性”为中心的新评估框架。具体而言，将提出一种“渐进失效准则”来量化失效过程，并通过基于能量的分析揭示控制韧性变化的潜在物理机制，从而为下一代以韧性为导向的防水系统的设计提供关键的理论基础和分析工具。
部分摘录
原型隧道
本研究基于一个典型的富水地铁隧道，该隧道穿越一座城市的河流，其跨河段（图2(a)）长约3.3公里。如图2(b)所示，该项目具有复杂的水文地质条件，记录的最高水位达到29.7米（吴松高程），最低水位为8.9米。两岸的地层呈现出典型的双层结构：上层由厚粘性土壤组成，而下层则包含大量的...
流体-固体耦合方法
本研究采用了耦合欧拉-拉格朗日（CEL）流体-固体耦合方法，以准确模拟泄漏的动态过程并揭示其潜在机制。该方法在同一计算域内整合了两种算法的优势：拉格朗日描述用于精确追踪垫片等固体结构的变形，而欧拉描述用于处理大的变形和水的自由流动。
结论
本研究系统研究了两种典型盾构隧道接缝垫片（P1和P2）在各种条件下的力学行为、防水性能和泄漏失效机制，结合了全尺寸实验和流体-固体耦合数值模拟。主要结论如下：
(1) 全尺寸实验揭示了垫片的典型三阶段非线性力学特性及其防水能力的退化模式
CRediT作者贡献声明
张文军：方法论、资金获取、概念化。杨阳：撰写——初稿、软件、调查、数据管理。张高峰：撰写——审稿与编辑、方法论、调查、概念化。杨爱新：软件、调查。刘洋：验证、数据管理。姜水曦：验证、软件。杨汉婷：可视化、调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52378393、52508452）和中国铁路集团有限公司科学技术研究与发展计划项目（项目编号：2025-Special Project-02）的资助，特此表示感谢。
