盾構(gòu)法隧道管片用軟木橡膠襯墊的研究

劉冠瑜，李 波，莊 澎，貢 健

（江陰海達(dá)橡塑股份有限公司，江蘇 江陰 214424）

構(gòu)筑公路、鐵路、地鐵等的隧道的主要施工方法是盾構(gòu)法，盾構(gòu)管片是盾構(gòu)法的主要裝配構(gòu)件，是隧道的最內(nèi)層屏障，承擔(dān)著抵抗土層壓力、地下水壓力以及一些特殊荷載的作用。盾構(gòu)管片由高強(qiáng)度抗?jié)B混凝土制造，是盾構(gòu)法隧道的永久襯砌結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量直接關(guān)系到隧道的整體質(zhì)量和安全，影響隧道的防水性能及耐久性能。為防止拼裝時(shí)破損，管片的環(huán)面和縱向面上需粘貼傳力襯墊。近年來(lái)，我國(guó)在隧道工程中越來(lái)越多地使用軟木橡膠作為傳力襯墊。由于沒(méi)有國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)可以參照，相關(guān)設(shè)計(jì)或投標(biāo)文件經(jīng)常提出一些不合理甚至存在較大錯(cuò)誤的技術(shù)指標(biāo)，并互相引用，對(duì)施工質(zhì)量造成不良影響。為此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)下達(dá)2012年度質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目《防腐、減震用橡膠新材料重要標(biāo)準(zhǔn)研究》，其中減震用橡膠新材料（包括“聲屏障橡膠件”和“盾構(gòu)法隧道管片用軟木橡膠襯墊”）的研究和標(biāo)準(zhǔn)起草、編制由江陰海達(dá)橡塑股份有限公司 承擔(dān)。

本文簡(jiǎn)介盾構(gòu)法隧道管片用軟木橡膠襯墊的配方和工藝試驗(yàn)以及標(biāo)準(zhǔn)制訂情況。

1 軟木橡膠襯墊在盾構(gòu)管片中的應(yīng)用

國(guó)外早在修建蘇伊士運(yùn)河阿哈默德-哈姆迪（Ahmed Hamdi）隧道（1980年建成）時(shí)就曾經(jīng)將軟木板與其他材料進(jìn)行過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，但最終采用膠乳水泥墊板。我國(guó)在盾構(gòu)管片中使用軟木橡膠襯墊始于20世紀(jì)80年代，首先在上海延安東路越江盾構(gòu)道路隧道建設(shè)（1984—1988年）中選用軟木橡膠傳力襯墊用以分散應(yīng)力集中[1-2]。上海市隧道工程設(shè)計(jì)研究所（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院前身）對(duì)多種材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)用車輛剎車膠墊材料——軟木丁腈橡膠（NBR）加工的多孔軟木碎粒壓縮性好，摻合膠料后壓縮回彈性較軟木更好，泊松比更為恰當(dāng)，厚度減小，造價(jià)合理。當(dāng)時(shí)汽車剎車片有耐油要求，膠墊用耐油性好的軟木NBR制備，試驗(yàn)表明可用作盾構(gòu)隧道縱縫緩沖膠墊。軟木橡膠傳力襯墊在延安東路越江隧道實(shí)踐應(yīng)用比較成功，使應(yīng)力均布，起到一定的緩沖作用，減少了管片邊角的碎裂，客觀上有助于管片混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂與防水。此后，軟木橡膠襯墊作為盾構(gòu)管片的傳力襯墊，在上海、北京、天津、廣州、武漢、成都、昆明、南寧、無(wú)錫、蘇州等城市的地鐵和軌道交通以及越江隧道工程得到擴(kuò)大應(yīng)用，引黃工程和南水北調(diào)工程也采用該 產(chǎn)品。

在盾構(gòu)管片中應(yīng)用時(shí)，根據(jù)管片的拼接方法（環(huán)縫、縱縫或變形縫）以及受力情況，選用不同硬度和厚度的軟木橡膠襯墊。近20年的設(shè)計(jì)、施工和使用實(shí)踐表明軟木橡膠襯墊在盾構(gòu)管片拼裝作業(yè)中，對(duì)管片的緩沖、抗碎裂有明顯效果，避免了拼裝過(guò)程中管片的破損，而一旦管片被撞擊破損，產(chǎn)生貫穿裂縫或使密封墊外露，造成隧道滲漏水，后果嚴(yán)重。管片、軟木橡膠襯墊以及管片拼裝施工如圖1所示。

圖1 隧道盾構(gòu)管片及拼裝示意

2 配方研究

軟木橡膠襯墊是以橡膠與軟木為主要組分的復(fù)合材料，在橡膠中加入軟木粒，對(duì)橡膠產(chǎn)品進(jìn)行改性，以此增大硫化膠的可壓縮性、可恢復(fù)性等。我國(guó)自1965年起就用橡膠代替使用多年的蛋白質(zhì)粘合劑，改進(jìn)了軟木制品的性能，擴(kuò)大了用途。20世紀(jì)八九十年代，我國(guó)開發(fā)了許多軟木橡膠制品，主要有車輛制動(dòng)摩擦片[3-4]、鐵路軌枕 墊[5-6]和密封制品[7-9]，其中在變壓器密封件中的應(yīng)用效果最為突出，《軟木橡膠密封制品》已作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頒布[10-11]。雖然一些文獻(xiàn)[9，12]報(bào)道過(guò)有關(guān)軟木橡膠的配方設(shè)計(jì)和基本性能，但涉及盾構(gòu)管片用軟木橡膠襯墊的配方研究尚未見公開報(bào)道，因此本工作結(jié)合產(chǎn)品的使用要求有針對(duì)性地進(jìn)行配方研究。

2.1 主要原材料

2.1.1 軟木粉

軟木由空心的微孔細(xì)胞堆砌而成，1 m3軟木約有1 500萬(wàn)～4 000萬(wàn)個(gè)細(xì)胞。典型的軟木細(xì)胞直徑約30 μm，細(xì)胞壁厚度約1～2 μm，細(xì)胞為六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)（見圖2）。軟木細(xì)胞中1/2以上（以體積計(jì)）是空氣，形成一個(gè)個(gè)密閉的氣囊，受壓后氣囊變小，細(xì)胞內(nèi)壓力升高，失去壓力時(shí)，細(xì)胞內(nèi)壓力降低，細(xì)胞恢復(fù)原狀。橡膠與軟木復(fù)合可以集軟木與橡膠的優(yōu)點(diǎn)于一體，既具有軟木的可壓縮性，又具有橡膠的高彈性和柔軟性，可壓縮性大，解壓恢復(fù)率高，而且具有比橡膠高的抗壓強(qiáng)度。利用軟木橡膠的這種特性制成軟木橡膠墊貼在管片上，不但可以緩沖、防撞，而且還起傳力作用，緩和管片局部應(yīng)力分布、分散應(yīng)力集中，保護(hù)管片在運(yùn)輸和拼裝過(guò)程中免受碰撞損壞。

圖2 軟木細(xì)胞的顯微結(jié)構(gòu)

軟木的選用比橡膠復(fù)雜，因?yàn)檐浤净瘜W(xué)組成復(fù)雜，軟木粉粒主要是以天然樹木——櫟樹的栓皮為原料制造而成，產(chǎn)地（國(guó)家和地區(qū)）、樹種樹齡、木栓質(zhì)量、粒度以及與橡膠的復(fù)合比例均會(huì)明顯影響軟木橡膠的硬度、強(qiáng)度和壓縮可恢復(fù)性。歐洲具有地中海氣候的葡萄牙、西班牙以天然櫧樹為原料制造軟木粉，其質(zhì)量?jī)?yōu)于以天然櫟樹栓皮為原料制造的國(guó)產(chǎn)軟木粉，但成本較高。本研究基于成本考慮，選用國(guó)產(chǎn)軟木粉。我國(guó)軟木產(chǎn)地分布很廣，遍及300多個(gè)縣市，但以環(huán)北緯32～35度的山區(qū)質(zhì)量最佳，例如秦巴山區(qū)（陜西寶雞、鳳翔，四川巴中、南充等地）。

軟 木 粒徑 為0.15，0.18，0.25，0.38，0.52和0.83 mm時(shí)軟木NBR（邵爾A型硬度為70度、含膠率30%）恒定形變下壓縮可恢復(fù)性分別為92%，74%，84%，94%，88%和62%。可見，軟木粒徑以0.3～0.5 mm為宜。恒定形變下壓縮可恢復(fù)性的試驗(yàn)方法參見GB/T 31061—2014附錄A[13]。

2.1.2 橡膠

試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[13]，對(duì)比NBR、天然橡膠（NR）和丁苯橡膠（SBR）對(duì)軟木橡膠壓縮可恢復(fù)性以及壓縮應(yīng)力的影響，3種軟木橡膠的含膠率均為30%，試驗(yàn)壓縮率分別為30%（邵爾A型硬度70度）、20%（邵爾A型硬度80度）和10%（邵爾A型硬度90度），結(jié)果見圖3。

圖3 膠種對(duì)軟木橡膠壓縮性能的影響

由圖3可見，3種橡膠中，SBR膠料性能最差。NBR膠料的壓縮可恢復(fù)性高（回彈性好）、壓縮應(yīng)力小（可壓縮性大），效果最好。此外NBR與軟木混煉分散性較好，而且耐油（可以避免在存放和施工場(chǎng)所被油類污染受損）。NR膠料性能雖遜于NBR膠料，但其與軟木的粘合性和強(qiáng)度優(yōu)于NBR膠料，不過(guò)NR與軟木混煉分散性較差，配合劑分散不夠均勻，而且不耐油。綜上所述，本研究選用NBR，結(jié)合混煉、擠出和硫化工藝，選用中高丙烯腈含量（丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.31～0.35）、中等門尼粘度[ML（1+4）100 ℃為45～60]的NBR。

2.1.3 硫化體系

軟木橡膠一般采用硫黃/促進(jìn)劑硫化體系。在橡膠中加入軟木后，達(dá)到正硫化點(diǎn)所需的時(shí)間延長(zhǎng)。這主要是由于軟木為多孔結(jié)構(gòu)，加入橡膠后對(duì)助劑有吸附作用；軟木體積大，加入橡膠后混煉膠體積增大，單位體積助劑減少所致。因此，要得到相同硫化效果，需要增大硫化體系用量或增大超促進(jìn)劑（如秋蘭姆、硫代氨基甲酸鹽）用量，但可能導(dǎo)致焦燒和噴霜。研究發(fā)現(xiàn)，添加二烷基硫脲促進(jìn)劑可以在不過(guò)量使用超促進(jìn)劑的情況下提高膠料硫化速率和交聯(lián)程度且不噴霜，這是以往軟木橡膠配方設(shè)計(jì)中未出現(xiàn)的，具有創(chuàng)新性。

在消融療效的評(píng)價(jià)方面，常規(guī)超聲作用甚微。因?yàn)橄谠顬榈然芈?，且周圍沒(méi)有完整的包膜，所以在常規(guī)超聲上很難將消融灶與周邊肝組織區(qū)別開，也就無(wú)法準(zhǔn)確判斷腫瘤消融后邊界，難以評(píng)估消融的療效。

2.1.4 防老劑

軟木橡膠是淺色制品，易受日光（紫外光）攻擊。試驗(yàn)表明[14]，使用紫外光耐候試驗(yàn)箱模擬自然環(huán)境進(jìn)行耐候試驗(yàn)，按ISO 7322[15]進(jìn)行評(píng)價(jià)，軟木NBR的性能比原料軟木下降幅度大（見表1），因此必須添加有效的防老劑。本研究選用一種受阻酚型防老劑WL[Wing-Stay L，2，2＇-亞甲基雙（6-α-甲基芐基對(duì)甲酚），法國(guó)伊利歐公司中國(guó)工廠產(chǎn)品]，該防老劑揮發(fā)性極小、抗老化效能高、持久性長(zhǎng)且對(duì)硫化無(wú)影響，優(yōu)于常用的淺色防老劑（防老劑264，2246和MB）。

表1 原料軟木與軟木橡膠耐候性對(duì)比

2.1.5 補(bǔ)強(qiáng)填充劑

選用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)填充劑（沉淀法白炭黑、陶土和輕質(zhì)碳酸鈣）并調(diào)整其用量，可達(dá)到設(shè)計(jì)硬度等物理性能以及工藝要求，并可顧及產(chǎn)品成本。

2.1.6 增塑劑

選用NBR常規(guī)酯類增塑劑，例如增塑劑DOP或DOTP。

2.1.7 其他

盾構(gòu)管片拼裝完成后，軟木橡膠襯墊的任務(wù)完成，無(wú)需防水，管片接縫之間的密封防水則由設(shè)計(jì)于管片上的彈性密封墊（三元乙丙橡膠/遇水膨脹橡膠復(fù)合密封條）承擔(dān)。因此軟木橡膠襯墊的配方設(shè)計(jì)一般不需要考慮添加防霉劑。但是設(shè)計(jì)、施工單位如有防霉要求，經(jīng)雙方商定，也可添加。本研究發(fā)現(xiàn)添加防霉劑791（四氯間苯二甲腈），防霉等級(jí)可達(dá)二級(jí)。

2.2 優(yōu)選配方

（1）邵爾A型硬度為70度級(jí)別：NBR（丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.34） 100，軟木粉（粒徑0.38 mm） 110，補(bǔ)強(qiáng)填充劑 30，氧化鋅 5，硬脂酸 1，防老劑WL 1.5，增塑劑DOP 50，硫黃 2.5，促進(jìn)劑（TMTD/DM/二烷基硫脲） 3.8，防霉劑791（視需求） 0或2，合計(jì) 303.8或305.8，含膠率 32.9%或32.7%。

（2）邵爾A型硬度為80度級(jí)別：NBR（丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.34） 100，軟木粉（粒徑0.38 mm） 130，補(bǔ)強(qiáng)填充劑 40，氧化鋅 5，硬脂酸 1，防老劑WL 1.5，增塑劑DOP 35，硫黃 2.5，促進(jìn)劑（TMTD/DM/二烷基硫脲） 3.8，防霉劑791（視需求） 0或2，合計(jì) 318.8或320.8，含膠率 31.4%或31.2%。

（3）邵爾A型硬度為90度級(jí)別：NBR（丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.34） 100，軟木粉（粒徑0.38 mm） 160，補(bǔ)強(qiáng)填充劑 45，氧化鋅 5，硬脂酸 1，防老劑WL 1.5，增塑劑DOP 30，硫黃 2.5，促進(jìn)劑（TMTD/DM/二烷基硫脲） 3.8，防霉劑791（視需求） 0或2，合計(jì) 348.8或350.8，含膠率 28.7%或28.5%。

3 生產(chǎn)工藝

3.1 混煉

軟木橡膠的傳統(tǒng)混煉方法是用開煉機(jī)混煉。由于軟木呈多孔狀，密度小、容積大（密度是NR和NBR的1/4～1/5），因此用開煉機(jī)軋煉困難，軟木及其他助劑不易分散，粉塵大，混煉時(shí)間長(zhǎng)，還容易粘輥或脫輥，不但影響混煉膠質(zhì)量，還影響生產(chǎn)效率。本研究開發(fā)了用密煉機(jī)混煉軟木橡膠的技術(shù)，對(duì)密煉機(jī)投料容量、混煉溫度和時(shí)間、加料順序、壓砣加壓次數(shù)都進(jìn)行了試驗(yàn)，獲得適宜的工藝參數(shù)，在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。改開煉為密煉是本研究的技術(shù)創(chuàng)新。

密煉參數(shù)與工藝：密煉機(jī)規(guī)格75 L，密煉機(jī)轉(zhuǎn)速30 r·min-1，填充因數(shù)0.75，手工投料，按正常密煉工藝進(jìn)行，但硫化體系不在開煉機(jī)上投加，而在密煉機(jī)中混煉。先將生膠與除硫黃和促進(jìn)劑外的配合劑在密煉機(jī)中混煉，加料順序?yàn)樯z→軟木粉→補(bǔ)強(qiáng)填充劑→增塑劑，排膠溫度135 ℃。冷卻后再投入硫黃和促進(jìn)劑進(jìn)行混煉，至80 ℃ 排膠。

3.2 硫化

橡膠和軟木的混煉膠與單純橡膠混煉膠不同，軟木的加入使橡膠的流動(dòng)性明顯減弱，且具有一定的不可壓縮性（軟木含量越大，不可壓縮性越大）。因此，出片時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制厚度及公差。本研究經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，了解了模壓硫化前后軟木的體積比，從而控制混煉膠的投料量，提高了產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性和成品合格率。產(chǎn)品采用1 000 mm× 800 mm平板硫化機(jī)硫化，硫化溫度為150 ℃。

4 標(biāo)準(zhǔn)和性能

通過(guò)調(diào)研、資料收集、反復(fù)試驗(yàn)積累數(shù)據(jù)以及征求生產(chǎn)企業(yè)和用戶意見，以江陰海達(dá)橡塑股份有限公司為首的起草單位提出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)草案，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2014年12月22日發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31061—2014《盾構(gòu)法隧道管片用軟木橡膠襯墊》，該標(biāo)準(zhǔn)已于2015年6月1日正式實(shí)施。

由于用現(xiàn)行的軟木密封制品標(biāo)準(zhǔn)[10-11]和非金屬墊片材料標(biāo)準(zhǔn)[16]的試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)試軟木膠墊的壓縮性能誤差大，重復(fù)性不好，本研究開發(fā)了創(chuàng)新的試驗(yàn)方法——《軟木膠墊恒定形變下的壓縮可恢復(fù)性和壓縮應(yīng)力的試驗(yàn)方法》，使用電子拉力試驗(yàn)機(jī)，簡(jiǎn)便易行，誤差小，重復(fù)性好。此試驗(yàn)方法已被GB/T 31061—2014采用。

以本研究?jī)?yōu)選配方在江陰海達(dá)橡塑股份有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品實(shí)際性能以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)如表2所示。

表2 產(chǎn)品實(shí)際性能與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)

5 應(yīng)用前景

隨著我國(guó)地鐵、城際軌道等公共交通的加大投入，盾構(gòu)技術(shù)得到了很大發(fā)展。軟木橡膠襯墊對(duì)于管片施工的防護(hù)功能至關(guān)重要，其施工操作方便、安全、可靠也得到廣泛認(rèn)可，成為隧道盾構(gòu)管片的必備材料之一。

至2013年年底，江陰海達(dá)橡塑股份有限公司共供應(yīng)了約80萬(wàn)環(huán)軟木膠墊，約折合1 000 km的隧道（包括地鐵、水利、公路、電力和輸氣隧道等，其中90%以上為地鐵隧道），并且經(jīng)多年的使用，沒(méi)有出現(xiàn)任何不良反映，得到客戶的一致好評(píng)，說(shuō)明江陰海達(dá)橡塑股份有限公司的軟木橡膠襯墊適應(yīng)工程施工要求。隨著國(guó)內(nèi)大量地鐵工程的上馬（目前有超過(guò)33個(gè)城市在建設(shè)地鐵），每年的盾構(gòu)隧道工程達(dá)300 km以上。每千米大約有700環(huán)管片，每環(huán)管片軟木膠墊的使用量約為3 m2，折合每千米用量為2 100 m2。軟木膠墊的應(yīng)用日益廣泛，技術(shù)也隨之日益成熟，有良好的應(yīng)用前景。

致謝：本文在撰寫過(guò)程中得到北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院謝忠麟教授級(jí)高級(jí)工程師指導(dǎo)并審閱，深表謝忱！