盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道密封墊設(shè)計及防水試驗研究

朱瑤宏， 王靖禹， 董子博 ， 劉建國

(1. 寧波大學建筑工程與環(huán)境學院， 浙江 寧波 315211； 2. 同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804； 3. 寧波市軌道交通集團有限公司， 浙江 寧波 315100)

0 引言

凍結(jié)法作為一種有效的土體加固方法，在北京、上海、南京等城市的越江隧道及地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道施工中取得了成功應(yīng)用。但凍結(jié)法存在凍結(jié)過程中凍脹壓力使隧道斷面變形、凍結(jié)停止后融沉過大等缺點[1]。為解決這些問題，聯(lián)絡(luò)通道盾構(gòu)法應(yīng)運而生。盾構(gòu)法施工具有工期短、成本低等優(yōu)點。國內(nèi)關(guān)于盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道的建設(shè)目前尚無先例，技術(shù)上存在著諸多難題，如接縫防水等。聯(lián)絡(luò)通道一旦發(fā)生滲漏，勢必會對其長期穩(wěn)定造成惡劣的影響，因此有必要針對聯(lián)絡(luò)通道的接縫防水進行研究。

盾構(gòu)法的管片接縫一般采用彈性密封墊防水設(shè)計[2]?，F(xiàn)有彈性密封墊種類就材質(zhì)而言可分為3類：三元乙丙橡膠(EPDM)、遇水膨脹橡膠(WSR)和復合型材質(zhì)。國際上，德國一般采用三元乙丙橡膠，日本曾選擇遇水膨脹橡膠密封墊來解決裝配力過高的問題，但其長期耐久性等問題一直也是眾多學者關(guān)注的焦點[3-4]。盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道的管片尺寸小于主隧道管片，溝槽尺寸小，深度淺至4 mm。若采用EPDM，由于孔洞的存在，淺溝槽限制了EPDM密封墊的壁厚，薄壁會影響密封墊的防水性能，從而影響聯(lián)絡(luò)通道的安全。考慮到上述原因，經(jīng)綜合評估與論證，在寧波地鐵3號線第1條聯(lián)絡(luò)通道工程中，選擇遇水膨脹橡膠作為密封墊材質(zhì)。已有大量學者對彈性密封墊的防水性能進行了研究，主要采用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方式。賀騰飛等[4]通過有限元方法對復合型密封墊的壓縮過程進行了二維模擬，并結(jié)合室內(nèi)壓縮試驗數(shù)據(jù)，對復合型、三元乙丙橡膠密封墊的壓縮性能進行了對比。何太洪等[5]通過有限元分析、水密性及壓縮試驗對密封墊接觸應(yīng)力和閉合壓力之間的關(guān)系進行了分析。張子新等[6]設(shè)計了耐水壓測試裝置，結(jié)合密封墊力學性能試驗和數(shù)值模擬，對錯縫量與張開量在雙道密封墊防水能力中的階段性影響進行了討論。然而既有文獻的研究對象大多為EPDM和復合型密封墊，對寧波地鐵3號線盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道密封墊設(shè)計的指導作用有限。國內(nèi)對于遇水膨脹橡膠密封墊的工程應(yīng)用相對較少，20世紀80年代初曾在上海、廣州、南京等地的部分隧道工程中使用過單道遇水膨脹橡膠類密封墊[7]，相關(guān)研究相對其他2種密封墊較少，對其防水特性的理解也不夠深入。大塚正博[8]對遇水膨脹材料的耐久性進行過研究，劉建國[9]針對聚氨酯彈性體與遇水膨脹橡膠2種密封帶，設(shè)計了相關(guān)試驗裝置，對不同張開量條件下兩者的接觸應(yīng)力發(fā)展規(guī)律進行了分析。但對遇水膨脹橡膠密封墊的耐久性監(jiān)控仍存在不足[8]，寧波地鐵3號線盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道工程針對耐久性問題也進行了專項研究，相關(guān)內(nèi)容將另行研討。綜上，既有研究多基于盾構(gòu)隧道的接縫防水，而盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道作為一種新型的聯(lián)絡(luò)通道建造方法，其管片接縫處密封墊的設(shè)計無現(xiàn)成可行方案供參考。如何設(shè)計密封墊的斷面形式，并保證其防水效果，是非常值得研究的課題。

本文以寧波地鐵3號線第1條盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道工程為依托，采用遇水膨脹橡膠密封墊作為聯(lián)絡(luò)通道管片的接縫防水措施，設(shè)計不同的密封墊斷面方案進行比選，并結(jié)合數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗對方案的防水能力進行驗證。試驗驗證了盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道采用矩形斷面遇水膨脹橡膠密封墊的可行性，可為類似工程的密封墊設(shè)計提供參考。

1 盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道小管片設(shè)計方案

1.1 聯(lián)絡(luò)通道小管片斷面結(jié)構(gòu)及洞門接頭防水

在寧波軌道交通3號線盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道工程中，主隧道管片內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，厚0.35 m。聯(lián)絡(luò)通道管片內(nèi)徑2.65 m，外徑3.15 m，厚0.25 m，小于主隧道管片，為了便于區(qū)分，將其稱為聯(lián)絡(luò)通道小管片(以下簡稱為小管片)。小管片采用錯縫拼裝，環(huán)縫與縱縫均采用M24彎螺栓進行連接，管片分為5塊，如圖1所示。小管片具體參數(shù)見表1。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道小管片分塊圖(單位： mm)

表1 小管片參數(shù)

洞門接頭處防水采用注漿+鋼板封堵及后澆帶防水設(shè)計，可有效解決接頭處的密封防水問題。

1.2 溝槽斷面方案

我國在雙圓盾構(gòu)隧道的工程實踐中，也采用了遇水膨脹類密封墊的設(shè)計[10]，對本工程具有借鑒意義。參考雙圓盾構(gòu)的溝槽設(shè)計(見圖2)，同時考慮到聯(lián)絡(luò)通道管片的尺寸相對較小，將溝槽斷面方案設(shè)計為底部寬30 mm、口部寬36 mm、兩側(cè)高度分別為4 mm與2.5 mm，如圖3所示。

圖2 雙圓盾構(gòu)溝槽與密封墊設(shè)計斷面(單位： mm)

圖3 盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道小管片溝槽斷面(單位： mm)

1.3 防水性能指標

1.3.1 接縫張開量與錯臺量要求

由于聯(lián)絡(luò)通道外荷載的存在以及管片生產(chǎn)和施工時產(chǎn)生的誤差，管片接縫處會發(fā)生張開與錯臺的現(xiàn)象，這對管片的防水能力有著直接影響。張子新等[6]認為： 彈性密封墊張開量最大值實際由隧道外荷載和縱向轉(zhuǎn)向圓弧段等引起的張開量δ1、管片制作和實際拼裝誤差δ2以及鄰近建筑物施工引起的張開量δ3組成。考慮到本工程聯(lián)絡(luò)通道不存在縱向轉(zhuǎn)向圓弧段，也沒有鄰近建筑物施工，因而根據(jù)設(shè)計資料與工程實際要求，并結(jié)合管片溝槽尺寸限制，取耐水壓力試驗的接縫張開量為4 mm。為繼續(xù)探討張開量與耐水壓力的關(guān)系，將試驗的張開量分為4 mm、5 mm和6 mm 3種工況。

盾構(gòu)隧道管片錯臺量一般取實際施工誤差值以及長期不均勻沉降之和。參考文獻[11]中隧道管片錯臺的構(gòu)成，本工程聯(lián)絡(luò)通道管片錯臺量是由管片尺寸公差與機械拼裝精度組成，取錯臺量為2 mm。

1.3.2 設(shè)防壓力

本工程聯(lián)絡(luò)通道最大埋深約為20 m，考慮到寧波地區(qū)水文地質(zhì)特點，將設(shè)防壓力采用了3倍于隧道埋深的水壓，即在前述接縫張開量與錯臺量情況下，防水能力達到0.6 MPa。

2 密封墊斷面設(shè)計與方案比選

2.1 設(shè)計方案

2.1.1 方案斷面形式

由于遇水膨脹橡膠本身材料的復雜性，對其止水機制與止水能力等還沒有非常明確的認識[12]。在進行密封墊斷面的設(shè)計時，主要考慮： 1)密封墊面積小于溝槽面積； 2)密封墊底部寬度盡量與溝槽底部寬度一致，以減少溝槽內(nèi)由于人為粘貼誤差產(chǎn)生的錯臺。因此，基于工程實際設(shè)計了4種遇水膨脹密封墊斷面(見圖4)進行比選。

(a) 陰陽凹凸斷面

(b) 圓形孔洞斷面

(c) 梳形斷面

(d) 矩形斷面

2.1.2 陰陽凹凸斷面

該方案將一側(cè)密封墊設(shè)置凸起，另一側(cè)水平，以使在滿足底部寬度與溝槽底部寬度相平的同時，盡可能增大密封墊之間的接觸面積，如圖4(a)所示。

2.1.3 圓形孔洞斷面

借鑒三元乙丙密封墊中的設(shè)計理念，在遇水膨脹橡膠中通過設(shè)置圓形孔洞，從而滿足面積率的要求，如圖4(b)所示。

2.1.4 梳形斷面

將遇水膨脹密封墊設(shè)計為“梳形”，一方面可以使密封墊底部卡在溝槽之內(nèi)，另一方面也可使密封墊面積小于溝槽面積，如圖4(c)所示。

2.1.5 矩形斷面

大塚正博[8]提出了一種遇水膨脹密封墊斷面的設(shè)計方法。該方法假設(shè)密封墊防水壓力與施工期和運營期2個階段有關(guān)，在計算中考慮了密封墊的自封現(xiàn)象和盾構(gòu)張開與錯臺量的影響?；谠摲椒?，設(shè)計了矩形斷面方案，如圖4(d)所示。

2.2 方案比選

從工程實踐與生產(chǎn)可行性角度出發(fā)，對4種設(shè)計斷面的優(yōu)缺點進行總結(jié)評判。從加工難度、質(zhì)量控制以及防水性能等角度對各斷面進行比選，結(jié)果如表2所示。

表2 4種密封墊設(shè)計斷面優(yōu)缺點比較

遇水膨脹橡膠密封墊一般采用模具熱壓成型，若其截面設(shè)計孔洞，模具會極為復雜，增加了加工難度，降低產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性與生產(chǎn)效率。從這一角度出發(fā)，圓形孔洞斷面與梳形斷面加工難度相對較大，生產(chǎn)精度難以控制，而且在日本幾十年的應(yīng)用案例中，都未見此類方案。因此，圓形孔洞與梳形2種斷面可行性不高，將陰陽凹凸斷面以及矩形斷面作為備選方案，再通過比較，從兩者中選擇防水性能較優(yōu)的一種。

3 2種斷面防水能力有限元分析

3.1 有限元模型及計算參數(shù)設(shè)置

針對前述設(shè)計的陰陽凹凸斷面與矩形斷面，利用Abaqus/Explicit計算模塊建立二維模型進行計算分析，建立的模型如圖5所示。由于混凝土的剛度遠大于橡膠的剛度，故在計算時將管片溝槽視為剛體。遇水膨脹密封墊賦以超彈性材料，采用Mooney-Rivlin模型進行模擬，依據(jù)橡膠密封墊材料獲得相應(yīng)的C10和C01參數(shù)[4,13]，具體參數(shù)如表3所示。計算工況設(shè)為壓縮與膨脹2個階段，模擬密封墊在拼裝時產(chǎn)生的壓縮狀態(tài)以及施工完畢之后遇水發(fā)生膨脹的狀態(tài)。橡膠膨脹率為250%時，其膨脹的過程考慮為完全膨脹，不考慮因部分遇水而產(chǎn)生部分膨脹的影響，通過設(shè)置溫度場進行模擬。上下密封墊表面之間以及密封墊表面與溝槽表面之間分別設(shè)置接觸對。在約束的設(shè)置方面，密封墊與溝槽之間設(shè)置為耦合約束，下部溝槽采用固定約束，通過調(diào)節(jié)上下溝槽的相對位置模擬不同的張開錯臺量。

(a) 矩形斷面

(b) 陰陽凹凸斷面

表3 遇水膨脹橡膠的Mooney-Rivlin參數(shù)

3.2 接觸應(yīng)力分布

密封墊接觸面上的接觸應(yīng)力可以有效地反映密封墊的防水性能。以下部密封墊的左上角點作為原點(圖5中O點)，對2種斷面壓縮階段與膨脹階段中上下密封墊接觸面上各網(wǎng)格單元節(jié)點的豎向接觸應(yīng)力(以下均稱為接觸應(yīng)力)進行統(tǒng)計，結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

(a) 矩形斷面

(b) 陰陽凹凸斷面

由圖6和圖7可見：

1)對于矩形斷面，隨著張開量的增大，壓縮與膨脹2個階段中的接觸應(yīng)力均減小。這是由于張開量越小，密封墊的初始壓縮量越大，則接觸面的初始接觸應(yīng)力也越大。在壓縮階段中，由于錯臺量的存在，原點附近的接觸應(yīng)力較小，其余部分的接觸應(yīng)力則大致相同；在膨脹階段中，密封墊發(fā)生膨脹，接觸應(yīng)力逐漸增加，接觸面的中部產(chǎn)生的接觸應(yīng)力最大，接觸應(yīng)力水平由中部向兩側(cè)逐漸遞減。

2)對于陰陽凹凸斷面，隨著張開量的增加，壓縮與膨脹2個階段中接觸應(yīng)力也呈現(xiàn)減小的趨勢，這是由于初始壓縮量不同造成的。在壓縮階段中，陰陽凹凸斷面的接觸應(yīng)力在凸起處達到峰值； 膨脹之后，接觸應(yīng)力也在凸起處達到峰值。

3)此外，張開量為6 mm時，上下2個密封墊壓縮后，接觸面之間仍存在空隙，無法相互接觸。因此該工況下，壓縮階段2種斷面的接觸應(yīng)力均為0 MPa。

3.3 2種斷面接觸應(yīng)力比較

本文從接觸面上的最大接觸應(yīng)力與接觸面平均應(yīng)力2個角度對接觸應(yīng)力進行考慮。吳挺[14]認為： 上下密封墊斷面上各位置點的最大主壓應(yīng)力的加權(quán)平均值可作為整個斷面的初始壓應(yīng)力水平。采用吳挺的研究方法，將該加權(quán)平均值作為接觸面平均應(yīng)力。

接觸面平均應(yīng)力計算公式如下：

式中:Si為第i個單元的面積；σmax為第i個單元積分點的主壓應(yīng)力。

對于壓縮階段，密封墊接觸應(yīng)力計算結(jié)果如表4與圖8所示。

對于膨脹階段，密封墊接觸應(yīng)力計算結(jié)果如表5與圖9所示。

表4 壓縮階段各工況下2種斷面密封墊接觸應(yīng)力

圖8 膨脹階段2種斷面接觸應(yīng)力計算結(jié)果

表5 膨脹階段各工況下2種斷面密封墊接觸應(yīng)力

圖9 膨脹階段2種斷面接觸應(yīng)力計算結(jié)果

上述計算結(jié)果表明，在壓縮與膨脹階段中，矩形斷面的最大接觸應(yīng)力與平均接觸應(yīng)力均大于陰陽凹凸斷面，證明矩形斷面較陰陽凹凸斷面的防水能力更優(yōu)，因此將矩形斷面作為備選方案。矩形斷面的最大接觸應(yīng)力與平均接觸應(yīng)力水平都隨著張開量的增加而遞減，且均大于1 MPa。在水的自封作用對密封墊防水性能影響的研究中，劉建國等[15]研究得到： 在理想狀態(tài)下(無限實心長條密封墊)，密封墊的防水壓力就是密封墊的接觸壓力，一旦水壓超過接觸壓力，密封墊就會滲漏。數(shù)值計算表明該矩形斷面能夠承受0.6 MPa的水壓，達到防水指標要求。

4 矩形斷面密封墊防水效果試驗

在上述討論中，已針對矩形斷面進行研究。欲完全確定該斷面的防水性能，還需通過室內(nèi)試驗加以驗證。根據(jù)管片溝槽尺寸，設(shè)計了“一”字縫耐水壓力試驗裝置。

4.1 試驗設(shè)備及試驗步驟

“一”字縫耐水壓力試驗裝置如圖10所示。連接試驗設(shè)備后，將待測試件(試件的性能指標如表6所示)裝入溝槽中，用盾構(gòu)隧道密封墊專用膠將遇水膨脹密封條粘貼于溝槽的底部。放置12 h后，調(diào)整實驗臺動板，將其固定至相應(yīng)的張開量與錯臺量。設(shè)置好張開、錯臺量之后進行分級加載，每次加壓0.05 MPa，壓力穩(wěn)定后保壓5 min，達到防水指標壓力(0.6 MPa)后至少保持2 h。然后繼續(xù)加壓，直至密封墊漏水，記錄其漏水時的水壓力值。

(a) 試驗裝置連接

(b) “一”字縫試驗?zāi)＞?/p>

表6 試驗用遇水膨脹密封墊性能指標

需要注意的是，由于遇水膨脹密封條長度小于溝槽斷面長度，在設(shè)定的張開錯臺量情況下，容易發(fā)生因粘貼失誤引起的人為錯臺現(xiàn)象，在最極端情況下，搭接長度僅有6 mm(見圖11)，嚴重影響防水能力。針對該問題，在粘貼遇水膨脹密封條時，將其粘貼于溝槽外側(cè)，內(nèi)側(cè)粘貼普通軟泡沫，可有效消除由于粘貼失誤導致上下密封墊搭接長度過短的問題(如圖10(b))所示。此處普通軟泡沫的強度相對密封條可以忽略不計，只起定位作用，不會對密封條造成破壞。

圖11 粘貼誤差導致的人為誤差 (單位： mm)

4.2 試驗結(jié)果

為探究密封墊在規(guī)定張開錯臺量工況下直接測定的耐水壓力與密封墊遇水膨脹一段時間后的耐水壓力的差別，對各張錯量工況下的試驗組分別進行了2次試驗。第1次試驗為使用前述方法直接測定其耐水壓力； 第2次試驗為在水壓達到0.6 MPa后，保壓48 h，然后再次測定其耐水壓力。試驗結(jié)果如表7所示。

表7 各工況下耐水壓力試驗結(jié)果

將耐水壓力試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果對比，結(jié)果如圖12所示?？梢姡?二者的規(guī)律與量值均較為接近，使用有限元方法基本可以達到判斷遇水膨脹密封墊防水能力的目的。在錯臺量均為2 mm的情況下，隨著張開量的增大，遇水膨脹前耐水壓力從2.1 MPa減小至1.1 MPa； 而在保壓48 h之后，耐水壓力從2.3 MPa減小至1.8 MPa，但均大于0.6 MPa的防水指標，說明該斷面在接縫張開量為4～6 mm的工況下均能滿足相應(yīng)的防水要求。

圖12 耐水壓力試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果對比

此外，對比是否保壓48 h的2次試驗的耐水壓力，可以看出保壓48 h的耐水壓力明顯增加，表明遇水膨脹密封條在充分吸水膨脹后可以提高密封墊與溝槽之間以及密封墊之間的接觸應(yīng)力，從而增大防水壓力。同時對比上下2條曲線可以發(fā)現(xiàn)，接縫張開量較大時，進行48 h保壓之后提高的耐水壓力要大于接縫張開量較小時。這是因為未經(jīng)保壓時，接縫張開量較大組試驗的密封墊還未產(chǎn)生足夠的膨脹，接觸應(yīng)力較?。欢?jīng)過保壓后，密封墊吸水產(chǎn)生膨脹，體積迅速增大，接觸應(yīng)力迅速上升，使耐水壓力迅速提高。

5 現(xiàn)場密封墊布設(shè)方法

將19 mm×7 mm矩形斷面遇水膨脹密封墊應(yīng)用于寧波地鐵盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道的施工中，并在粘貼密封墊時，利用普通軟泡沫條進行定位，降低人為粘貼造成的錯動量(見圖13)。根據(jù)施工現(xiàn)場反饋結(jié)果，聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)防水效果良好，無任何滲漏水情況發(fā)生。

圖13 施工現(xiàn)場密封墊粘貼情況

6 結(jié)論與討論

1)將遇水膨脹橡膠作為密封墊材料時，由于材料硬度低、質(zhì)軟，應(yīng)簡化密封墊斷面形式，使生產(chǎn)簡便，盡量避免采用在橡膠上開孔的斷面形式。

2)借助有限元方法對矩形斷面、陰陽凹凸斷面2種密封墊的接觸應(yīng)力進行計算，結(jié)果表明接觸應(yīng)力與張開量有關(guān)，接觸面最大接觸應(yīng)力與平均接觸應(yīng)力均隨著張開量的增加而減小。在同等張開、錯臺量下，不論是密封墊壓縮階段還是膨脹階段，本文試驗設(shè)計的矩形斷面的密封墊接觸應(yīng)力大于陰陽凹凸斷面密封墊。

3)“一”字縫耐水壓力試驗結(jié)果表明，錯臺量為2 mm時，隨著張開量的增大，耐水壓力逐漸減小，但均大于0.6 MPa的防水指標，證明矩形斷面遇水膨脹密封墊在接縫張開量為4～6 mm時滿足0.6 MPa防水要求。密封墊保壓48 h之后，耐水壓力具有明顯提升，且張開量越大，提升幅度越大。將有限元計算結(jié)果與耐水壓力試驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者有近似的規(guī)律與量值，證明了有限元方法模擬遇水膨脹密封墊的防水能力具有一定的適用性。

4)在聯(lián)絡(luò)通道施工現(xiàn)場采用矩形斷面密封墊，并在粘貼時利用普通軟泡沫條進行定位，降低人為粘貼錯動量?，F(xiàn)場監(jiān)測顯示防水效果良好，無任何滲漏水情況發(fā)生。

5)主隧道管片與聯(lián)絡(luò)通道管片的防水設(shè)計有所不同，兩者接頭處的特殊連接也是盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道工程中關(guān)鍵的部分。本文未對前述問題展開討論，將在后續(xù)的研究中進行詳細分析。