蘇通GIL綜合管廊超高水壓盾構(gòu)隧道接縫防水性能試驗研究

金躍郎， 丁文其， 肖明清， 孫文昊， 吳煒楓， 葉美錫， 涂新斌

(1. 同濟大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092； 3. 杭州市下城區(qū)住房和城市建設(shè)局, 浙江 杭州 310006； 4. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063； 5. 國家電網(wǎng)有限公司， 北京 100031)

0 引言

隨著地下空間開發(fā)需求的多元化，近年來，盾構(gòu)隧道在大直徑輸水、深層排蓄水、電力等多個領(lǐng)域得到快速發(fā)展。同時，隨著盾構(gòu)法施工技術(shù)與工藝的不斷突破，盾構(gòu)隧道在不斷迎接大直徑、長距離、超埋深、高水壓等多方面的挑戰(zhàn)。對于大直徑、超埋深、高水壓的盾構(gòu)隧道，除了需解決襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力性能的關(guān)鍵問題之外，其防水性能關(guān)鍵技術(shù)研究同樣面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，為了滿足越來越高的防水要求，管片接縫防水技術(shù)需不斷改進與突破。

在防水設(shè)計上，隨著隧道深度不斷變大，設(shè)計水壓從高水壓到超高水壓發(fā)展。南京緯三路隧道最大水壓為0.72 MPa[1]，廣深港高速鐵路獅子洋隧道為0.67 MPa[2]，南京長江隧道為0.65 MPa[3]，武漢長江隧道為0.57 MPa[4]，本文所述工程最大水壓高達0.80 MPa，盾構(gòu)隧道防水設(shè)計面臨巨大挑戰(zhàn)。

在高水壓地層條件下，盾構(gòu)隧道一旦出現(xiàn)局部滲漏，將引起隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能劣化[5]，在長期滲漏的情況下，隧道安全性能將無法保證。對于高水壓大直徑盾構(gòu)隧道管片接縫防水，國內(nèi)外多采用雙道防水形式，如德國易北河第4座道路隧道、上海青草沙過江隧道等大型水下隧道工程。

針對蘇通GIL綜合管廊超高水壓盾構(gòu)隧道大直徑、長距離、高水壓、高要求的特點，目前已有的大斷面盾構(gòu)隧道管片接縫防水密封墊斷面結(jié)構(gòu)形式已無法滿足其設(shè)計需求。故針對該項目超高水壓管片接縫防水這一關(guān)鍵問題展開研究，管片接縫將采用雙道彈性密封墊防水方案，在管片接縫的內(nèi)側(cè)和外側(cè)各布置1道密封墊。通過大量工程調(diào)研、斷面設(shè)計及數(shù)值計算，對比分析篩選出初步斷面，并通過壓縮性能試驗和防水性能試驗對所選斷面進行驗證。

1 盾構(gòu)隧道接縫防水設(shè)計要求

1.1 項目概況

淮南—南京—上海1 000 kV交流特高壓輸變電工程蘇通GIL(氣體絕緣輸電線路)綜合管廊工程，是世界上首次在重要輸電通道中采用特高壓GIL，也是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、技術(shù)水平最高的超長距離GIL創(chuàng)新工程，對華東地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義。本工程的隧道工程部分采用盾構(gòu)法施工，其最大水壓值高達0.80 MPa，為目前國內(nèi)盾構(gòu)隧道水壓最高值，其平面圖如圖1所示。

圖1 蘇通GIL綜合管廊工程平面圖

1.2 防水性能指標

類比相關(guān)工程案例，為減小滲漏水發(fā)生概率，增大隧道運營安全系數(shù)，本工程采用雙道三元乙丙(EPDM)彈性密封墊防水方案，其中定義近襯砌外弧面一側(cè)為外道，近襯砌內(nèi)弧面一側(cè)為內(nèi)道。與公路交通隧道不同的是，本隧道為特高壓GIL綜合管廊隧道。建成使用后，隧道內(nèi)部將長期處于相對高溫狀態(tài)，故在密封墊防水設(shè)計中，需考慮隧道運營時內(nèi)部環(huán)境溫度對隧道的影響。防水性能指標計算公式為

防水性能指標=(理論水壓值×安全系數(shù))/壓縮應(yīng)力保持率。

(1)

式中： 理論水壓值為0.80 MPa； 壓縮應(yīng)力保持率與環(huán)境溫度有關(guān)，內(nèi)外道密封墊有所不同。

綜合管廊隧道設(shè)計使用年限為100年，為長期性地下建筑。外道密封墊環(huán)境溫度按20 ℃計算，根據(jù)橡膠老化性能預(yù)測公式[6]，三元乙丙橡膠100年以后的壓縮應(yīng)力保持率為65%； 而內(nèi)道密封墊環(huán)境溫度大于外道，考慮運營過程中溫度變化的影響，根據(jù)相關(guān)計算，平均可按30 ℃進行橡膠老化性能預(yù)測計算，得到三元乙丙橡膠100年以后的壓縮應(yīng)力保持率為50%。國際上一般考慮安全系數(shù)為1.2～1.4，本工程隧道屬于高水壓隧道，考慮到外道密封墊是隧道第1道防水防線，將外道密封墊的安全系數(shù)定為1.3，而內(nèi)道為第2道防水防線，按1.2計算。

由式(1)得出： 內(nèi)道密封墊防水性能指標為1.92 MPa，外道為1.60 MPa。

此外，還需綜合考慮接縫防水能力對接縫誤差的適應(yīng)性，即接縫在指定張開量和錯縫量的情況下才能達到設(shè)定防水值，這對密封墊的設(shè)計提出了更高要求。主要應(yīng)考慮防水產(chǎn)品的容錯能力，考慮因素如下： 1)管片尺寸公差為±1 mm，直接影響接縫張開量和錯縫量。2)管片形位公差為±2 mm，直接影響接縫張開量和錯縫量。3)機械能力。環(huán)向精度直接影響管片錯縫量±5 mm，縱向扭力直接影響接縫張開量±2 mm。4)人為因素、環(huán)境影響因素直接影響管片錯縫量±2 mm。5)密封墊配合面尺寸公差為±1 mm，直接影響密封墊的對接錯縫量。因此，得到管片拼裝偏差累計值： 最大張開量為8 mm，最大錯縫量為15 mm。故接縫在張開量為8 mm、錯縫量為15 mm的極限情況下才能滿足設(shè)計要求。

1.3 裝配力要求

采用雙道密封墊接縫防水形式，在接縫滲漏水概率減小的同時，接縫密封墊閉合壓縮力增加。本項目所用盾構(gòu)的最大裝配力為130 kN/m，故該接縫密封墊閉合壓縮力需小于盾構(gòu)的最大裝配力。

2 盾構(gòu)隧道接縫防水密封墊設(shè)計

本項目內(nèi)道和外道密封墊溝槽設(shè)計不同(如圖2所示)，需對內(nèi)道和外道密封墊分別進行斷面設(shè)計優(yōu)化分析和試驗驗證。參考相關(guān)工程經(jīng)驗，在密封墊材料方面，選用具有良好耐老化性能的三元乙丙橡膠(EPDM)作為密封墊的主體材料。在密封墊型式設(shè)計方面，結(jié)合管片接縫防水性能數(shù)值模擬相關(guān)研究，通過理論分析、初選斷面、模型驗證，最終篩選出較優(yōu)的密封墊型式進行防水性能試驗，具體過程不在此文中贅述。

(a) 外道密封墊溝槽

(b) 內(nèi)道密封墊溝槽

根據(jù)大量的數(shù)值模擬對比與分析，并基于目前國內(nèi)高水壓盾構(gòu)隧道工程中的密封墊斷面型式[7-12]，優(yōu)化得出內(nèi)外道密封墊斷面，如圖3所示，并作為下文所述的試驗對象。

(a) 外道密封墊斷面

(b) 內(nèi)道密封墊斷面

3 密封墊裝配壓縮性能試驗

為滿足密封墊裝配力要求，需在接縫防水性能試驗的同時，進行裝配壓縮性能試驗，以獲取密封墊的裝配壓縮性能數(shù)據(jù)。

3.1 試驗工況

為滿足施工裝配要求，在滿足接縫密封墊耐水壓值要求的同時，還需滿足在盾構(gòu)最大裝配力下內(nèi)外雙道密封墊均能壓縮閉合的條件?？紤]到橡膠材料硬度對密封墊壓縮性能影響較大，分別對不同硬度(硬度計示值為67和60)的同一斷面密封墊進行試驗。密封墊橡膠材料的硬度參考相關(guān)國家標準[13]。密封墊壓縮性能試驗工況如表1所示。

表1 密封墊壓縮性能試驗工況

3.2 試驗裝置

根據(jù)相關(guān)國家標準規(guī)范[13]，密封墊壓縮性能試驗裝置如圖4所示。

1—導(dǎo)向套； 2—溝槽下模塊； 3—橡膠密封墊； 4—溝槽上模塊； 5—端面封板。 標準密封墊試件長度為200 mm， 試驗時導(dǎo)向套與溝槽上模板之間接觸光滑。

圖4 密封墊壓縮性能試驗裝置[13]

Fig. 4 Schematic diagram of sealing gasket compression test device[13]

彈性密封墊裝配壓縮性能試驗采用HUALONG多功能拉壓試驗機加載，如圖5所示，儀器可自動讀取壓縮力和密封墊壓縮量。

圖5 密封墊裝配壓縮性能試驗儀器

3.3 試驗方法

試驗過程嚴格按相關(guān)規(guī)范要求[13]，采用位移控制的方式，加載范圍為0～22 mm，豎向壓縮增量為1 mm，密封墊每壓縮1 mm記錄1次豎向壓縮力數(shù)據(jù)。1次試驗結(jié)束后卸載，觀察密封墊的回彈情況，將同一組密封墊重復(fù)進行2次試驗，以觀察密封墊的2次壓縮性能和反復(fù)承受荷載的能力。密封墊試件在壓縮過程中的變化如圖6所示。

(a) 初始壓縮

(b) 壓縮過程中

(c) 壓縮至接縫閉合

3.4 試驗結(jié)果

3.4.1 外道密封墊

對工況1和工況2進行密封墊裝配壓縮性能試驗，分別得出其壓縮力-壓縮量曲線，如圖7所示。由試驗結(jié)果可知，對于外道密封墊而言，在相同壓縮量下，硬度為60的試件壓縮力均小于硬度為67的試件。當密封墊硬度為67、張開量壓縮至2 mm(對應(yīng)壓縮量為20 mm)時，壓縮力為65 kN/m；而當外道密封墊硬度為60、張開量壓縮至2 mm(對應(yīng)壓縮量為20 mm)時，需要的壓縮力為55 kN/m，較硬度為67時減小約15%。降低硬度對降低閉合壓縮力的效果明顯。

3.4.2 內(nèi)道密封墊

同樣，對工況3和工況4進行密封墊壓縮性能試驗，試驗結(jié)果如圖8所示，內(nèi)道密封墊硬度同樣對密封墊閉合壓縮力存在較大影響，且更為明顯。當內(nèi)道密封墊硬度為67、接縫張開量壓縮至2 mm(對應(yīng)壓縮量為20 mm)時，需要的壓縮力為60 kN/m； 而當外道密封墊硬度為60，張開量壓縮至2 mm(對應(yīng)壓縮量為20 mm)時，需要的壓縮力為43 kN/m，較硬度為67時減小約28%。

圖7 外道密封墊壓縮性能曲線

圖8 內(nèi)道密封墊壓縮性能曲線

密封墊壓縮性能試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示，內(nèi)道和外道密封墊在相同壓縮量下，硬度為60的試件壓縮力均小于硬度為67的試件壓縮力，且內(nèi)道密封墊閉合壓縮力小于外道密封墊閉合壓縮力，因為內(nèi)道密封墊寬度較小。就密封墊壓縮性能而言，在130 kN/m的盾構(gòu)裝配力條件下，所設(shè)計的內(nèi)道和外道密封墊均可將接縫張開量壓縮至2 mm以內(nèi)?？紤]管片接縫間實際還存在一定厚度的傳力襯墊，此時該接縫已接近于閉合狀態(tài)。此外，也可通過緊固螺栓等方式將接縫安裝至滿足要求。

表2 密封墊壓縮性能試驗結(jié)果

4 盾構(gòu)管片接縫防水性能模擬試驗

4.1 試驗工況

針對所設(shè)計的密封墊斷面型式進行防水性能試驗，在考慮不同硬度(硬度計示值為67和60)的基礎(chǔ)上，確定密封墊在不同接縫張開錯縫量下的實際防水能力。接縫防水性能試驗工況匯總?cè)绫?所示。密封墊橡膠材料的硬度參考相關(guān)國家標準[13]。

表3 接縫防水性能試驗工況

4.2 試驗方法

采用同濟大學(xué)研制的可三向自動加載的高水壓盾構(gòu)隧道管片接縫防水性能試驗系統(tǒng)進行試驗，如圖9所示。防水性能試驗主要步驟如下： 1)通過位移加載，控制接縫到指定張開量、錯縫量； 2)加載水壓，直至密封墊防水失效； 3)徹底卸載，待密封墊恢復(fù)到最初狀態(tài)，重新加載到下一個工況指定的接縫變形量進行防水性能試驗。

圖9 可三向自動加載的高水壓盾構(gòu)隧道管片接縫防水性能試驗系統(tǒng)

Fig. 9 Waterproof test system of high-pressure shield tunnel segment joints with automatic loading in three directions

4.3 試驗結(jié)果

在錯縫量分別為0、 15 mm時，對所設(shè)計的雙道密封墊進行了“一”字縫防水性能試驗，并記錄其防水失效現(xiàn)象和防水能力。

4.3.1 防水失效

根據(jù)試驗記錄可知，由于目前密封墊轉(zhuǎn)角采用實心轉(zhuǎn)角硫化搭接，試驗中接縫密封墊防水失效主要是角部漏水，如圖10所示。

圖10 接縫防水失效

4.3.2 防水能力

匯總不同密封墊、硬度、錯縫量的試件試驗結(jié)果，如表4所示。

表4 蘇通GIL隧道超高水壓接縫防水性能試驗結(jié)果

密封墊的防水能力受密封墊型式、硬度和錯縫量的影響。在相同錯縫量和硬度的條件下，內(nèi)道密封墊防水能力均高于外道密封墊防水能力，其原因在于斷面型式的差異導(dǎo)致接觸應(yīng)力分布不同。同一個斷面在相同硬度下，接縫錯縫量越大，密封墊防水性能越低，因為錯縫導(dǎo)致密封墊有效接觸面積和寬度減少，不利于接觸應(yīng)力的有效分布，從而使防水性能降低。同一斷面在相同錯縫量條件下，密封墊硬度越高，其防水性能越高，因為硬度越高，相應(yīng)的壓縮力越大，接觸應(yīng)力越高，越利于接縫防水。

綜合密封墊壓縮性能和防水性能試驗結(jié)果可知： 1)當密封墊硬度為67時，雙道密封墊閉合壓縮力為125 kN/m，滿足130 kN/m的裝配力要求； 2)在張開量為8 mm、錯縫量為15 mm的條件下，外道密封墊防水能力為1.80 MPa，內(nèi)道密封墊防水能力為1.94 MPa，可滿足外道1.60 MPa、內(nèi)道1.92 MPa的防水性能指標要求。綜上所述，設(shè)計的接縫密封墊可滿足蘇通GIL綜合管廊超高水壓盾構(gòu)隧道接縫防水要求。

5 結(jié)論與建議

通過國內(nèi)外工程實際和研究現(xiàn)狀的調(diào)研，結(jié)合蘇通GIL綜合管廊隧道工程的難點，針對高水壓防水設(shè)計要求以及高溫運行環(huán)境的影響，進行了密封墊優(yōu)化設(shè)計以及防水性能、裝配性能的試驗研究，得到結(jié)論與建議如下：

1) 通過數(shù)值模擬，分別優(yōu)化得出適用于本項目的內(nèi)外雙道密封墊斷面。通過裝配性能試驗可知，設(shè)計的密封墊可滿足接縫裝配力要求。

2) 彈性密封墊的防水能力與硬度有關(guān)。密封墊硬度越高，越容易產(chǎn)生較高的壓縮應(yīng)力峰值，從而達到較好的防水效果。然而，硬度越高，密封墊閉合壓縮力越大，對盾構(gòu)的裝配力要求越高，在實際管片接縫密封墊設(shè)計中，需同時考慮且滿足兩者的要求。

3)當密封墊硬度為67時，試驗得出當張開量為8 mm、錯縫量為15 mm時，內(nèi)道和外道密封墊防水能力分別為1.94 MPa和1.80 MPa，可分別滿足本工程對應(yīng)的1.92 MPa和1.60 MPa的雙道密封墊防水性能要求，可為類似超高水壓盾構(gòu)隧道工程接縫防水提供參考。而當硬度為60時，內(nèi)道和外道密封墊防水能力分別為1.50 MPa和1.35 MPa，雖無法滿足1.92 MPa和1.60 MPa的防水性能要求，但仍能抵抗較高水壓，可用于本工程中的隧道淺埋段，或其他防水要求較低的類似盾構(gòu)隧道工程中。

4)對雙道密封墊的防水失效機制尚未闡述，該部分研究將在今后進一步展開。