盾構(gòu)隧道接縫密封墊設(shè)計及試驗研究

江 河，劉建國，周俊宏

（1. 同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2. 同濟大學(xué)上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室，上海201804；3. 寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波315101）

隨著建設(shè)地鐵的城市增加，穿越的地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，對隧道的要求也不同，盾構(gòu)隧道正在向斷面多樣化發(fā)展。 在隧道的設(shè)計及施工過程中，不僅要保證隧道結(jié)構(gòu)在使用時具有足夠的承載能力，將受力與變形控制在可靠范圍內(nèi)，還需考慮其運營中的長期性能[1]。 浙江某地鐵某區(qū)間地質(zhì)條件較差，隧道容易發(fā)生較大的不均勻沉降，進而引起較大的環(huán)縱縫變形，導(dǎo)致接縫滲漏水，影響襯砌結(jié)構(gòu)的長期性能；因此在設(shè)計及施工中需著重考慮管片接縫這一防水最薄弱環(huán)節(jié)的防水措施。

盾構(gòu)隧道管片接縫常用的防水措施為在管片接頭外弧面預(yù)留一防水溝槽， 將橡膠密封墊粘貼于溝槽處，在管片的拼裝階段通過千斤頂推力將密封墊壓至管片間緊密貼合，不留縫隙，從而使密封墊間產(chǎn)生防水接觸應(yīng)力，達到防水的效果。 目前常用的密封墊材質(zhì)有3 種：三元乙丙橡膠、遇水膨脹橡膠和復(fù)合型橡膠[2]，在地鐵隧道中一般采用三元乙丙橡膠彈性密封墊，因其耐水與耐老化性能較好，能更好地達到防水要求。

國內(nèi)常見的地鐵隧道內(nèi)徑為5.5 m，對應(yīng)的溝槽尺寸與密封墊斷面均有工程可借鑒，紹興市地鐵1 號線工程的隧道內(nèi)徑為5.9 m，地質(zhì)條件較差，需對其進行專項設(shè)計，探討防水密封墊的材料及斷面形式。已有許多研究采用數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗相結(jié)合的方式對橡膠密封墊的防水性能進行了研究。文獻[3-4]通過水密性試驗、應(yīng)力松弛和蠕變試驗對不同的密封墊材質(zhì)進行了對比。賀騰飛等[5]通過有限元計算對復(fù)合型密封墊壓縮過程進行了二維模擬，實現(xiàn)了密封墊壓縮性能的可計算。 拓勇飛等[6]針對超高水壓大直徑盾構(gòu)隧道，通過試驗方法對不同斷面彈性密封墊進行防水試驗以及裝配力壓縮試驗，確定最優(yōu)防水設(shè)計方案。 這些研究中采用的試驗與數(shù)值模擬方法均對本文的密封墊選型提供了借鑒，在此基礎(chǔ)上本文將各指標及檢測方法體系化，并應(yīng)用于工程中。

本文依托浙江某地鐵某盾構(gòu)區(qū)間工程，管片的接縫防水措施采用三元乙丙彈性橡膠密封墊或復(fù)合型橡膠密封墊，并設(shè)計了3 種不同的斷面型式，對密封墊進行選型及試驗研究，得到各斷面密封墊的防水性能與閉合壓縮性能，并由此確定防水方案。

1 盾構(gòu)隧道管片設(shè)計方案

1.1 管片斷面結(jié)構(gòu)

在浙江某地鐵盾構(gòu)區(qū)間工程中，隧道管片內(nèi)徑5.9 m，外徑6.7 m，厚0.4 m。 管片分為6 塊, 環(huán)縫與縱縫均采用M33 彎螺栓連接，采用錯縫拼裝方式，如圖1 所示，具體參數(shù)見表1。

圖1 管片結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）Fig.1 Sketch of segments structure（Unit: mm）

表1 管片參數(shù)Tab.1 Parameters of shield segment

圖2 防水溝槽斷面圖（單位：mm）Fig.2 Section of waterproofing grooves（Unit: mm）

1.2 接縫防水方案

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗以及管片的尺寸及拼裝要求，確定防水溝槽的尺寸斷面方案為底部寬37 mm、口部寬42.5 mm，兩側(cè)高度分別為9.5 mm與11.5 mm，如圖2 所示。

目前接縫防水溝槽內(nèi)一般采用密封墊進行防水。 密封墊一般分為3 種：彈性密封墊以接觸面壓應(yīng)力來止水，其優(yōu)點是生產(chǎn)及施工工藝較成熟，耐久性較好；遇水膨脹密封墊靠其遇水膨脹后的膨脹壓力來止水，優(yōu)點是材料較薄從而使拼裝壓力小，便于施工；復(fù)合型橡膠密封墊則是在彈性密封墊頂部加入遇水膨脹材料進行復(fù)合加工。

本工程采用單道密封墊防水。 由于防水溝槽深度為9.5 mm，要求密封墊厚度也較大，并且耐久性要求較高；因此選用生產(chǎn)工藝更為成熟、耐久性與安全性更高的彈性橡膠密封墊或復(fù)合型橡膠密封墊。

1.3 接縫防水指標

1.3.1 接縫變形要求

由于盾構(gòu)隧道管片拼裝時存在一定的誤差，推出盾尾時會受到外界的水土荷載，并且在長期運營的情況下隧道會出現(xiàn)不均勻沉降，都會導(dǎo)致管片接縫產(chǎn)生張開與錯臺的情況，對管片防水能力十分不利。

根據(jù)《地下工程防水設(shè)計規(guī)范》（GB 50108-2008)[7]中的規(guī)定，計算可得管片接縫最大張開量為6 mm。 而按照《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》（GB50446-2017）規(guī)定，管片在盾尾內(nèi)拼裝完成時，每環(huán)相鄰管片高差允許值為5 mm，縱向相鄰環(huán)管片高差允許值為6 mm[8]。 根據(jù)工程經(jīng)驗，管片承受水土荷載后最大錯臺量控制值一般略大于拼裝階段錯臺量，取8 mm。

因此本工程的管片接縫變形指標可以定為張開6 mm，錯臺8 mm。

1.3.2 設(shè)計防水壓力

為保證運營期間不滲漏，密封墊間的接觸應(yīng)力必須大于運營期水壓；因此防水壓力的設(shè)定指標必須考慮一定的富余量。 根據(jù)紹興地區(qū)地層的分布及后續(xù)工程產(chǎn)品定型化的考慮，浙江某地鐵盾構(gòu)隧道的設(shè)計埋深按照20 m 考慮，安全系數(shù)設(shè)定為3，即在前述接縫張開6 mm、錯臺8 mm 的情況下，防水能力達到0.6 MPa。

1.4 閉合壓縮力指標

管片接縫防水設(shè)計必須滿足管片的拼裝要求，即彈性密封墊在縱向的千斤頂頂力和環(huán)向的管片拼裝力下，壓縮至接縫完全閉合時，管片表面、端面以及角部保持完好，不發(fā)生碎裂。 管片的拼裝機設(shè)計能力可保證100 kN/m，但是在拼裝過程中同時應(yīng)考慮封頂塊插入過程順暢。 根據(jù)相關(guān)地鐵施工經(jīng)驗，當(dāng)橡膠密封墊閉合壓力小于60 kN/m 時，管片均可順利拼裝。

2 密封墊斷面設(shè)計

由于本工程采用彈性密封墊或復(fù)合型密封墊進行防水，在進行彈性密封墊設(shè)計時，主要應(yīng)滿足以下條件：①應(yīng)采用中孔型設(shè)計，因為其可以保證密封墊高度較高，且在壓縮過程中可以保持很大的接觸面壓縮力；②頂部和肩部設(shè)計應(yīng)充分注意到錯臺防水要求，同時肩部抹角應(yīng)保證在密封墊全部壓縮入溝槽內(nèi)不發(fā)生“擠隙”現(xiàn)象；③腰部設(shè)計與腿部設(shè)計應(yīng)盡量使得密封墊與溝槽輪廓密貼，這樣就可以保證在拼裝過程中，尤其在拱頂塊拼裝過程中，密封墊不會在溝槽內(nèi)發(fā)生較大的錯動，進而發(fā)生內(nèi)部錯臺現(xiàn)象，情況嚴重的甚至?xí)鹈芊鈮|翻轉(zhuǎn)和脫落； ④密封墊的扣除敞開孔洞和閉合孔洞后凈面積應(yīng)小于溝槽的凈面積，這樣就可以保證接縫在閉合狀態(tài)下，密封墊完全可以壓縮入溝槽。 基于工程實際設(shè)計了3 種密封墊斷面（如圖3 所示）進行比選。

3 種斷面的凈面積與溝槽斷面積及其比值列于表2 中。

圖3 3 種密封墊設(shè)計斷面（單位：mm）Fig.3 Three types of seal design sections（Unit: mm）

表2 密封墊斷面參數(shù)Tab.2 Parameters of seal section

由圖3 與表2 可以看出這3 種斷面形式的密封墊底部寬度、頂部、腰部及腿部的設(shè)計均符合要求，且密封墊凈面積均小于溝槽斷面積，滿足使用要求。

3 設(shè)計方案有限元計算

3.1 有限元模型及計算參數(shù)設(shè)置

針對3 種設(shè)計密封墊斷面，利用有限元軟件建立二維模型進行計算分析，建立的模型如圖4 所示（以單排孔型為例）。

在賦予材料屬性時，采用Mooney－Rivlin 模型模擬三元乙丙橡膠與復(fù)合密封墊中的遇水膨脹橡膠這2種超彈性材料，根據(jù)兩種橡膠材料性能獲得相應(yīng)的C10 和C01 參數(shù)[9]，如表3 所示。 由于橡膠材料的剛度遠小于管片混凝土的剛度，可將管片溝槽視為剛體。密封墊與溝槽表面接觸處、上下密封墊表面接觸處分別設(shè)置接觸對，通過調(diào)節(jié)上下溝槽的相對位置模擬張開錯臺量。

彈性密封墊計算時只設(shè)壓縮工況，模擬密封墊在拼裝時產(chǎn)生的壓縮狀態(tài)；而復(fù)合型密封墊在設(shè)壓縮工況的基礎(chǔ)上增設(shè)膨脹工況，通過設(shè)置溫度場使橡膠膨脹，以模擬在施工及運營期間遇水膨脹橡膠遇水發(fā)生膨脹，其中橡膠膨脹率設(shè)為250%。

圖4 密封墊有限元模型（單位：mm）Fig.4 Finite element model of seal（Unit: mm）

表3 2 種橡膠材料的Mooney－Rivlin 參數(shù)Tab.3 Mooney-Rivlin parameters for two rubber materials

3.2 密封墊接觸應(yīng)力計算結(jié)果

彈性橡膠密封墊的防水主要依靠兩密封墊之間的接觸應(yīng)力，一般認為密封墊的接觸壓力可以視為其防水能力，一旦外界的水壓超過密封墊間接觸壓力，就會發(fā)生滲漏。 對3 種斷面的密封墊在張6 錯8 條件下的接觸應(yīng)力進行計算，可以有效地評估其防水能力。

對2 種斷面的彈性橡膠密封墊的壓縮工況與復(fù)合密封墊的膨脹工況進行計算，統(tǒng)計上下密封墊接觸面上各節(jié)點（即圖4 中OO’上節(jié)點，其中原點為O 點）的主壓應(yīng)力，同一位置處取兩密封墊中較大值，結(jié)果如圖5 所示。

從圖5 可以看出，對于3 種斷面，由于密封墊角部存在應(yīng)力集中；因此密封墊接觸面兩端的應(yīng)力較大。 復(fù)合型密封墊在接觸面為三元乙丙橡膠材料的部分接觸應(yīng)力曲線形狀與量值都與雙排孔型較為相似，這是由于這2 種斷面孔洞位置與主體材料相同，而在接觸面為遇水膨脹橡膠的部分復(fù)合型的接觸應(yīng)力較大，說明吸水后橡膠膨脹，接觸面積變大使接觸應(yīng)力增大。

3.3 3 種斷面接觸應(yīng)力比較

應(yīng)對3 種斷面密封墊的最大接觸應(yīng)力與平均接觸應(yīng)力分別進行比較，其中最大接觸應(yīng)力為接觸面上各節(jié)點的豎向接觸應(yīng)力中的最大值，平均接觸應(yīng)力則是接觸面上各節(jié)點接觸應(yīng)力的加權(quán)平均值[10]，計算公式如下：

圖5 3 種斷面接觸應(yīng)力分布Fig.5 Contact stress distribution of three different sections

式中：Si為第i 個單元的面積，mm2；σmax為第i 個單元點的主壓應(yīng)力，MPa。

密封墊的接觸應(yīng)力計算結(jié)果如表4 所示。

上述計算結(jié)果表明， 在張6 錯8 的情況下，這3 種斷面均能夠承受0.6 MPa 的水壓，達到防水指標要求。 在3 種斷面的數(shù)值模擬中，無論是從最大接觸應(yīng)力還是從平均接觸應(yīng)力來看，單排孔型斷面均為最大，證明其防水能力最優(yōu)；因此將單排孔型斷面作為備選方案。

表4 3 種斷面密封墊接觸應(yīng)力Tab.4 Contact stresses of sealing gasket with 3 different cross sections

4 密封墊防水效果試驗

在有限元計算中我們可以發(fā)現(xiàn)單排孔型斷面的防水能力最優(yōu)，但是想完全判斷這3 種斷面密封墊的防水能力， 需要通過防水試驗進行驗證。 本文采用“一”字縫耐水壓試驗裝置對密封墊防水能力進行檢測。

4.1 試驗設(shè)備

“一”字縫耐水壓試驗裝置如圖6 所示。 裝置由上下兩塊方形模板組成，各厚25 mm，模板內(nèi)側(cè)開一個深凹槽（凹槽與設(shè)計的盾構(gòu)管片溝槽一致），用以放置密封墊圈，鋼模板的四周利用螺栓緊固上下模板，可通過外膽鋼板上兩塊限制塊控制錯臺量，以模擬橫向和縱向錯縫，張開量可通過在兩鋼板之間設(shè)置一定厚度的鋼墊塊實現(xiàn)。

4.2 試驗步驟

將待測密封墊試樣分別粘貼于溝槽底部，其中密封墊性能指標如表5 所示，滿足國標規(guī)定的要求。將實驗裝置連接好，放置6 h 后，將其固定至張開量分別為4，5，6 mm，雙向錯位量為8 mm。 之后通過水泵進行分級加壓，每次加壓0.1 MPa，待壓力穩(wěn)定后保壓5 min，達到0.6 MPa 后保持一段時間，后繼續(xù)加壓至密封墊漏水，記錄漏水時水壓。

圖6 “一”字縫耐水壓試驗裝置Fig.6 Test devices for water pressure

表5 待測密封墊物理性能Tab.5 Physical properties of test gaskets

4.3 試驗結(jié)果

分別將3 種斷面的密封墊試樣進行張4 錯8、張5 錯8 與張6 錯8 條件下的耐水壓試驗，對于復(fù)合型密封墊，由于其遇水膨脹橡膠遇水會膨脹；因此在水壓達到0.6 MPa 后，保壓48 h，再次測定其漏水時的水壓。 試驗結(jié)果如表6 所示。

將耐水壓試驗結(jié)果與有限元結(jié)果對比，列于表7 中，可以發(fā)現(xiàn)3 種密封墊的耐水壓力隨接縫變形的變化規(guī)律相同，量值也較為接近；因此結(jié)果較為可信。在張開量增大的情況下，密封墊的防水能力逐漸減小，處于接縫變形限值（張開6 mm，錯臺8 mm）情況下，3 種斷面的密封墊均滿足0.6 MPa 的防水要求。

此外，復(fù)合型密封墊在達到設(shè)計水壓持續(xù)保壓2 天后，耐水壓力在3 種張錯量情況下均有所提高，說明頂部的遇水膨脹橡膠在吸水膨脹之后可以增大密封墊的接觸面積，從而提高防水能力。 從耐水壓試驗的結(jié)果來看，單排孔型的密封墊斷面是最優(yōu)方案。

表6 各工況下密封墊耐水壓力試驗結(jié)果Tab.6 Test results of waterproofing pressure under different working conditions

表7 密封墊有限元計算與耐水壓力試驗結(jié)果對比Tab.7 Comparison of finite element calculation and water pressure test results of gasket

5 密封墊壓縮試驗

管片拼裝的理想狀態(tài)是將全部密封墊都壓縮入溝槽之中，此時對應(yīng)的壓縮力稱之為“閉合壓縮力”。 由前文所述，當(dāng)本工程橡膠密封墊閉合壓力小于60 kN/m 時，管片均可順利拼裝。 采用壓縮試驗裝置對密封墊閉合壓縮力進行檢測。

5.1 試驗設(shè)備

如圖7 所示，壓縮試驗裝置主要由加載系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、壓縮模具三大系統(tǒng)組成。 其中加載系統(tǒng)由千斤頂（油壓）、反力架組成；傳感器系統(tǒng)包括可以記錄壓縮量的位移傳感器與可以記錄壓力的壓力傳感器;壓縮模具根據(jù)已經(jīng)確定的溝槽自行設(shè)計。

5.2 試驗步驟

劉建國等[11]提出密封墊都是直接采用角部注塑兜繞成環(huán)，現(xiàn)場直接將其套裝在管片上，而此時密封墊的閉合孔洞中就密閉了一些空氣，在壓縮時存在“氣囊效應(yīng)”。 在試驗中將待測試樣取長為20 cm 的橡膠條，并將橡膠條兩端封口處理，以模擬這種氣囊效應(yīng)。

將試驗裝置組裝完畢后，逐級對模具頂部進行加壓，直到密封墊完全壓縮至上下兩塊板完全閉合，記錄不同壓力情況下的密封墊壓縮變形量。 繪制壓力與壓縮量關(guān)系曲線，將壓縮曲線擬合，計算出閉合壓縮力。

5.3 試驗結(jié)果

分別對3 種斷面密封墊進行壓縮試驗，得到閉合壓縮力曲線如圖8 所示。

圖7 壓縮試驗裝置Fig.7 Test devices for compress test

圖8 閉合壓縮力曲線Fig.8 Test devices for compress test

從圖8 閉合壓縮力曲線中可以看出密封墊的壓縮過程主要分為2 個階段。 在壓縮初期，由于管片之間存在較大空隙，密封墊易于壓縮，壓縮力隨壓縮量的增加呈現(xiàn)緩慢增加趨勢；隨著壓縮量的增大，在壓縮后期，密封墊的可壓縮量減小，壓縮力迅速增大，直至管片完全閉合。

從上述試驗結(jié)果可以看出，單排孔型斷面、雙排孔型斷面以及復(fù)合型斷面密封墊的閉合壓縮力分別為54.32，57.32，52.8 kN/m，均小于60 kN/m，滿足裝配要求。 其中復(fù)合型斷面密封墊的閉合壓縮力最低，是由于其頂部的遇水膨脹橡膠硬度較低，降低了拼裝的難度。 而彈性橡膠密封墊中，單排孔型的閉合壓縮力較小，更容易滿足拼裝要求，從拼裝角度來說，應(yīng)選擇單排孔型或復(fù)合型密封墊。

首先，從耐水壓角度來看，優(yōu)先選擇單排孔型密封墊；第二，從閉合壓縮力的試驗結(jié)果來看，可以選擇單排孔型或復(fù)合型密封墊；第三，彈性密封墊的生產(chǎn)工藝較復(fù)合型的更成熟，且復(fù)合型密封墊的遇水膨脹橡膠未膨脹之前耐水壓力較低，容易在運營前期發(fā)生滲漏水。綜上所述，可確定本工程的接縫最優(yōu)防水方案為采用單排孔型密封墊。

6 結(jié)論

針對浙江某地鐵盾構(gòu)隧道直徑較大、管片厚度較厚的設(shè)計特點，考慮了多種接縫防水措施，并采用有限元計算、耐水壓試驗與壓縮試驗的方法，研究得到了適用于該工程的最優(yōu)防水方案，得到以下結(jié)論：

1） 借助有限元方法計算彈性密封墊的單排孔斷面、多排孔斷面及復(fù)合型斷面3 種密封墊的接觸應(yīng)力，結(jié)果表明在張開6 mm、錯臺8 mm 的情況下，這3 種斷面均能夠承受0.6 MPa 的水壓，達到防水指標要求。在3 種斷面中，無論是從最大接觸應(yīng)力還是從平均接觸應(yīng)力來看，單排孔型斷面均為最大，證明其防水能力最優(yōu)。

2） “一”字縫耐水壓力試驗結(jié)果表明，當(dāng)接縫錯臺量不變時，3 種斷面的密封墊耐水壓力會隨著張開量的增大逐漸減小，且在張開6 mm、錯臺8 mm 的極限情況下均大于0.6 MPa 的防水指標。 復(fù)合型密封墊在0.6 MPa 保壓2 天后，耐水壓力有所提高，說明由于遇水膨脹橡膠的膨脹壓力增大，其在運營初期密封墊的防水能力會逐漸增大。 從耐水壓試驗的結(jié)果來看，單排孔型的密封墊斷面是最優(yōu)方案。

3） 壓縮試驗結(jié)果表明，密封墊的壓縮過程主要分為2 個階段，壓縮力呈現(xiàn)先緩慢上升后迅速增大的規(guī)律。 單排孔型斷面、雙排孔型斷面以及復(fù)合型斷面密封墊的閉合壓縮力分別為54.32，57.32，52.8 kN/m，均滿足60 kN/m 的拼裝要求。 從便于施工的角度，應(yīng)選擇單排孔型或復(fù)合型密封墊。

4） 由于單排孔型密封墊耐水壓能力最強，閉合壓縮力也較小，且生產(chǎn)工藝較復(fù)合型更成熟，在運營前期不容易發(fā)生滲漏水，可確定本工程的接縫最優(yōu)防水方案為采用單排孔型密封墊。