和燕路隧道盾構(gòu)防水密封墊極限防水性能試驗研究

薛光橋， 郭志明， 李 拼， 謝宏明， 王士民， *

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063； 2. 水下隧道技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，湖北 武漢 430063； 3. 南京市公共工程建設(shè)中心， 江蘇 南京 210019； 4. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，越來越多的過江、跨海隧道不斷涌現(xiàn)，其中以盾構(gòu)法修建的水下隧道最為常見。在水下盾構(gòu)隧道的設(shè)計與建設(shè)中，防水是其中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一[1]，需要引起格外重視。盾構(gòu)隧道防水主要包括以下6個方面： 管片自防水、壁后注漿層防水、接縫密封墊防水、嵌縫槽防水、螺栓孔和注漿孔防水、二次襯砌防水等。管片和接縫防水是主體[2]，接縫密封墊防水是整個盾構(gòu)隧道防水的薄弱環(huán)節(jié)，也是盾構(gòu)隧道防水設(shè)計的重點。

盾構(gòu)隧道接縫密封墊防水設(shè)計大致可分為4個階段： 工程設(shè)計參數(shù)提取、試驗前數(shù)值模擬分析、試驗研究、試驗后數(shù)值模擬分析[3]。在工程設(shè)計參數(shù)提取階段，普遍的做法是根據(jù)工程地質(zhì)勘測結(jié)果，結(jié)合規(guī)范要求確定設(shè)計水壓； 接著，根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，確定接縫允許的張開量和錯臺量； 然后，根據(jù)這些參數(shù)，并參考類似工程[4-9]，進(jìn)行密封墊型式的初步設(shè)計，初步設(shè)計出幾種密封墊后，利用數(shù)值模擬計算軟件對各密封墊的防水性能進(jìn)行模擬[10-14]，并對其進(jìn)行初步比選； 最后，根據(jù)防水試驗中各密封墊在設(shè)計允許張開量、錯臺量下的耐水水壓，判定各密封墊防水性能的優(yōu)劣。

目前的盾構(gòu)隧道接縫防水設(shè)計中，對于密封墊防水性能的評價指標(biāo)是在設(shè)計允許張開量、錯臺量情況下的耐水水壓。在現(xiàn)有的水下盾構(gòu)隧道工程案例中，部分隧道工程由于某些問題導(dǎo)致管片在施工過程中或運營過程中的張開量或錯臺量已經(jīng)超過了設(shè)計允許值。在密封墊張開量或錯臺量超出設(shè)計允許值的情況下，盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的防水性能在隧道服役期內(nèi)是否仍能滿足要求是一個值得關(guān)注的問題。張穩(wěn)軍等[15-16]在研究盾構(gòu)隧道密封墊防水性能的過程中，分析了管片張開量與防水性能的關(guān)系，探討了管片張開量超出設(shè)計允許值時的防水性能變化特性，但并未給出防水密封墊極限張開量允許值。截至目前，相關(guān)研究尚未形成明確的評價標(biāo)準(zhǔn)或指標(biāo)，對于具體工程而言，仍需結(jié)合防水構(gòu)造的具體情況及工程需求開展進(jìn)一步研究。

基于以上背景，依托南京和燕路長江隧道工程，本文針對穿越地震帶等存在密封墊張開量與錯臺量超出設(shè)計允許值風(fēng)險的水下盾構(gòu)隧道，研究密封墊張開量與錯臺量超出設(shè)計允許值后的防水性能變化規(guī)律，探究能滿足防水要求的極限張開量與錯臺量，以期為上述問題的解決提供理論依據(jù)，為現(xiàn)有盾構(gòu)隧道的防水設(shè)計優(yōu)化提供相關(guān)參考。

1 工程概況

南京和燕路長江隧道穿越區(qū)河道呈不對稱V字形，靠近南岸段呈極陡地形，最大水深達(dá)53 m，造成隧道承受水壓達(dá)0.79 MPa。南京和燕路長江隧道為目前國內(nèi)最深的水下隧道。隧道采用盾構(gòu)法下穿長江水域，盾構(gòu)段長度約為3 000 m，穿越地層有砂層、中風(fēng)化角礫巖、角礫狀灰?guī)r和灰?guī)r、含礫砂巖，且需要穿越F7區(qū)域斷裂及4條斷層，屬于典型的土巖復(fù)合地層。江南明挖段局部有灰?guī)r侵入。

南京和燕路長江隧道管片外側(cè)溝槽內(nèi)設(shè)置多孔型彈性橡膠密封墊，材質(zhì)為三元乙丙橡膠。根據(jù)具體情況，設(shè)計了2種彈性密封墊，Ⅰ 型適用于一般區(qū)段； Ⅱ 型為增強(qiáng)型，布置于F7斷層(長江深槽)、軟硬不均等可能存在較大差異變形的地段以增強(qiáng)其防水性能。

和燕路長江隧道工程抗水壓要求： 1)接縫張開8 mm、錯臺15 mm的條件下，Ⅰ型彈性橡膠密封墊即時抵抗1.6 MPa的水壓，設(shè)計使用年限內(nèi)能夠抵抗0.65 MPa的水壓； 2)接縫張開10 mm、錯臺15 mm的條件下，Ⅱ型彈性橡膠密封墊即時抵抗2.0 MPa的水壓，設(shè)計使用年限內(nèi)能夠抵抗0.8 MPa的水壓。

根據(jù)和燕路長江隧道工程的具體情況及防水要求，結(jié)合對密封墊的調(diào)研及相關(guān)類似工程經(jīng)驗，對密封墊及其對應(yīng)溝槽進(jìn)行初步選型。針對和燕路長江隧道工程的特殊地質(zhì)條件，提供了多種密封墊孔洞形式，將密封墊及其溝槽分為2組，一組為高24 mm 的Ⅰ型密封墊，另一組為高28 mm的Ⅱ型密封墊。

根據(jù)試驗前對幾種密封墊的防水?dāng)?shù)值分析以及各密封墊在設(shè)計最不利工況下(Ⅰ型密封墊為張開8 mm、錯臺15 mm，Ⅱ型密封墊為張開10 mm、錯臺15 mm)的防水性能表現(xiàn)，選取其中的密封墊2(Ⅰ型)和密封墊7(Ⅱ型)進(jìn)行極限工況防水試驗，2種密封墊及溝槽的相關(guān)參數(shù)及截面尺寸分別如表1及圖1所示。

2 密封墊極限防水性能試驗

2.1 試驗裝置

為探究盾構(gòu)隧道管片接縫的張開量與錯臺量在超出設(shè)計允許值后密封墊防水性能的變化情況以及是否仍能滿足設(shè)計要求，本文進(jìn)行了一系列密封墊張開量與錯臺量超出設(shè)計允許值的防水試驗，試驗裝置如圖2所示。

表1 密封墊及溝槽相關(guān)參數(shù)

(a) Ⅰ型密封墊

(b) Ⅱ型密封墊

(c) Ⅰ型密封墊溝槽

(d) Ⅱ型密封墊溝槽

圖2 防水試驗裝置

防水試驗裝置由T形防水試驗?zāi)＞摺⑷詣铀畨杭虞d裝置、壓力表、開關(guān)閥門和連接桿件等組成。全自動水壓加載裝置可實現(xiàn)水壓自動加載，水壓加載精度為0.01 MPa，最大加載水壓為10 MPa，同時可在發(fā)生微小滲水時進(jìn)行水壓補(bǔ)償以保持水壓的穩(wěn)定，并追蹤水腔中注水水量的變化。T形防水試驗?zāi)＞甙筛鼡Q內(nèi)膽(見圖3)，對應(yīng)的密封墊溝槽位于內(nèi)膽上，不同內(nèi)膽對應(yīng)不同的溝槽截面，如此可通過更換對應(yīng)密封墊溝槽的內(nèi)膽來實現(xiàn)不同截面形式密封墊的防水試驗。

圖3 防水模具內(nèi)膽

2.2 試驗過程

針對選取的2種密封墊開展防水性能試驗。試驗開始前，先把試驗裝置內(nèi)表面及溝槽清理干凈，再將彈性密封墊用氯丁橡膠黏結(jié)劑固定到溝槽內(nèi)，并保持這個狀態(tài)12 h。靜置12 h后，進(jìn)行密封墊張開量以及錯臺量的設(shè)置操作，如圖4所示。

(a) 設(shè)置張開量

(b) 設(shè)置錯臺量

將張開量及錯臺量設(shè)置好之后，用高強(qiáng)螺栓將裝置擰緊固定，以確保在試驗過程中張開量及錯臺量的穩(wěn)定。裝置固定好之后，將水壓加載裝置及水壓表與防水試驗?zāi)＞哌B接； 然后向水壓泵中加水至裝置水壓為0.1 MPa。待其穩(wěn)定后，開始加壓，在0.1 MPa下保持15 min；若裝置不發(fā)生漏水則以0.1 MPa為1個單位逐級增加水壓，每加1個單位，裝置保持15 min不發(fā)生漏水則繼續(xù)加壓；在達(dá)到設(shè)計水壓1.6 MPa(Ⅱ型密封墊為2.0 MPa)后，保壓24 h，不發(fā)生漏水則繼續(xù)加壓直到出現(xiàn)漏水。將比漏水水壓小0.1 MPa的水壓定為密封墊在此工況下的耐水水壓。

對于極限張開量防水試驗，保持錯臺量15 mm不變，從張開量為8 mm(Ⅱ 型密封墊為10 mm)開始，張開量每增大1 mm作為1個工況，通過防水試驗得到每一工況下的耐水水壓，直到某一工況下的耐水水壓小于設(shè)計允許耐水水壓時停止試驗。同理，對于極限錯臺量防水試驗，保持張開量8 mm(Ⅱ 型密封墊為10 mm)不變，從錯臺量為15 mm開始，錯臺量每增大2 mm作為1個工況，通過防水試驗得到每一工況下的耐水水壓，直到某一工況下的耐水水壓小于設(shè)計允許耐水水壓時停止試驗。為減小試驗中的誤差，每個工況做2組試驗，取其最小值作為該工況下的耐水水壓。

3 防水試驗結(jié)果

3.1 Ⅰ型密封墊防水試驗結(jié)果

3.1.1 極限張開量防水試驗結(jié)果

對Ⅰ型密封墊進(jìn)行極限張開量防水試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 Ⅰ型密封墊極限張開量防水試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果繪制Ⅰ型密封墊耐水水壓隨張開量的變化曲線，結(jié)果如圖5所示。

圖5 在錯臺量為15 mm的情況下Ⅰ型密封墊耐水水壓隨張開量的變化曲線

由圖5可以看出： 在密封墊張開量超過8 mm(設(shè)計允許張開量)后，隨著張開量的增大，密封墊的耐水水壓逐漸減小，且減小幅度隨著張開量的增大逐步增大。由此可見，張開量的增大會顯著降低密封墊的防水性能，對密封墊的防水性能有著直接非線性的影響。

Ⅰ型密封墊耐水水壓要求為1.6 MPa，在張開量超出11 mm后無法滿足防水要求。因此，在錯臺量為15 mm的工況下，密封墊極限張開量為11 mm。

3.1.2 極限錯臺量防水試驗結(jié)果

對Ⅰ型密封墊進(jìn)行極限錯臺量防水試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 Ⅰ型密封墊極限錯臺量防水試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果繪制Ⅰ型密封墊耐水水壓隨錯臺量的變化曲線，結(jié)果如圖6所示。

圖6 在張開量為8 mm的情況下Ⅰ型密封墊耐水水壓隨錯臺量的變化曲線

由圖6可以看出： 1)隨著錯臺量的增大，密封墊的耐水水壓總體呈減小的趨勢，但其中也存在大錯臺密封墊耐水水壓比小錯臺密封墊耐水水壓高的情況； 2)在錯臺量超出21 mm之后，密封墊的防水性能下降幅度較大，且從該曲線的變化趨勢來看，隨著錯臺量進(jìn)一步增大，防水性能的下降幅度有進(jìn)一步增大的可能。

Ⅰ型密封墊防水水壓要求為1.6 MPa，在張開量為8 mm、錯臺量為21 mm的工況下，密封墊的耐水水壓為1.7 MPa，滿足防水要求；當(dāng)錯臺量大于21 mm時，密封墊的耐水水壓迅速下降，達(dá)不到防水要求。因此，I型密封墊在張開量為8 mm工況下的極限錯臺量為21 mm。

3.2 Ⅱ型密封墊防水試驗結(jié)果

3.2.1 極限張開量防水試驗結(jié)果

對Ⅱ型密封墊進(jìn)行極限張開量防水試驗，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 Ⅱ型密封墊極限張開量防水試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果繪制Ⅱ型密封墊耐水水壓隨張開量的變化曲線，結(jié)果如圖7所示。

圖7 在錯臺量為15 mm的情況下Ⅱ型密封墊耐水水壓隨張開量的變化曲線

由圖5和圖7可以看出： Ⅱ型密封墊的耐水水壓整體上要高于Ⅰ型密封墊，其隨張開量的變化規(guī)律與Ⅰ型密封墊基本一致，即密封墊的耐水壓能力隨著張開量的增大而逐步減小，且減小幅度隨著張開量的增大逐漸增大。

Ⅱ型密封墊耐水水壓要求為2.0 MPa，在張開量超出13 mm后無法滿足防水要求，因此，在錯臺量為15 mm的工況下，其極限張開量為13 mm。

3.2.2 極限錯臺量防水試驗結(jié)果

對Ⅱ型密封墊進(jìn)行極限錯臺量防水試驗，試驗結(jié)果如表5所示。

實踐教學(xué)是高校教學(xué)工作的重要組成部分。綜合實踐課程可以從教學(xué)理念，資源建設(shè)，課程設(shè)計，組織實施和評估激勵等方面進(jìn)行。在具體的課程建設(shè)中，我們可以嘗試從以下幾個方面構(gòu)建：

表5 Ⅱ型密封墊極限錯臺量防水試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果繪制Ⅱ型密封墊耐水水壓隨錯臺量的變化曲線，結(jié)果如圖8所示。

圖8 在張開量為10 mm的情況下Ⅱ型密封墊耐水水壓隨錯臺量的變化曲線

由圖8可知： 1)在保持張開量為10 mm時，隨著錯臺量的增大，Ⅱ型密封墊的耐水水壓總體呈減小的趨勢； 2)在錯臺量小于21 mm時，密封墊耐水水壓在3.1 MPa左右波動。這說明錯臺量在小于一定量值時對密封墊的防水性能影響不大。耐水水壓出現(xiàn)波動的原因可能與Ⅱ型密封墊的三角形孔分布有關(guān)。橡膠密封墊是一個多孔結(jié)構(gòu)，橡膠材料在橫向上分布并不均一，孔洞的間斷分布造成上、下密封墊在不同錯臺量下接觸時產(chǎn)生的接觸應(yīng)力不同，從而導(dǎo)致密封墊耐水水壓的波動。

對比Ⅱ型密封墊與Ⅰ型密封墊各自極限錯臺量下的防水試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)： 1)Ⅱ型密封墊在錯臺量小于21 mm的情況下，耐水水壓在3.1 MPa左右波動，并未有明顯下降； 2)Ⅰ型密封墊在錯臺量小于21 mm的情況下，隨著錯臺量的增加，盡管其中存在有大錯臺量密封墊防水性能比小錯臺量密封墊防水性能高的情況，但其防水性能整體呈減小的趨勢，且下降幅度較大。這說明耐水水壓高的Ⅱ型密封墊兼容錯臺的能力也較強(qiáng)。

Ⅱ 型密封墊耐水水壓要求為2.0 MPa，在張開量為10 mm、錯臺量為25 mm的工況下，密封墊耐水水壓為2.5 MPa，滿足防水要求；當(dāng)錯臺量大于25 mm時，密封墊的防水性能迅速下降，達(dá)不到防水要求。因此，Ⅱ 型密封墊在張開量為10 mm時極限錯臺量為25 mm。

4 結(jié)論與討論

本文基于南京和燕路長江隧道工程，結(jié)合試驗前對幾種密封墊的數(shù)值模擬分析以及各密封墊在設(shè)計工況下的防水性能表現(xiàn)，選取了2種密封墊進(jìn)行極限張開量與極限錯臺量工況下的防水試驗，通過對試驗結(jié)果的對比分析，可得到以下結(jié)論：

2)當(dāng)密封墊保持設(shè)計允許張開量時，錯臺量超過設(shè)計允許值后，隨錯臺量的增大，密封墊的耐水水壓先呈波動式減小，達(dá)到某一量值后迅速下降，直至失效。

3)Ⅰ型密封墊在錯臺量為15 mm的工況下滿足防水要求的極限張開量為11 mm，在張開量為8 mm的工況下滿足防水要求的極限錯臺量為21 mm；Ⅱ型密封墊在錯臺量為15 mm的工況下滿足防水要求的極限張開量為13 mm，在張開量為10 mm的工況下滿足防水要求的極限錯臺量為25 mm。

工程實踐中，對于盾構(gòu)隧道接縫防水而言，管片張開量與錯臺量是影響接縫防水性能的2個重要因素，在不同工作狀態(tài)下，兩者可能出現(xiàn)多種組合情況。本文在研究過程中，首先將其中一個量值設(shè)定為設(shè)計允許值，在此基礎(chǔ)上探討另一個量值在滿足設(shè)計防水性能時的極限值，因此，文中結(jié)論并不能與工程中密封墊的所有工作狀態(tài)一一對應(yīng)。建議在試驗條件允許的情況下，考慮工程實際可能出現(xiàn)的管片張開量與錯臺量量值，通過正交試驗設(shè)計，系統(tǒng)地分析不同管片張開量與錯臺量組合情況下的防水性能，進(jìn)一步為工程實踐提供全面的指導(dǎo)。