TBM輸水隧洞管片接縫密封墊防水性能試驗研究

謝成然， 王 媛， 任 杰， 馮 迪， 王志奎

（河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室/土木與交通學(xué)院，南京 210098）

盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法，通過掘進(jìn)機(jī)外殼和管片支承四周巖土體，防止巖土體向隧道內(nèi)坍塌；同時在開挖面用切削裝置進(jìn)行開挖，通過出土機(jī)械將切削下來的土體運出洞外；再通過千斤頂作用在管片上加壓頂進(jìn)，使得掘進(jìn)機(jī)械在地層中推進(jìn)；掘進(jìn)的同時進(jìn)行預(yù)制管片拼裝作業(yè)，形成隧道結(jié)構(gòu)［1］.隨著盾構(gòu)法施工技術(shù)在地下隧道建設(shè)中的應(yīng)用，輸水隧洞傳統(tǒng)的施工方法（鉆爆法）漸漸地被更為安全高效的盾構(gòu)法［2］所取代. 盾構(gòu)法所采用的施工設(shè)備為隧道掘進(jìn)機(jī)，在我國，一般把用于軟土地層的隧道掘進(jìn)機(jī)稱為盾構(gòu)機(jī)，把用于巖石地層的隧道掘進(jìn)機(jī)稱為TBM（Tunnel Boring Machine）［3］. 因此，將采用盾構(gòu)法修建的位于山嶺地帶、穿過地層多為風(fēng)化程度不同的巖石的輸水隧洞稱為TBM輸水隧洞. 盾構(gòu)法隧洞是由管片拼接而成的，管片間存在大量接縫，而隧洞一般位于地下水位線以下，如何防水是盾構(gòu)法隧洞的一大重點［4］.

盾構(gòu)法隧道防水以管片自防水為基礎(chǔ)，以管片接縫防水為重點［5］，針對管片接縫防水問題，現(xiàn)多以密封墊作為防水主體，一般采用三元乙丙橡膠或遇水膨脹橡膠兩種材料，其中多孔三元乙丙橡膠密封墊的運用最為廣泛［6］. 眾多學(xué)者針對不同工程所使用的橡膠密封墊的防水性能進(jìn)行了大量的試驗研究，陸明等利用鋼板模擬管片，分別針對上海長江隧道［7］、上海外灘隧道［8］、上海地鐵2號線［9］等工程實際采用的三元乙丙橡膠密封墊進(jìn)行了長短期防水性能試驗，驗證了密封墊的防水性能. 吳煒楓等［10］對外輪廓尺寸相同、截面形式不同的3種密封墊進(jìn)行了裝配力和耐水壓試驗，確定了合適的密封墊選型. Ding等［11］對3種管片接縫（縱縫、環(huán)縫以及T型縫）的防水能力分別進(jìn)行了測試，對密封墊接觸應(yīng)力與耐水壓值之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果表明密封墊耐水壓值與密封墊平均接觸應(yīng)力十分接近. Shalabi 等［12］對盾構(gòu)隧道管片承受靜力荷載和動力荷載下的接縫橡膠密封墊性能進(jìn)行了研究和相關(guān)試驗，并在文獻(xiàn)［13］中指出在橡膠密封墊壓縮應(yīng)力模擬試驗中，隨著壓縮量的增加，泊松比是變化的. Shalabi［14］、董林偉等［15-16］研究橡膠密封墊耐水壓試驗兩側(cè)側(cè)限材料的不同，對比了混凝土溝槽與金屬溝槽對橡膠密封墊耐水壓性能的影響，結(jié)果表明不銹鋼裝置下橡膠密封墊的豎向應(yīng)力比混凝土裝置下橡膠密封墊的豎向應(yīng)力大，導(dǎo)致其耐水壓性能高于混凝土裝置. Gong等［17］分別對低設(shè)計水壓時的開式橡膠密封墊和高設(shè)計水壓時的閉式橡膠密封墊進(jìn)行了耐水壓試驗以及數(shù)值模擬分析，得到了一個關(guān)于橡膠密封墊表面接觸壓力與耐水壓值間的計算公式.

針對盾構(gòu)法隧道管片接縫密封墊防水性能的研究方法基本固定，多采用耐水壓裝置對密封墊的防水性能進(jìn)行試驗研究，測量其耐水壓能力，而各盾構(gòu)法隧道因具體的工程特點不同，所采用的密封墊也不同. 本文對廣東某TBM輸水隧洞實際使用的橡膠密封墊進(jìn)行耐水壓試驗，探究橡膠密封墊在不同接縫張開量和錯位量下的極限耐水壓能力，為今后相似的工程提供一定的參考.

1 工程背景

廣東省東部某地區(qū)地少人多，水污染嚴(yán)重，并且水資源分配不均，開發(fā)不平衡. 針對該地區(qū)水資源現(xiàn)狀，為優(yōu)化水資源配置，保障水生態(tài)，改善水環(huán)境，廣東省在建一系列水系連通工程. 某輸水隧洞作為水系連通工程中的一個子項目，全長約28 km，隧洞選址地處山嶺地帶，隧洞沿線地層巖性從地表至隧洞分別為上覆土體、全風(fēng)化花崗巖（Ⅴ類圍巖）、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（Ⅳ類圍巖）、弱風(fēng)化花崗巖（Ⅲ類圍巖）以及二類圍巖，因此采用的施工方式主要為TBM開挖.

該TBM 輸水隧洞內(nèi)徑4.3 m，外徑4.8 m，隧洞主體由預(yù)制六邊形鋼筋混凝土管片（如圖1 所示）拼接而成，管片厚度為0.25 m，管片寬度為1.4 m，每環(huán)由4塊管片構(gòu)成. 以往采用TBM建造的輸水隧洞一般以盾構(gòu)管片作為外襯，以現(xiàn)澆鋼筋混凝土作為二次襯砌，盾構(gòu)襯砌承擔(dān)防止外水內(nèi)滲的作用，二次襯砌承擔(dān)防止內(nèi)水外滲的作用. 為縮短工期以及降低工程造價，該TBM輸水隧洞直接采用管片作為永久防護(hù)而不施做二次襯砌，因此盾構(gòu)襯砌除受到圍巖壓力外，在施工期以及檢修期會受到外水壓力的作用，在運行期會受到內(nèi)外水壓力的共同作用. 在施工期進(jìn)行管片拼裝作業(yè)時，由于管片自身的尺寸誤差，以及管片拼裝誤差，管片接縫會存在一定的變形；在交付使用后的長期運行時，受到內(nèi)外水壓力、圍巖壓力等外力作用，隧洞不可避免地會發(fā)生一定程度的變形，除管片自身受力變形外，管片接縫也會發(fā)生變形，管片接縫的變形主要包括相鄰管片間接縫張開和接縫錯位.管片接縫的變形會影響到橡膠密封墊的防水效果，密封墊的防水效果如果不能得到保證，在施工期會引起外水內(nèi)滲，容易導(dǎo)致隧道內(nèi)涌水以及地表的沉降和不均勻變形；在運行期會導(dǎo)致內(nèi)外水交換，造成水質(zhì)污染.

圖1 六邊形管片F(xiàn)ig.1 Hexagonal segments

輸水隧洞在施工期和運行期所受到的水壓力情況不同，管片接縫密封墊的防水性能也有所不同，本文以只受外水壓力作用的管片接縫橡膠密封墊為研究對象，探究橡膠密封墊在施工期的耐水壓能力，并為今后受內(nèi)外水壓同時作用的橡膠密封墊防水性能提供參考.

2 試驗裝置和材料

2.1 試驗裝置

耐水壓試驗以TBM 輸水隧洞實際采用的橡膠密封墊作為原型，試驗裝置及試驗材料的設(shè)計參照規(guī)范《高分子防水材料第4部分：盾構(gòu)隧道用橡膠密封墊》GB/T 18173.4—2010，按隧洞管片設(shè)計的溝槽尺寸制作試驗裝置，按設(shè)計的橡膠密封墊的斷面形式和試驗裝置尺寸制備試樣［18］. 由于隧洞管片為六邊形，拼接時接縫有2種型式：一型和類T型. 考慮到兩種接縫中前者的占比較大，因此試驗時采用兩塊平板組成的“一”型耐水壓試驗裝置.

“一”型耐水壓試驗裝置（圖2）主要由加壓部分和數(shù)據(jù)收集部分組成，其中加壓部分包括上下鋼蓋板、水壓機(jī)和輸水管，上下鋼蓋板以及接口螺栓等皆采用SUS304不銹鋼制成，剛度與鋼筋混凝土制成的管片較為接近，且鋼板的厚度達(dá)到20 mm，能夠保證在較大水壓加載的工況下鋼板自身不發(fā)生變形. 上下鋼蓋板將橡膠密封墊夾于中間，模擬隧道管片接縫，并通過螺栓固定形成密閉空腔，水壓機(jī)為試驗提供穩(wěn)定的水壓；數(shù)據(jù)收集部分包括水壓表，主要用于測量試驗裝置在加壓過程中加載的水壓力. 此外鋼模下蓋板還設(shè)有導(dǎo)流槽和集水孔，以便于水流突破橡膠密封墊后將滲水導(dǎo)出. 耐水壓試驗裝置實物如圖3所示.

圖2 耐水壓試驗裝置簡圖Fig.2 Equipment sketch of water pressure-resistant test

圖3 耐水壓試驗裝置Fig.3 Equipment of water pressure-resistant test

2.2 試驗材料

試驗材料由三元乙丙橡膠制成，斷面尺寸與設(shè)計尺寸相同，矩形框尺寸與實驗裝置相匹配，參照規(guī)范要求，試樣制成矩形框形式，內(nèi)框尺寸中長邊不應(yīng)小于400 mm，短邊不應(yīng)小于200 mm，因此試樣的內(nèi)框尺寸定為400 mm×200 mm. 橡膠密封墊的斷面尺寸如圖4所示，試驗材料實物如圖5所示.

圖4 橡膠密封墊截面圖Fig.4 Sectional view of rubber gasket

圖5 橡膠密封墊Fig.5 Rubber gasket

3 試驗方案和步驟

3.1 試驗方案

耐水壓試驗主要是測量橡膠密封墊在不同接縫張開量和錯位量下的最大耐水壓值. 張開量通過等厚度的平墊圈控制，錯位量通過移動上蓋板控制，如圖6 所示，取不同的張開量和錯位量進(jìn)行組合. 參考既有的研究資料［19］以及橡膠密封墊的實際尺寸，張開量取5、6、7、8 mm四個變化值，錯位量取0、2、4、6、8 mm五個變化值，兩兩組合共計20個工況.

3.2 試驗步驟

在試驗裝置上下蓋板的溝槽中涂抹盾構(gòu)管片用膠粘劑，粘貼好橡膠密封墊后靜置24 h，使橡膠密封墊與溝槽完全貼合. 將上下鋼蓋板貼合后，通過調(diào)節(jié)平墊圈個數(shù)以及上鋼蓋板來控制張開量和錯位量，按既定工況安裝好試驗裝置后，通過水壓機(jī)往壓力倉內(nèi)注水，排盡空腔內(nèi)空氣. 以0.01 MPa的加壓增幅進(jìn)行逐級加壓，每級壓力保持10 min，若接縫處沒有滲水出現(xiàn)則加下一級壓力，直至接縫處有水滲出，以此壓力的前一級壓力作為管片接縫在該工況下的極限耐水壓值. 重復(fù)上述步驟直至測得20個工況的耐水壓值.

圖6 接縫張開量和錯位量示意圖Fig.6 Schematic of the opening and dislocation of segment joint

4 試驗結(jié)果和分析

試驗中發(fā)現(xiàn)幾乎所有滲水發(fā)生在橡膠密封墊與鋼蓋板溝槽的粘貼處，如圖7所示，原因在于雖然橡膠密封墊與鋼蓋板溝槽采用膠黏劑粘貼，但膠黏劑只是起將橡膠密封墊固定在管片溝槽中的作用，兩者之間的粘貼強(qiáng)度較低，很容易被水壓突破，并且當(dāng)有壓水滲入密封墊與鋼蓋板之間的空腔中時，會從內(nèi)部產(chǎn)生一個垂直于密封墊表面的力，使得兩橡膠密封墊貼合的更緊密，更不利于有壓水從兩橡膠密封墊之間的縫隙中滲出，水流突破示意圖如圖8所示. 因此相較于兩橡膠密封墊之間的縫隙，有壓水更容易從橡膠密封墊與鋼蓋板溝槽之間的縫隙中突破滲出.

圖7 水流突破位置Fig.7 Position of water breakthrough

就橡膠密封墊而言，水流突破的部位常見于密封墊的接角處，如圖7 所示，與其他部位相比，接角處屬于薄弱部位，其他部位采用的是擠出成型的生產(chǎn)工藝，接角處是將兩條擠出成型的橡膠密封墊通過接角模具模壓成型的，角部連接處橡膠硬度偏低，密封墊硬度在密封墊壓縮全過程中均起到重要作用，在管片接縫位移相同的情況下，硬度越大，密封墊防水能力越強(qiáng)［20］.

耐水壓試驗結(jié)果如表1 所示，將不同張開量和錯位量組合工況下測得的耐水壓值繪制成管片接縫橡膠密封墊耐水壓值變化曲線圖，以錯位量為橫坐標(biāo)，如圖9所示.

圖8 水流突破示意圖Fig.8 Schematic of water breakthrough

表1 管片接縫耐水壓試驗結(jié)果Tab.1 Water pressure-resistant test results of tunnel segment joints 單位：MPa

對圖9中的耐水壓值變化曲線進(jìn)行分析可知：

1）在管片接縫張開量為5 mm、錯位量為0 mm的工況下，耐水壓值為1.20 MPa，該工況下的耐水壓值可以看作在該TBM 輸水隧洞施工期，采用這種型式的橡膠密封墊作為管片接縫的防水材料時，管片接縫處能抵抗的最大外水壓值.

2）當(dāng)張開量不變時，隨著錯位量的增大，橡膠密封墊的耐水壓值減小，原因在于錯位量的增大，表現(xiàn)為橡膠密封墊之間接觸面積的變化，接觸面積的減小會引起滲流通道長度的減小，以及密封墊密封壓力的減小，使得接縫處橡膠密封墊的防水能力下降. 當(dāng)錯位量不變時，隨著張開量的增大，耐水壓值也會減小，因為張開量的增大相當(dāng)于減小了橡膠密封墊的豎向壓縮量，使得密封墊表面接觸應(yīng)力減小，接觸應(yīng)力減小使相應(yīng)的耐水壓能力也會減弱.

3）對比圖中的幾組曲線，張開量越小的耐水壓值下降的趨勢越快，但隨著錯位量的增大，耐水壓值的下降趨勢都有所減緩，張開量越大，這種減緩的趨勢越明顯. 以錯位量為4 mm為界限，當(dāng)錯位量小于4 mm時，隨著錯位量的增大，耐水壓值下降的趨勢都較快；當(dāng)錯位量大于4 mm時，隨著錯位量的增大，耐水壓值下降的趨勢減緩.

圖9 接縫處耐水壓值變化曲線Fig.9 Curves of water pressure-resistant values of segment joints

5 結(jié)論與建議

本文結(jié)合工程實際，只考慮施工期TBM輸水隧洞只受外水壓作用的工況，對隧洞實際使用的橡膠密封墊進(jìn)行了耐水壓試驗，得到的相關(guān)結(jié)論和建議如下：

1）由耐水壓試驗可知橡膠密封墊能抵抗的最大外水壓為1.20 MPa，管片接縫張開量和錯位量的增大會很大程度上削弱橡膠密封墊的防水能力，因此在隧道施工中要嚴(yán)格控制拼裝精度，并采取措施盡量減小管片局部的受力變形以及隧道整體的差異沉降，以減小管片接縫的變形程度，保證隧洞的防水性能.

2）相比于其他部位，橡膠密封墊的接角處屬于防水性能較弱的部位，在生產(chǎn)加工過程中應(yīng)加強(qiáng)對接角處的質(zhì)量控制. 可以通過調(diào)節(jié)橡膠密封墊的彈性模量、硬度等參數(shù)得到防水性能最優(yōu)的橡膠密封墊.

3）對于無二次襯砌的TBM輸水隧洞，在運行期，隧洞內(nèi)部會產(chǎn)生一定的內(nèi)水壓力，管片接縫處橡膠密封墊會受到內(nèi)外水壓力的同時作用，在受雙側(cè)水壓作用時橡膠密封墊的防水性能如何，下一步將對此問題進(jìn)行研究.