盾構(gòu)隧道管片接縫防水體系演化歷程與展望

肖明清, 謝宏明， 王士民， *， 鐘元元

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063； 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031； 3. 江陰海達(dá)橡塑股份有限公司， 江蘇 江陰 214424)

0 引言

上海市于1966年修建了打浦路越江隧道[1]，由此開始了我國盾構(gòu)隧道建設(shè)的歷史。期間修建的盾構(gòu)隧道從使用屬性上看，涉及到鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵隧道、城際專線隧道、高速鐵路隧道以及公鐵合用隧道等，隧道規(guī)模亦橫跨小型、中型、大型水下盾構(gòu)隧道。

近年來，隨著我國盾構(gòu)隧道建設(shè)的不斷推進(jìn)，隧道的直徑及外水壓力呈現(xiàn)越來越大的趨勢。目前國內(nèi)有一批超大直徑水下隧道在建或?qū)⒁_工建設(shè)，如深圳春風(fēng)路隧道(直徑15.2 m)、武漢和平大道南延黃鶴樓隧道(直徑15.4 m)、武漢兩湖隧道(東湖段直徑14.5 m，南湖段直徑15.4 m)、濟(jì)南黃河隧道(直徑15.2 m)、杭州秦望路隧道(直徑15.2 m)、武漢二七路長江隧道(直徑15.4 m)等。亦有一批超高水壓盾構(gòu)隧道，例如： 南京和燕路隧道最高水壓達(dá)0.79 MPa[2]、蘇通GIL電力管廊隧道最高水壓達(dá)0.80 MPa[3]、江陰靖江長江隧道最高水壓達(dá)0.82 MPa[4]、甬舟鐵路金塘海底隧道最高水壓達(dá)0.85 MPa、深茂鐵路珠江口隧道最高水壓達(dá)1.06 MPa，正在規(guī)劃論證的青島膠州灣第二海底隧道最高水壓達(dá)1.40 MPa，計(jì)劃建設(shè)的瓊州海峽大埋深隧道最高水壓達(dá)1.7 MPa等。

在水下盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)與建設(shè)中，防水是其中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[5]，需高度重視。新建設(shè)及規(guī)劃的水下盾構(gòu)隧道工程已呈現(xiàn)出大直徑、大埋深、高水壓、地質(zhì)條件復(fù)雜化等特點(diǎn)[6]，因而需要對(duì)盾構(gòu)隧道傳統(tǒng)防水體系進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，以滿足不斷增加的隧道防水需求。

盾構(gòu)隧道防水以接縫防水最為關(guān)鍵[7]，盾構(gòu)隧道管片接縫防水體系設(shè)計(jì)由外到內(nèi)依次為外側(cè)擋砂(水)條、防水密封墊、副防水密封墊(可選)、螺栓孔防水、內(nèi)側(cè)嵌縫引排防水及雙層襯砌的二次襯砌防水。其中，外側(cè)擋砂(水)條主要作用為減少盾尾油脂及外部泥砂進(jìn)入管片接縫；防水密封墊及可選副防水密封墊為目前盾構(gòu)隧道管片接縫防水的主要措施，發(fā)揮主要的防水功能；螺栓孔防水目前無法實(shí)現(xiàn)有效密封，因此，密封墊一般布置在螺栓孔的外側(cè)；內(nèi)側(cè)嵌縫受材料性能和工藝限制，其防水能力有限，通常僅起到引排的作用。

整個(gè)接縫防水體系設(shè)計(jì)中，外側(cè)擋砂(水)條和內(nèi)側(cè)嵌縫變化極少，因此，為應(yīng)對(duì)不斷變化的防水需求，接縫防水體系的演化主要發(fā)生在接縫防水密封墊上。接縫防水體系經(jīng)過不斷演化，產(chǎn)生了多種布置方式，而當(dāng)前業(yè)內(nèi)對(duì)接縫防水體系的描述不夠統(tǒng)一，因此，有必要對(duì)接縫防水體系的演化過程進(jìn)行梳理，并對(duì)各種布置方式進(jìn)行系統(tǒng)性歸類及描述。在此基礎(chǔ)上，為便于統(tǒng)一指代，提出了代系劃分法，并詳細(xì)闡述了各代系的構(gòu)造特征及主要適用范圍。

1 三元乙丙橡膠密封墊基本工作原理

對(duì)于盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊的材料，目前多采用遇水膨脹橡膠(或遇水膨脹彈性體)及三元乙丙橡膠(EPDM)。遇水膨脹彈性體在日本應(yīng)用較為廣泛，受日本影響，國內(nèi)于20世紀(jì)80年代在上海地鐵、廣州地鐵部分線路也采用過遇水膨脹彈性體作為密封墊[8-9]。目前主流有2種類型的遇水膨脹彈性體[10-11]，但由于該膨脹材料的析出率對(duì)于當(dāng)前主流的橡膠老化理論適應(yīng)性不夠[12]，導(dǎo)致常規(guī)的老化試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其耐久性的準(zhǔn)確預(yù)測，從而引發(fā)了對(duì)遇水膨脹彈性體老化性能的擔(dān)憂。目前，國內(nèi)盾構(gòu)隧道接縫防水主流采用多孔三元乙丙橡膠(EPDM)材質(zhì)的密封墊，歐美國家也多采用該類型的防水密封墊；而對(duì)于三元乙丙復(fù)合遇水膨脹型密封墊，國內(nèi)亦有相關(guān)研究[13-15]。

三元乙丙橡膠密封墊作為多孔結(jié)構(gòu)，其防水的原理是利用密封墊壓縮過程中，橡膠體產(chǎn)生的較大變形填充了接觸面微觀上的凸凹不平，并在彈性復(fù)原力作用下產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，阻止液體在接觸間隙中流動(dòng)，達(dá)到密封防水的目的[16-17]。

密封墊防水機(jī)制如圖1所示。當(dāng)管片拼裝時(shí)，密封墊壓縮受力，在2條滲水路徑密封墊與密封墊之間、密封墊與溝槽之間分別產(chǎn)生初始接觸應(yīng)力p10、p20，當(dāng)受到水壓力pw作用時(shí)，密封墊與密封墊之間、密封墊與溝槽之間分別產(chǎn)生附加接觸應(yīng)力(自封作用)p11、p21； 此時(shí)，密封墊間的接觸應(yīng)力為p10+p11，密封墊與溝槽間的接觸應(yīng)力為p20+p21，當(dāng)水壓力大于任何一條滲水路徑的接觸應(yīng)力，即pw>min{p10+p11,p20+p21}時(shí)，將發(fā)生滲漏。

pw為水壓力； p10、 p20為初始接觸應(yīng)力； p11、 p21為附加接觸應(yīng)力。

盾構(gòu)管片密封墊失效方式主要體現(xiàn)在2方面： 1)在施工期由于注漿壓力過大致使隧道管片上浮，管片接縫產(chǎn)生大的張開量及錯(cuò)臺(tái)量導(dǎo)致密封墊失效； 2)盾構(gòu)隧道在長期不良地質(zhì)影響下，管片之間發(fā)生明顯變形，接縫產(chǎn)生大的張開量及錯(cuò)臺(tái)量導(dǎo)致密封墊失效，接縫之間的內(nèi)外張角亦可造成密封墊防水失效[18]。因此，如何保證一定張開量及錯(cuò)臺(tái)量下的密封墊防水性能是管片接縫防水的關(guān)鍵。

基于此特點(diǎn)，可通過調(diào)整密封墊孔型、高度、寬度、硬度、截面面積等參數(shù)，滿足不同張開量、錯(cuò)臺(tái)量及設(shè)防水壓的防水要求[19-21]。

2 管片接縫防水體系演變歷程

早期盾構(gòu)隧道管片接縫采用單道密封墊防水，材質(zhì)多為三元乙丙橡膠和氯丁橡膠，少部分采用三元乙丙復(fù)合遇水膨脹彈性體。隨著盾構(gòu)直徑及埋深的加大，防水要求越來越高，傳統(tǒng)的單道密封墊的防水效果與可靠性已不能滿足要求。對(duì)于水壓力0.6 MPa左右的水下盾構(gòu)隧道，出現(xiàn)了三元乙丙橡膠密封墊+遇水膨脹彈性體的防水布置方式；對(duì)于水壓力0.8 MPa左右的水下盾構(gòu)隧道，接縫防水的布置方式演變?yōu)?道三元乙丙橡膠密封墊或2道三元乙丙橡膠密封墊+遇水膨脹彈性體。然而，對(duì)遇水膨脹彈性體密封條而言，是否將其與三元乙丙橡膠同等視為一道防水目前尚無定論，業(yè)內(nèi)對(duì)接縫防水體系的描述不夠統(tǒng)一。因此，有必要對(duì)接縫防水體系的演化過程進(jìn)行梳理，并對(duì)各種布置方式進(jìn)行系統(tǒng)性歸類及描述，以便在防水設(shè)計(jì)中依據(jù)不同的防水需求更精準(zhǔn)地選擇合適的防水體系。

2.1 第1代管片接縫防水體系

2.1.1 體系構(gòu)造特征

第1代管片接縫防水體系為單道密封防水，布置于螺栓孔外側(cè)，如圖2所示。早期國內(nèi)第1條盾構(gòu)過江隧道——上海打浦路隧道的單道密封材料為環(huán)氧樹脂砂漿，全斷面澆抹黏結(jié)防水為主，后采用單排孔和槽腳組合的氯丁橡膠，最后發(fā)展為以三元乙丙橡膠為主要材料的多孔形密封墊。

圖2 第1代管片接縫防水體系

在第1代接縫防水體系中，防水密封墊作為防水主體，同時(shí)沿密封墊溝槽外側(cè)設(shè)置遇水膨脹擋砂(水)條，主要用于阻擋泥砂涌入，確保密封墊的正常工作狀態(tài)，擋砂(水)條材質(zhì)通常選用遇水膨脹彈性體或聚氨酯彈性體。防水密封墊多為三元乙丙橡膠材料，其材質(zhì)具有壓縮永久變形量小、應(yīng)力松弛變化率低、耐老化性能佳的特點(diǎn)。從對(duì)接縫密封墊防水性能進(jìn)行修復(fù)的角度考慮，后期也有在三元乙丙橡膠頂部復(fù)合1層遇水膨脹彈性體，當(dāng)密封墊間出現(xiàn)滲水時(shí)，遇水膨脹彈性體通過遇水膨脹在密封墊間接觸面上產(chǎn)生垂直方向的壓力，改善密封墊接觸面的受力狀態(tài)，從而起到對(duì)密封墊防水性能的修復(fù)作用。

2.1.2 主要工程應(yīng)用

早期建設(shè)的盾構(gòu)隧道通常采用第1代接縫防水體系，在地鐵隧道(如上海地鐵[22]、南京地鐵[23]、西安地鐵[24]、成都地鐵[25])及小直徑盾構(gòu)隧道[26]應(yīng)用較為成熟，上海早期修建的打浦路隧道、延安東路隧道等多條10 m級(jí)穿越黃浦江的水下隧道也采用該防水體系。第1代接縫防水體系的典型密封墊截面形式及其應(yīng)用項(xiàng)目如表1所示。

表1 第1代接縫防水體系工程應(yīng)用

由于普通地鐵隧道的管片直徑約6 m左右，因施工誤差或長期沉降造成管片接縫的張開量與錯(cuò)臺(tái)量不大，設(shè)防張開量約為6 mm，錯(cuò)臺(tái)量為8～10 mm；同時(shí)，大多數(shù)地鐵隧道埋深較淺，隧道所承受的實(shí)際水壓不大，在0.3～0.4 MPa。因此，從表1可以看出，地鐵隧道所用密封墊底部寬度約33 mm左右，高度約16 mm左右，該尺寸的密封墊能夠滿足大多數(shù)地鐵隧道的防水要求，且具有較小的拼裝反力，對(duì)早期盾構(gòu)的拼裝力要求較低，有利于盾構(gòu)施工。

2.1.3 存在的問題與主要適用范圍

從盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)抗彎上來說，由于密封墊溝槽的尺寸關(guān)系到管片外側(cè)抗彎區(qū)的削弱程度[28]，而小型的地鐵隧道管片厚度較薄，在300～350 mm，因此較小的密封墊對(duì)應(yīng)較小的溝槽尺寸，能降低對(duì)管片外側(cè)抗彎區(qū)的削弱，提高管片結(jié)構(gòu)受力安全性。

由此可見，第1代接縫防水體系主要適用于直徑6 m左右，設(shè)防張開量、錯(cuò)臺(tái)量不大，實(shí)際水頭不高的小型盾構(gòu)隧道；亦適用于直徑較大，但地質(zhì)條件較好、水壓相對(duì)較低的隧道，如延安東路隧道[29]等。

2.2 第2代管片接縫防水體系

2.2.1 體系構(gòu)造特征

隨著盾構(gòu)隧道的水壓和直徑進(jìn)一步增大，傳統(tǒng)的接縫防水體系已無法滿足日益增加的工程防水需求。因此，在傳統(tǒng)接縫防水體系的基礎(chǔ)上演化出單道三元乙丙橡膠+遇水膨脹彈性體形成“一主一輔”的第2代接縫防水體系，如圖3所示。

(a) 同側(cè)連續(xù)布置 (b) 兩側(cè)分開布置

第2代接縫防水體系的特點(diǎn)是外側(cè)主防水為三元乙丙橡膠，內(nèi)側(cè)輔助防水為遇水膨脹彈性體，考慮當(dāng)外側(cè)主防水三元乙丙橡膠密封墊局部失效后，內(nèi)側(cè)輔助防水遇水膨脹彈性體吸收滲漏水后發(fā)生膨脹，通過膨脹產(chǎn)生的接觸應(yīng)力達(dá)到二次止水的目的。此外，對(duì)于同側(cè)連續(xù)布置的第2代接縫防水體系(見圖3(a))，內(nèi)側(cè)遇水膨脹彈性體可通過膨脹對(duì)滲漏點(diǎn)進(jìn)行封堵，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)外側(cè)密封墊的“即時(shí)補(bǔ)強(qiáng)”。同時(shí)，遇水膨脹彈性體由于其所需壓縮量較小，產(chǎn)生的壓縮反力不大，對(duì)于管片接縫整體拼裝力的影響較小。因此，第2代接縫防水體系相較于傳統(tǒng)接縫防水體系的優(yōu)勢在于，能夠在不影響管片拼裝力的前提下提高接縫防水性能與可靠性。

2.2.2 主要工程應(yīng)用

第2代接縫防水體系的典型密封墊截面形式及其應(yīng)用項(xiàng)目如表2所示。

表2 第2代接縫防水體系應(yīng)用

從表2可以看出，對(duì)于承受實(shí)際水壓為0.5～0.6 MPa的隧道，設(shè)防張開量為8 mm、錯(cuò)臺(tái)量為15 mm，是近期大直徑盾構(gòu)隧道的常規(guī)經(jīng)驗(yàn)設(shè)防量。同等條件下，更大直徑的盾構(gòu)隧道因施工誤差或縱向變形造成管片接縫的張開量與錯(cuò)臺(tái)量較小直徑盾構(gòu)隧道的大。此時(shí)，密封墊的尺寸也隨之增大，底部寬度在40 mm左右，密封墊高度在22 mm左右，以適應(yīng)管片接縫更大張開量及錯(cuò)臺(tái)量、更高水壓的防水要求。

2.2.3 存在的問題與主要適用范圍

從盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)抗彎上來說，三元乙丙橡膠密封墊的溝槽尺寸進(jìn)一步增大，且三元乙丙橡膠密封墊旁增設(shè)遇水膨脹彈性體時(shí)，將更進(jìn)一步削弱管片外側(cè)抗彎區(qū)強(qiáng)度。管片抗彎在何種密封墊布置方式下能夠滿足隧道結(jié)構(gòu)安全要求需視情況而定，當(dāng)接縫承載安全性能夠得到保證時(shí)，可采用圖3(a)形式，如武漢三陽路隧道[31]、佛莞獅子洋隧道[32]等；當(dāng)需要均衡接縫正負(fù)抗彎剛度時(shí)，可采用圖3(b)形式，將三元乙丙橡膠密封墊及遇水膨脹彈性體分別布置在螺栓孔兩側(cè)，如南京地鐵10號(hào)線越江段盾構(gòu)隧道[33]等。

由此可見，第2代接縫防水體系主要適用于直徑10 m左右，設(shè)防張開量、錯(cuò)臺(tái)量不超過工程常設(shè)的張開8 mm、錯(cuò)臺(tái)15 mm，實(shí)際水頭壓力0.5～0.6 MPa的隧道。

2.3 第3代管片接縫防水體系

2.3.1 體系構(gòu)造特征

當(dāng)盾構(gòu)隧道的水壓和直徑更進(jìn)一步增大，因施工誤差或縱向變形造成管片接縫的張開量與錯(cuò)臺(tái)量將更大，尤其是地處不良地質(zhì)條件及高烈度地震斷裂帶的盾構(gòu)隧道，其管片接縫張開量、錯(cuò)臺(tái)量對(duì)防水布置方式及密封墊的構(gòu)造形式提出了更高的要求。第2代接縫防水體系中遇水膨脹彈性體因其膨脹止水需要一定的邊界條件限制，在管片接縫張開量進(jìn)一步增大的情況下，遇水膨脹彈性體的膨脹空間變大，其膨脹止水的效果顯著降低，無法滿足更高的防水要求。因此，在第2代接縫防水體系的基礎(chǔ)上，演化出內(nèi)外2道均為三元乙丙橡膠密封墊主防水的第3代接縫防水體系(見圖4)。德國易北河第4(公路)隧道率先采用雙道密封墊防水[34]，國內(nèi)最先采用雙道密封墊防水的為武漢長江隧道[35]，密封墊形式如圖4(a)所示。

(a) 兩側(cè)純?nèi)冶鹉z (b) 緊挨外側(cè)增加遇水膨脹彈性體

第3代接縫防水體系的特點(diǎn)是外側(cè)主防水為三元乙丙橡膠，內(nèi)側(cè)防水也為三元乙丙橡膠，同時(shí)內(nèi)側(cè)防水密封墊截面形式可依據(jù)實(shí)際防水需求進(jìn)行調(diào)整，與外道形成多種組合防水形式，靈活多變。該方式在外道密封墊失效后，內(nèi)道密封墊相較于第2代內(nèi)道遇水膨脹彈性體能夠兼容更大的張開量及錯(cuò)臺(tái)量，大大提高了雙道密封墊的防水儲(chǔ)備空間； 另外，因施工質(zhì)量等原因造成其中一道密封墊局部失效，此時(shí)另一道密封墊即可發(fā)揮主防水的作用，降低施工誤差導(dǎo)致的系統(tǒng)性防水風(fēng)險(xiǎn)。

目前螺栓孔防水一般采用遇水膨脹彈性體材料，在施工過程中，遇水膨脹彈性體由于強(qiáng)度不夠，在螺栓擰緊時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力作用下易遭受破壞，導(dǎo)致防水能力大大降低；同時(shí)，螺栓孔的遇水膨脹彈性體防水能力不及主防水密封墊，在螺栓孔兩側(cè)布置的多道防水密封墊的外道防水密封墊失效后，滲漏水易從螺栓孔處直接滲流進(jìn)隧道內(nèi)，導(dǎo)致內(nèi)道防水密封墊未能發(fā)揮應(yīng)有的防水能力[36-37]。因此，螺栓孔防水性能極大地限制了螺栓孔內(nèi)外側(cè)雙道密封墊防水體系的防水能力，使其不可避免地成為了內(nèi)外雙道三元乙丙橡膠密封墊防水體系的短板和瓶頸，無法充分發(fā)揮雙道防水的優(yōu)越性。

有鑒于此，鐵四院對(duì)第3代接縫防水體系進(jìn)行了改良，率先提出一種螺栓孔外側(cè)間隔布置雙道密封墊的防水方式，如圖5所示。該方式的核心理念是既避免螺絲孔成為接縫防水短板，又有效利用雙道防水密封墊之間的水壓提高外道密封墊的防水能力。相關(guān)試驗(yàn)表明，螺栓孔外側(cè)間隔設(shè)置雙道密封墊的防水體系的綜合防水性能較同規(guī)格單道密封墊防水性能提升約30%。該新型防水方式已經(jīng)首次被應(yīng)用于江陰靖江長江隧道與甬舟鐵路金塘海底隧道[38]。

圖5 外部雙道密封墊

2.3.2 主要工程應(yīng)用

第3代接縫防水體系的典型密封墊截面形式及其應(yīng)用項(xiàng)目如表3所示。

表3 第3代接縫防水體系應(yīng)用

從表3可以看出，對(duì)于承受實(shí)際水壓近0.8 MPa左右的隧道，密封墊的尺寸也隨之增大，底部寬度在40～44 mm，密封墊高度在24～28 mm，以適應(yīng)管片接縫更大張開量及錯(cuò)臺(tái)量、更高水壓的防水要求。其中，蘇埃通道工程地處8度地震烈度區(qū)，且隧道穿越3段硬巖凸起及軟硬不均等不良地質(zhì)條件，為應(yīng)對(duì)其在地震中可能出現(xiàn)的極大張開量，首次采用3排孔且高度達(dá)32 mm的密封墊，以保證在管片接縫發(fā)生大張開量時(shí)，密封墊仍有足夠的壓縮量來保證有一定的防水能力[40]。

2.3.3 存在的問題與主要適用范圍

從盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)抗彎及拼裝受力來說，第3代接縫防水體系中，螺栓孔兩側(cè)分別布置三元乙丙橡膠密封墊方式的拼裝受力更均勻合理，且對(duì)管片外側(cè)抗彎區(qū)的削弱有限；螺栓孔外側(cè)間隔布置雙道密封墊防水方式由于密封墊壓縮反力均作用在管片外側(cè)，對(duì)管片拼裝受力有一定影響，但隨著盾構(gòu)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該問題將得到有效緩解，而外側(cè)間隔布置雙道密封墊的溝槽對(duì)管片外側(cè)抗彎區(qū)的削弱經(jīng)過相關(guān)計(jì)算及試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)管片厚度達(dá)到一定值時(shí)，能夠滿足接縫承載安全性要求。因此，大直徑盾構(gòu)隧道的管片厚度較大，給第3代接縫防水體系的靈活性提供了足夠的空間。

由此可見，第3代接縫防水體系主要適用于超大斷面、超高水壓及地質(zhì)條件較差的隧道。

3 接縫防水體系面臨的問題

縱觀國內(nèi)外水下盾構(gòu)隧道的發(fā)展趨勢與接縫防水體系的演變歷程，前2代接縫防水體系已經(jīng)成熟，可以預(yù)見，隨著盾構(gòu)直徑越來越大，水壓越來越高，盾構(gòu)隧道更多采用第3代接縫防水體系已然成為一種趨勢。

3.1 防水體系韌性研究

當(dāng)雙道密封墊均布置在管片螺栓孔外側(cè)時(shí)，能避免螺栓孔成為滲水通道，但其對(duì)于管片外側(cè)受壓區(qū)的削弱較大，對(duì)于管片拼裝及接頭受力均會(huì)產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，當(dāng)管片橫截面積不足，如小直徑、薄管片需采用雙道密封墊時(shí)，必須采用螺栓孔內(nèi)外兩側(cè)布置，此時(shí)螺栓孔防水的重要性凸顯。因此，有必要開展螺栓孔防水研究，增強(qiáng)螺栓孔防水能力，進(jìn)一步提高密封墊布置方式的靈活性及韌性。

密封墊位于拼裝緊密的管片之間，目前尚無更換方法，當(dāng)密封墊失效后，是否有相關(guān)的取代、補(bǔ)救備案等附加措施有待進(jìn)一步研究。復(fù)合材料密封墊的出現(xiàn)即體現(xiàn)了對(duì)密封墊防水性能修復(fù)的考慮，當(dāng)密封墊間出現(xiàn)滲水時(shí)，遇水膨脹彈性體通過遇水膨脹在密封墊間接觸面上產(chǎn)生垂直方向的壓力，改善密封墊接觸面的受力狀態(tài)，從而起到對(duì)密封墊防水性能的修復(fù)作用。但當(dāng)前復(fù)合密封墊多在頂部進(jìn)行硫化共擠復(fù)合，僅能解決密封墊間滲漏水的修復(fù)，因此可考慮將密封墊上下界面均復(fù)合遇水膨脹彈性體，充分保證2條滲水路徑均能遇水膨脹修復(fù)，切實(shí)提高防水體系的防水韌性。

3.2 極端工況下防水體系研究

越來越多的盾構(gòu)隧道面臨穿越活動(dòng)斷層帶的問題[41-43]，活動(dòng)斷層會(huì)導(dǎo)致管片發(fā)生大錯(cuò)臺(tái)。第1代及第2代接縫防水體系已很難適應(yīng)大錯(cuò)臺(tái)工況，而第3代接縫防水體系需要針對(duì)大錯(cuò)臺(tái)進(jìn)行雙道密封墊的選型及優(yōu)化。同時(shí)，應(yīng)考慮第3代接縫防水體系密封墊布置方式對(duì)管片拼裝與受力的影響，探索更合理的接縫防水及結(jié)構(gòu)受力協(xié)同作用方式。

對(duì)于地處高烈度區(qū)的盾構(gòu)隧道，隧道管片接縫在地震作用下發(fā)生瞬時(shí)大張開及大錯(cuò)臺(tái)，外部泥砂可能涌入管片接縫。接縫防水體系既需要應(yīng)對(duì)瞬時(shí)大張開及大錯(cuò)臺(tái)，又需要在震后保持良好的防水能力； 因此，有必要開展地震作用下防水體系極限工況適應(yīng)性及可恢復(fù)性研究，開發(fā)適用于高烈度區(qū)和抗震不利條件下盾構(gòu)隧道的抗震型防水體系。

3.3 密封墊受力狀態(tài)下耐久性研究

目前，三元乙丙橡膠密封墊的耐久性研究多集中在普通地下環(huán)境，且在受力狀態(tài)下的老化研究未見報(bào)道。密封墊作為多孔橡膠結(jié)構(gòu)，在壓縮受力狀態(tài)下，應(yīng)力集中現(xiàn)象不可避免，而應(yīng)力集中又會(huì)加速密封墊材料老化； 同時(shí)不同張開量、錯(cuò)臺(tái)量情況下受力狀態(tài)不同，則其老化狀態(tài)亦有不同；因此，受力狀態(tài)下的密封墊老化研究十分必要。此外，隨著水下隧道的不斷修建，一些隧道對(duì)設(shè)計(jì)使用年限也提出了更高的要求，由以往的100年提高至120～150年，有必要研發(fā)適用于更長使用壽命的新型防水材料。

對(duì)上述3代接縫防水體系進(jìn)行總結(jié)，并提出未來可能面對(duì)的問題以供探討，如表4所示。

表4 接縫防水體系總結(jié)及面臨的問題

4 結(jié)語

隨著我國越江跨海盾構(gòu)隧道的日益興建，水下盾構(gòu)隧道直徑及埋深不斷增大，防水要求也越來越高，對(duì)接縫防水體系提出了更高的要求，前2代接縫防水體系雖已成熟，但已無法應(yīng)對(duì)更高的防水需求。第3代接縫防水體系以其靈活的布置方式正在快速發(fā)展與投入應(yīng)用，仍需開展大量的研究工作。當(dāng)?shù)?代接縫防水體系趨于成熟后，結(jié)合更加成熟的螺栓孔防水及更大直徑、更厚管片提供的充足布置空間，將能滿足更高的防水要求。同時(shí)，隨著整個(gè)防水體系中新材料、新構(gòu)造、新工藝等方面的突破，或?qū)a(chǎn)生第4代新型接縫防水體系。在新型接縫防水體系研發(fā)方面，建議針對(duì)水下盾構(gòu)隧道的特點(diǎn)進(jìn)行深入研究，結(jié)合具體工程實(shí)現(xiàn)研究成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化，經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證后可考慮將其納入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進(jìn)一步推動(dòng)我國大型水下盾構(gòu)隧道建設(shè)的快速發(fā)展。