盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊防水性能及受施工荷載影響研究

關(guān)則廉、吳政、高利平

（1.廣州地鐵建設(shè)管理有限公司，廣東 廣州 510000；2.中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100043）

1 基礎(chǔ)理論及案例分析

1.1 盾構(gòu)隧道管片接縫防水研究

盾構(gòu)隧道管片接縫防水能力的提升和管片連接位置的密封墊性能密切相關(guān)，從當(dāng)前的基礎(chǔ)設(shè)施工程施工研究情況來看，國內(nèi)外關(guān)于密封墊防水性能的研究已經(jīng)較為成熟，大多數(shù)的研究都是圍繞著密封墊材質(zhì)、密封墊加工的實(shí)際方法、密封墊設(shè)計(jì)方案以及失效機(jī)制等內(nèi)容展開的[1]。

為了進(jìn)一步提升密封墊防水性能分析的客觀性和全面性，還需要在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)仿真試驗(yàn)。當(dāng)前一部分隧道應(yīng)用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，管片連接位置密封墊的滲漏水問題依舊存在，也就證明原有的密封墊防水性能評(píng)估以及設(shè)計(jì)方案還有提升的空間。傳統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)通常是建立在榫槽構(gòu)件的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)的，需要考慮尺寸以及細(xì)部結(jié)構(gòu)，但是往往會(huì)存在一定的限制，無法全面體現(xiàn)盾構(gòu)施工的整體過程，難以打造最為真實(shí)的工作場景和運(yùn)行狀態(tài)，也就導(dǎo)致密封墊防水性能的設(shè)計(jì)和實(shí)際需求之間存在一定偏差，在具體應(yīng)用的過程中，這些偏差會(huì)逐步積累，進(jìn)而影響具體的使用效果。

除此之外，在施工的過程中產(chǎn)生的施工荷載也未能得到足夠重視。施工荷載對(duì)于密封墊防水性能產(chǎn)生的影響較大，針對(duì)不同的工程，在選擇盾構(gòu)法施工的過程中，施工荷載對(duì)于密封墊防水性能產(chǎn)生的影響具有一定的差異性，而不同的影響程度也會(huì)導(dǎo)致密封墊防水性能的下降出現(xiàn)差異，因此，首先需要結(jié)合具體的施工現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn)和檢測(cè)，從而給出最為合理的安全系數(shù)范圍。為了進(jìn)一步提升檢測(cè)的精準(zhǔn)度以及模擬預(yù)期的效率，本文提出了一種以數(shù)字模型為依托打造的足尺試驗(yàn)設(shè)備，可以圍繞施工過程中出現(xiàn)的不同錯(cuò)臺(tái)量檢測(cè)防水性能。其次，需要在二維數(shù)字模型分析的基礎(chǔ)上，研究管片密封墊的具體密封程度，分析密封墊在不同壓縮狀態(tài)下的具體防水性能。最后，需要結(jié)合軌道交通后續(xù)的使用周期進(jìn)行密封墊防水性能退化的分析。

1.2 工程概況

為了進(jìn)一步提升論述的科學(xué)性和有效性，案例工程為十八號(hào)線自萬頃沙至廣州東站，經(jīng)南沙區(qū)、番禺區(qū)、海珠區(qū)及天河區(qū)，全長為62.7km，設(shè)站9 座，換乘站8 座，平均站間距為7.6km。該工程為典型的地下隧道工程，在施工的過程中需要通過盾構(gòu)法進(jìn)行施工。

該標(biāo)段施工內(nèi)容分別為HP2 中間風(fēng)井（預(yù)留車站，長為495m）、兩座盾構(gòu)井（HP2 盾構(gòu)井、HP3 盾構(gòu)井）、三個(gè)盾構(gòu)區(qū)間（HP1 中間風(fēng)井—HP2 盾構(gòu)井、HP2中間風(fēng)井—HP2盾構(gòu)井、HP2 中間風(fēng)井—HP3 盾構(gòu)井），主要涉及明挖、盾構(gòu)、暗挖三種施工工法。

HP2 中間風(fēng)井—HP3 盾構(gòu)井區(qū)間設(shè)置4 座聯(lián)絡(luò)通道，隧道聯(lián)絡(luò)通道采用兩環(huán)鋼管片通縫拼裝；HP2 中間風(fēng)井—HP2 盾構(gòu)井區(qū)間設(shè)置3 座聯(lián)絡(luò)通道，隧道聯(lián)絡(luò)通道采用四環(huán)特殊環(huán)管片通縫拼裝。

該工程區(qū)間隧道采用單層襯砌，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：管片內(nèi)徑為7700mm，管片外徑為8500mm，采用錯(cuò)縫拼裝；管片厚度為400mm；環(huán)寬為1600mm；分塊數(shù)為7 塊，1 塊封頂塊（F），2 塊鄰接塊（L1、L2)，4 塊標(biāo)準(zhǔn)塊（B1、B2、B3、B4）。

2 盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊防水性能檢測(cè)試驗(yàn)

該工程中的盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊主要選擇單道彈性密封墊。根據(jù)規(guī)章制度要求設(shè)計(jì)和計(jì)算出具體的設(shè)備參數(shù)。該工程確定設(shè)計(jì)水壓為0.6MPa，以維持最佳的防水墊密封性能，調(diào)整張開量為6mm、錯(cuò)臺(tái)量為10mm 時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)。在以上已知條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行防水性能足尺試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

在試驗(yàn)開始前需要準(zhǔn)備一系列的設(shè)備，包含支撐定位設(shè)備、水壓加載設(shè)備、閉合力加載設(shè)備。其中的支撐定位設(shè)備主要是由弧面板和型鋼焊接形成的，為試驗(yàn)提供支撐和輔助滑動(dòng)功能。每一個(gè)支架配備6 個(gè)滑輪，便于進(jìn)行位置調(diào)整。弧面板的兩側(cè)設(shè)置千斤頂，主要為管片的調(diào)控提供更高的自由度。閉合力加載設(shè)備主要包含千斤頂和軸向力臂，能夠提供極為靈活的控制方案。水壓加載設(shè)備主要以密封蓋、加壓水箱以及緊固螺栓為主，在密封蓋上設(shè)置開孔，分別作為出氣管、水壓表以及進(jìn)入管的連接入口。在試驗(yàn)的過程中利用游標(biāo)卡尺和油缸壓力表，分別記載管片的錯(cuò)臺(tái)量、張開量、水壓值、閉合力等相關(guān)參數(shù)。

2.2 試驗(yàn)材料

在試驗(yàn)的過程中需要選擇兩塊標(biāo)準(zhǔn)的管片，按照實(shí)際的隧道施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拼裝，并且固定在支撐架上，形成環(huán)縫，便于開展后續(xù)的水壓加采試驗(yàn)以及閉合力試驗(yàn)。選擇的管片尺寸和具體的材質(zhì)與后續(xù)工程實(shí)際施工期間選擇的材料相同，管片的內(nèi)徑為7700mm，管片外徑為8500mm，采用錯(cuò)縫拼裝的方式進(jìn)行施工，厚度控制在400mm，環(huán)寬為1600mm。為了進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)保證其能夠和其他系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，在臨近環(huán)縫以及縱縫的位置要設(shè)置預(yù)留孔，便于進(jìn)行后續(xù)連接。在試驗(yàn)過程中使用的密封墊是工程前期設(shè)計(jì)的，上部的中間區(qū)域需要增加膨脹橡膠，以提升密封程度，其余的位置主要以三元乙丙橡膠為主，密封墊的高度、總截面積、開孔面積以及開孔率均和實(shí)際施工所使用的密封墊相同。

2.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)開始之后需要進(jìn)行支架定位調(diào)整，確保前期初始位置符合具體的施工需求，管片需要利用吊車進(jìn)行吊裝，將其安裝在弧面板上，利用膠水粘貼密封墊，滿足實(shí)際施工需求之后，才可以進(jìn)行后續(xù)的安裝施工。在施工過程中要適當(dāng)調(diào)整管片位置和支架，依次安裝軸向力臂以及軸向千斤頂，在組裝結(jié)束之后設(shè)定試驗(yàn)要求的錯(cuò)臺(tái)量。為了進(jìn)一步提升密封材料的密封程度，在密封材料填充滿足24h 之后，才可以按照實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)[2]。一系列準(zhǔn)備工作完成之后，首先需要將管片和弧面板壓緊，然后通過前期的預(yù)留孔，利用螺栓分別進(jìn)行加壓水箱以及電子水壓計(jì)的連接，滿足實(shí)際加載條件之后進(jìn)行防水性能的檢測(cè)。

2.4 試驗(yàn)工況的設(shè)計(jì)

密封墊的設(shè)計(jì)極限狀態(tài)為錯(cuò)臺(tái)量10mm、張開量6mm。在這一參數(shù)下，選擇三大組錯(cuò)臺(tái)量工況，每一種錯(cuò)臺(tái)量工況對(duì)應(yīng)多個(gè)不同的張開量，最后進(jìn)行性能檢測(cè)。其具體的參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)工況參數(shù)

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

管片接縫密封墊的防水性能將直接影響隧道運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。通過上文一系列方案進(jìn)行足尺試驗(yàn)，從具體的檢測(cè)結(jié)果上看，防水性能的變化和張開量之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，其中的變化節(jié)點(diǎn)為3mm。在初始?jí)嚎s變形到逐漸到達(dá)3mm 時(shí)防水性能的增長率并沒有較大變化，但是在張開量小于3mm的狀態(tài)下，密封墊的防水性能提升幅度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速增加，上述變化規(guī)律和原有的學(xué)者研究成果相似。另外，在張開量恒定不變的條件下，錯(cuò)臺(tái)量的增加會(huì)降低密封墊的防水性能。例如張開量在8mm 以上時(shí)，選擇三種不同的錯(cuò)臺(tái)量進(jìn)行性能檢測(cè)，三種條件下的性能差異率較??；張開量在8mm 以下時(shí)，選擇三種不同的錯(cuò)臺(tái)量進(jìn)行性能檢測(cè)，則錯(cuò)臺(tái)量為10mm時(shí)，密封墊的防水性能明顯小于其他兩種；張開量在2mm 以下、錯(cuò)臺(tái)量為5mm 時(shí)，和無錯(cuò)臺(tái)工況相比，密封墊的防水性能差值變大。

由此可見，錯(cuò)臺(tái)量對(duì)于密封墊防水性能會(huì)產(chǎn)生較大影響，對(duì)于其極限防水性能影響最大。主要原因在于，如果出現(xiàn)了較大的錯(cuò)臺(tái)量，一方面會(huì)導(dǎo)致密封墊壓縮程度逐步下降，進(jìn)而影響各個(gè)接觸面的初始?jí)毫?；另一方面在?cè)向水壓的影響下，密封墊和密封槽之間會(huì)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，隨著水壓增大，附加應(yīng)力也會(huì)逐步增加，進(jìn)而影響密封墊的防水性能。但是由于在不同工程中所采取的管片接縫構(gòu)造以及密封墊的形式存在一定的差異性，錯(cuò)臺(tái)量影響密封墊防水性能的復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于張開量，因此需要結(jié)合不同工程的實(shí)際施工環(huán)境以及施工細(xì)節(jié)進(jìn)行深度試驗(yàn)。

而從設(shè)計(jì)水壓的層面上看，密封墊無錯(cuò)臺(tái)以及錯(cuò)臺(tái)量控制在5mm，其所對(duì)應(yīng)的張開量為6mm 時(shí)，密封墊的防水性能可以滿足0.6MPa 的規(guī)范性要求；密封墊錯(cuò)臺(tái)量在10mm、張開量為6mm 時(shí)，密封墊的防水能力下降到0.5MPa。由此可知，若要滿足錯(cuò)臺(tái)量為10mm的固定參數(shù)，則需要將張開量控制在5mm 以下，才可以滿足設(shè)計(jì)水壓要求。

3 施工荷載對(duì)接縫密封墊性能產(chǎn)生的影響

由于隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在盾構(gòu)施工的過程中，管片接縫密封墊防水性能會(huì)受到各種復(fù)雜因素的影響。比如千斤頂推力、注漿產(chǎn)生的壓力、盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行過程中盾尾刷對(duì)管片造成的反作用力等等，這些因素會(huì)影響管片接縫密封墊的實(shí)際效果，而在盾構(gòu)施工結(jié)束之后，管片脫離了機(jī)械設(shè)備的內(nèi)部支撐，還會(huì)受到來自周邊其他土壤結(jié)構(gòu)以及地下水的壓力[3]。此外，還需要考慮施工荷載對(duì)于密封墊防水性能產(chǎn)生的實(shí)際影響。本文主要采取建立數(shù)字模型的方式對(duì)此進(jìn)行還原。

3.1 數(shù)字模型的建立

依托具體工程案例的實(shí)際施工需求，圍繞著施工期間的管片襯砌結(jié)構(gòu)以及隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過參數(shù)獲取以及智能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)型，建立了盾構(gòu)隧道三維模型以及網(wǎng)格圖。

在隧道三維模型中能夠看出最前側(cè)的管環(huán)主要用于施加千斤頂推力；第2 環(huán)的管片則位于盾構(gòu)機(jī)的尾部，會(huì)承受盾尾刷的反作用力；第3～7 環(huán)的管片會(huì)受到盾構(gòu)機(jī)拖出之后的土壤壓力以及注漿壓力，而注漿壓力在遠(yuǎn)離盾構(gòu)機(jī)后會(huì)逐步削減；第8～10 環(huán)的管片已經(jīng)脫離盾構(gòu)機(jī)較長的時(shí)間，周圍的漿液已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，在施工的過程中只會(huì)受到外界土壤結(jié)構(gòu)施加的壓力，因此第10 環(huán)管片的接縫沿著隧道軸線方向位移，將其作為邊界條件。

在明確了隧道內(nèi)部的模型和網(wǎng)格之后，按照不同的受力情況，可以結(jié)合具體的施工內(nèi)容合理地計(jì)算各項(xiàng)荷載壓力。例如隧道工程典型地層斷面的土壓力計(jì)算要考慮隧道頂部的豎向荷載、上部水平荷載、下部水平荷載、地層基床系數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

注漿過程中漿液擴(kuò)散之后的管環(huán)各點(diǎn)的壓力需要考慮注漿孔位角度、注漿壓力、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度、注漿孔偏離豎直向上的角度、盾尾間隙、漿液擴(kuò)散半徑、漿液黏稠度等相關(guān)參數(shù)。按照實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各項(xiàng)壓力之后，能夠了解管片接縫密封墊所受的具體壓力以及荷載情況，由此可以判斷不同荷載條件下對(duì)密封墊防水性能造成的影響。

3.2 接縫變形的影響

盾構(gòu)隧道縱縫、環(huán)縫的張開量以及錯(cuò)臺(tái)量過大會(huì)導(dǎo)致接縫變形，二者之間有直接關(guān)聯(lián)，而這兩個(gè)參數(shù)的變化和千斤頂推力也有一定的關(guān)系。

3.2.1 縱縫變形的影響

隨著千斤頂推力的逐步增加，盾構(gòu)機(jī)上行縱縫最大錯(cuò)臺(tái)量以及張開量都會(huì)明顯提升。而隨著千斤頂推力偏角的逐步變化，不同盾構(gòu)姿態(tài)條件下的接縫變形也會(huì)出現(xiàn)一定的差異。

綜合其中的線性關(guān)系變化情況來看，在不同工況下，縱縫錯(cuò)臺(tái)量最大值控制在0.65mm 以下，張開量最大值控制在0.48mm 以下，符合上文所論述的極限數(shù)值范圍，因此，隧道縱縫變形，對(duì)于密封墊防水性能產(chǎn)生的影響較小。

3.2.2 環(huán)縫變形的影響

環(huán)縫變形情況對(duì)于密封墊防水性能產(chǎn)生的影響形成線性關(guān)系。

結(jié)合其中的數(shù)值可知，在千斤頂推力偏角為2 度時(shí)，施工荷載會(huì)影響盾構(gòu)機(jī)的上行條件，導(dǎo)致環(huán)縫出現(xiàn)變化，其中最大張開量和錯(cuò)臺(tái)量均在1mm 以上，分別最高達(dá)到1.24mm 及1.07mm，雖然未能對(duì)密封墊防水性能造成直接影響，但是會(huì)導(dǎo)致密封墊性能下降，存在滲漏水隱患。

3.2.3 施工荷載導(dǎo)致的防水能力退化變化情況

首先，在進(jìn)行密封墊設(shè)計(jì)時(shí)，其防水能力必須滿足前期的水壓要求，而如何選取密封墊的極限狀態(tài)，是保證防水性能合理化的關(guān)鍵[4]。若在施工的過程中定位明確，給出了具體的計(jì)算方法以及結(jié)果，則在考慮極限狀態(tài)時(shí)，需要結(jié)合誤差累積值作為參考進(jìn)行計(jì)算，其中要考慮管片尺寸公差、施工誤差、環(huán)境因素、密封墊配合面尺寸公差等相關(guān)因素。整合了以上這些因素之后，還要考慮在實(shí)際施工過程中，受這些因素影響的具體變化情況。通過試驗(yàn)分析可知，該工程按照常規(guī)的施工規(guī)范進(jìn)行施工，施工荷載對(duì)密封墊防水性能產(chǎn)生的影響較小，總體來看，防水性能在不同施工荷載下均控制在2.3MPa 以上，要滿足前期設(shè)計(jì)的2.48MPa 標(biāo)準(zhǔn)值，則應(yīng)合理地控制千斤頂推力偏角，分析不同盾構(gòu)姿態(tài)下的密封墊防水性能，這樣才可以進(jìn)一步提升密封墊的綜合質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過當(dāng)前的既有調(diào)查結(jié)果來看，管片初始缺陷、施工誤差以及后期地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化對(duì)于管片接縫處的影響最大，不僅會(huì)導(dǎo)致接縫漏水，還有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損。因此科學(xué)地進(jìn)行隧道管片接縫位置的防水性能分析，對(duì)于預(yù)防滲漏水病害、延長地下交通運(yùn)行壽命具有一定的促進(jìn)作用。