河底淺埋地鐵盾構(gòu)隧道管片防水密封墊優(yōu)化研究

吳金華

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459）

1 引言

隨著我國城市化建設(shè)的高速推進(jìn)，地鐵建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，部分盾構(gòu)隧道因工程建設(shè)需要而不可避免地下穿河流等富水區(qū)域。因此，水下淺埋盾構(gòu)隧道的防水性能一直是設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營的重難點(diǎn)。

管片接縫是水下淺埋盾構(gòu)隧道防水設(shè)計(jì)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為確保管片接縫不出現(xiàn)滲漏，在管片拼接設(shè)計(jì)施工中，彈性密封墊是接縫防水的重點(diǎn)之一。盾構(gòu)隧道所采用的彈性密封墊需要在確保滿足防滲漏水要求的同時(shí)避免因耐水壓力、閉合壓縮力偏大導(dǎo)致管片被擠裂而影響拼裝質(zhì)量和防水效果[1-2]。

本文結(jié)合沈陽地鐵4號(hào)線下穿長島內(nèi)河盾構(gòu)隧道項(xiàng)目實(shí)例，將傳統(tǒng)的現(xiàn)場粘貼防水密封墊優(yōu)化為新型嵌入式管片密封墊工藝，在管片生產(chǎn)時(shí)一同進(jìn)行預(yù)制。然后，通過模型防水試驗(yàn)對(duì)新型嵌入式管片密封墊的防水效果進(jìn)行試驗(yàn)分析。此外，針對(duì)傳統(tǒng)防水密封墊腳部實(shí)心構(gòu)造形式導(dǎo)致的拼裝時(shí)容易“隆起”甚至碎裂等不利于防水的弊端，本文設(shè)計(jì)5種不同空心開孔數(shù)量及開孔半徑的密封墊腳部構(gòu)造形式，采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，依次進(jìn)行閉合壓縮試驗(yàn)，對(duì)不同開孔方式下的密封墊腳部接觸應(yīng)力和閉合壓縮力進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，比選出最佳設(shè)計(jì)方案。

2 工程簡介

沈陽地鐵4號(hào)線長白南站-長白島站區(qū)間左右線長度約為2.763 km，盾構(gòu)隧道下穿長島內(nèi)河段全長約150 m，河底標(biāo)高36.613 m，隧道頂部與河床底部豎向凈距最小僅為13.55 m，河道水平均深2.5 m。隧道周邊河地層地質(zhì)條件不佳，大多為圓礫、礫砂層，有較強(qiáng)的透水性，屬于一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。圖1為沈陽地鐵4號(hào)線下穿長島內(nèi)河段橫截面示意圖。當(dāng)淺埋隧道盾構(gòu)機(jī)近距離下穿河道時(shí)，如果防水舉措不到位，極有可能造成盾構(gòu)隧道坍塌、涌水等重大風(fēng)險(xiǎn)事件。因此，務(wù)必切實(shí)做好可靠的技術(shù)研究。

圖1 沈陽市地鐵4號(hào)線下穿長島內(nèi)河段橫截面示意圖 （單位：mm）

3 新型嵌入式管片密封墊設(shè)計(jì)

3.1 傳統(tǒng)粘貼式橡膠密封墊弊端

傳統(tǒng)管片接縫防水方式是在預(yù)先設(shè)計(jì)的管片凹槽內(nèi)將橡膠密封墊通過防水粘膠進(jìn)行粘結(jié)。傳統(tǒng)粘貼式橡膠密封墊存在以下弊端：第一，管片與橡膠密封墊進(jìn)行粘結(jié)時(shí)，難以有效確保緊密性，外部水壓較大時(shí)易出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，而且容易在凹槽內(nèi)形成積水，橡膠密封墊長期處在積水浸泡環(huán)境下容易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，影響橡膠密封墊的使用壽命；第二，在管片凹槽內(nèi)對(duì)橡膠密封墊進(jìn)行粘結(jié)不僅工序煩瑣，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，而且精準(zhǔn)度、標(biāo)準(zhǔn)度難以確保；第三，傳統(tǒng)粘貼式橡膠密封墊在管片運(yùn)至現(xiàn)場過程中容易脫落，拼裝管片時(shí)必須重新粘貼。此外，沈陽冬季經(jīng)常遭遇極寒天氣，最低溫度達(dá)-33 ℃，傳統(tǒng)防水密封墊通常粘貼效果不佳，防水質(zhì)量一般[3-5]。

因此，本文在沈陽地鐵4號(hào)線下穿長島內(nèi)河盾構(gòu)隧道項(xiàng)目施工時(shí)引入盾構(gòu)隧道新型嵌入式管片密封墊，并對(duì)其耐水壓力、防滲效果等防水性能進(jìn)行專題試驗(yàn)和詳細(xì)研究。

3.2 新型嵌入式管片密封墊設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的密封墊優(yōu)化設(shè)計(jì)大多著眼于密封墊中間孔洞的開孔大小、排列形式、開孔形狀、開孔密度等方面，而忽略密封墊其他構(gòu)造的優(yōu)化。本項(xiàng)目采用新型嵌入式管片密封墊，以切實(shí)提高管片防水能力，改善防水效果。

新型嵌入式管片密封墊安裝方式是在管片生產(chǎn)過程中，在管片混凝土凝固前將增加了“止水腳”的密封墊在管片模具凹槽中提前預(yù)埋，并與混凝土一起養(yǎng)護(hù)。當(dāng)管片混凝土凝固以后，管片與密封墊緊密結(jié)合形成一體。由于密封墊增加了“止水腳”，滲水路徑的長度顯著延長，可以實(shí)現(xiàn)更好的防滲漏水效果，降低滲漏水風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)密封墊的滲流路徑見圖2a，新型嵌入式管片密封墊的滲流路徑見圖2b，2種密封墊安裝過程對(duì)比示意圖詳見圖3。

圖2 傳統(tǒng)密封墊與新型嵌入式管片密封墊滲水路徑示意圖

圖3 傳統(tǒng)密封墊與新型嵌入式管片密封墊密封過程對(duì)比示意圖

另外，在盾構(gòu)隧道施工過程中，盾構(gòu)機(jī)施工和人工操作存在的誤差會(huì)影響管片拼裝精準(zhǔn)度，進(jìn)而影響管片密封墊防水效果。因此，為確保隧道安全質(zhì)量，把密封墊錯(cuò)縫量以及張開量作為防水效果的重要考量因素。密封墊錯(cuò)縫量以及張開量示意圖見圖4。

圖4 密封墊張開量和錯(cuò)縫量示意圖

3.3 新型嵌入式管片密封墊材質(zhì)

按照GB 18173.4-2010《盾構(gòu)法隧道管片用橡膠密封墊規(guī)范》[6]，并結(jié)合一些成功案例經(jīng)驗(yàn)，本試驗(yàn)選取三元乙丙彈性橡膠作為密封墊材質(zhì)，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 三元乙丙彈性密封墊設(shè)計(jì)參數(shù)

三元乙丙彈性橡膠具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）耐熱、耐寒性較強(qiáng)。適應(yīng)最高溫度高達(dá)130 ℃，適應(yīng)最低溫度低至-60 ℃。

（2）性價(jià)比高。能有效節(jié)約材料成本，應(yīng)用場景較多。

（3）抗老化性強(qiáng)?？扇旌蚴┕?，還具有抗臭氧、光照、紫外線和輻射，防水性強(qiáng)的特點(diǎn)。與天然橡膠（NR）、丁苯橡膠（SBR）等飽和性不強(qiáng)的二烯類橡膠一起使用時(shí)，三元乙丙彈性橡膠能有效發(fā)揮其抗氧和抗老化功效。

（4）耐腐蝕性強(qiáng)。能承受酸堿性化學(xué)清潔劑、動(dòng)植物油、甲醇等物質(zhì)的侵蝕，絕緣性很強(qiáng)。

（5）比重輕。與大多數(shù)橡膠種類相比，密度較小，僅為0.86～0.90 g/cm3[7-9]。

3.4 新型嵌入式管片密封墊試驗(yàn)

依據(jù)盾構(gòu)隧道施工規(guī)范要求，盾構(gòu)隧道管片密封墊耐水壓力不能小于0.6 MPa。本節(jié)將通過相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)新型嵌入式管片密封墊的防水效果等性能進(jìn)行驗(yàn)證。

3.4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)中，為防止密封墊試塊拼裝時(shí)出現(xiàn)較大錯(cuò)位，需要對(duì)密封墊試塊錯(cuò)縫量進(jìn)行控制，也必須對(duì)密封墊的張開量進(jìn)行控制，對(duì)此借助適當(dāng)厚度的墊片，并通過油壓千斤頂進(jìn)行加壓控制。水壓控制儀與下方試塊底部進(jìn)行有效連接，通過中心位置進(jìn)行注水。另外將排氣閥安裝在位于上方位置的試塊頂部中心位置。

密封墊防水能力試驗(yàn)步驟分為：①按設(shè)定工況拼接試塊；②放置墊片，千斤頂施壓至墊片被壓緊；③控制水壓機(jī)底部注水，排氣并關(guān)閉排氣閥；④逐級(jí)增加水壓，直至密封條破壞、漏水或水壓時(shí)程曲線發(fā)生明顯下降；⑤ 進(jìn)行試驗(yàn)的觀察、記錄。圖5為密封墊防水能力試驗(yàn)裝置實(shí)景圖。

圖5 試驗(yàn)裝置實(shí)景圖

新型嵌入式管片密封墊斷面形式采用“謝斯菲爾德”形狀（即中孔形），密封墊設(shè)計(jì)寬度、高度以及細(xì)節(jié)尺寸和形狀示意圖詳見圖6。

圖6 密封墊剖面圖 （單位：mm）

當(dāng)管片試塊混凝土完成澆筑以及澆搗后，立即將新型密封墊放置在管片試塊混凝土中，將管片試塊混凝土和密封墊緊密結(jié)合在一起，確保彼此之間嚴(yán)絲合縫。管片試塊形狀及截面詳細(xì)尺寸詳見圖7。新型嵌入式密封墊和管片試塊結(jié)合構(gòu)造詳見圖8。設(shè)置觀察槽，以便于觀測滲漏水情況。

圖7 新型密封墊和試塊截面尺寸 （單位：mm）

圖8 試塊形式

3.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)新型嵌入式密封墊相關(guān)試驗(yàn)展開詳細(xì)分析。經(jīng)試驗(yàn)檢測人員的仔細(xì)監(jiān)測并參考相關(guān)設(shè)計(jì)單位的經(jīng)驗(yàn)，要求密封墊張開量小于7 mm（含管片制作和實(shí)際拼裝允許的最大誤差值2 mm、盾構(gòu)隧道遭受外荷載以及縱向轉(zhuǎn)向圓弧段等導(dǎo)致的允許最大張開量3 mm，以及外部干擾導(dǎo)致的允許最大張開量2 mm），要求密封墊錯(cuò)縫量小于10 mm（含管片位置允許最大誤差值2 mm、盾構(gòu)機(jī)拼裝精度允許最大誤差值3 mm、管片尺寸允許最大誤差值2 mm、外部因素影響允許最大誤差值2 mm，以及密封墊匹配允許的最大誤差值1 mm）。

由于密封墊錯(cuò)縫量以及張開量的增加都會(huì)影響盾構(gòu)隧道的防水效果，從密封墊防水最差工況進(jìn)行考慮。相關(guān)設(shè)計(jì)單位提出選取允許張開量最大值7 mm、錯(cuò)縫量最大值10 mm的最差工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以更有效增加防水安全系數(shù)，借助提前設(shè)置的觀察槽，得出效果較好的試驗(yàn)結(jié)果。

圖9為水壓時(shí)程曲線圖。橫坐標(biāo)為試驗(yàn)時(shí)間，縱坐標(biāo)為水壓力。該曲線分為3個(gè)階段。

圖9 水壓時(shí)程曲線（張開量7 mm、錯(cuò)縫量10 mm）

（1）第①段為注水（排氣）段。進(jìn)行注水（排氣）時(shí)，內(nèi)部水壓出現(xiàn)反復(fù)升降的情況。直到水體充滿內(nèi)部全部空腔后，將上部排氣（水）口進(jìn)行封閉。

（2）第②段為加壓監(jiān)測段。進(jìn)行加壓監(jiān)測時(shí)，將水壓機(jī)持續(xù)進(jìn)行控制，將壓力適當(dāng)升高并確保維持一段持水時(shí)間。確保水壓基本穩(wěn)定后，再將水壓繼續(xù)增加。試驗(yàn)過程中，務(wù)必詳細(xì)觀測管片是否出現(xiàn)滲漏水情況并觀察腔體內(nèi)水壓是否穩(wěn)定。耐水壓值達(dá)到峰值0.9 MPa后，持續(xù)一段時(shí)間，若耐水壓值降低到0.82 MPa時(shí)水壓突然降低，則證明已出現(xiàn)滲漏。

（3）第③段為泄壓段。當(dāng)試件出現(xiàn)滲漏時(shí)，進(jìn)行卸壓處置，直至水壓為0 MPa。然后，打開排氣（水）閥將水全部排出，結(jié)束試驗(yàn)并將數(shù)據(jù)全部存檔。

3.5 試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明文中所涉截面形式的新型嵌入式管片密封墊接頭位置最大耐水壓值為0.9 MPa。在張開量7 mm、錯(cuò)縫量10 mm的最不利情況下，兩片密封墊密切接觸的位置沒有出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，滿足盾構(gòu)隧道管片密封墊耐水壓力不能小于0.6 MPa的要求，證明新型嵌入式管片密封墊可以有效解決傳統(tǒng)密封墊與混凝土相結(jié)合位置容易出現(xiàn)滲漏水的問題。

4 密封墊腳部設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 傳統(tǒng)密封墊腳部弊端

傳統(tǒng)管片密封墊腳部通常采用實(shí)心的角部構(gòu)造形式。這種構(gòu)造使腳部的相對(duì)剛度較大而壓縮幅度不大，導(dǎo)致密封墊的腳部容易成為出現(xiàn)滲漏的薄弱地帶。在盾構(gòu)管片進(jìn)行拼裝時(shí)，傳統(tǒng)構(gòu)造的管片密封墊腳部四角容易“隆起”，甚至被壓碎而脫落，加大滲漏水量。另外，盾構(gòu)隧道管片的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度較高，相比一般混凝土構(gòu)造物脆性更大，導(dǎo)致拼裝時(shí)極易出現(xiàn)壓碎管片腳部的現(xiàn)象[10-11]。

4.2 密封墊腳設(shè)計(jì)方案

彈性密封墊只有處于壓縮狀態(tài)才能更好地發(fā)揮防水作用。管片拼裝較為理想的狀態(tài)是將所有密封墊都?jí)嚎s到管片凹槽里，確保管片無縫隙，此時(shí)施加的臨界壓縮力稱作閉合壓縮力。在進(jìn)行新型密封墊設(shè)計(jì)的過程中，通常希望通過提升密封墊耐水壓能力來增強(qiáng)防水能力，但這樣也會(huì)提升新型密封墊的閉合壓縮力；而且由于受到盾構(gòu)設(shè)備的制約，閉合壓縮力不能大于設(shè)備拼裝的極限范圍，否則不滿足閉合壓縮力條件。因此，分析新型密封墊在受壓縮時(shí)的接觸壓力和閉合壓縮力情況非常重要。

本節(jié)所涉及的試驗(yàn)在專用試驗(yàn)室中進(jìn)行，密封墊由三元乙丙彈性橡膠制成。試驗(yàn)?zāi)M密封墊腳部在管片中被壓縮的過程，在詳細(xì)分析不同腳部構(gòu)造形式密封墊接觸應(yīng)力變化情況的同時(shí)，分析不同腳部構(gòu)造形式下閉合壓縮力變化情況。

在保證防水性能前提下，為詳細(xì)分析腳部應(yīng)力集中效應(yīng)在不同密封墊腳部構(gòu)造形式下的削弱程度，本試驗(yàn)專門制定出5種不同構(gòu)造的開孔形式：①雙孔位于密封墊腳部中心位置，孔半徑為6 mm；②雙孔位于密封墊腳部中心位置，孔半徑為7 mm；③雙孔位于密封墊腳部中心位置，孔半徑為8 mm；④單孔位于密封墊腳部中心位置，孔半徑9 mm；⑤雙孔偏離密封墊腳部中心位置 5 mm，孔半徑6 mm。5種密封墊腳部構(gòu)造形式詳見圖10。

圖10 5種密封墊腳部構(gòu)造形式 （單位：mm）

對(duì)專門制定的5種開孔形式密封墊腳部構(gòu)造展開室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，詳細(xì)分析研究5種密封墊腳部構(gòu)造形式對(duì)拼裝壓力的影響和對(duì)減小閉合壓縮力的影響，最終挑選出最佳密封墊腳部構(gòu)造形式。該構(gòu)造形式可以最有效實(shí)現(xiàn)防水密封墊角部閉合壓縮力的下降，從而實(shí)現(xiàn)最佳防水效果。

4.3 試驗(yàn)裝置

根據(jù)GB 18173.4-2010《盾構(gòu)法隧道管片用橡膠密封墊》[6]中關(guān)于橡膠密封墊壓縮試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)范，依據(jù)工程實(shí)際設(shè)計(jì)管片密封墊腳部壓縮試驗(yàn)裝置，見圖11。

圖11 密封墊壓縮試驗(yàn)裝置示意圖

密封墊腳部壓縮試驗(yàn)裝置主要構(gòu)成為：荷載加載裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、傳感器裝置和壓縮模具等。其中，荷載加載裝置主要由液壓千斤頂和反力架構(gòu)成，傳感器裝置主要由壓力傳感器和位移傳感器（反映壓縮量）構(gòu)成；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄并處理壓力傳感器和位移傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)，壓縮模具按照已經(jīng)管片既有的L型直角凹槽進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，圖12a為壓縮模具頂板，圖12b為壓縮模具底板。

圖12 壓縮試驗(yàn)凹槽模具

4.4 密封墊腳部構(gòu)造形式比選

通過試驗(yàn)，得出當(dāng)密封墊腳部不開孔構(gòu)造形式和其他5種構(gòu)造形式密封墊腳部壓縮間隙縮小到0 mm時(shí)的閉合壓縮力及腳部接觸應(yīng)力情況詳見表2。

如表2所示，閉合壓縮力最小的是方案d設(shè)計(jì)，即密封墊腳部在中心位置開單孔，單孔半徑9 mm。然而，此時(shí)腳部接觸應(yīng)力大小是0.69 MPa，當(dāng)管片接縫出現(xiàn)變形時(shí)很難滿足隧道管片不小于0.6 MPa的耐水壓力的設(shè)計(jì)防水要求。因此，最終通過比選，選擇閉合壓縮力與之比較接近，而腳部接觸應(yīng)力稍大一些的方案c設(shè)計(jì)作為最為最合適的設(shè)計(jì)，即雙孔位于中心位置，雙孔半徑為8 mm。

表2 密封墊腳部壓縮試驗(yàn)情況一覽表

圖10所示的c設(shè)計(jì)（雙孔位于中心位置，孔半徑為8 mm）密封墊的腳部閉合壓縮力（75.98 kN/m），與不開孔密封墊的腳部閉合壓縮力（122.96 kN/m）相比，降低了近40%，密封墊所受壓縮力更符合拼裝要求。另外開兩孔時(shí)密封墊腳部的接觸應(yīng)力為0.87 MPa，比不開孔時(shí)腳部接觸應(yīng)力1.20 MPa減小了27.5%，規(guī)范要求隧道管片至少滿足0.6 MPa的耐水壓力，開設(shè)兩孔的密封墊腳部的接觸應(yīng)力富余性更強(qiáng)，所以將方案c作為最佳設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

本文結(jié)合沈陽地鐵4號(hào)線下穿長島內(nèi)河盾構(gòu)隧道項(xiàng)目，在充分調(diào)研國內(nèi)外類似項(xiàng)目施工方案和成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合考慮盾構(gòu)隧道周圍施工環(huán)境，采取更為科學(xué)的管片密封墊設(shè)計(jì)施工方案，提高管片密封墊防水能力。結(jié)論如下。

（1）將新型嵌入式管片密封墊模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以三元乙丙彈性橡膠為原料的新型嵌入式管片密封墊在張開量7 mm、錯(cuò)縫量10 mm這個(gè)最不利情況下，符合隧道管片至少滿足0.6 MPa的耐水壓力要求，而且攻克了傳統(tǒng)密封墊與混凝土的相結(jié)合位置容易出現(xiàn)滲漏水的施工難題。

（2）密封墊腳部孔位于中心位置增加孔半徑8 mm的雙孔，極大降低閉合壓縮力和腳部接觸應(yīng)力，而且從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，雙孔開孔愈接近密封墊腳部中心位置，密封墊腳部雙孔開孔半徑愈大，對(duì)減小閉合壓縮力的效果愈好。文章所研究的成果具有一定推廣價(jià)值。