盾构管片接缝防水材料防水耐久性实验

盾构管片接缝防水材料防水耐久性实验

摘 要:由于我国大规模开展地铁建设的时间不长，盾构管片接缝长期防水问题还没有引起足够的重视。现有的盾构隧道后期维护中也逐渐出现了隧道接缝渗漏现象，严重影响工程安全。针对盾构管片接缝常用的防水弹性密封垫材料———三元乙丙橡胶，开展了恒定压缩永久变形和老化等长期防水性能试验研究。研究结果表明，橡胶的老化系数在 0． 9 以上，恒定永久压缩应变小于 15． 4%，盾构隧道应用的弹性密封垫防水材料具有良好的长期的防水性能。在此基础上，分析了钱塘江越江隧道冲刷后纵向回弹变形引起的隧道环向接缝张开后的管片接缝防水性能，能够满足钱塘江最高水位时的隧道接缝防水要求。

关键词: 盾构管片; 接缝防水; 弹性密封垫; 防水耐久性

1 引 言

盾构隧道衬砌是在盾构机盾尾拼装而成的，是盾构隧道主要的受力结构，当省略二次衬砌时，为隧道的唯一支撑结构。在衬砌隧道的轴向上，当各环管片间拼装缝不错开而形成纵向通缝，即为通缝接头型式，如图 1( b) 所示; 如果各环管片间拼装缝错开使得纵向不能形成通缝，这样环与环之间存在一定的添接( 纵向) 加强作用，此时为错缝接头型式，如图 1( c) 所示。由众多管片接缝将预制管片组合而成的盾构隧道，其接头的防水就成了隧道设计中至关重要的一个问题。

目前管片接头型式通常是采用如图2 所示的方法。主要包括传力衬垫、弹性橡胶密封垫和遇水膨胀止水条。传力衬垫主要是防止钢筋混凝土管片之间的碰撞顶裂，弹性橡胶

密封垫和遇水膨胀止水条是主要防水材料，有时会省略遇水膨胀止水条。

在越江盾构隧道中，通常需要穿越饱和砂层，渗透性大且存在高水压。从目前的盾构隧道实践来看，在建设初期防水橡胶通常能够达到隧道防水标准的要求，但在长期服役过程中，已有部分隧道，例如上海打浦路隧道管片接缝出现过渗漏［1］，但认为 主 要 是 由 于 隧 道 的 纵 向 不 均 匀 沉 降 引起的［2］。

目前的越江隧道接缝防水研究主要集中在施工期防水上，认为施工中出现渗漏现象主要是由于盾构姿态控制不良、管片错台、管片开裂、盾尾密封刷损坏或密封油脂压力不达标等因素造成［3，4］。随着施工队伍质量提升和有关部门对此问题越来越重视，此问题有逐渐降低的趋势。广州地铁二号线“赤岗—鹭江区间隧道”接缝防水优良率达到

93． 1% ，竣工后的渗水量赤-客段仅为 0． 020 3L / m2·yd·d，客-鹭段仅为 0． 033 1L/m2·yd·d，远低于标准允许值( 0． 1L/m2·yd·d)［5］。

有一部分学者尝试从弹性密封垫的防水机理来开展研究［6 ～8］，认为防水性能主要是由密封材料性能、形状、接触宽度和密封材料接触面压力所决定的，并得到经验计算公式，对于指导工程实践具有较高的指导价值。但其研究分析也主要是针对接缝的短期防水性能开展的。

从以上的分析中，可以看出: ①管片接缝防水问题是一个热点问题，也是一个急切需要进一步开展研究工作的问题; ②目前的研究工作较少涉及到管片接头长期防水的问题，这主要是由于我国大规模开展地铁建设始于上世纪 90 年代，接头长期防水问题还没有得到足够的重视。因此，本文的研究主要从弹性密封垫的老化和压缩后的永久变形来开展接缝防水材料的长期防水性能。

2 盾构管片接头橡胶试验

目前盾构隧道防水条材料主要采用三元乙丙密封垫，如图 2 所示。其材料性质要求如表 1所示［9］。

本文针对密封垫的长期性能开展研究工作，因此，主要是针对老化系数和压缩永久变形来开展的。

试验仪器: 橡胶的老化试验仪器采用恒温老化烘箱，在72 ℃恒温下加热72 h，取

出后在电子万能试验机上开展压缩试验。根据橡胶老化前后，其压缩弹性模量的变化来反映橡胶的老化程度，老化系数 = 老化后橡胶变形模量/老化前变形模量。

永久压缩变形试验仪器: 仪器采用图 3 所示的万能压缩机。将橡胶试样压缩 20%，并保持 24 h，撤去压力，分别记录试样回弹 10 min、30 min、60 min时的试样的高度。

3 弹性密封垫耐久性试验成果分析

3． 1 弹性密封垫恒定压缩永久变形

通常情况下，可取 30 min 分钟对应的压缩永久变形率作为指标参考值( 压缩永久变形为老化的塑料压缩后经过若干时间回弹后的剩余变形) 。从图 4 中可以看出，三试样自由回弹 30 min 时的压缩永久变形分别为 15． 4%，10． 8% 和 12． 3%，均小于

表 1 所要求的 22%，符合材料变形性质要求。60 min 后，其压缩永久变形基本上接近于零，即弹性密封垫有较好的弹性性能，不易发生不可回弹的塑形变形，对接头防水具有较好的性能。

3． 2 弹性橡胶密封垫的老化试验后的压缩性能

从图 5 中可以看出，弹性密封垫老化后，大部分试样的压缩性能有一定的降低，可以通过曲线的割线模量来评价老化系数，割线的终点取应变为0． 375 对应的点，此时对应着大多数盾构接缝弹性密封垫的工作状态。对应的割线模量和老化系数如表 2 所示。

从表 2 可以看出，除个别试样存在较大的误差外，试样的老化系数均大于 0．能够满足表 1 中材料性质所要求的 0． 85 以上。

4 老化对隧道接缝防水的影响分析

9，

在密封垫和混凝土之间的接触压力 P0作用下，管片接缝防水如图 6 所示，能够承受的最大水压由下式计算［9，10］:

Pmax，w= k P0 ( 1)

式中: 对于非膨胀弹性止水橡胶 k 一般取 1． 2左右。

弹性密封垫压缩试验条件为无侧限，而隧道接缝工作时仅能在接缝槽中发生变形，可以认为不能发生侧限变形。因此需要将无侧限试验条件下获得变形模量转化为有侧限工作条件下的变形模量，由虎克定律可得到如下计算公式:

( 2)

式中: E1为无侧限时的接头止水橡胶密封垫的压缩变形模量; E2为有侧限时的接头止水橡胶密封垫的压缩变形模量; μ 为泊松比，一般取为 0． 3。

为了安全起见，根据老化后试样变形模量最低值 E1= 1． 09 MPa 来计算，得到 E2= 1． 48 MPa。

接缝的接触压力可根据接缝弹性密封垫的压缩率来计算，目前弹性密封垫的原始厚度为 16mm，管片拼装后，压缩后厚度为 10 mm，压缩量为6 mm。根据虎克定律，则接缝橡胶的接触压力可由下式计算:

P0= E2ε ( 3)

式中: ε 为弹性密封垫的压缩应变，应考虑接缝张开量计算的影响。

管片接缝长期防水性能应该考虑两个方面: 一是考虑管片接缝弹性密封垫的橡胶老化带来变形模量的降低，导致管片与弹性密封垫的接触压力有所降低外，另一方面需要考虑隧道纵向的不均匀沉降带来管片接缝的张开的不利影响，这同样会带来管片与弹性密封垫的接触压力的降低。从而导致管片接缝防水性能的降低。按《地铁隧道保护条例》规定的接缝张开值: 按地铁隧道设计要求，接缝的张开值δ≤2 mm; 接缝密封垫不漏水，且要求环缝张开量 δ≤6 mm。具体考虑两方面对管片接缝防水的影响如表 3 所示。

从表 3 中可以看出，考虑接缝张开和弹性密封垫老化的影响后，即使接缝张开量达到设计要求的极限 2． 0 mm 时，接缝的最大抵抗水压还可以达到0． 74 MPa，大于钱塘江最大水压 0． 3 MPa，同样也大于《盾构法隧道防水技术标准》( DBJ 08-50-96)所要求的 0． 6 MPa，满足接缝防水的要求。即使接缝张开量达到 6 mm，接缝的最大抵抗水压也可达到 0． 45 MPa，远大于钱塘江最大水压0． 3 MPa，也能够保证接缝不发生渗漏现象。

5 结论

盾构隧道由于在我国大规模建设时间较短，管片接缝长期防水性能还没有得到足够的重视。本文主要针对管片接缝的主要防水材料———弹性密封垫开展老化试验和恒定压缩永久变形试验，并对密封垫的耐久性进行初步分析。可以得到以下结论:

( 1) 弹性密封垫随着时间逐渐老化，其压缩变形模量有一定的降低，这会降低接缝的接触压力，对接缝防水性能有一定的影响;

( 2) 弹性密封垫长时间承受压力的作用，容易产生一定的塑形压缩变形，从而降低接缝的接触压力，对接缝防水性能有一定的影响;

( 3) 目前盾构隧道常用的弹性密封垫———三元乙丙橡胶基本上能够满足盾构隧道对接缝防水长期性能的影响，可应用于钱塘江盾构越江隧道工程;

( 4) 本文的研究工作只是初步性的，主要是针对正常施工、正常使用的隧道。没有考虑盾构施工控制不到位导致管片错台，导致橡胶接触面的减少，从而降低了管片接缝的防水性能。

参考文献(References)

［1］ 王友辛． 上海黄浦江打浦路隧道渗漏水治理［J］． 中国建筑防水，1989，( 3) : 28-29． ( Wang Youxin．Control of water leakage for Dapu Road Tunnel under Huangpu River in Shanghai［J］． China Building Water-proofing，1989，( 3) : 28-29． ( in Chinese) )

［2］ 郑永来，韩文星，童琪华，等． 软土地铁隧道纵向不均匀沉降导致的管片接头环缝开裂研究［J］． 岩石力学与工程学报，2005，24( 24) : 4 552-4 558． ( Zheng Yonglai，Han Wenxing，Tong Qihua，et al． Study on longitudinal crack of shield tunnel segment joint due to asymmetric settlement in soft soil．［J］． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24 ( 24 ) :4 552-4 558． ( in Chinese) )

［3］ 潘朋． 越江盾构隧道防水技术［J］． 铁道标准设计，2007，( 增 2) :

19-21． ( Pan Peng． Waterproof technology for shield tunnel under river［J］． Railway Standard Design，2007，( Supp． 2) : 19-21． ( in Chinese) )

［4］ 温竹茵，张庆贺，郑坚，等． 盾构法隧道防水堵漏技术［J］． 施工技术，1999，28 ( 4) : 13-14． ( Wen Zhuyin，Zhang Qinghe，Zheng Jian，et al． Waterproofing and leakstoppage technology for shield-driven tunnel［J］．Construction Technology，1999，28 ( 4 ) : 13-14． ( inChinese) )

［5］ 童智能，吴祥红． 浅谈盾构隧道管片拼装接缝的防水处理［J］． 现代隧道技术，2007，44 ( 2) : 52-55．( Tong Zhi-neng，Wu Xianghong． On the waterproofing of joints between shield tunnel segments［J］． Modern Tunnelling Technology，2007，44 ( 2) : 52-55． ( in Chinese) )

［6］ 樊庆功，方卫民，苏许斌． 盾构隧道遇水膨胀橡胶密封垫止水性能试验研究［J］． 地下空间，2002，22( 4) : 335-339． ( Fan Qinggong，Fang Weiming，Su Xubin． Experimental study on the waterproof capability of the hydro-expansive rubber sealing cushion in shield tunnel［J］． Underground Space，22( 4) : 335-339． ( inChinese) )

［7］ 石修巍，向科，藏延伟． 盾构法隧道管片接缝密封垫设计及试验研究［J］． 地下工程与隧道，2007，( 增 1) : 40-42． ( Shi Xiuwei，Xiang Ke，Cang Yan-wei． Design and test study on segment joint cushion in shield tunnel［J］． Underground Engineering and Tunnels，2007，( Supp． 1) : 40-42． ( in Chinese) )

［8］ 向科，石修巍． 盾构管片弹性密封垫断面设计与优化［J］． 地下空间与工程

学报，2008，4( 2) : 361-364．( Xiang Ke，Shi Xiuwei． Design and optimization of elastic gasket section of shield tunnel lining［J］． Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2008，4( 2) : 361-364． ( in Chinese) )

［9］ 薛绍祖． 地下建筑工程防水技术［M］． 北京: 中国建筑工业出版社，2003． ( Xue Shaozu． Waterproof technology of underground architecture engineering［M］．China Architecture ＆ Building Press，2003． ( in Chinese) )

［10］ 刘建国． 盾构隧道遇水膨胀密封带接触压力试验研究［J］． 地下空间与工程学报，2009，5( 6) : 1 122-1 125． ( Liu Jianguo． The experimental research of the contact pressure of hydrophilic sealing gasket for shield tunnel segments［J］． Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，5( 6) : 1 122-1 125． ( inChinese）