管道修复人的圈子

1 概述

近年来，随着大直径盾构技术的不断发展，大直径盾构隧道的数量快速增长。为了应对更加复杂的环境，大直径盾构隧道向着更深、曲线半径更小的方向发展，盾构隧道的防水随之迎来了新的挑战。本文以上海地区最深的周家嘴路越江隧道和曲线半径最小的北横通道为背景，开展了有关防水的专项研究。

周家嘴路越江隧道新建工程起于浦西周家嘴路－内江路交叉口，终于张杨北路交叉口，工程全长4.45 km，其中隧道段长约4.06 km。过黄浦江段隧道采用外径14.5 m 单管盾构隧道，双层四车道，盾构段长约2.57 km。周家嘴路隧道的盾构隧道竖向避让上海东运船舶工程有限公司码头基础，隧道顶最深覆土达43.4 m，为目前上海地区同类隧道中之最深，隧道底部最大水压力达0.6 MPa。隧道平面及纵断面如图1、图2 所示。

图1 周家嘴路隧道平面图

图2 周家嘴路隧道纵断面图

北横通道工程西起北虹路，东至内江路，贯穿上海中心城区北部区域，全长约19.1 km。由于本工程位于中心城区，为避让沿线建筑物桩基，线路最小平面曲线半径R 仅为500 m，R/D=33.33，是目前国内同类隧道中最小的。西段隧道（中江路井—筛网厂井）最大覆土深度36 m，最大纵坡4.5%。北横通道工程范围示意图如图3 所示。

图3 北横通道工程范围示意图

盾构隧道外径D为15 m，断面布置如图4 所示。

图4 盾构隧道横断面布置（单位：mm）

2 衬砌接缝防水方案

衬砌接缝防水方案需明确两个方面，一是确定防水密封垫的道数，二是选择防水密封垫材料。

现阶段的盾构隧道接缝防水设计中，接缝采用单道或多道密封垫均有实例。国内地铁盾构隧道上海地区的道路越江隧道等采用单道密封垫；德国易北河第4（公路）隧道、武汉长江隧道、南京纬三路、纬七路越江隧道、青草沙输水隧道工程等采用多道密封垫。

在日本，密封垫材料主要采用遇水膨胀橡胶；在欧洲和国内，密封垫则主要采用非膨胀合成橡胶，如氯丁橡胶（CR）、三元乙丙橡胶（EPDM）等。目前，国内采用的弹性密封垫大部分采用三元乙丙橡胶（EPDM），而在早期曾采用的遇水膨胀橡胶，以聚醚聚氨酯弹性体类膨胀材料代替，作为双道密封垫中的一道采用^[1]。

通过上述对盾构隧道防水材料的调研，并结合国内防水密封垫的工业制造水平，可总结出盾构隧道管片接缝防水密封垫的设计主要考虑如下几点：

（1）对止水所需的接触面压力应考虑接缝的张开量和错位量；

（2）在设计确定的耐水压力条件下，保证接缝处不出现渗漏；

（3）在千斤顶推力和管片拼装的作用力下，管片端面和角部不发生损伤等弊病；

（4）要考虑远期的应力松弛和永久变形量。

根据上海地区已建大直径盾构隧道的实例及使用状况，可以看出，在保证成型隧道拼装质量的情况下，通过采取一定的措施，采用单道弹性密封垫防水是可行的。

3 橡胶密封垫防水性能研究

3.1 设计指标的确定

江中段隧道底部最大水压约为0.6 MPa。根据《隧道工程防水技术规程》^[2]，接缝弹性密封垫的设计防水能力应为实际承受最大水压的2~3 倍，本处取2 倍最大水压，即1.2 MPa。

对于接缝极限张开量和错动量的控制值，按照上海地区以往大直径盾构隧道经验，为张开量6 mm、错动量8 mm。由于北横通道最小平面曲线半径仅为500 m，接缝的错动量则考虑增加2 mm，即10 mm。

最终，确定弹性密封垫防水能力指标为：在接缝张开6 mm、错动10 mm，可以抵抗1.2 MPa 的水压力。

根据《隧道工程防水技术规程》，密封垫闭合压缩力不大于60 kN/m。

3.2 橡胶密封垫数值模拟分析

根据管片接缝沟槽尺寸及参考类似工程经验，初选了18 个密封垫断面方案开展数值模拟，根据数值模拟结果，选定了其中3 个满足设计防水能力要求的断面，进行后续的防水试验和装配力试验。弹性密封垫橡胶材料的本构模型采用Mooney- Rivlin 模型^{[3， 4]}，管片沟槽根据实际物理模型，采用刚体进行模拟，在刚体的下表面施加刚体的所有自由度约束，在密封垫的前后侧施加水平向约束，密封垫的上表面采用刚体施加垂向位移边界条件。密封垫的有限元模型如图5 所示。3 个初选断面的张开量- 接触应力关系如图6 所示。

图5 密封垫有限元模型

图6 初选弹性密封垫断面张开量—接触应力关系曲线

3.3 橡胶密封垫防水能力试验

根据数值模拟结果选定的3 个断面如图7 所示。

图7 3 个进行试验的断面方案（单位：mm）

3.3.1 防水性能试验

采用可三向自动加载的高水压盾构隧道管片接缝防水性能试验系统^[5]，对3 个断面进行防水性能试验，试验结果如图8 所示。

图8 试验弹性密封垫断面的张开量—接触应力关系曲线（邵氏硬度65 度）

在张开6 mm 和错动10 mm 的接缝极限变形量下，断面A 的防水能力为0.6 MPa，断面B 的防水能力为1.45 MPa，断面C 的防水能力为1.5 MPa。

根据防水能力试验结果，断面B、断面C 均满足设计要求的防水能力。

3.3.2 闭合压缩力试验

选取满足设计要求的断面B、断面C 进行闭合压缩力试验，将弹性橡胶垫嵌入钢槽进行压缩试验，压缩前后的密封垫截面如图9 所示。

图9 弹性橡胶垫试样图及压缩截面变化图

闭合压缩力试验结果如图10 所示。结果显示断面B 密封垫完全压密时，密封垫所需压缩力为134.64 kN/m，远大于《隧道工程防水技术规程》的建议闭合压缩力数值60 kN/m。断面C 密封垫完全压密时，密封垫所需压缩力为49.3 kN/m、53.3 kN/m，符合《隧道工程防水技术规程》的建议闭合压缩力不大于60 kN/m的设计要求。

图10 弹性密封垫闭合压缩力试验曲线（邵氏硬度65 度）

结合防水性能试验和闭合压缩力试验结果，推荐断面C 作为实际工程使用的断面。

4 衬砌防水体系设计及应用效果分析

4.1 防水体系设计

4.1.1 混凝土自防水

预制混凝土管片结构的自防水应达到以下要求：

（1）管片混凝土抗渗等级≥P12；

（2）管片氯离子扩散系数≤3.0×10- 12 m/s（氯离子扩散系数采用RCM方法检测，龄期为56 d，整个工程至少应进行2 次氯离子扩散系数的检测）；

（3）管片单块检漏标准（0.8 MPa、3 h）为渗水高度≤5 cm；检漏频率为每50 环抽检4 块。

为达到上述要求，主要采取如下技术措施：

（1）管片选用强度等级≥42.5 MPa 的PⅠ或PⅡ型水泥；

（2）限制胶凝材料用量（混凝土最小胶凝材料用量450 kg/m³，最大胶凝材料用量500 kg/m³）；

（3）限制混凝土中的含碱量（总碱量≤3 kg/m³）、水胶比（≤0.35）、混凝土最大氯离子含量（最大氯离子含量为0.06%）；

（4）选用坚固耐久、级配合格、粒形良好的洁净骨料为原料；

（5）添加优质粉煤灰（≥Ⅱ级灰）等超细矿物掺和料、高效减水剂（减水率≥15%），配置成以耐久性为重点的C60 高性能混凝土。

4.1.2 接缝防水

接缝防水主要包括一道三元乙丙橡胶弹性密封垫、外侧遇水膨胀挡水条、螺栓孔密封垫、手孔封堵、内弧面接缝嵌缝等，其中三元乙丙橡胶弹性密封垫是接缝防水的关键，一般均应通过试验研究确定密封垫的断面形式^[6]。

4.1.3 结构构造措施

为了提高管片接缝的防水能力，结合以往工程经验及本次研究成果，在初选密封垫断面前，将既有的防水密封垫的槽口尺寸加宽、加深，以适应高水压及更大的错动量。同时，将槽口到外弧面的距离进一步加大，以避免外弧面角部混凝土破裂。密封垫槽口优化如图11 所示。

图11 密封垫槽口优化（单位：mm）

在外弧面角部设置构造钢筋，进一步加强角部抗裂性能，防止管片角部碎裂。在小半径区段，采用加大管片楔形量并在管片外弧面纵缝角部设置钢丝网片的措施，防止小半径推进导致管片角部挤碎，如图12 所示。

图12 构造加强钢筋（单位：mm）

4.2 工程应用效果分析

根据前述试验结果，将弹性密封垫方案C 应用于周家嘴路隧道和北横通道。弹性密封垫在出厂前，也进行了相应的防水性能试验，可以满足设计要求的“在接缝张开6 mm、错动10 mm，可以抵抗1.2 MPa 的水压力”，成型隧道整体防水效果如图13 所示。

图13 成型隧道整体防水效果

从现场实施情况看，隧道整体防水效果较好，采用的弹性密封垫及制定的衬砌防水体系能够有效应对盾构隧道超深、小半径等难题。但局部接缝偶有渗漏情况出现，根据现场实地查看，主要存在密封垫初始位置有缺陷、封顶块拼装导致角部密封垫挤出等现象，如图14 所示。

图14 密封垫现场照片

通过严格按照设计要求粘贴密封垫以保证初始状态合格，以及封顶块认真涂抹润滑剂等措施，局部渗漏情况有所改善。

管片拼装偏差对管片防水性能影响显著^[7]，对于普遍存在的问题，可以采用“锚合”^[8]式密封垫，即密封垫在管片生产时就“锚合”于接缝混凝土沟槽中。国外已有应用案例，但目前国内还未有实际工程应用，是后续接缝防水研究的方向之一。

5 结论

本文以上海市周家嘴路越江隧道和北横通道为背景，针对大直径深埋、急曲线盾构隧道的防水需求，开展了一系列的接缝防水密封垫数值模拟、试验及管片构造研究，并将研究成果应用于工程实践，效果良好。具体结论如下：

（1）提出了北横通道和周家嘴路隧道的防水指标。考虑管片尺寸公差、管片形位公差、拼装误差、人为与环境影响、弹性密封垫制作误差以及拼装累计误差等，提出弹性密封垫防水指标中接缝最大张开量为6 mm、最大错动量为10 mm。

（2）在工程类比的基础上，通过弹性密封垫数值模拟，开展断面初步比选，确定防水性能较好的三种密封垫断面作为试验断面，进行物理力学参数试验和防水能力试验。

（3）通过开展接缝防水能力试验和闭合压缩力试验，最终选取邵氏硬度为65 度的方案C 密封垫应用于北横通道和周家嘴路隧道，该断面可满足1.2 MPa 的防水能力指标要求，并且符合规范推荐的弹性密封垫闭合压缩力要求。

（4）通过工程实际的应用，验证了采用单道弹性密封垫可以满足大直径道路隧道深埋、急曲线对接缝防水的要求，也验证了本文所采用的针对性构造措施是合理可行的。

（5）弹性密封垫角部为防水薄弱环节，需对弹性密封垫角部采用腻子片进行处理，可使弹性密封垫角部的防水性能有所提高。

摘自：城市道桥与防洪