上海市高水壓深層排水盾構隧道管片接縫密封墊形式試驗研究

朱洺嵚， 丁文其， 金躍郎， 龔琛杰， 沈 奕

(1. 同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092； 3. 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司， 上海 200092)

上海市高水壓深層排水盾構隧道管片接縫密封墊形式試驗研究

朱洺嵚1, 2， 丁文其1, 2， 金躍郎1, 2， 龔琛杰1, 2， 沈 奕3

(1. 同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092； 3. 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司， 上海 200092)

為使接縫處彈性密封墊在張開8 mm、錯位10 mm的情況下仍能滿足1.2 MPa高水壓長期防水性能設計要求以及保證盾構拼裝能力，對采用雙道耐高水壓密封墊的上海市深層排水盾構隧道工程接縫防水密封墊斷面形式進行設計。對不同斷面密封墊進行防水性能以及閉合壓縮力數值模擬，通過對比分析、不斷優化，得到防水和力學性能較優的密封墊斷面形式，并進行管片接縫防水性能試驗和閉合壓縮力試驗。試驗結果表明： 采用推薦斷面形式的密封墊在邵爾A硬度為67度時，在精確裝配下和接縫張開8 mm、錯位10 mm的情況下均滿足1.2 MPa的長期防水能力要求，且適應盾構的拼裝能力。

盾構隧道； 高水壓； 管片接縫； 接縫防水試驗； 密封墊； 防水性能

0 引言

伴隨著深層排水、越江跨海等盾構隧道的建設與發展，盾構隧道的設計和施工要面臨高水壓等不利因素，這對隧道密封防水材料的使用性能提出了更高的要求。

盾構隧道滲漏水的位置主要是盾尾與管片接觸處、管片的接縫、注漿孔以及管片自防水等[1]，其中管片接縫防水是重點[1-3]。盾構隧道管片接縫防水的主要對策是使用密封防水材料。隧道建筑一般為永久性建筑，國內外設計使用壽命一般為100年，考慮到密封防水材料性能的老化，盾構隧道接縫密封防水材料的長期防水能力需要得到保障[4-6]。三元乙丙橡膠彈性密封墊具有良好的耐久性能和防水性能，且其在橡膠材料中的綜合性能、市場價位等都使其比較適合在地下工程中使用。因此，三元乙丙橡膠彈性密封墊被認為是整個地下工程防水體系中的主體材料[7]。

對近年來我國相關類似工程進行調研，匯總我國部分高水壓盾構隧道耐水壓情況，如表1所示。陸明等[8]結合上海長江隧道工程襯砌接縫和連接通道的防水要求，針對三元乙丙橡膠彈性密封墊的長、短期防水性能進行了一系列試驗研究；趙運臣等[9]模擬了施工極限裝配誤差，對初步設計進行了防水性能與閉合壓縮力試驗，并根據試驗結果對密封墊進行優化，以確定最優的防水密封墊設計； 李永剛[10]以南京長江隧道(緯七路)工程為實例，利用“T”形模擬水壓試驗臺對設計密封墊的防水能力進行模擬驗證；趙明等[11]以南京緯三路過江通道工程為依托，進行了多組密封墊閉合壓縮力試驗及一字縫、T字縫防水性能試驗，研究出性能、結構優異的密封墊斷面形式；拓勇飛等[12]確定了超高水壓大直徑盾構隧道管片接縫2道防水彈性體(外側三元乙丙橡膠密封墊、內側遇水膨脹橡膠密封條)的布置方式，并對迎水壓側管片外環第1道三元乙丙橡膠密封墊的防水設計進行了試驗研究；吳煒楓等[13]針對埋深為40 m的廣州東濠涌試驗段深層排水盾構系統，進行了防水密封墊的設計；DING Wengqi等[14]對3種管片接縫(即縱縫、環縫以及T型縫)的防水能力分別進行了測試，對密封墊接觸應力與耐水壓值之間的關系進行了分析。

表1我國部分高水壓盾構隧道耐水壓情況
Table 1 Hydraulic pressure resistance of some shield tunnels under high water pressure in China

工程名稱 隧道直徑(外徑)/m管片厚度/mm防水壓力/MPa接縫張開量/mm錯位量/mm上海長江隧道156500．5586武漢長江隧道115000．57615南京長江隧道14．56000．65815南京緯三路過江通道14．56000．72615

較一般盾構隧道而言，上海市深層排水盾構隧道需面臨以下幾方面的挑戰： 1)上海深隧埋深約為60 m，考慮到密封墊橡膠性能的老化，管片接縫的長期防水能力需要得到保證，根據相關研究[4]，管片接縫設計水壓值需高達1.2 MPa，遠遠高于普通盾構隧道的防水要求。2)普通盾構隧道一般要求接縫在張開6 mm、錯位8 mm的情況下仍能滿足防水性能設計要求，而上海深隧要求接縫在張開8 mm、錯位10 mm的極限情況下仍能滿足防水性能設計要求。3)較傳統盾構隧道，上海深隧要求從單道三元乙丙橡膠密封墊防水變為內外雙道三元乙丙橡膠密封墊防水，因此必須控制其閉合壓縮力在一定范圍內，以適應現有盾構的拼裝能力。

本文以三元乙丙橡膠彈性密封墊作為盾構隧道管片接縫密封防水材料，考慮橡膠密封墊的長期防水能力，對不同斷面形式的彈性密封墊在不同錯位量、不同接縫張開量工況下的防水能力及閉合壓縮力進行數值模擬研究，據此比選不同斷面形式彈性密封墊方案，通過對比分析、不斷優化，得到防水性能和力學性能最優的密封墊斷面形式，并將其加工成試件進行防水性能試驗以及閉合壓縮力試驗，以期為今后類似高水壓盾構隧道管片接縫防水彈性密封墊的設計與研究提供參考。

1 接縫防水能力設計

1.1工程概況

隨著我國城鎮化進程的快速推進，城市下墊面的透水性能不斷降低，內河調蓄功能趨于弱化，加上全球氣候變化導致暴雨等極端天氣頻發，暴雨過程中的地面徑流量快速增加，呈現出“匯流時間短、洪峰流量高、過境水量大”的特點，使流域行洪和城市排水管網承受了極大的壓力。基于上述問題，在“十三五”期間，上海市在蘇州河下面開展建設目前國內規模最大的雨水調蓄管道。根據上海市相關規劃，上海市深層隧道調蓄工程服務范圍共57.9 km2，調蓄規模為115萬m3，涉及25個排水系統、8個分區，25個系統中19個為合流制系統、6個為分流制系統，主隧道全長約15.3 km，埋深約60 m，管徑約10 m。

1.2防水能力指標

影響三元乙丙橡膠彈性密封墊100年以后的壓縮應力保持率的因素較為復雜，在缺乏試驗的前提下參考文獻[4]和文獻[12]，擬采用0.65作為本項目壓縮應力保持率。此外，國際上安全系數一般考慮為1.2～1.4，本項目安全系數擬取1.3。按照以上因素計算防水材料的防水能力指標。

防水能力指標=(理論水壓值×安全系數)/壓縮應力保持率。

上海市深層排水盾構隧道埋深約為60 m，對應的管片接縫防水密封墊的防水能力指標為(0.6 MPa×1.3)/0.65=1.2 MPa，遠遠高于普通盾構隧道的防水要求。

考慮到管片制作、施工誤差等，需要對盾構隧道管片接縫在一定張開量和錯位量情況下的防水能力進行試驗研究。對于普通盾構隧道，其防水能力一般要求在張開量為6 mm、錯位量為8 mm的情況下能滿足接縫防水性能設計要求，而上海深隧要求接縫在張開量為8 mm、錯位量為10 mm的極限情況下仍能滿足設計要求。

2 上海市高水壓深層排水盾構隧道管片接縫防水性能試驗

2.1彈性密封墊斷面形式

采用有限元軟件ABAQUS對高水壓盾構隧道管片接縫彈性密封墊防水性能進行數值模擬研究，根據數值模擬結果不斷優化彈性密封墊斷面形式的設計，選擇防水性能和力學性能最優的密封墊斷面形式，將其加工成試件進行試驗研究。

朱洺嵚等研發了密封墊，斷面形式如圖1所示，并對該彈性密封墊進行了防水性能試驗，密封墊硬度采用邵爾A硬度，為67度。

圖1 橡膠密封墊斷面形式(單位： mm)

2.2試驗方法

采用同濟大學研制的可三向自動加載的高水壓盾構隧道管片接縫防水性能試驗系統[11](如圖2所示)進行試驗，試驗過程如圖3所示。即初始試驗在錯位10 mm的情況下進行防水能力試驗，試驗結束卸載后，待密封墊恢復到最初狀態時按上述試驗方法重新加載，在無錯位的情況下進行防水能力試驗；初始試驗結束卸載后，待密封墊恢復到最初狀態時按上述試驗方法重新加載，分別在錯位10 mm和無錯位的情況下進行防水能力試驗，即重復試驗。

圖2可三向自動加載的高水壓盾構隧道管片接縫防水性能試驗系統
Fig. 2 Triaxial-loading test system for waterproofing performance of shield tunnel segment joints

(a) 粘貼密封墊

(b) 拼裝

(c) 施加水壓

(d) 試驗結束

2.3試驗工況

根據實際工程防水能力設計要求，對錯位量分別為0和10 mm情況下彈性密封墊的防水性能進行試驗研究，試驗工況如表2所示。

表2 接縫防水性能試驗工況表

3 彈性密封墊閉合壓縮力試驗

3.1閉合壓縮力要求

與傳統盾構隧道相比，上海市深層排水盾構隧道防水要求從外側防水變為內外兩側防水，因此，適用于雙道高水壓盾構隧道管片接縫防水的彈性密封墊必須控制其閉合壓縮力數值在一定范圍內，以適應盾構的拼裝能力。根據項目提供的資料，盾構提供的壓縮力可達120 kN/m，由于上海市深層排水盾構隧道管片接縫采用雙道彈性密封墊防水，因此，每道彈性密封墊的閉合壓縮力不得超過60 kN/m。

3.2試驗方法

依據文獻[15]中壓縮應力模擬試驗方法，對彈性密封墊壓縮性能進行測試。以規定速度壓縮試樣，直至壓縮間隙接近0，再以相同的速度放松試樣，如此反復壓縮和放松試樣2次，第3次開始進行正式試驗(即初始試驗)，記錄每一級加載時彈性密封墊的壓縮量以及垂向加載作動器的壓力數據，重復上述操作放松試樣至密封墊恢復到最初狀態后，進行第4次試驗(即重復試驗)。密封墊在壓縮過程中的變化如圖4所示。

(a) (b) (c)

4 試驗結果

4.1管片接縫防水性能試驗

4.1.1 無錯位試驗

通過盾構隧道管片接縫防水性能試驗，得到斷面形式如圖1所示、邵爾A硬度為67度的橡膠密封墊在無錯位情況下接縫耐水壓值與張開量的關系，如圖5所示。試驗結果表明: 彈性密封墊的防水能力隨接縫張開量的減小而增大，邵爾A硬度為67度、斷面形式如圖1所示的三元乙丙橡膠密封墊在接縫錯位量為0和張開量為8 mm的情況下，仍能滿足1.2 MPa的長期防水能力要求。

4.1.2 錯位試驗

通過盾構隧道管片接縫防水性能試驗，得到斷面形式如圖1所示、邵爾A硬度為67度的橡膠密封墊在錯位10 mm的情況下接縫耐水壓值與張開量的關系，如圖6所示。試驗結果表明： 邵爾A硬度為67度、斷面形式如圖1所示的三元乙丙橡膠密封墊在接縫錯位量為10 mm和張開量為8 mm的情況下，仍能滿足1.2 MPa的長期防水能力要求。

圖5 無錯位情況下接縫耐水壓值與張開量的關系Fig. 5 Relationship between water resistant pressure and joint opening under condition of non-dislocation

圖6 錯位10 mm情況下接縫耐水壓值與張開量的關系Fig. 6 Relationship between water resistant pressure and joint opening under condition of 10 mm dislocation

4.2彈性密封墊閉合壓縮力試驗

斷面形式如圖1所示、邵爾A硬度為67度的橡膠密封墊在無錯位情況下的壓縮力與其壓縮量之間的關系如圖7所示。試驗結果表明： 在無錯位情況下，橡膠密封墊在欠壓2 mm(即管片接縫張開量為2 mm)時需要的壓縮力約為58.5 kN/m。

圖7 無錯位情況下壓縮力與密封墊壓縮量的關系Fig. 7 Relationship between compression force and compression displacement of gasket under condition of non-dislocation

4.3閉合壓縮力試驗與管片接縫防水性能試驗的關系

將由橡膠密封墊閉合壓縮力試驗得到的壓縮力除以密封墊的寬度，得到橡膠密封墊接觸面的平均接觸應力，并將其與接縫防水性能試驗結果進行對比分析，如圖8所示。結果表明： 橡膠密封墊接縫防水壓力曲線和密封墊接觸應力曲線變化趨勢相同，在密封墊壓縮量較大時，密封墊接觸應力較大，同時密封墊防水能力較強。根據以往工程結果[11](如圖9所示)，在一定條件下，可以認為密封墊接觸應力曲線能夠較好地擬合接縫防水壓力曲線；而本次試驗結果表明接縫防水壓力曲線高于密封墊接觸應力曲線。試驗結果的差異表明，由于密封墊的防水能力取決于其峰值接觸應力，通過對密封墊斷面結構形式的優化，密封墊峰值接觸應力得到提升，明顯高于密封墊平均接觸應力(壓縮力/密封墊寬度)，密封墊的防水能力將有所提高。

(a) 初始試驗

(b) 重復試驗

(a) 2號密封墊

(b) 4號密封墊

5 結論與討論

采用可三向自動加載的高水壓盾構隧道管片接縫防水性能試驗系統，對與實際工程1∶1的密封墊進行盾構隧道管片接縫防水性能試驗以及彈性密封墊閉合壓縮力試驗。經過試驗研究，得到以下結論與建議。

1)邵爾A硬度為67度時，斷面形式如圖1所示的三元乙丙橡膠密封墊在接縫錯位量為0和張開量為8 mm的情況下，滿足1.2 MPa的長期防水能力要求；在接縫錯位量為10 mm和張開量為8 mm的情況下，仍能滿足1.2 MPa的長期防水能力要求。

2)彈性密封墊的防水能力與接縫張開量有關。彈性密封墊的防水能力隨接縫張開量的減小而增大；彈性密封墊壓縮量較大時，密封墊接觸應力較大，同時密封墊防水能力較強。

3)邵爾A硬度為67度時，斷面形式如圖1所示的三元乙丙橡膠密封墊在無錯位的情況下，欠壓2 mm(即管片接縫張開量為2 mm)時需要的壓縮力約為58.5 kN/m，采用其作為上海市深層排水盾構隧道內外雙道耐高水壓彈性密封墊，能適應盾構機的拼裝能力。

4)推薦將斷面形式如圖1所示的彈性密封墊應用于新型防水形式(雙道三元乙丙橡膠彈性密封墊)的高水壓深層排水、越江跨海等盾構隧道管片接縫防水工程中。

5)假設實際施工過程中實現精確裝配(即管片接縫張開量為0)，則所需的閉合壓縮力將超過盾構機能提供的壓縮力，可考慮通過螺栓預緊等方式進行補償，下一步將針對此問題進行深入研究。

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ExperimentalStudyofSegmentJointSealingGasketFormsofDeepDrainageShieldTunnelinShanghaiunderHighWaterPressure

ZHU Mingqin1, 2, DING Wenqi1, 2, JIN Yuelang1, 2, GONG Chenjie1, 2, SHEN Yi3

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineering,MinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 3.ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200092,China)

The cross-section form of sealing gasket for segment joint of deep drainage shield tunnel in Shanghai with high water pressure (1.2 MPa) is designed and studied so as to meet the long-term waterproofing performance of segment joint sealing gasket under conditions of opening of 8 mm and dislocation of 10 mm. The waterproofing performance and closed compression force of sealing gaskets with different cross-section forms are numerically simulated; the sealing gasket cross-section form with optimal waterproofing and mechanical performance is obtained by comparison and optimization; and the waterproofing performance and closed compression force are tested. The test results show that the sealing gasket with recommended cross-section form (with Shore A Hardness of 67) can meet the requirement of long-term waterproof and requirement of segment assembling under segment joint opening of 8 mm and dislocation of 10 mm and high water pressure of 1.2 MPa.

shield tunnel; high water pressure; segment joint; joint waterproofing experiment; sealing gasket; waterproofing performance

2017-05-08;

2017-09-25

國家自然科學基金(51378388)； 上海市科委科研計劃項目(16DZ1202200，16DZ1201701)

朱洺嵚(1993—)，女，遼寧大連人，同濟大學建筑與土木工程專業在讀碩士，研究方向為隧道及地下建筑。E-mail: Mingqin_Zhu@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.014

U 45

A

1672-741X(2017)10-1303-06