盾構法隧道管片用軟木橡膠襯墊的研究

劉冠瑜，李 波，莊 澎，貢 健

（江陰海達橡塑股份有限公司，江蘇 江陰 214424）

構筑公路、鐵路、地鐵等的隧道的主要施工方法是盾構法，盾構管片是盾構法的主要裝配構件，是隧道的最內層屏障，承擔著抵抗土層壓力、地下水壓力以及一些特殊荷載的作用。盾構管片由高強度抗滲混凝土制造，是盾構法隧道的永久襯砌結構，其質量直接關系到隧道的整體質量和安全，影響隧道的防水性能及耐久性能。為防止拼裝時破損，管片的環面和縱向面上需粘貼傳力襯墊。近年來，我國在隧道工程中越來越多地使用軟木橡膠作為傳力襯墊。由于沒有國外標準可以參照，相關設計或投標文件經常提出一些不合理甚至存在較大錯誤的技術指標，并互相引用，對施工質量造成不良影響。為此，國家標準化管理委員會下達2012年度質檢公益性行業科研專項標準化項目《防腐、減震用橡膠新材料重要標準研究》，其中減震用橡膠新材料（包括“聲屏障橡膠件”和“盾構法隧道管片用軟木橡膠襯墊”）的研究和標準起草、編制由江陰海達橡塑股份有限公司 承擔。

本文簡介盾構法隧道管片用軟木橡膠襯墊的配方和工藝試驗以及標準制訂情況。

1 軟木橡膠襯墊在盾構管片中的應用

國外早在修建蘇伊士運河阿哈默德-哈姆迪（Ahmed Hamdi）隧道（1980年建成）時就曾經將軟木板與其他材料進行過對比試驗，但最終采用膠乳水泥墊板。我國在盾構管片中使用軟木橡膠襯墊始于20世紀80年代，首先在上海延安東路越江盾構道路隧道建設（1984—1988年）中選用軟木橡膠傳力襯墊用以分散應力集中[1-2]。上海市隧道工程設計研究所（上海市隧道工程軌道交通設計研究院前身）對多種材料進行研究，發現用車輛剎車膠墊材料——軟木丁腈橡膠（NBR）加工的多孔軟木碎粒壓縮性好，摻合膠料后壓縮回彈性較軟木更好，泊松比更為恰當，厚度減小，造價合理。當時汽車剎車片有耐油要求，膠墊用耐油性好的軟木NBR制備，試驗表明可用作盾構隧道縱縫緩沖膠墊。軟木橡膠傳力襯墊在延安東路越江隧道實踐應用比較成功，使應力均布，起到一定的緩沖作用，減少了管片邊角的碎裂，客觀上有助于管片混凝土結構的抗裂與防水。此后，軟木橡膠襯墊作為盾構管片的傳力襯墊，在上海、北京、天津、廣州、武漢、成都、昆明、南寧、無錫、蘇州等城市的地鐵和軌道交通以及越江隧道工程得到擴大應用，引黃工程和南水北調工程也采用該 產品。

在盾構管片中應用時，根據管片的拼接方法（環縫、縱縫或變形縫）以及受力情況，選用不同硬度和厚度的軟木橡膠襯墊。近20年的設計、施工和使用實踐表明軟木橡膠襯墊在盾構管片拼裝作業中，對管片的緩沖、抗碎裂有明顯效果，避免了拼裝過程中管片的破損，而一旦管片被撞擊破損，產生貫穿裂縫或使密封墊外露，造成隧道滲漏水，后果嚴重。管片、軟木橡膠襯墊以及管片拼裝施工如圖1所示。

圖1 隧道盾構管片及拼裝示意

2 配方研究

軟木橡膠襯墊是以橡膠與軟木為主要組分的復合材料，在橡膠中加入軟木粒，對橡膠產品進行改性，以此增大硫化膠的可壓縮性、可恢復性等。我國自1965年起就用橡膠代替使用多年的蛋白質粘合劑，改進了軟木制品的性能，擴大了用途。20世紀八九十年代，我國開發了許多軟木橡膠制品，主要有車輛制動摩擦片[3-4]、鐵路軌枕 墊[5-6]和密封制品[7-9]，其中在變壓器密封件中的應用效果最為突出，《軟木橡膠密封制品》已作為行業標準頒布[10-11]。雖然一些文獻[9，12]報道過有關軟木橡膠的配方設計和基本性能，但涉及盾構管片用軟木橡膠襯墊的配方研究尚未見公開報道，因此本工作結合產品的使用要求有針對性地進行配方研究。

2.1 主要原材料

2.1.1 軟木粉

軟木由空心的微孔細胞堆砌而成，1 m3軟木約有1 500萬～4 000萬個細胞。典型的軟木細胞直徑約30 μm，細胞壁厚度約1～2 μm，細胞為六邊形蜂窩狀結構（見圖2）。軟木細胞中1/2以上（以體積計）是空氣，形成一個個密閉的氣囊，受壓后氣囊變小，細胞內壓力升高，失去壓力時，細胞內壓力降低，細胞恢復原狀。橡膠與軟木復合可以集軟木與橡膠的優點于一體，既具有軟木的可壓縮性，又具有橡膠的高彈性和柔軟性，可壓縮性大，解壓恢復率高，而且具有比橡膠高的抗壓強度。利用軟木橡膠的這種特性制成軟木橡膠墊貼在管片上，不但可以緩沖、防撞，而且還起傳力作用，緩和管片局部應力分布、分散應力集中，保護管片在運輸和拼裝過程中免受碰撞損壞。

圖2 軟木細胞的顯微結構

軟木的選用比橡膠復雜，因為軟木化學組成復雜，軟木粉粒主要是以天然樹木——櫟樹的栓皮為原料制造而成，產地（國家和地區）、樹種樹齡、木栓質量、粒度以及與橡膠的復合比例均會明顯影響軟木橡膠的硬度、強度和壓縮可恢復性。歐洲具有地中海氣候的葡萄牙、西班牙以天然櫧樹為原料制造軟木粉，其質量優于以天然櫟樹栓皮為原料制造的國產軟木粉，但成本較高。本研究基于成本考慮，選用國產軟木粉。我國軟木產地分布很廣，遍及300多個縣市，但以環北緯32～35度的山區質量最佳，例如秦巴山區（陜西寶雞、鳳翔，四川巴中、南充等地）。

軟 木 粒徑 為0.15，0.18，0.25，0.38，0.52和0.83 mm時軟木NBR（邵爾A型硬度為70度、含膠率30%）恒定形變下壓縮可恢復性分別為92%，74%，84%，94%，88%和62%。可見，軟木粒徑以0.3～0.5 mm為宜。恒定形變下壓縮可恢復性的試驗方法參見GB/T 31061—2014附錄A[13]。

2.1.2 橡膠

試驗方法參照文獻[13]，對比NBR、天然橡膠（NR）和丁苯橡膠（SBR）對軟木橡膠壓縮可恢復性以及壓縮應力的影響，3種軟木橡膠的含膠率均為30%，試驗壓縮率分別為30%（邵爾A型硬度70度）、20%（邵爾A型硬度80度）和10%（邵爾A型硬度90度），結果見圖3。

圖3 膠種對軟木橡膠壓縮性能的影響

由圖3可見，3種橡膠中，SBR膠料性能最差。NBR膠料的壓縮可恢復性高（回彈性好）、壓縮應力小（可壓縮性大），效果最好。此外NBR與軟木混煉分散性較好，而且耐油（可以避免在存放和施工場所被油類污染受損）。NR膠料性能雖遜于NBR膠料，但其與軟木的粘合性和強度優于NBR膠料，不過NR與軟木混煉分散性較差，配合劑分散不夠均勻，而且不耐油。綜上所述，本研究選用NBR，結合混煉、擠出和硫化工藝，選用中高丙烯腈含量（丙烯腈質量分數為0.31～0.35）、中等門尼粘度[ML（1+4）100 ℃為45～60]的NBR。

2.1.3 硫化體系

軟木橡膠一般采用硫黃/促進劑硫化體系。在橡膠中加入軟木后，達到正硫化點所需的時間延長。這主要是由于軟木為多孔結構，加入橡膠后對助劑有吸附作用；軟木體積大，加入橡膠后混煉膠體積增大，單位體積助劑減少所致。因此，要得到相同硫化效果，需要增大硫化體系用量或增大超促進劑（如秋蘭姆、硫代氨基甲酸鹽）用量，但可能導致焦燒和噴霜。研究發現，添加二烷基硫脲促進劑可以在不過量使用超促進劑的情況下提高膠料硫化速率和交聯程度且不噴霜，這是以往軟木橡膠配方設計中未出現的，具有創新性。

在消融療效的評價方面，常規超聲作用甚微。因為消融灶為等回聲，且周圍沒有完整的包膜，所以在常規超聲上很難將消融灶與周邊肝組織區別開，也就無法準確判斷腫瘤消融后邊界，難以評估消融的療效。

2.1.4 防老劑

軟木橡膠是淺色制品，易受日光（紫外光）攻擊。試驗表明[14]，使用紫外光耐候試驗箱模擬自然環境進行耐候試驗，按ISO 7322[15]進行評價，軟木NBR的性能比原料軟木下降幅度大（見表1），因此必須添加有效的防老劑。本研究選用一種受阻酚型防老劑WL[Wing-Stay L，2，2＇-亞甲基雙（6-α-甲基芐基對甲酚），法國伊利歐公司中國工廠產品]，該防老劑揮發性極小、抗老化效能高、持久性長且對硫化無影響，優于常用的淺色防老劑（防老劑264，2246和MB）。

表1 原料軟木與軟木橡膠耐候性對比

2.1.5 補強填充劑

選用適當的補強填充劑（沉淀法白炭黑、陶土和輕質碳酸鈣）并調整其用量，可達到設計硬度等物理性能以及工藝要求，并可顧及產品成本。

2.1.6 增塑劑

選用NBR常規酯類增塑劑，例如增塑劑DOP或DOTP。

2.1.7 其他

盾構管片拼裝完成后，軟木橡膠襯墊的任務完成，無需防水，管片接縫之間的密封防水則由設計于管片上的彈性密封墊（三元乙丙橡膠/遇水膨脹橡膠復合密封條）承擔。因此軟木橡膠襯墊的配方設計一般不需要考慮添加防霉劑。但是設計、施工單位如有防霉要求，經雙方商定，也可添加。本研究發現添加防霉劑791（四氯間苯二甲腈），防霉等級可達二級。

2.2 優選配方

（1）邵爾A型硬度為70度級別：NBR（丙烯腈質量分數為0.34） 100，軟木粉（粒徑0.38 mm） 110，補強填充劑 30，氧化鋅 5，硬脂酸 1，防老劑WL 1.5，增塑劑DOP 50，硫黃 2.5，促進劑（TMTD/DM/二烷基硫脲） 3.8，防霉劑791（視需求） 0或2，合計 303.8或305.8，含膠率 32.9%或32.7%。

（2）邵爾A型硬度為80度級別：NBR（丙烯腈質量分數為0.34） 100，軟木粉（粒徑0.38 mm） 130，補強填充劑 40，氧化鋅 5，硬脂酸 1，防老劑WL 1.5，增塑劑DOP 35，硫黃 2.5，促進劑（TMTD/DM/二烷基硫脲） 3.8，防霉劑791（視需求） 0或2，合計 318.8或320.8，含膠率 31.4%或31.2%。

（3）邵爾A型硬度為90度級別：NBR（丙烯腈質量分數為0.34） 100，軟木粉（粒徑0.38 mm） 160，補強填充劑 45，氧化鋅 5，硬脂酸 1，防老劑WL 1.5，增塑劑DOP 30，硫黃 2.5，促進劑（TMTD/DM/二烷基硫脲） 3.8，防霉劑791（視需求） 0或2，合計 348.8或350.8，含膠率 28.7%或28.5%。

3 生產工藝

3.1 混煉

軟木橡膠的傳統混煉方法是用開煉機混煉。由于軟木呈多孔狀，密度小、容積大（密度是NR和NBR的1/4～1/5），因此用開煉機軋煉困難，軟木及其他助劑不易分散，粉塵大，混煉時間長，還容易粘輥或脫輥，不但影響混煉膠質量，還影響生產效率。本研究開發了用密煉機混煉軟木橡膠的技術，對密煉機投料容量、混煉溫度和時間、加料順序、壓砣加壓次數都進行了試驗，獲得適宜的工藝參數，在生產中得到應用。改開煉為密煉是本研究的技術創新。

密煉參數與工藝：密煉機規格75 L，密煉機轉速30 r·min-1，填充因數0.75，手工投料，按正常密煉工藝進行，但硫化體系不在開煉機上投加，而在密煉機中混煉。先將生膠與除硫黃和促進劑外的配合劑在密煉機中混煉，加料順序為生膠→軟木粉→補強填充劑→增塑劑，排膠溫度135 ℃。冷卻后再投入硫黃和促進劑進行混煉，至80 ℃ 排膠。

3.2 硫化

橡膠和軟木的混煉膠與單純橡膠混煉膠不同，軟木的加入使橡膠的流動性明顯減弱，且具有一定的不可壓縮性（軟木含量越大，不可壓縮性越大）。因此，出片時應嚴格控制厚度及公差。本研究經過多次試驗，了解了模壓硫化前后軟木的體積比，從而控制混煉膠的投料量，提高了產品的尺寸穩定性和成品合格率。產品采用1 000 mm× 800 mm平板硫化機硫化，硫化溫度為150 ℃。

4 標準和性能

通過調研、資料收集、反復試驗積累數據以及征求生產企業和用戶意見，以江陰海達橡塑股份有限公司為首的起草單位提出了國家標準草案，國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會于2014年12月22日發布國家標準GB/T 31061—2014《盾構法隧道管片用軟木橡膠襯墊》，該標準已于2015年6月1日正式實施。

由于用現行的軟木密封制品標準[10-11]和非金屬墊片材料標準[16]的試驗方法來測試軟木膠墊的壓縮性能誤差大，重復性不好，本研究開發了創新的試驗方法——《軟木膠墊恒定形變下的壓縮可恢復性和壓縮應力的試驗方法》，使用電子拉力試驗機，簡便易行，誤差小，重復性好。此試驗方法已被GB/T 31061—2014采用。

以本研究優選配方在江陰海達橡塑股份有限公司生產的產品實際性能以及國家標準指標如表2所示。

表2 產品實際性能與國家標準指標

5 應用前景

隨著我國地鐵、城際軌道等公共交通的加大投入，盾構技術得到了很大發展。軟木橡膠襯墊對于管片施工的防護功能至關重要，其施工操作方便、安全、可靠也得到廣泛認可，成為隧道盾構管片的必備材料之一。

至2013年年底，江陰海達橡塑股份有限公司共供應了約80萬環軟木膠墊，約折合1 000 km的隧道（包括地鐵、水利、公路、電力和輸氣隧道等，其中90%以上為地鐵隧道），并且經多年的使用，沒有出現任何不良反映，得到客戶的一致好評，說明江陰海達橡塑股份有限公司的軟木橡膠襯墊適應工程施工要求。隨著國內大量地鐵工程的上馬（目前有超過33個城市在建設地鐵），每年的盾構隧道工程達300 km以上。每千米大約有700環管片，每環管片軟木膠墊的使用量約為3 m2，折合每千米用量為2 100 m2。軟木膠墊的應用日益廣泛，技術也隨之日益成熟，有良好的應用前景。

致謝：本文在撰寫過程中得到北京橡膠工業研究設計院謝忠麟教授級高級工程師指導并審閱，深表謝忱！