盾構隧道管片接縫防水體系演化歷程與展望

肖明清, 謝宏明， 王士民， *， 鐘元元

(1. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063； 2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031； 3. 江陰海達橡塑股份有限公司， 江蘇 江陰 214424)

0 引言

上海市于1966年修建了打浦路越江隧道[1]，由此開始了我國盾構隧道建設的歷史。期間修建的盾構隧道從使用屬性上看，涉及到鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵隧道、城際專線隧道、高速鐵路隧道以及公鐵合用隧道等，隧道規模亦橫跨小型、中型、大型水下盾構隧道。

近年來，隨著我國盾構隧道建設的不斷推進，隧道的直徑及外水壓力呈現越來越大的趨勢。目前國內有一批超大直徑水下隧道在建或將要開工建設，如深圳春風路隧道(直徑15.2 m)、武漢和平大道南延黃鶴樓隧道(直徑15.4 m)、武漢兩湖隧道(東湖段直徑14.5 m，南湖段直徑15.4 m)、濟南黃河隧道(直徑15.2 m)、杭州秦望路隧道(直徑15.2 m)、武漢二七路長江隧道(直徑15.4 m)等。亦有一批超高水壓盾構隧道，例如： 南京和燕路隧道最高水壓達0.79 MPa[2]、蘇通GIL電力管廊隧道最高水壓達0.80 MPa[3]、江陰靖江長江隧道最高水壓達0.82 MPa[4]、甬舟鐵路金塘海底隧道最高水壓達0.85 MPa、深茂鐵路珠江口隧道最高水壓達1.06 MPa，正在規劃論證的青島膠州灣第二海底隧道最高水壓達1.40 MPa，計劃建設的瓊州海峽大埋深隧道最高水壓達1.7 MPa等。

在水下盾構隧道的設計與建設中，防水是其中非常關鍵的環節[5]，需高度重視。新建設及規劃的水下盾構隧道工程已呈現出大直徑、大埋深、高水壓、地質條件復雜化等特點[6]，因而需要對盾構隧道傳統防水體系進行優化升級，以滿足不斷增加的隧道防水需求。

盾構隧道防水以接縫防水最為關鍵[7]，盾構隧道管片接縫防水體系設計由外到內依次為外側擋砂(水)條、防水密封墊、副防水密封墊(可選)、螺栓孔防水、內側嵌縫引排防水及雙層襯砌的二次襯砌防水。其中，外側擋砂(水)條主要作用為減少盾尾油脂及外部泥砂進入管片接縫；防水密封墊及可選副防水密封墊為目前盾構隧道管片接縫防水的主要措施，發揮主要的防水功能；螺栓孔防水目前無法實現有效密封，因此，密封墊一般布置在螺栓孔的外側；內側嵌縫受材料性能和工藝限制，其防水能力有限，通常僅起到引排的作用。

整個接縫防水體系設計中，外側擋砂(水)條和內側嵌縫變化極少，因此，為應對不斷變化的防水需求，接縫防水體系的演化主要發生在接縫防水密封墊上。接縫防水體系經過不斷演化，產生了多種布置方式，而當前業內對接縫防水體系的描述不夠統一，因此，有必要對接縫防水體系的演化過程進行梳理，并對各種布置方式進行系統性歸類及描述。在此基礎上，為便于統一指代，提出了代系劃分法，并詳細闡述了各代系的構造特征及主要適用范圍。

1 三元乙丙橡膠密封墊基本工作原理

對于盾構隧道管片接縫密封墊的材料，目前多采用遇水膨脹橡膠(或遇水膨脹彈性體)及三元乙丙橡膠(EPDM)。遇水膨脹彈性體在日本應用較為廣泛，受日本影響，國內于20世紀80年代在上海地鐵、廣州地鐵部分線路也采用過遇水膨脹彈性體作為密封墊[8-9]。目前主流有2種類型的遇水膨脹彈性體[10-11]，但由于該膨脹材料的析出率對于當前主流的橡膠老化理論適應性不夠[12]，導致常規的老化試驗難以實現對其耐久性的準確預測，從而引發了對遇水膨脹彈性體老化性能的擔憂。目前，國內盾構隧道接縫防水主流采用多孔三元乙丙橡膠(EPDM)材質的密封墊，歐美國家也多采用該類型的防水密封墊；而對于三元乙丙復合遇水膨脹型密封墊，國內亦有相關研究[13-15]。

三元乙丙橡膠密封墊作為多孔結構，其防水的原理是利用密封墊壓縮過程中，橡膠體產生的較大變形填充了接觸面微觀上的凸凹不平，并在彈性復原力作用下產生較大的接觸應力，阻止液體在接觸間隙中流動，達到密封防水的目的[16-17]。

密封墊防水機制如圖1所示。當管片拼裝時，密封墊壓縮受力，在2條滲水路徑密封墊與密封墊之間、密封墊與溝槽之間分別產生初始接觸應力p10、p20，當受到水壓力pw作用時，密封墊與密封墊之間、密封墊與溝槽之間分別產生附加接觸應力(自封作用)p11、p21； 此時，密封墊間的接觸應力為p10+p11，密封墊與溝槽間的接觸應力為p20+p21，當水壓力大于任何一條滲水路徑的接觸應力，即pw>min{p10+p11,p20+p21}時，將發生滲漏。

pw為水壓力； p10、 p20為初始接觸應力； p11、 p21為附加接觸應力。

盾構管片密封墊失效方式主要體現在2方面： 1)在施工期由于注漿壓力過大致使隧道管片上浮，管片接縫產生大的張開量及錯臺量導致密封墊失效； 2)盾構隧道在長期不良地質影響下，管片之間發生明顯變形，接縫產生大的張開量及錯臺量導致密封墊失效，接縫之間的內外張角亦可造成密封墊防水失效[18]。因此，如何保證一定張開量及錯臺量下的密封墊防水性能是管片接縫防水的關鍵。

基于此特點，可通過調整密封墊孔型、高度、寬度、硬度、截面面積等參數，滿足不同張開量、錯臺量及設防水壓的防水要求[19-21]。

2 管片接縫防水體系演變歷程

早期盾構隧道管片接縫采用單道密封墊防水，材質多為三元乙丙橡膠和氯丁橡膠，少部分采用三元乙丙復合遇水膨脹彈性體。隨著盾構直徑及埋深的加大，防水要求越來越高，傳統的單道密封墊的防水效果與可靠性已不能滿足要求。對于水壓力0.6 MPa左右的水下盾構隧道，出現了三元乙丙橡膠密封墊+遇水膨脹彈性體的防水布置方式；對于水壓力0.8 MPa左右的水下盾構隧道，接縫防水的布置方式演變為2道三元乙丙橡膠密封墊或2道三元乙丙橡膠密封墊+遇水膨脹彈性體。然而，對遇水膨脹彈性體密封條而言，是否將其與三元乙丙橡膠同等視為一道防水目前尚無定論，業內對接縫防水體系的描述不夠統一。因此，有必要對接縫防水體系的演化過程進行梳理，并對各種布置方式進行系統性歸類及描述，以便在防水設計中依據不同的防水需求更精準地選擇合適的防水體系。

2.1 第1代管片接縫防水體系

2.1.1 體系構造特征

第1代管片接縫防水體系為單道密封防水，布置于螺栓孔外側，如圖2所示。早期國內第1條盾構過江隧道——上海打浦路隧道的單道密封材料為環氧樹脂砂漿，全斷面澆抹黏結防水為主，后采用單排孔和槽腳組合的氯丁橡膠，最后發展為以三元乙丙橡膠為主要材料的多孔形密封墊。

圖2 第1代管片接縫防水體系

在第1代接縫防水體系中，防水密封墊作為防水主體，同時沿密封墊溝槽外側設置遇水膨脹擋砂(水)條，主要用于阻擋泥砂涌入，確保密封墊的正常工作狀態，擋砂(水)條材質通常選用遇水膨脹彈性體或聚氨酯彈性體。防水密封墊多為三元乙丙橡膠材料，其材質具有壓縮永久變形量小、應力松弛變化率低、耐老化性能佳的特點。從對接縫密封墊防水性能進行修復的角度考慮，后期也有在三元乙丙橡膠頂部復合1層遇水膨脹彈性體，當密封墊間出現滲水時，遇水膨脹彈性體通過遇水膨脹在密封墊間接觸面上產生垂直方向的壓力，改善密封墊接觸面的受力狀態，從而起到對密封墊防水性能的修復作用。

2.1.2 主要工程應用

早期建設的盾構隧道通常采用第1代接縫防水體系，在地鐵隧道(如上海地鐵[22]、南京地鐵[23]、西安地鐵[24]、成都地鐵[25])及小直徑盾構隧道[26]應用較為成熟，上海早期修建的打浦路隧道、延安東路隧道等多條10 m級穿越黃浦江的水下隧道也采用該防水體系。第1代接縫防水體系的典型密封墊截面形式及其應用項目如表1所示。

表1 第1代接縫防水體系工程應用

由于普通地鐵隧道的管片直徑約6 m左右，因施工誤差或長期沉降造成管片接縫的張開量與錯臺量不大，設防張開量約為6 mm，錯臺量為8～10 mm；同時，大多數地鐵隧道埋深較淺，隧道所承受的實際水壓不大，在0.3～0.4 MPa。因此，從表1可以看出，地鐵隧道所用密封墊底部寬度約33 mm左右，高度約16 mm左右，該尺寸的密封墊能夠滿足大多數地鐵隧道的防水要求，且具有較小的拼裝反力，對早期盾構的拼裝力要求較低，有利于盾構施工。

2.1.3 存在的問題與主要適用范圍

從盾構管片結構抗彎上來說，由于密封墊溝槽的尺寸關系到管片外側抗彎區的削弱程度[28]，而小型的地鐵隧道管片厚度較薄，在300～350 mm，因此較小的密封墊對應較小的溝槽尺寸，能降低對管片外側抗彎區的削弱，提高管片結構受力安全性。

由此可見，第1代接縫防水體系主要適用于直徑6 m左右，設防張開量、錯臺量不大，實際水頭不高的小型盾構隧道；亦適用于直徑較大，但地質條件較好、水壓相對較低的隧道，如延安東路隧道[29]等。

2.2 第2代管片接縫防水體系

2.2.1 體系構造特征

隨著盾構隧道的水壓和直徑進一步增大，傳統的接縫防水體系已無法滿足日益增加的工程防水需求。因此，在傳統接縫防水體系的基礎上演化出單道三元乙丙橡膠+遇水膨脹彈性體形成“一主一輔”的第2代接縫防水體系，如圖3所示。

(a) 同側連續布置 (b) 兩側分開布置

第2代接縫防水體系的特點是外側主防水為三元乙丙橡膠，內側輔助防水為遇水膨脹彈性體，考慮當外側主防水三元乙丙橡膠密封墊局部失效后，內側輔助防水遇水膨脹彈性體吸收滲漏水后發生膨脹，通過膨脹產生的接觸應力達到二次止水的目的。此外，對于同側連續布置的第2代接縫防水體系(見圖3(a))，內側遇水膨脹彈性體可通過膨脹對滲漏點進行封堵，進而實現對外側密封墊的“即時補強”。同時，遇水膨脹彈性體由于其所需壓縮量較小，產生的壓縮反力不大，對于管片接縫整體拼裝力的影響較小。因此，第2代接縫防水體系相較于傳統接縫防水體系的優勢在于，能夠在不影響管片拼裝力的前提下提高接縫防水性能與可靠性。

2.2.2 主要工程應用

第2代接縫防水體系的典型密封墊截面形式及其應用項目如表2所示。

表2 第2代接縫防水體系應用

從表2可以看出，對于承受實際水壓為0.5～0.6 MPa的隧道，設防張開量為8 mm、錯臺量為15 mm，是近期大直徑盾構隧道的常規經驗設防量。同等條件下，更大直徑的盾構隧道因施工誤差或縱向變形造成管片接縫的張開量與錯臺量較小直徑盾構隧道的大。此時，密封墊的尺寸也隨之增大，底部寬度在40 mm左右，密封墊高度在22 mm左右，以適應管片接縫更大張開量及錯臺量、更高水壓的防水要求。

2.2.3 存在的問題與主要適用范圍

從盾構管片結構抗彎上來說，三元乙丙橡膠密封墊的溝槽尺寸進一步增大，且三元乙丙橡膠密封墊旁增設遇水膨脹彈性體時，將更進一步削弱管片外側抗彎區強度。管片抗彎在何種密封墊布置方式下能夠滿足隧道結構安全要求需視情況而定，當接縫承載安全性能夠得到保證時，可采用圖3(a)形式，如武漢三陽路隧道[31]、佛莞獅子洋隧道[32]等；當需要均衡接縫正負抗彎剛度時，可采用圖3(b)形式，將三元乙丙橡膠密封墊及遇水膨脹彈性體分別布置在螺栓孔兩側，如南京地鐵10號線越江段盾構隧道[33]等。

由此可見，第2代接縫防水體系主要適用于直徑10 m左右，設防張開量、錯臺量不超過工程常設的張開8 mm、錯臺15 mm，實際水頭壓力0.5～0.6 MPa的隧道。

2.3 第3代管片接縫防水體系

2.3.1 體系構造特征

當盾構隧道的水壓和直徑更進一步增大，因施工誤差或縱向變形造成管片接縫的張開量與錯臺量將更大，尤其是地處不良地質條件及高烈度地震斷裂帶的盾構隧道，其管片接縫張開量、錯臺量對防水布置方式及密封墊的構造形式提出了更高的要求。第2代接縫防水體系中遇水膨脹彈性體因其膨脹止水需要一定的邊界條件限制，在管片接縫張開量進一步增大的情況下，遇水膨脹彈性體的膨脹空間變大，其膨脹止水的效果顯著降低，無法滿足更高的防水要求。因此，在第2代接縫防水體系的基礎上，演化出內外2道均為三元乙丙橡膠密封墊主防水的第3代接縫防水體系(見圖4)。德國易北河第4(公路)隧道率先采用雙道密封墊防水[34]，國內最先采用雙道密封墊防水的為武漢長江隧道[35]，密封墊形式如圖4(a)所示。

(a) 兩側純三元乙丙橡膠 (b) 緊挨外側增加遇水膨脹彈性體

第3代接縫防水體系的特點是外側主防水為三元乙丙橡膠，內側防水也為三元乙丙橡膠，同時內側防水密封墊截面形式可依據實際防水需求進行調整，與外道形成多種組合防水形式，靈活多變。該方式在外道密封墊失效后，內道密封墊相較于第2代內道遇水膨脹彈性體能夠兼容更大的張開量及錯臺量，大大提高了雙道密封墊的防水儲備空間； 另外，因施工質量等原因造成其中一道密封墊局部失效，此時另一道密封墊即可發揮主防水的作用，降低施工誤差導致的系統性防水風險。

目前螺栓孔防水一般采用遇水膨脹彈性體材料，在施工過程中，遇水膨脹彈性體由于強度不夠，在螺栓擰緊時產生的扭轉力作用下易遭受破壞，導致防水能力大大降低；同時，螺栓孔的遇水膨脹彈性體防水能力不及主防水密封墊，在螺栓孔兩側布置的多道防水密封墊的外道防水密封墊失效后，滲漏水易從螺栓孔處直接滲流進隧道內，導致內道防水密封墊未能發揮應有的防水能力[36-37]。因此，螺栓孔防水性能極大地限制了螺栓孔內外側雙道密封墊防水體系的防水能力，使其不可避免地成為了內外雙道三元乙丙橡膠密封墊防水體系的短板和瓶頸，無法充分發揮雙道防水的優越性。

有鑒于此，鐵四院對第3代接縫防水體系進行了改良，率先提出一種螺栓孔外側間隔布置雙道密封墊的防水方式，如圖5所示。該方式的核心理念是既避免螺絲孔成為接縫防水短板，又有效利用雙道防水密封墊之間的水壓提高外道密封墊的防水能力。相關試驗表明，螺栓孔外側間隔設置雙道密封墊的防水體系的綜合防水性能較同規格單道密封墊防水性能提升約30%。該新型防水方式已經首次被應用于江陰靖江長江隧道與甬舟鐵路金塘海底隧道[38]。

圖5 外部雙道密封墊

2.3.2 主要工程應用

第3代接縫防水體系的典型密封墊截面形式及其應用項目如表3所示。

表3 第3代接縫防水體系應用

從表3可以看出，對于承受實際水壓近0.8 MPa左右的隧道，密封墊的尺寸也隨之增大，底部寬度在40～44 mm，密封墊高度在24～28 mm，以適應管片接縫更大張開量及錯臺量、更高水壓的防水要求。其中，蘇埃通道工程地處8度地震烈度區，且隧道穿越3段硬巖凸起及軟硬不均等不良地質條件，為應對其在地震中可能出現的極大張開量，首次采用3排孔且高度達32 mm的密封墊，以保證在管片接縫發生大張開量時，密封墊仍有足夠的壓縮量來保證有一定的防水能力[40]。

2.3.3 存在的問題與主要適用范圍

從盾構管片結構抗彎及拼裝受力來說，第3代接縫防水體系中，螺栓孔兩側分別布置三元乙丙橡膠密封墊方式的拼裝受力更均勻合理，且對管片外側抗彎區的削弱有限；螺栓孔外側間隔布置雙道密封墊防水方式由于密封墊壓縮反力均作用在管片外側，對管片拼裝受力有一定影響，但隨著盾構技術的進一步發展，該問題將得到有效緩解，而外側間隔布置雙道密封墊的溝槽對管片外側抗彎區的削弱經過相關計算及試驗研究，發現當管片厚度達到一定值時，能夠滿足接縫承載安全性要求。因此，大直徑盾構隧道的管片厚度較大，給第3代接縫防水體系的靈活性提供了足夠的空間。

由此可見，第3代接縫防水體系主要適用于超大斷面、超高水壓及地質條件較差的隧道。

3 接縫防水體系面臨的問題

縱觀國內外水下盾構隧道的發展趨勢與接縫防水體系的演變歷程，前2代接縫防水體系已經成熟，可以預見，隨著盾構直徑越來越大，水壓越來越高，盾構隧道更多采用第3代接縫防水體系已然成為一種趨勢。

3.1 防水體系韌性研究

當雙道密封墊均布置在管片螺栓孔外側時，能避免螺栓孔成為滲水通道，但其對于管片外側受壓區的削弱較大，對于管片拼裝及接頭受力均會產生不利影響。同時，當管片橫截面積不足，如小直徑、薄管片需采用雙道密封墊時，必須采用螺栓孔內外兩側布置，此時螺栓孔防水的重要性凸顯。因此，有必要開展螺栓孔防水研究，增強螺栓孔防水能力，進一步提高密封墊布置方式的靈活性及韌性。

密封墊位于拼裝緊密的管片之間，目前尚無更換方法，當密封墊失效后，是否有相關的取代、補救備案等附加措施有待進一步研究。復合材料密封墊的出現即體現了對密封墊防水性能修復的考慮，當密封墊間出現滲水時，遇水膨脹彈性體通過遇水膨脹在密封墊間接觸面上產生垂直方向的壓力，改善密封墊接觸面的受力狀態，從而起到對密封墊防水性能的修復作用。但當前復合密封墊多在頂部進行硫化共擠復合，僅能解決密封墊間滲漏水的修復，因此可考慮將密封墊上下界面均復合遇水膨脹彈性體，充分保證2條滲水路徑均能遇水膨脹修復，切實提高防水體系的防水韌性。

3.2 極端工況下防水體系研究

越來越多的盾構隧道面臨穿越活動斷層帶的問題[41-43]，活動斷層會導致管片發生大錯臺。第1代及第2代接縫防水體系已很難適應大錯臺工況，而第3代接縫防水體系需要針對大錯臺進行雙道密封墊的選型及優化。同時，應考慮第3代接縫防水體系密封墊布置方式對管片拼裝與受力的影響，探索更合理的接縫防水及結構受力協同作用方式。

對于地處高烈度區的盾構隧道，隧道管片接縫在地震作用下發生瞬時大張開及大錯臺，外部泥砂可能涌入管片接縫。接縫防水體系既需要應對瞬時大張開及大錯臺，又需要在震后保持良好的防水能力； 因此，有必要開展地震作用下防水體系極限工況適應性及可恢復性研究，開發適用于高烈度區和抗震不利條件下盾構隧道的抗震型防水體系。

3.3 密封墊受力狀態下耐久性研究

目前，三元乙丙橡膠密封墊的耐久性研究多集中在普通地下環境，且在受力狀態下的老化研究未見報道。密封墊作為多孔橡膠結構，在壓縮受力狀態下，應力集中現象不可避免，而應力集中又會加速密封墊材料老化； 同時不同張開量、錯臺量情況下受力狀態不同，則其老化狀態亦有不同；因此，受力狀態下的密封墊老化研究十分必要。此外，隨著水下隧道的不斷修建，一些隧道對設計使用年限也提出了更高的要求，由以往的100年提高至120～150年，有必要研發適用于更長使用壽命的新型防水材料。

對上述3代接縫防水體系進行總結，并提出未來可能面對的問題以供探討，如表4所示。

表4 接縫防水體系總結及面臨的問題

4 結語

隨著我國越江跨海盾構隧道的日益興建，水下盾構隧道直徑及埋深不斷增大，防水要求也越來越高，對接縫防水體系提出了更高的要求，前2代接縫防水體系雖已成熟，但已無法應對更高的防水需求。第3代接縫防水體系以其靈活的布置方式正在快速發展與投入應用，仍需開展大量的研究工作。當第3代接縫防水體系趨于成熟后，結合更加成熟的螺栓孔防水及更大直徑、更厚管片提供的充足布置空間，將能滿足更高的防水要求。同時，隨著整個防水體系中新材料、新構造、新工藝等方面的突破，或將產生第4代新型接縫防水體系。在新型接縫防水體系研發方面，建議針對水下盾構隧道的特點進行深入研究，結合具體工程實現研究成果的應用轉化，經反復驗證后可考慮將其納入標準規范，進一步推動我國大型水下盾構隧道建設的快速發展。