超大直徑盾構隧道管片接縫防水密封墊設計及優化

傅珂

（江西省公路投資有限公司，江西 南昌 330052）

1 彈性橡膠密封墊設計

1.1 設計思路

通過對國內外類似工程接縫防水設計問題的研究表明，超大直徑盾構隧道管片構造防水設計必須考慮以下方面：⑴防水密封墊按單道還是雙道設置。超大直徑盾構隧道幾乎均按單道設置防水密封墊，即便是承受高水壓的盾構隧道也設置單道密封墊，并在內側增設緩沖材料，所以，根據類似工程實踐經驗，本隧道設置單道橡膠密封墊，并增設擋水條使其與密封墊共同構成雙道防水防線[1]。⑵密封墊構造的防水性與耐久性。為增強密封墊結構的防水性與耐久性，除采用常規性措施外，還重點檢測多孔特殊斷面彈性密封墊的應力松弛情況，調整和改善孔槽布置形式，分析最佳斷面構造；加強遇水膨脹性橡膠材料干濕循環及膨脹樹脂析出量等的檢測。結果表明，遇水膨脹性橡膠材料干濕循環主要受循環次數和循環周期[2]的影響，而遇水膨脹性橡膠材料膨脹樹脂析出量檢測結果則主要受其他填料的較大干擾。

1.2 管片溝槽形式及密封墊尺寸

根據國內外相關設計經驗，應按照將橡膠密封墊全部壓縮至溝槽的壓應力進行溝槽尺寸的確定，在所確定出的溝槽尺寸基礎上，進一步根據密封墊最大張開量以及壓應力值確定密封墊高度和寬度，公式如下：

式中：A表示彈性密封墊溝槽斷面面積（cm2）；A0表示彈性密封墊斷面面積（cm2）；α、α’分別表示彈性密封墊壓縮率最大值和最小值（%）；B表示接縫張開量允許值的50%；T表示密封墊設計高度（cm）；δ表示設計水壓力下接縫內密封墊允許張開量（cm）；D表示襯砌結構外徑（m）；ρmin表示隧道縱向撓曲曲率半徑最小值（cm）；δ0表示環縫間隙（cm）；δs表示隧道變形所導致的接縫變形的增量（cm）。

在應用上述公式進行本超大直徑盾構隧道管片接縫防水密封墊設計的過程中，必須加強對孔洞協調變形；密封墊全部壓縮至溝槽所產生的閉合壓縮力；管片按照最大張開量設計時應力分布；不同孔洞所造成的應力集中；長期應力松弛影響密封墊防水性能等的考慮，并最終得出滿足本隧洞防水要求的密封墊斷面形式。

1.3 密封墊及防水條材質

本工程盾構隧道橡膠密封墊采用三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠的復合材料，其中，三元乙丙橡膠硬度為62±5°，拉伸強度不小于10.5MPa，斷裂伸長率至少350%，防霉變等級在Ⅰ級以上，70℃拉伸強度變化率不小于-15%，斷裂伸長變化率不小于-30%，硬度變化在6°以下；遇水膨脹橡膠硬度45±7°，拉伸強度不小于3MPa，斷裂伸長率不小于400%，180d質量變化率不超過2%，體積膨脹率在400%以上，反復浸水后的拉伸強度不小于2MPa，斷裂伸長率不小于250%，體積膨脹倍數不小于300%。

在彈性橡膠密封墊外側增設擋水條，擋水條具有遇水膨脹性能以及阻擋回填注漿液、防止盾尾油脂滲入縫隙、延長密封墊耐久性等作用。本工程擋水條采用聚氨酯彈性體材料，該材料硬度45±7°，拉伸強度不小于0.4MPa，斷裂伸長率在800%以上，體積膨脹率達360%以上，加熱加速狀態下質量變化率在2.5%以下。該材料作為新型防水材料，在加熱加速拉伸等情況下質量變化率不大，遇水膨脹后其拉伸強度反而增大，性能優越。

1.4 密封墊形式

本文提出7種密封墊斷面形式，其中前5組為初選形式，在前5組形式的基礎上，進一步分析整理影響密封墊防水性能的因素，并通過調整開孔率和壓縮率對前5種截面形式進行改進和優化，最終得出后2種方案形式，具體參數見表1。

表1 密封墊設計參數

2 密封墊防水性能試驗

通過高水壓試驗進行橡膠接縫密封墊防水性能的研究，并通過比較不同斷面形式密封墊的防水效果，不斷優化密封方案設計。在錯動量1.5cm、接縫張開量分別為6.0cm、7.0cm和8.0cm的情況下，防水性能試驗結果詳見表2：

表2 密封墊防水性能試驗結果

由于該超大直徑盾構隧道管片接縫防水彈性密封墊在設計過程中所設定的極限狀態下張開量最大值為0.6cm、錯動量最大值為1.5cm，其長期防水能力為0.72MPa，從上表的試驗結果可以看出，只有斷面形式編號7的方案符合防水能力設計要求。

超大直徑盾構隧道管片接縫防水密封墊除應滿足防水要求外，其所具備的裝配力也應符合設計要求，便于安裝施工。本隧道管片接縫防水密封墊裝配力設計值為100kN·m-1。根據對不同斷面形式接縫張開量與裝配力的關系曲線（圖1）的分析可知，不同斷面形式下密封墊裝配力和壓縮變形導致接縫張開量之間的關系存在很大不同，斷面形式1和3在張開量較大的情況下，裝配力曲線變動趨勢較為緩和，而當張開量減小后，裝配力迅速增大，并以超過設計允許值；其余斷面形式下無論張開量如何變化，其裝配力曲線均較為平緩，其中形式2和6的最大裝配力在160kN·m-1以下，形式4、5、7的最大裝配力在100kN·m-1以下。可見，斷面形式7既滿足密封墊防水性能要求，又符合裝配力要求，為推薦方案。

圖1 不同斷面形式接縫張開量與裝配力的關系

3 結語

本文結合國內外研究成果及設計經驗，基于當前國內超大直徑盾構隧道所承受水壓力的實際情況，提出了密封墊設計流程及優化思路。采取設置單道橡膠密封墊，并增設擋水條使其與密封墊共同構成雙道防水防線的防水布置方式，受力合理，主次分明，并分別進行了密封墊和防水條防水能力指標的確定。因裝配力與防水性能試驗結果存在很大程度的相關性，所以還進行了不同斷面形式下密封墊裝配力與壓縮變形所致張開量關系的分析，最終試驗結果表明，本工程管片接縫防水密封墊采用斷面形式7的方案。