盾構隧道管片接縫密封墊防水性能及受施工荷載影響研究

關則廉、吳政、高利平

（1.廣州地鐵建設管理有限公司，廣東 廣州 510000；2.中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100043）

1 基礎理論及案例分析

1.1 盾構隧道管片接縫防水研究

盾構隧道管片接縫防水能力的提升和管片連接位置的密封墊性能密切相關，從當前的基礎設施工程施工研究情況來看，國內外關于密封墊防水性能的研究已經較為成熟，大多數的研究都是圍繞著密封墊材質、密封墊加工的實際方法、密封墊設計方案以及失效機制等內容展開的[1]。

為了進一步提升密封墊防水性能分析的客觀性和全面性，還需要在數值模擬的基礎上，實現仿真試驗。當前一部分隧道應用盾構法進行施工，管片連接位置密封墊的滲漏水問題依舊存在，也就證明原有的密封墊防水性能評估以及設計方案還有提升的空間。傳統的室內試驗通常是建立在榫槽構件的基礎上進行試驗的，需要考慮尺寸以及細部結構，但是往往會存在一定的限制，無法全面體現盾構施工的整體過程，難以打造最為真實的工作場景和運行狀態，也就導致密封墊防水性能的設計和實際需求之間存在一定偏差，在具體應用的過程中，這些偏差會逐步積累，進而影響具體的使用效果。

除此之外，在施工的過程中產生的施工荷載也未能得到足夠重視。施工荷載對于密封墊防水性能產生的影響較大，針對不同的工程，在選擇盾構法施工的過程中，施工荷載對于密封墊防水性能產生的影響具有一定的差異性，而不同的影響程度也會導致密封墊防水性能的下降出現差異，因此，首先需要結合具體的施工現場實際情況進行試驗和檢測，從而給出最為合理的安全系數范圍。為了進一步提升檢測的精準度以及模擬預期的效率，本文提出了一種以數字模型為依托打造的足尺試驗設備，可以圍繞施工過程中出現的不同錯臺量檢測防水性能。其次，需要在二維數字模型分析的基礎上，研究管片密封墊的具體密封程度，分析密封墊在不同壓縮狀態下的具體防水性能。最后，需要結合軌道交通后續的使用周期進行密封墊防水性能退化的分析。

1.2 工程概況

為了進一步提升論述的科學性和有效性，案例工程為十八號線自萬頃沙至廣州東站，經南沙區、番禺區、海珠區及天河區，全長為62.7km，設站9 座，換乘站8 座，平均站間距為7.6km。該工程為典型的地下隧道工程，在施工的過程中需要通過盾構法進行施工。

該標段施工內容分別為HP2 中間風井（預留車站，長為495m）、兩座盾構井（HP2 盾構井、HP3 盾構井）、三個盾構區間（HP1 中間風井—HP2 盾構井、HP2中間風井—HP2盾構井、HP2 中間風井—HP3 盾構井），主要涉及明挖、盾構、暗挖三種施工工法。

HP2 中間風井—HP3 盾構井區間設置4 座聯絡通道，隧道聯絡通道采用兩環鋼管片通縫拼裝；HP2 中間風井—HP2 盾構井區間設置3 座聯絡通道，隧道聯絡通道采用四環特殊環管片通縫拼裝。

該工程區間隧道采用單層襯砌，設計參數如下：管片內徑為7700mm，管片外徑為8500mm，采用錯縫拼裝；管片厚度為400mm；環寬為1600mm；分塊數為7 塊，1 塊封頂塊（F），2 塊鄰接塊（L1、L2)，4 塊標準塊（B1、B2、B3、B4）。

2 盾構隧道管片接縫密封墊防水性能檢測試驗

該工程中的盾構隧道管片接縫密封墊主要選擇單道彈性密封墊。根據規章制度要求設計和計算出具體的設備參數。該工程確定設計水壓為0.6MPa，以維持最佳的防水墊密封性能，調整張開量為6mm、錯臺量為10mm 時達到極限狀態。在以上已知條件的基礎上，進行防水性能足尺試驗。

2.1 試驗設備

在試驗開始前需要準備一系列的設備，包含支撐定位設備、水壓加載設備、閉合力加載設備。其中的支撐定位設備主要是由弧面板和型鋼焊接形成的，為試驗提供支撐和輔助滑動功能。每一個支架配備6 個滑輪，便于進行位置調整。弧面板的兩側設置千斤頂，主要為管片的調控提供更高的自由度。閉合力加載設備主要包含千斤頂和軸向力臂，能夠提供極為靈活的控制方案。水壓加載設備主要以密封蓋、加壓水箱以及緊固螺栓為主，在密封蓋上設置開孔，分別作為出氣管、水壓表以及進入管的連接入口。在試驗的過程中利用游標卡尺和油缸壓力表，分別記載管片的錯臺量、張開量、水壓值、閉合力等相關參數。

2.2 試驗材料

在試驗的過程中需要選擇兩塊標準的管片，按照實際的隧道施工標準進行拼裝，并且固定在支撐架上，形成環縫，便于開展后續的水壓加采試驗以及閉合力試驗。選擇的管片尺寸和具體的材質與后續工程實際施工期間選擇的材料相同，管片的內徑為7700mm，管片外徑為8500mm，采用錯縫拼裝的方式進行施工，厚度控制在400mm，環寬為1600mm。為了進一步提升結構的穩定性，同時保證其能夠和其他系統進行對接，在臨近環縫以及縱縫的位置要設置預留孔，便于進行后續連接。在試驗過程中使用的密封墊是工程前期設計的，上部的中間區域需要增加膨脹橡膠，以提升密封程度，其余的位置主要以三元乙丙橡膠為主，密封墊的高度、總截面積、開孔面積以及開孔率均和實際施工所使用的密封墊相同。

2.3 試驗過程

試驗開始之后需要進行支架定位調整，確保前期初始位置符合具體的施工需求，管片需要利用吊車進行吊裝，將其安裝在弧面板上，利用膠水粘貼密封墊，滿足實際施工需求之后，才可以進行后續的安裝施工。在施工過程中要適當調整管片位置和支架，依次安裝軸向力臂以及軸向千斤頂，在組裝結束之后設定試驗要求的錯臺量。為了進一步提升密封材料的密封程度，在密封材料填充滿足24h 之后，才可以按照實際的標準要求進行試驗[2]。一系列準備工作完成之后，首先需要將管片和弧面板壓緊，然后通過前期的預留孔，利用螺栓分別進行加壓水箱以及電子水壓計的連接，滿足實際加載條件之后進行防水性能的檢測。

2.4 試驗工況的設計

密封墊的設計極限狀態為錯臺量10mm、張開量6mm。在這一參數下，選擇三大組錯臺量工況，每一種錯臺量工況對應多個不同的張開量，最后進行性能檢測。其具體的參數如表1 所示。

表1 試驗工況參數

2.5 試驗結果分析

管片接縫密封墊的防水性能將直接影響隧道運行的安全性和穩定性。通過上文一系列方案進行足尺試驗，從具體的檢測結果上看，防水性能的變化和張開量之間呈現非線性關系，其中的變化節點為3mm。在初始壓縮變形到逐漸到達3mm 時防水性能的增長率并沒有較大變化，但是在張開量小于3mm的狀態下，密封墊的防水性能提升幅度會在短時間內快速增加，上述變化規律和原有的學者研究成果相似。另外，在張開量恒定不變的條件下，錯臺量的增加會降低密封墊的防水性能。例如張開量在8mm 以上時，選擇三種不同的錯臺量進行性能檢測，三種條件下的性能差異率較小；張開量在8mm 以下時，選擇三種不同的錯臺量進行性能檢測，則錯臺量為10mm時，密封墊的防水性能明顯小于其他兩種；張開量在2mm 以下、錯臺量為5mm 時，和無錯臺工況相比，密封墊的防水性能差值變大。

由此可見，錯臺量對于密封墊防水性能會產生較大影響，對于其極限防水性能影響最大。主要原因在于，如果出現了較大的錯臺量，一方面會導致密封墊壓縮程度逐步下降，進而影響各個接觸面的初始壓力；另一方面在側向水壓的影響下，密封墊和密封槽之間會產生較大的附加應力，隨著水壓增大，附加應力也會逐步增加，進而影響密封墊的防水性能。但是由于在不同工程中所采取的管片接縫構造以及密封墊的形式存在一定的差異性，錯臺量影響密封墊防水性能的復雜程度遠高于張開量，因此需要結合不同工程的實際施工環境以及施工細節進行深度試驗。

而從設計水壓的層面上看，密封墊無錯臺以及錯臺量控制在5mm，其所對應的張開量為6mm 時，密封墊的防水性能可以滿足0.6MPa 的規范性要求；密封墊錯臺量在10mm、張開量為6mm 時，密封墊的防水能力下降到0.5MPa。由此可知，若要滿足錯臺量為10mm的固定參數，則需要將張開量控制在5mm 以下，才可以滿足設計水壓要求。

3 施工荷載對接縫密封墊性能產生的影響

由于隧道內部結構的復雜性，在盾構施工的過程中，管片接縫密封墊防水性能會受到各種復雜因素的影響。比如千斤頂推力、注漿產生的壓力、盾構機運行過程中盾尾刷對管片造成的反作用力等等，這些因素會影響管片接縫密封墊的實際效果，而在盾構施工結束之后，管片脫離了機械設備的內部支撐，還會受到來自周邊其他土壤結構以及地下水的壓力[3]。此外，還需要考慮施工荷載對于密封墊防水性能產生的實際影響。本文主要采取建立數字模型的方式對此進行還原。

3.1 數字模型的建立

依托具體工程案例的實際施工需求，圍繞著施工期間的管片襯砌結構以及隧道內部結構，通過參數獲取以及智能數據轉型，建立了盾構隧道三維模型以及網格圖。

在隧道三維模型中能夠看出最前側的管環主要用于施加千斤頂推力；第2 環的管片則位于盾構機的尾部，會承受盾尾刷的反作用力；第3～7 環的管片會受到盾構機拖出之后的土壤壓力以及注漿壓力，而注漿壓力在遠離盾構機后會逐步削減；第8～10 環的管片已經脫離盾構機較長的時間，周圍的漿液已經達到了穩定狀態，在施工的過程中只會受到外界土壤結構施加的壓力，因此第10 環管片的接縫沿著隧道軸線方向位移，將其作為邊界條件。

在明確了隧道內部的模型和網格之后，按照不同的受力情況，可以結合具體的施工內容合理地計算各項荷載壓力。例如隧道工程典型地層斷面的土壓力計算要考慮隧道頂部的豎向荷載、上部水平荷載、下部水平荷載、地層基床系數等相關數據。

注漿過程中漿液擴散之后的管環各點的壓力需要考慮注漿孔位角度、注漿壓力、盾構機掘進速度、注漿孔偏離豎直向上的角度、盾尾間隙、漿液擴散半徑、漿液黏稠度等相關參數。按照實際標準計算各項壓力之后，能夠了解管片接縫密封墊所受的具體壓力以及荷載情況，由此可以判斷不同荷載條件下對密封墊防水性能造成的影響。

3.2 接縫變形的影響

盾構隧道縱縫、環縫的張開量以及錯臺量過大會導致接縫變形，二者之間有直接關聯，而這兩個參數的變化和千斤頂推力也有一定的關系。

3.2.1 縱縫變形的影響

隨著千斤頂推力的逐步增加，盾構機上行縱縫最大錯臺量以及張開量都會明顯提升。而隨著千斤頂推力偏角的逐步變化，不同盾構姿態條件下的接縫變形也會出現一定的差異。

綜合其中的線性關系變化情況來看，在不同工況下，縱縫錯臺量最大值控制在0.65mm 以下，張開量最大值控制在0.48mm 以下，符合上文所論述的極限數值范圍，因此，隧道縱縫變形，對于密封墊防水性能產生的影響較小。

3.2.2 環縫變形的影響

環縫變形情況對于密封墊防水性能產生的影響形成線性關系。

結合其中的數值可知，在千斤頂推力偏角為2 度時，施工荷載會影響盾構機的上行條件，導致環縫出現變化，其中最大張開量和錯臺量均在1mm 以上，分別最高達到1.24mm 及1.07mm，雖然未能對密封墊防水性能造成直接影響，但是會導致密封墊性能下降，存在滲漏水隱患。

3.2.3 施工荷載導致的防水能力退化變化情況

首先，在進行密封墊設計時，其防水能力必須滿足前期的水壓要求，而如何選取密封墊的極限狀態，是保證防水性能合理化的關鍵[4]。若在施工的過程中定位明確，給出了具體的計算方法以及結果，則在考慮極限狀態時，需要結合誤差累積值作為參考進行計算，其中要考慮管片尺寸公差、施工誤差、環境因素、密封墊配合面尺寸公差等相關因素。整合了以上這些因素之后，還要考慮在實際施工過程中，受這些因素影響的具體變化情況。通過試驗分析可知，該工程按照常規的施工規范進行施工，施工荷載對密封墊防水性能產生的影響較小，總體來看，防水性能在不同施工荷載下均控制在2.3MPa 以上，要滿足前期設計的2.48MPa 標準值，則應合理地控制千斤頂推力偏角，分析不同盾構姿態下的密封墊防水性能，這樣才可以進一步提升密封墊的綜合質量。

4 結語

通過當前的既有調查結果來看，管片初始缺陷、施工誤差以及后期地質結構變化對于管片接縫處的影響最大，不僅會導致接縫漏水，還有可能導致結構受損。因此科學地進行隧道管片接縫位置的防水性能分析，對于預防滲漏水病害、延長地下交通運行壽命具有一定的促進作用。