關于取消盾構管片嵌縫和手孔封堵設計的探討

南力輝

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，河南 鄭州 450001)

盾構法隧道防水體系由管片結構自防水+接縫防水組成，接縫防水[1]包括密封墊、螺栓孔、嵌縫和管片手孔，密封墊和螺栓孔防水措施均為必選措施，嵌縫和手孔防水均為地鐵運營維護過程中要求增加的措施。嵌縫分為底部嵌縫和頂部嵌縫，底部嵌縫是為了防止管片底部接縫冒水影響道床混凝土質量，頂部嵌縫是為了防止管片頂部接縫處滲漏水造成接觸網短路或銹蝕，嵌縫防水對運營期間保證結構耐久性、設備安全性和穩定性起一定的作用；管片手孔進行防水處理主要是為了防止螺栓及螺母銹蝕，但是頂部嵌縫和手孔防水的材料失效后脫落也會給運營地鐵帶來隱患或者維護工作量[2]。對此，本文結合工程經驗，基于防水標準，對嵌縫和手孔的防水做法及存在問題進行分析，提出改進建議。

1 嵌縫和手孔封堵依據及常規做法

1.1 依據

盾構隧道的防水等級一般為二級，按照《地鐵設計規范》12.8節要求，嵌縫防水范圍為部分區段宜做，嵌縫材料應具有良好的不透水性、潮濕基面粘結性、耐久性、彈性和抗下墜性的特性。嵌縫做法未有規范強制性要求，屬于管片接縫防水加強措施。

管片手孔封堵規范無強制性要求，僅中國工程建設協會標準《隧道工程防水技術規范》提出管片手孔宜用砂漿或符合國家標準的快硬水泥部分或者完全封填。地下水位低的地區，盾構隧道內較干燥，例如鄭州地鐵1～5號線均未施工手孔封堵。

1.2 嵌縫的常規做法及所用材料

目前，設計管片內側環縱向沿邊設置了嵌縫槽，底部嵌縫是指在道床混凝土范圍內(約90°)的嵌縫槽進行嵌縫處理；頂部嵌縫是當頂部有滲漏水時再施作，頂部嵌縫施工時先堵漏處理、確保基面干燥后再在隧道豎向軸線頂部兩側各22.5°(共45°)范圍進行嵌縫處理，如圖1所示。

圖1 管片嵌縫范圍

隧道頂部嵌縫處理起到排水的功效，以保證隧道拱頂無滲漏水滴落在供電接觸網上；隧道底部嵌縫處理是為了防止管片底部接縫處冒水影響道床混凝土質量，提高道床混凝土耐久性。

嵌縫防水施工應在盾構千斤頂頂力影響范圍外進行，且應在接縫堵漏和無明顯滲水后進行。嵌縫材料嵌填時，應先涂刷基層處理劑，嵌填應密實、平整。具體施工流程如下[3]：①管片拱底90°范圍嵌縫，基層處理干燥→嵌入PE薄膜→填充氯丁膠乳快硬水泥或者聚合物水泥砂漿。②管片拱頂45°嵌縫，基層處理干燥→嵌入PE海綿條→填充高模量聚氨酯密封膠。

蘇州地鐵5、6、7、8號線底部嵌縫材料均為聚合物水泥砂漿，S1線為氯丁膠乳快硬水泥；5號線頂部嵌縫材料為聚硫密封膠，S1、6、7、8號線為高模量聚氨酯密封膠；嵌縫材料均為非定型材料。道床范圍嵌縫材料需適應基面潮濕，并能適應管片環縫少量的脹縮變形，聚合物水泥砂漿和氯丁膠乳快硬水泥均可滿足該要求。頂部材料需能長期保持粘結力，運營過程中不墜落，但由于之前采用的聚硫密封膠為雙組分制品，嵌縫作業前需將兩組分攪拌混合，施工不方便，攪拌效果難以保證，造成粘結力不能滿足長期要求，運營過程中列車振動導致材料局部掉落。為了施工方便和保證材料嵌縫防水效果，現已改進為采用單組分高模量聚氨酯密封膠，可用嵌縫槍將材料注入嵌縫槽內，具有作業簡單方便、性能質量穩定的優點。

1.3 手孔封堵的常規做法及所用材料

為了防止螺栓及螺母銹蝕，同時為了避免管片手孔封堵材料墜落，設計中要求：上半環的手孔不封堵，外露螺栓采用噴鋅防護后涂刷環氧密封封底涂料；下半環的手孔采用硫鋁酸鹽超早強(微膨脹)水泥填充封堵。封堵前必須將手孔內積水、污漬、雜物清除干凈,并于手孔內壁涂刷界面處理劑。

手孔封堵施工流程：①上半環手孔不封堵，表面凈化處理(包含除銹)→噴鋅防護→涂刷環氧密封封底涂料。②下半環手孔，將手孔內積水、污漬、雜物清除干凈→手孔內壁涂刷界面處理劑→填充硫鋁酸鹽超早強(微膨脹)水泥。

2 嵌縫和手孔封堵存在問題分析

2.1 止水效果及造價分析

根據地鐵運營公司工務段反映，地鐵盾構隧道頂部嵌縫材料有部分脫落、底部道床處存在多處冒水，說明管片頂部和底部接縫防水均未達到理想效果，如圖2所示。管片手孔封堵也出現局部掉落的現象，影響盾構隧道整體美觀，如圖3所示。

圖2 嵌縫滲水 圖3 手孔封堵材料脫落

管片嵌縫和手孔封堵工程費用按照環數進行工程量清單綜合計價，每環的嵌縫和手孔封堵的綜合單價約為900元。嵌縫和手孔封堵材料費用較少，大量費用花費在人工上。嵌縫槽和手孔體積小，無法采用大型機械化設施進行快速作業，需要大量人力進行現場作業，見圖4和圖5，作業效率較慢，迫切要求對管片嵌縫和手孔封堵作業進行改進。

圖4 嵌縫施工 圖5 手孔封堵施工

2.2 失效原因分析

2.2.1 管片設計原因

管片嵌縫可分為平底型、單側型、斜底型和倒“退拔”型，如圖6所示。目前常采用的嵌縫為斜底型和倒“退拔”型這兩種，除了倒“退拔”型外，其余的結構形式中嵌縫材料完全依靠嵌縫材料與管片的粘結力，在長時間運營的各種因素作用下可能會掉落。

圖6 嵌縫槽斷面構造形式

2.2.2 嵌縫滲水原因

管片嵌縫施工時，嵌縫槽內存在濕漬，降低嵌縫材料與混凝土管片的粘結性，尤其是聚氨酯密封膠會吸收嵌縫槽內的水分并與水發生化學反應產生二氧化碳，二氧化碳在基層表面聚集會影響基面與密封膠的粘結性，造成粘結界面破壞，長時間作用下嵌縫材料可能會脫落[4]。

2.2.3 管片錯臺

《盾構法隧道施工及驗收規范》(GB50446-2017)中要求管片襯砌環內錯臺控制值為5 mm、管片襯砌環間錯臺控制值為6 mm[5]。盾構管片拼裝過程中，因盾構機操作手水平、管片拼裝手水平、地質條件變化等制約條件，管片環縫、縱縫均會產生一定的錯臺。根據部分數據統計，國內已建成隧道錯臺量，成型隧道管片錯臺大于10 mm的超標率已經超過5%。隨著錯臺量增大，嵌縫密封膠與管片嵌縫槽的基面接觸長度減小，影響嵌縫防水效果。

2.2.4 運營階段列車振動影響

運營階段，非減振道床段管片襯砌會隨著列車振動發生受迫振動，具體表現為：在列車振動荷載到達前，各點豎向位置振動幅度較小，隨著作用時間逐漸增長，振幅逐漸增大，當列車荷載到達時，振幅達到峰值，之后隨著時間增加振幅逐漸減小。

部分學者計算出[6]：①列車荷載通過前后各管片接縫處存在相對位移。②管片嵌縫各位置豎向振動加速度不同，對管片嵌縫條及密封膠產生作用力，長時間的不平衡作用力可能會造成嵌縫材料與管片基面脫離，從而形成了滲水通道。③手孔封堵材料在列車振動的情況下與管片基面脫離，造成材料脫落。

3 取消嵌縫和手孔封堵后的改進設計

地鐵區間一般采用頂部接觸網供電方式，由于地下水作用或者列車振動，隧道頂部的嵌縫材料易掉落。一旦PE薄膜、PE海綿條或者聚氨酯密封膠掉落，下墜至接觸網上，輕則迫使停車，重則造成供電短路，危害行車安全。隨著盾構防水技術的提高，基于隧道頂部嵌縫材料存在掉落至供電接觸的隱患，很多地區已經取消了隧道頂部的嵌縫防水做法，但是隧道頂部的滲漏水仍不可避免。對于接縫滲漏、螺栓防腐的問題，可通過改進接縫防水的措施和加強螺栓防腐防銹處理來加以解決。

3.1 管片接縫的改進設計

針對管片接縫滲漏水的問題，可采用將單道密封墊改進為雙道密封墊的設計方案，該改進方案可適應施工中管片錯臺及后期運營階段列車振動的防水要求。雙道密封墊[7]的設計理念已在日本盾構隧道中使用，國內輸水盾構隧道已成功采用雙道密封墊，例如上海長江口青草沙輸水隧道工程，內外兩道密封墊(如圖7)可在0.85 MPa水壓下，錯位5 mm、接縫張開6 mm下未發生滲漏。公路市政過江隧道也嘗試在管片接縫中設置雙道密封墊，如武漢長江隧道外側采用EDPM彈性密封墊、內側采用遇水膨脹止水橡膠為主的復合密封墊，南京長江隧道外側采用EDPM多孔彈性密封墊、內側采用聚醚聚氨酯彈性密封墊。

圖7 雙道密封墊結構 圖8 單道密封墊結構

雙道密封墊是在單道密封墊的內側增加一道密封墊，相對于管片單道密封墊(見圖8)其主要優點：①盾構管片設防水壓力可由0.9 MPa提高至2.0 MPa[8]，工程應用范圍廣。②若外道密封墊因施工質量等原因造成防水局部失效，內道密封墊即可發揮主防水作用，提高盾構管片接縫防水效果和防水可靠性。③取消管片嵌縫，可避免嵌縫材料掉落至接觸網上的運營隱患。

但雙道密封墊防水設計也有未完善之處，其缺點是設置兩道密封墊時，必須計算每道密封墊的閉合壓縮力，否則管片拼裝成環時，會因環向螺栓緊裹不足而使縱縫不易閉合，造成封頂塊插入很困難，所以雙道密封墊應用于工程實際中還需要很多工作要做。

3.2 手孔封堵的改進設計

取消手孔封堵后，為防止螺栓、螺母銹蝕，防腐防銹要做到位，噴鋅防護厚度不小于120 μm，噴鋅層鋅含量不低于96%，其上再涂環氧密封涂料30 μm。噴鋅前應進行表面凈化處理，清除表面油脂和其他污物，若有銹蝕，應進行除銹處理，除銹等級不低于《涂覆涂料前鋼材表面處理表面清潔度的目視評定》(GB/T 8923)的要求。

3.3 改進設計與原設計經濟數據對比

管片接縫密封墊同樣按照環數進行工程量清單綜合計價，每環的密封墊的綜合單價約為1 400元。增加一道密封墊費用雖高于每環管片采用嵌縫和手孔封堵的綜合單價900元，但管片接縫粘貼密封墊可在地面的加工車間內作業，施工環境好，作業質量比隧道內嵌縫好。如若開發粘貼管片密封墊的機械設備，將降低嵌縫的綜合單價，提高施工效率。

4 結論和建議

鑒于盾構隧道防水等級為二級，對管片嵌縫和手孔封堵無強制性要求，建議通過取消管片嵌縫和手孔封堵的設計，采用加強管片防水質量和防止螺栓及螺母銹蝕措施。取消管片嵌縫和手孔封堵后，可避免嵌縫材料掉落至供電接觸的隱患，有利于運營安全，并降低了造價。