管片接縫螺栓孔外側雙道密封墊合理布置型式研究

馬天宇，王士民，謝宏明，張 琛

(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)

0 引言

近年來，隨著中國基礎設施建設的不斷推進，各種過江、跨海隧道層出不窮。盾構法以其經濟、方便的優勢，越來越多地用于水下隧道的建設中。新建設和規劃的水下盾構隧道已經呈現出大直徑、大埋深、高水壓、地質條件復雜化等特點[1]。其中，外水壓力不斷增大的特點尤其顯著，例如：南京和燕路隧道最高水壓達0.79 MPa、蘇通GIL電力綜合管廊隧道最高水壓達0.80 MPa、江陰靖江長江隧道最高水壓達0.82 MPa、甬舟鐵路金塘海底隧道最高水壓達0.843 MPa，計劃建設的瓊州海峽隧道最大水壓更是高達1.7 MPa[2]，高水壓無疑將給既有的盾構隧道防水體系帶來極大挑戰[3]。

目前,盾構隧道防水體系包括管片自防水、管片外防水涂層、管片接縫防水、螺孔密封和嵌縫止水等[4]。其中,管片接縫防水是盾構隧道防水體系的重中之重[5]。主流的盾構隧道管片接縫密封墊防水的研究聚焦于基于單道密封墊的防水體系。在室內試驗方面，文獻[6-14]結合工程防水的具體要求，設計了不同的彈性密封墊，并對彈性密封墊開展了一系列一字縫、T字縫防水試驗和足尺試驗，研究了不同張開量與錯臺量情況下的彈性密封墊防水性能。

為了適應水下盾構隧道大直徑、大埋深、高水壓、地質條件復雜的變化趨勢，國內盾構隧道管片接縫防水體系在不斷演變。主流的盾構隧道管片受限于管片厚度，絕大多數采用單道彈性密封墊，但現有的單道密封墊防水體系無法適應超大直徑深埋盾構隧道的接縫防水需求。與此同時，隨著水下盾構隧道出現大直徑化趨勢[15]，管片厚度由原來地鐵隧道的0.3 m發展至現階段0.6 m及以上的尺寸，為雙道密封墊防水體系的演變提供了空間條件。朱祖熹[10, 16]認為，除超大直徑超深埋盾構隧道，或者滲漏會對周圍建筑產生嚴重影響者，一般不考慮雙道防線。國內外主要將此體系應用于引水隧道。隨著水下隧道建設的快速發展和高要求，出現了一批螺栓孔內外雙側布置密封墊防水體系的工程，例如：蘇通GIL電力綜合管廊、蘇埃通道工程。

針對螺栓孔內外雙側布置的密封墊防水體系的性能及失效模式，部分學者開展了雙道一字縫耐水壓試驗。張子新等[17]采用鋼模一字縫試驗裝置探究雙道密封墊防水性能，得出雙道密封墊防水體系較單道更優的結論；張軼[18]結合青草沙過江管隧道對雙道密封墊失效模式進行了探討；李雪等[19]通過一字縫試驗裝置研究雙道密封墊防水性能，并對單、雙道密封墊的防水失效模式進行了探討，認為在雙道密封墊接縫出現張角情況下存在螺栓孔滲漏、躥水等不同于單道密封墊情況下的失效模式；對于僅存在張開、錯臺而不存在張角的接縫變形情況，當接縫張開、錯臺量過大導致周圍水壓的擊穿能力大于密封墊的最大防水能力時，內外道密封墊將同時失效。上述試驗研究均采用一字縫試驗裝置，對錯縫拼裝情況下T字縫位置沒有進行詳細的討論。李雪等[19]通過試驗揭示，螺栓孔兩側布置雙道密封墊會受到螺栓孔防水性能的制約。當外道密封墊滲漏之后，高壓水積蓄在外道和內道密封墊之間的空腔，造成空腔之中的螺栓孔受到高水壓的作用。因為常規的螺栓孔防水設計是在螺栓頭處安裝遇水膨脹的橡膠墊圈，所以當高水壓作用于遇水膨脹橡膠墊圈時很容易發生防水失效的情況。圖1為螺栓孔處發生滲漏水的示意圖。螺栓孔滲漏不僅會制約雙道密封墊防水體系，還會對盾構隧道造成不利影響[20]，例如：結構變形、結構沉降、地表沉降等。因此，解決螺栓孔處滲漏水的問題對于隧道的結構和防水體系都很重要。

圖1 螺栓孔處發生滲漏示意圖

盾構隧道的大斷面化增加了管片的厚度，使得在管片螺栓孔外側布置雙道防水密封墊成為可能。王士民、肖明清等[3,21-22]指出現階段螺栓孔防水性能無法匹配水下大直徑深埋盾構隧道管片接縫的高水壓要求，進而提出在螺栓孔外側布置雙道密封墊防水體系的設計理念。然而，對于這種新型的防水構造體系，不同的構造型式勢必會對其防水性能產生不同的影響。在具體的工程實踐過程中，綜合考慮密封墊自身的防水性能和密封墊對管片接頭力學性能的影響，主要有2種型式被提出：一種是在螺栓孔外連續布置2道密封墊，并在2道密封墊相鄰一側復合遇水膨脹橡膠；另一種則是在螺栓孔外側間隔一定距離布置2道密封墊。第1種布置型式希望利用遇水膨脹橡膠吸水膨脹性能實現對防水性能的修復提升；第2種布置型式則是希望利用2道密封墊間的間隙水壓實現對外道密封墊防水性能的提升。

但截至目前，尚沒有相關研究闡明上述2種防水體系的防水性能及其適用性。鑒于此，本文擬通過物理模型試驗，探明管片接縫螺栓孔外側“連續布置”和“間隔布置”2種不同型式下雙道密封墊防水體系的防水性能，比選得到合理的布置型式，為類似工程提供參考依據。

1 依托工程概況

江陰靖江長江隧道的過江段采用盾構法。隧道全長6 408 m，其中盾構段長4 877 m。管片襯砌結構內徑為14.2 m，管片厚度為0.65 m，管片外徑為15.5 m，屬超大直徑斷面，為目前長江上建設的斷面最大的水下盾構隧道。隧道先后穿越粉質黏土層、粉細砂層，局部穿越淤泥質軟弱土層等，河床地勢起伏變化急劇，且河床沖刷深度大，最大沖刷深度達6.7 m，隧道最小覆土為11 m。受長江深槽影響，隧道承受的最大水壓超過0.8 MPa，最大覆土厚度約50 m。江陰靖江長江隧道為超長距離、超大直徑、高水壓和大埋深水下盾構公路隧道。

目前，上海市標準DBJ 08-50-96《盾構法隧道防水技術規程》2.5.2條明確指出，設計規定水壓應等于實際承受最大水壓的2～3倍。由于越江隧道等一般水壓較大，故安全系數應進行適當折減，本文選取實際承受最大水壓的2倍，即1.6 MPa為設計水壓進行分析。

2 螺栓孔外側雙道防水密封墊空間布置型式

考慮螺栓孔外側雙道密封墊的相互作用方式及防水機制，提出“連續布置”和“間隔布置”2種型式，并根據密封墊溝槽構造特征[21,23]，借鑒已建成工程應用的典型密封墊截面，選取適合的密封墊截面及開孔形式。

2.1 雙道密封墊連續布置型式及密封墊選型

“連續布置”是指管片接縫中密封墊的外道溝槽和內道溝槽呈現相鄰連續的空間布置型式。

2.1.1 連續布置型式的設計理念

螺栓孔外側連續布置雙道密封墊的設計理念是利用2道密封墊緊挨的空間特性和2道密封墊之間復合遇水膨脹橡膠的材料特性來提升整體防水體系的防水性能。雙道密封墊的連續布置型式是為了提升接縫防水體系對大直徑盾構隧道管片接縫錯臺的適應性，但是這種布置型式并非簡單等同于加大單道密封墊的截面寬度，而是在保證原有單道密封墊防水性能的前提下，通過雙道密封墊之間相鄰的部分(外道的內側和內道的外側)復合了遇水膨脹橡膠材料。這種布置型式能夠在外道密封墊出現滲漏之后，2道密封墊之間的遇水膨脹橡膠通過吸水膨脹產生附加應力，改善外道和內道密封墊受力狀態，從而實現對密封墊防水性能失效的修復與提升。

2.1.2 連續布置型式下的溝槽及密封墊尺寸

連續布置型式下的接縫溝槽形式和尺寸見圖2。外道溝槽和內道溝槽連續相接，并且設置高度差約3 mm的臺階。

圖2 連續布置型式下的接縫溝槽形式及尺寸(單位：mm)

連續布置下密封墊的截面構造及尺寸如圖3所示。為了保證防水過程中雙道密封墊能夠變形貼合，對連續布置的密封墊相鄰邊進行局部修整。圖3中外道密封墊背水面和內道密封墊的迎水面處的陰影填充是復合于此處的遇水膨脹橡膠。同時，結合接縫溝槽尺寸，考慮到管片拼裝過程中密封墊產生的閉合壓縮反力，對2道密封墊的高度進行調整。

(a)1#密封墊 (b)2#密封墊

按照試驗設計，連續布置的雙道密封墊裝配型式如圖4所示。外道密封墊(1#)和內道密封墊(2#)是相鄰緊挨的，其中1#密封墊的防水性能更強，所以將這種匹配策略稱為“外主內輔”。

圖4 連續布置下“外主內輔”的雙道密封墊裝配型式(單位：mm)

2.2 雙道密封墊間隔布置型式及密封墊選型

“間隔布置”是指管片接縫中密封墊的外道溝槽和內道溝槽呈現間隔分離的空間布置型式。

2.2.1 間隔布置型式的設計理念

螺栓孔外側間隔布置雙道密封墊的設計理念是利用2道密封墊間隔的空間特性避免水壓作用下外道密封墊和內道密封墊直接接觸。當外道密封墊發生滲漏之后，外部高壓水將會沖入2道密封墊之間的空腔，形成一定的緩沖空間。滲漏水不會立即以高壓的狀態作用在內道密封墊迎水面，而是在空腔中積蓄壓力，對內道密封墊的迎水面逐步形成水壓。同時，“空腔”水壓也將作用于外道密封墊的背水面，對外道密封墊的變形姿態進行優化調整[24]。

2.2.2 間隔布置型式下的溝槽及密封墊尺寸

間隔布置型式下溝槽的構造及尺寸見圖5。圖5中，外道溝槽和內道溝槽之間設置20 mm的間隔平臺，間隔平臺的頂部略低于管片接縫1.5～2 mm。

圖5 間隔布置型式下的溝槽尺寸和構造(單位：mm)

間隔布置的3#和4#密封墊的構造及尺寸如圖6所示。由于間隔布置下密封墊分離，所以密封墊截面采取對稱結構，同時依據溝槽的深度和密封墊的閉合壓縮反力，設計合理的密封墊高度。

(a)3#密封墊 (b)4#密封墊

間隔布置雙道密封墊防水體系的裝配型式如圖7所示。外道密封墊(3#密封墊)和內道密封墊(4#密封墊)布置分離。

圖7 間隔布置雙道密封墊裝配示意圖(單位：mm)

3 螺栓孔外側雙道防水密封墊防水性能對比分析

3.1 單道密封墊的耐水壓試驗

為全面分析雙道密封墊的防水性能，對4種密封墊進行了單道密封墊耐水壓試驗，并與雙道密封墊的防水性能進行對比分析。耐水壓試驗采用如圖8所示的試驗系統，該系統由全自動跟蹤耐壓試驗加載端和密封墊防水試驗端組成。

圖8 管片接縫防水試驗系統

按照規范GB 18173.4—2010《高分子防水材料 第4部分：盾構法隧道管片用橡膠密封墊》的耐水壓模擬試驗方法，為保證不同試驗中密封墊能夠受到相同的壓縮量，把相鄰管片(塊)的整條接縫之間的最小凈距達到8 mm視為張開量8 mm。在張開量8 mm、錯臺量15 mm的工況下對4種密封墊截面進行試驗，試驗數據如表1所示。

表1 單道密封墊防水試驗

3.2 連續布置雙道密封墊防水性能分析

3.2.1 “外主內輔”連續布置試驗及分析

針對連續布置的雙道密封墊開展耐水壓試驗，試驗中設計最不利工況為接縫張開量8 mm、錯臺量15 mm。

在測試開始前，先把試驗裝置內表面及溝槽清理干凈，再將彈性密封墊用氯丁橡膠黏結劑固定到溝槽內，并保持這個狀態等待12 h，如圖9所示。

圖9 連續布置雙道密封墊的裝配圖

設置接縫的錯臺量為15 mm后，用高強螺栓將裝置擰緊；固定接縫張開量為8 mm，確保試驗過程中裝置張開量及錯動量的穩定性。裝置固定好之后，將水壓泵及水壓表連接到裝置上。

拼裝完成后開始加水；將水加入到水壓泵中，再把水壓調至0.1 MPa，待其穩定后，再開始加壓，在0.1 MPa下保持15 min；不漏則以0.1 MPa為1個單位，逐級往上加，每加1個單位，保持15 min不漏則繼續往下加；在達到設計水壓1.6 MPa后，保壓24 h，不漏則繼續加壓直到出現滲水。將比滲水水壓小0.1 MPa的水壓定為密封墊在此工況下的耐水水壓。張開量8 mm、錯臺量15 mm情況下，連續布置雙道密封墊的試驗結果數據如表2所示。

表2 連續布置“外主內輔”雙道密封墊的試驗結果

結合表1和表2的試驗結果，將雙道密封墊較單道密封墊耐水壓值的提高比例參數記為“耐水壓值提升率”，可以看出相較于外道密封墊(1#密封墊)的試驗結果，連續布置“外主內輔”雙道密封墊(外道為1#密封墊，內道為2#密封墊)的防水性能無明顯差別，平均耐水壓值提升率僅有2.02%。即此布置組裝型式對雙道防水體系的性能提升有限。

3.2.2 “外輔內主”連續布置試驗及分析

考慮到連續布置的空間特性，結合表1的單道密封墊防水試驗結果，外道密封墊和內道密封墊的防水性能存在差異。嘗試由 “外主內輔”的防水性能匹配策略調換為“外輔內主”的匹配策略，探究“外輔內主”的連續布置型式(外道為2#密封墊，內道為1#密封墊)是否能夠起到預期效果。

為了對比連續布置型式的2種匹配策略，創新了防水試驗裝置，如圖10所示。新的防水試驗裝置包含2套可更換內膽，對應的密封墊溝槽位于內膽上，2套內膽的溝槽形式分別對應不同匹配策略的溝槽截面。通過更換不同的內膽，可以實現對應匹配策略的防水試驗，測試2道密封墊在不同組合下的防水能力。

圖10 連續布置型式的新防水試驗裝置剖面示意圖

圖11示出了連續布置型式下“外輔內主”的雙道密封墊裝配型式。該型式下管片接縫的外道溝槽裝配2#密封墊，內道溝槽裝配1#密封墊。

圖11 連續布置下“外輔內主”的雙道密封墊裝配型式(單位：mm)

重復3.2.1節試驗流程，得出張開量8 mm、錯臺量15 mm工況下的試驗結果，如表3所示。

表3 連續布置下“外輔內主”雙道密封墊的試驗結果

根據表1和表3的試驗結果可以看出，相較于外道密封墊(2#密封墊)的試驗結果，連續布置型式下“外輔內主”的雙道密封墊防水性能有提升。結合前述試驗結果，對比連續布置雙道密封墊與對應組裝型式的外道密封墊，可知連續布置雙道密封墊的方式較單外道密封墊的防水能力有一定提升。

但是相較于1#密封墊的單道防水性能，連續布置“外輔內主”雙道密封墊無提升效果，甚至出現削弱情況，平均耐水壓值提升率為-4.71%。所以，連續布置雙道密封墊應該采用“外主內輔”的匹配策略。

從上述試驗結果發現，連續布置“外輔內主”雙道密封墊防水效果卻不及1#密封墊單道防水效果。這說明防水體系的防水效果與雙道密封墊防水性能組合有一定的相關性。

工程實踐中，內、外道密封墊間由于管片接縫錯臺、張開的影響難以形成對內外道密封墊側向變形的有效約束，從而導致密封墊之間的接觸應力較小。外道密封墊發生滲漏后，即使遇水膨脹橡膠吸水擠壓雙道密封墊的兩側，受遇水膨脹橡膠自身剛度及吸水膨脹變形特性的限制，其所產生的附加力也相對較小，對內、外道密封墊防水失效的修復并不理想。因此，不推薦螺栓孔外側雙道密封墊防水體系采用連續布置的型式。

3.3 間隔布置雙道密封墊防水性能分析

3.3.1 間隔布置下的耐水壓試驗裝置介紹

相較于連續布置型式的空間特征，間隔布置型式下雙道密封墊避免了直接接觸，且2道密封墊之間存在空腔。根據前文所述的設計理念，空腔既能緩沖高壓水直接作用于內道密封墊，也使得外道密封墊的迎水面和背水面之間存在壓力差，所以為了探測空腔中的水壓，設計間隔布置的雙道防水試驗裝置，如圖12所示。圖12中，水壓表1是探測外道密封墊的迎水面水壓，水壓表2是探測外道密封墊發生滲漏后空腔中的水壓。如此一來，在間隔布置雙道密封墊耐水壓測試的過程中，水壓表2能通過表針變化來顯示外道密封墊是否發生滲漏以及內道密封墊最終的耐水壓值。通過水壓表1和水壓表2的表針指向，有助于確定間隔布置雙道密封墊的整體滲漏情況和耐水壓值。

圖12 間隔布置防水試驗裝置示意圖

3.3.2 間隔布置雙道密封墊的耐水壓試驗及結果分析

采用圖12所示的試驗裝置開展間隔布置雙道密封墊耐水壓試驗，試驗中設計最不利工況為接縫張開8 mm、錯臺15 mm。

試驗開始前，間隔布置雙道密封墊，其安裝如圖13所示。

圖13 間隔布置雙道密封墊的裝配圖

張開8 mm、錯臺15 mm工況下，間隔布置雙道密封墊防水試驗結果如表4所示。

表4 間隔布置雙道密封墊防水試驗結果

對比表1和表4的試驗結果發現，間隔布置雙道密封墊的防水性能相較單道密封墊(3#密封墊)能有明顯提升，耐水壓值提升率為9.68%～16.13%。間隔布置時，外道密封墊耐水壓與2道密封墊間耐水壓差值在1.2～1.5 MPa，說明雙道密封墊發生滲水失效時，外部和空腔并未形成明顯的水壓聯通道，受限于內道密封墊的防水能力，在兩側水壓作用下外道密封墊的防水能力并未被充分開發。

此結果說明，間隔布置的雙道密封墊在高水壓作用下并非獨立發揮防水效果，而是存在一定的相互作用關系。正如間隔布置的設計理念，在外道密封墊發生滲漏后，高壓水緩沖進入2道密封墊之間的空腔，水壓作用于外道密封墊的背水面和內道密封墊的迎水面。外道密封墊在雙向水壓的作用下被進一步擠密，防水能力獲得增強。這種相互作用關系可以表征為“1+1>1”，即間隔布置雙道密封墊所產生的防水效果會優于體系中單道密封墊的防水效果。但在這種“1+1>1”的相互作用關系中，內道密封墊的防水性能影響著間隔布置雙道密封墊防水體系的整體防水效果。

3.3 對比分析

經過螺栓孔外側“連續布置”和“間隔布置”的雙道密封墊防水試驗，歸納出2種布置型式的異同點，如表5所示。

表5 2種布置型式異同點梳理

4 結論與討論

本文依托江陰靖江長江隧道工程，針對盾構管片接縫螺栓孔外側雙道密封墊防水體系的布置型式展開研究。在螺栓孔防水性能有限的前提下，提出螺栓孔外側布置雙道密封墊的2種型式——“連續布置”和“間隔布置”。通過室內試驗，對比分析2種布置型式的試驗結果和特性，得到以下結論：

1)對于螺栓孔外側連續布置雙道密封墊的防水體系，2道密封墊的變形及應力分布具有顯著的復雜性和不確定性，致使其綜合防水性能表現不佳，甚至出現低于單道密封墊防水性能的情況，因此，不推薦螺栓孔外側雙道密封墊防水體系采用連續布置的型式。

2)針對螺栓孔外側連續布置雙道密封墊的防水體系，對比分析了2道密封墊防水性能的匹配特性，試驗表明，在“外主內輔”匹配策略下，整體防水性能相較于單道密封墊(1#密封墊)會有2.02%的微弱提升；而在“外輔內主”匹配策略下，其整體防水性能出現4.71%的下降。

3)對于螺栓孔外側間隔布置雙道密封墊的防水體系，其防水性能較單道密封墊(3#密封墊)提升9.68%～16.13%，即間隔布置的外道密封墊和內道密封墊之間存在著“1+1>1”的相互作用關系，因此，本文推薦螺栓孔外側雙道密封墊采用間隔布置的型式。

4)本文對螺栓孔外側雙道密封墊的布置型式進行了初步的探討，對于這種新型防水體系而言，2道密封墊工作原理、相互作用機制以及內外道密封墊防水性能的匹配原則、布置間距等關鍵因素尚不清晰，今后仍需開展進一步研究。