河底淺埋地鐵盾構隧道管片防水密封墊優化研究

吳金華

（中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459）

1 引言

隨著我國城市化建設的高速推進，地鐵建設規模擴大，部分盾構隧道因工程建設需要而不可避免地下穿河流等富水區域。因此，水下淺埋盾構隧道的防水性能一直是設計、施工及運營的重難點。

管片接縫是水下淺埋盾構隧道防水設計施工的關鍵環節。為確保管片接縫不出現滲漏，在管片拼接設計施工中，彈性密封墊是接縫防水的重點之一。盾構隧道所采用的彈性密封墊需要在確保滿足防滲漏水要求的同時避免因耐水壓力、閉合壓縮力偏大導致管片被擠裂而影響拼裝質量和防水效果[1-2]。

本文結合沈陽地鐵4號線下穿長島內河盾構隧道項目實例，將傳統的現場粘貼防水密封墊優化為新型嵌入式管片密封墊工藝，在管片生產時一同進行預制。然后，通過模型防水試驗對新型嵌入式管片密封墊的防水效果進行試驗分析。此外，針對傳統防水密封墊腳部實心構造形式導致的拼裝時容易“隆起”甚至碎裂等不利于防水的弊端，本文設計5種不同空心開孔數量及開孔半徑的密封墊腳部構造形式，采用對比試驗的方法，依次進行閉合壓縮試驗，對不同開孔方式下的密封墊腳部接觸應力和閉合壓縮力進行試驗數據對比分析，比選出最佳設計方案。

2 工程簡介

沈陽地鐵4號線長白南站-長白島站區間左右線長度約為2.763 km，盾構隧道下穿長島內河段全長約150 m，河底標高36.613 m，隧道頂部與河床底部豎向凈距最小僅為13.55 m，河道水平均深2.5 m。隧道周邊河地層地質條件不佳，大多為圓礫、礫砂層，有較強的透水性，屬于一級風險源。圖1為沈陽地鐵4號線下穿長島內河段橫截面示意圖。當淺埋隧道盾構機近距離下穿河道時，如果防水舉措不到位，極有可能造成盾構隧道坍塌、涌水等重大風險事件。因此，務必切實做好可靠的技術研究。

圖1 沈陽市地鐵4號線下穿長島內河段橫截面示意圖 （單位：mm）

3 新型嵌入式管片密封墊設計

3.1 傳統粘貼式橡膠密封墊弊端

傳統管片接縫防水方式是在預先設計的管片凹槽內將橡膠密封墊通過防水粘膠進行粘結。傳統粘貼式橡膠密封墊存在以下弊端：第一，管片與橡膠密封墊進行粘結時，難以有效確保緊密性，外部水壓較大時易出現滲漏現象，而且容易在凹槽內形成積水，橡膠密封墊長期處在積水浸泡環境下容易出現腐蝕現象，影響橡膠密封墊的使用壽命；第二，在管片凹槽內對橡膠密封墊進行粘結不僅工序煩瑣，費工費時，而且精準度、標準度難以確保；第三，傳統粘貼式橡膠密封墊在管片運至現場過程中容易脫落，拼裝管片時必須重新粘貼。此外，沈陽冬季經常遭遇極寒天氣，最低溫度達-33 ℃，傳統防水密封墊通常粘貼效果不佳，防水質量一般[3-5]。

因此，本文在沈陽地鐵4號線下穿長島內河盾構隧道項目施工時引入盾構隧道新型嵌入式管片密封墊，并對其耐水壓力、防滲效果等防水性能進行專題試驗和詳細研究。

3.2 新型嵌入式管片密封墊設計

傳統的密封墊優化設計大多著眼于密封墊中間孔洞的開孔大小、排列形式、開孔形狀、開孔密度等方面，而忽略密封墊其他構造的優化。本項目采用新型嵌入式管片密封墊，以切實提高管片防水能力，改善防水效果。

新型嵌入式管片密封墊安裝方式是在管片生產過程中，在管片混凝土凝固前將增加了“止水腳”的密封墊在管片模具凹槽中提前預埋，并與混凝土一起養護。當管片混凝土凝固以后，管片與密封墊緊密結合形成一體。由于密封墊增加了“止水腳”，滲水路徑的長度顯著延長，可以實現更好的防滲漏水效果，降低滲漏水風險。傳統密封墊的滲流路徑見圖2a，新型嵌入式管片密封墊的滲流路徑見圖2b，2種密封墊安裝過程對比示意圖詳見圖3。

圖2 傳統密封墊與新型嵌入式管片密封墊滲水路徑示意圖

圖3 傳統密封墊與新型嵌入式管片密封墊密封過程對比示意圖

另外，在盾構隧道施工過程中，盾構機施工和人工操作存在的誤差會影響管片拼裝精準度，進而影響管片密封墊防水效果。因此，為確保隧道安全質量，把密封墊錯縫量以及張開量作為防水效果的重要考量因素。密封墊錯縫量以及張開量示意圖見圖4。

圖4 密封墊張開量和錯縫量示意圖

3.3 新型嵌入式管片密封墊材質

按照GB 18173.4-2010《盾構法隧道管片用橡膠密封墊規范》[6]，并結合一些成功案例經驗，本試驗選取三元乙丙彈性橡膠作為密封墊材質，詳細技術參數見表1。

表1 三元乙丙彈性密封墊設計參數

三元乙丙彈性橡膠具有以下優點。

（1）耐熱、耐寒性較強。適應最高溫度高達130 ℃，適應最低溫度低至-60 ℃。

（2）性價比高。能有效節約材料成本，應用場景較多。

（3）抗老化性強。可全天候施工，還具有抗臭氧、光照、紫外線和輻射，防水性強的特點。與天然橡膠（NR）、丁苯橡膠（SBR）等飽和性不強的二烯類橡膠一起使用時，三元乙丙彈性橡膠能有效發揮其抗氧和抗老化功效。

（4）耐腐蝕性強。能承受酸堿性化學清潔劑、動植物油、甲醇等物質的侵蝕，絕緣性很強。

（5）比重輕。與大多數橡膠種類相比，密度較小，僅為0.86～0.90 g/cm3[7-9]。

3.4 新型嵌入式管片密封墊試驗

依據盾構隧道施工規范要求，盾構隧道管片密封墊耐水壓力不能小于0.6 MPa。本節將通過相關試驗，對新型嵌入式管片密封墊的防水效果等性能進行驗證。

3.4.1 試驗準備

試驗中，為防止密封墊試塊拼裝時出現較大錯位，需要對密封墊試塊錯縫量進行控制，也必須對密封墊的張開量進行控制，對此借助適當厚度的墊片，并通過油壓千斤頂進行加壓控制。水壓控制儀與下方試塊底部進行有效連接，通過中心位置進行注水。另外將排氣閥安裝在位于上方位置的試塊頂部中心位置。

密封墊防水能力試驗步驟分為：①按設定工況拼接試塊；②放置墊片，千斤頂施壓至墊片被壓緊；③控制水壓機底部注水，排氣并關閉排氣閥；④逐級增加水壓，直至密封條破壞、漏水或水壓時程曲線發生明顯下降；⑤ 進行試驗的觀察、記錄。圖5為密封墊防水能力試驗裝置實景圖。

圖5 試驗裝置實景圖

新型嵌入式管片密封墊斷面形式采用“謝斯菲爾德”形狀（即中孔形），密封墊設計寬度、高度以及細節尺寸和形狀示意圖詳見圖6。

圖6 密封墊剖面圖 （單位：mm）

當管片試塊混凝土完成澆筑以及澆搗后，立即將新型密封墊放置在管片試塊混凝土中，將管片試塊混凝土和密封墊緊密結合在一起，確保彼此之間嚴絲合縫。管片試塊形狀及截面詳細尺寸詳見圖7。新型嵌入式密封墊和管片試塊結合構造詳見圖8。設置觀察槽，以便于觀測滲漏水情況。

圖7 新型密封墊和試塊截面尺寸 （單位：mm）

圖8 試塊形式

3.4.2 試驗結果

對新型嵌入式密封墊相關試驗展開詳細分析。經試驗檢測人員的仔細監測并參考相關設計單位的經驗，要求密封墊張開量小于7 mm（含管片制作和實際拼裝允許的最大誤差值2 mm、盾構隧道遭受外荷載以及縱向轉向圓弧段等導致的允許最大張開量3 mm，以及外部干擾導致的允許最大張開量2 mm），要求密封墊錯縫量小于10 mm（含管片位置允許最大誤差值2 mm、盾構機拼裝精度允許最大誤差值3 mm、管片尺寸允許最大誤差值2 mm、外部因素影響允許最大誤差值2 mm，以及密封墊匹配允許的最大誤差值1 mm）。

由于密封墊錯縫量以及張開量的增加都會影響盾構隧道的防水效果，從密封墊防水最差工況進行考慮。相關設計單位提出選取允許張開量最大值7 mm、錯縫量最大值10 mm的最差工況進行實驗，可以更有效增加防水安全系數，借助提前設置的觀察槽，得出效果較好的試驗結果。

圖9為水壓時程曲線圖。橫坐標為試驗時間，縱坐標為水壓力。該曲線分為3個階段。

圖9 水壓時程曲線（張開量7 mm、錯縫量10 mm）

（1）第①段為注水（排氣）段。進行注水（排氣）時，內部水壓出現反復升降的情況。直到水體充滿內部全部空腔后，將上部排氣（水）口進行封閉。

（2）第②段為加壓監測段。進行加壓監測時，將水壓機持續進行控制，將壓力適當升高并確保維持一段持水時間。確保水壓基本穩定后，再將水壓繼續增加。試驗過程中，務必詳細觀測管片是否出現滲漏水情況并觀察腔體內水壓是否穩定。耐水壓值達到峰值0.9 MPa后，持續一段時間，若耐水壓值降低到0.82 MPa時水壓突然降低，則證明已出現滲漏。

（3）第③段為泄壓段。當試件出現滲漏時，進行卸壓處置，直至水壓為0 MPa。然后，打開排氣（水）閥將水全部排出，結束試驗并將數據全部存檔。

3.5 試驗結論

試驗結果表明文中所涉截面形式的新型嵌入式管片密封墊接頭位置最大耐水壓值為0.9 MPa。在張開量7 mm、錯縫量10 mm的最不利情況下，兩片密封墊密切接觸的位置沒有出現滲漏水現象，滿足盾構隧道管片密封墊耐水壓力不能小于0.6 MPa的要求，證明新型嵌入式管片密封墊可以有效解決傳統密封墊與混凝土相結合位置容易出現滲漏水的問題。

4 密封墊腳部設計優化

4.1 傳統密封墊腳部弊端

傳統管片密封墊腳部通常采用實心的角部構造形式。這種構造使腳部的相對剛度較大而壓縮幅度不大，導致密封墊的腳部容易成為出現滲漏的薄弱地帶。在盾構管片進行拼裝時，傳統構造的管片密封墊腳部四角容易“隆起”，甚至被壓碎而脫落，加大滲漏水量。另外，盾構隧道管片的混凝土設計強度較高，相比一般混凝土構造物脆性更大，導致拼裝時極易出現壓碎管片腳部的現象[10-11]。

4.2 密封墊腳設計方案

彈性密封墊只有處于壓縮狀態才能更好地發揮防水作用。管片拼裝較為理想的狀態是將所有密封墊都壓縮到管片凹槽里，確保管片無縫隙，此時施加的臨界壓縮力稱作閉合壓縮力。在進行新型密封墊設計的過程中，通常希望通過提升密封墊耐水壓能力來增強防水能力，但這樣也會提升新型密封墊的閉合壓縮力；而且由于受到盾構設備的制約，閉合壓縮力不能大于設備拼裝的極限范圍，否則不滿足閉合壓縮力條件。因此，分析新型密封墊在受壓縮時的接觸壓力和閉合壓縮力情況非常重要。

本節所涉及的試驗在專用試驗室中進行，密封墊由三元乙丙彈性橡膠制成。試驗模擬密封墊腳部在管片中被壓縮的過程，在詳細分析不同腳部構造形式密封墊接觸應力變化情況的同時，分析不同腳部構造形式下閉合壓縮力變化情況。

在保證防水性能前提下，為詳細分析腳部應力集中效應在不同密封墊腳部構造形式下的削弱程度，本試驗專門制定出5種不同構造的開孔形式：①雙孔位于密封墊腳部中心位置，孔半徑為6 mm；②雙孔位于密封墊腳部中心位置，孔半徑為7 mm；③雙孔位于密封墊腳部中心位置，孔半徑為8 mm；④單孔位于密封墊腳部中心位置，孔半徑9 mm；⑤雙孔偏離密封墊腳部中心位置 5 mm，孔半徑6 mm。5種密封墊腳部構造形式詳見圖10。

圖10 5種密封墊腳部構造形式 （單位：mm）

對專門制定的5種開孔形式密封墊腳部構造展開室內壓縮試驗，詳細分析研究5種密封墊腳部構造形式對拼裝壓力的影響和對減小閉合壓縮力的影響，最終挑選出最佳密封墊腳部構造形式。該構造形式可以最有效實現防水密封墊角部閉合壓縮力的下降，從而實現最佳防水效果。

4.3 試驗裝置

根據GB 18173.4-2010《盾構法隧道管片用橡膠密封墊》[6]中關于橡膠密封墊壓縮試驗的相關規范，依據工程實際設計管片密封墊腳部壓縮試驗裝置，見圖11。

圖11 密封墊壓縮試驗裝置示意圖

密封墊腳部壓縮試驗裝置主要構成為：荷載加載裝置、數據處理系統、傳感器裝置和壓縮模具等。其中，荷載加載裝置主要由液壓千斤頂和反力架構成，傳感器裝置主要由壓力傳感器和位移傳感器（反映壓縮量）構成；數據處理系統記錄并處理壓力傳感器和位移傳感器相關數據，壓縮模具按照已經管片既有的L型直角凹槽進行模擬設計，圖12a為壓縮模具頂板，圖12b為壓縮模具底板。

圖12 壓縮試驗凹槽模具

4.4 密封墊腳部構造形式比選

通過試驗，得出當密封墊腳部不開孔構造形式和其他5種構造形式密封墊腳部壓縮間隙縮小到0 mm時的閉合壓縮力及腳部接觸應力情況詳見表2。

如表2所示，閉合壓縮力最小的是方案d設計，即密封墊腳部在中心位置開單孔，單孔半徑9 mm。然而，此時腳部接觸應力大小是0.69 MPa，當管片接縫出現變形時很難滿足隧道管片不小于0.6 MPa的耐水壓力的設計防水要求。因此，最終通過比選，選擇閉合壓縮力與之比較接近，而腳部接觸應力稍大一些的方案c設計作為最為最合適的設計，即雙孔位于中心位置，雙孔半徑為8 mm。

表2 密封墊腳部壓縮試驗情況一覽表

圖10所示的c設計（雙孔位于中心位置，孔半徑為8 mm）密封墊的腳部閉合壓縮力（75.98 kN/m），與不開孔密封墊的腳部閉合壓縮力（122.96 kN/m）相比，降低了近40%，密封墊所受壓縮力更符合拼裝要求。另外開兩孔時密封墊腳部的接觸應力為0.87 MPa，比不開孔時腳部接觸應力1.20 MPa減小了27.5%，規范要求隧道管片至少滿足0.6 MPa的耐水壓力，開設兩孔的密封墊腳部的接觸應力富余性更強，所以將方案c作為最佳設計。

5 結語

本文結合沈陽地鐵4號線下穿長島內河盾構隧道項目，在充分調研國內外類似項目施工方案和成果的基礎上，結合考慮盾構隧道周圍施工環境，采取更為科學的管片密封墊設計施工方案，提高管片密封墊防水能力。結論如下。

（1）將新型嵌入式管片密封墊模型試驗結果進行分析對比發現，以三元乙丙彈性橡膠為原料的新型嵌入式管片密封墊在張開量7 mm、錯縫量10 mm這個最不利情況下，符合隧道管片至少滿足0.6 MPa的耐水壓力要求，而且攻克了傳統密封墊與混凝土的相結合位置容易出現滲漏水的施工難題。

（2）密封墊腳部孔位于中心位置增加孔半徑8 mm的雙孔，極大降低閉合壓縮力和腳部接觸應力，而且從實驗結果分析，雙孔開孔愈接近密封墊腳部中心位置，密封墊腳部雙孔開孔半徑愈大，對減小閉合壓縮力的效果愈好。文章所研究的成果具有一定推廣價值。