大直徑水下盾構(gòu)隧道接縫彈性密封墊防水性能研究
——設計方法與工程指導

龔琛杰， 丁文其

(1. 同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092)

0 引言

近年來，隨著國家發(fā)展戰(zhàn)略及基礎設施建設的持續(xù)推進，以及高鐵路網(wǎng)、高速公路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的進一步完善，越來越多的跨江越海通道工程應運而生。相較于跨越江河湖海的其他交通方式，隧道因其具有全天候通行能力、不影響通航、抗震及隱蔽性好等獨有的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢，在世界范圍內(nèi)已被廣泛采用[1-2]。在隧道施工的眾多工法中，盾構(gòu)法因其施工勞動強度低、開挖安全可靠、掘進速度快、施工不受季節(jié)限制、對周圍環(huán)境擾動影響小等諸多優(yōu)點，日益受到工程界的青睞。為了優(yōu)化設計、節(jié)約造價、以最少的工程投資獲取最大的結(jié)構(gòu)安全度，由鋼筋混凝土管片和螺栓拼裝而成的單層襯砌結(jié)構(gòu)，已成為盾構(gòu)隧道工程實踐的主流。對于單層襯砌盾構(gòu)隧道，除了確保結(jié)構(gòu)足夠的承載能力和力學特性外，更應保證隧道在設計周期內(nèi)的運營可靠性。其中，滲漏水是妨礙隧道正常服役使用的一大難題[3-4]，對大直徑水下盾構(gòu)隧道而言，在承受超高水壓作用的同時，往往構(gòu)筑于高滲透性系數(shù)的砂土地層中，如何降低滲漏水的風險，乃至確保隧道的“滴水不漏”，正成為新近的學術(shù)和工程熱點。

目前，采用彈性橡膠密封墊作為隧道接縫防水密封材料已成為業(yè)界主流。具體方式如下： 管片接頭靠近外弧面?zhèn)阮A留有密封墊溝槽，在彈性密封墊膠條底部涂刷黏合劑，粘貼膠條到管片預留溝槽，最終在管片拼裝階段通過千斤頂?shù)捻斖屏ο嗷D壓，產(chǎn)生防水接觸應力。為確定滿足設計要求的彈性密封墊斷面，武漢長江隧道[5]，長海崇明長江隧道[6]，南京緯三路長江隧道[7-11]，南京地鐵機場線[12]和廣州深層排水隧道[13]等國內(nèi)盾構(gòu)隧道案例，分別針對工程實際需求開展了彈性密封墊的閉合壓縮力試驗和防水能力試驗。另外，為保證彈性密封墊在隧道設計周期內(nèi)的長期防水性能，文獻[14-17]討論了彈性密封墊的應力松弛試驗方法。

上述研究大多針對某一特定工程進行專項試驗研究，較少涉及大直徑水下盾構(gòu)隧道的接縫防水設計方法的歸納分析，缺少對接縫彈性密封墊的防水設計思路的總結(jié)凝練。本文基于我國大直徑水下盾構(gòu)隧道工程實踐日益頻繁的背景，通過總結(jié)現(xiàn)階段的工程案例，歸納大直徑盾構(gòu)隧道接縫防水設計方法，并結(jié)合工程實例闡述具體設計流程，以期為今后水下盾構(gòu)隧道接縫防水設計提供參考。

1 我國大直徑水下盾構(gòu)隧道概述

1.1 大直徑水下盾構(gòu)隧道在我國的分布

我國代表性的大直徑水下盾構(gòu)隧道工程實例見表1。從分布地域上看，長江、黃浦江、珠江和錢塘江等江河流域持續(xù)興建水下隧道的同時，穿越近海海灣海峽的海底隧道也處于規(guī)劃之中； 從使用類型上看，涵蓋了城市道路、軌道交通和高速鐵路隧道； 從結(jié)構(gòu)參數(shù)上看，隧道直徑由10 m級向15 m級以上躍升，管片呈現(xiàn)出大厚度(0.6 m級)、大幅寬(1.5～2 m級)的特點； 從設計水頭高度看，由40 m級左右的江底隧道發(fā)展到超百m級的海底隧道; 從接縫防水材料上看，從最初的環(huán)氧樹脂現(xiàn)場澆涂到如今預制成型的三元乙丙橡膠密封墊。總的來說，發(fā)展跨越江河湖海的盾構(gòu)隧道已成大勢所趨，體現(xiàn)出大斷面、大幅寬、高水壓等特點。

表1 我國代表性大直徑水下盾構(gòu)隧道一覽表

1.2 大直徑水下隧道的接縫防水構(gòu)造

為保證隧道在高水壓作用下的防水密封，大直徑水下隧道管片接縫有采用單道彈性密封墊和采用雙道彈性密封墊2種方案。前者是在管片接縫外弧面?zhèn)冗€布置彈性密封墊(尤其適應斷面形式復雜、需要微波硫化的三元乙丙橡膠材料)，后者除了在外弧面?zhèn)炔贾弥鞣浪畯椥悦芊鈮|外，在內(nèi)弧面?zhèn)冗€設置輔助防水密封墊(三元乙丙橡膠材料或遇水膨脹橡膠材料)。這2種方案在國內(nèi)水下盾構(gòu)隧道均有應用： 采用單道彈性密封墊的有上海崇明長江隧道、杭州錢江隧道等； 采用雙道彈性密封墊的有武漢長江隧道，南京緯三路、緯七路長江隧道，廣深港高鐵獅子洋隧道等。

從密封機制上講，采用單道彈性密封墊可以滿足隧道結(jié)構(gòu)的防水要求，但考慮在工程實踐中，首先在施工階段難免會出現(xiàn)管片錯臺或者密封墊溝槽混凝土局部壓潰等施工誤差，導致局部滲漏水的發(fā)生；其次，在隧道運營階段，縱向差異沉降會進一步加劇襯砌環(huán)間的錯臺量和張開量，增大滲漏水發(fā)生的可能性。 因此，為提高隧道防水的安全度，越來越多的高水壓盾構(gòu)隧道傾向于采用雙道彈性密封墊防水方案。需要說明的是，對于大直徑盾構(gòu)隧道，其管片厚度較大(600 mm以上)，也為雙道彈性密封墊的布置提供了空間。

圖1為基于最新設計理念的大直徑水下盾構(gòu)隧道接縫防水構(gòu)造示意圖。其中，海綿橡膠擋土條用于防止管片拼裝階段的砂土掉入及盾構(gòu)盾尾油脂滲入，外道主防水密封墊采用三元乙丙橡膠材料，內(nèi)道輔助防水密封墊采用遇水膨脹橡膠材料，和嵌縫密封膠共同作為輔助防水措施。

圖1 大直徑水下盾構(gòu)隧道接縫防水構(gòu)造示意圖

Fig. 1 Sketch of joint waterproof structure of large-diameter underwater shield tunnels

2 接縫彈性密封墊的設計方法

由上文可知，保證隧道防水密封的關鍵在于彈性密封墊的防水性能，因此，本文圍繞接縫彈性密封墊的防水設計展開討論。按照不同的設計階段，可劃分為工程設計參數(shù)提取、試驗前有限元預分析、試驗研究和試驗后有限元分析4部分內(nèi)容。具體的設計流程如圖2所示。

2.1 工程設計參數(shù)提取

2.1.1 短期防水設計指標

首先，根據(jù)設計資料確定承受最大水頭高度的隧道斷面，疊加隧道直徑，得到該斷面拱底位置處的理論水壓值。考慮到水下隧道設計使用壽命內(nèi)的彈性密封墊的潛在劣化，其長期防水能力會受到應力松弛的影響，因此使用特定材質(zhì)和斷面結(jié)構(gòu)的密封墊接縫短期設計水壓按式(1)計算：

Pw=(γ×P0)/ε

。

(1)

式中：Pw和P0分別為短期防水設計指標和理論水壓；γ為安全系數(shù)；ε為應力松弛系數(shù)。

2.1.2 接縫允許變形量

對于裝配式盾構(gòu)隧道，由于管片密封墊溝槽制作誤差和施工階段管片拼裝誤差，接縫難免會出現(xiàn)張開和錯臺等初始變形; 此外，在運營階段的車輛往復荷載、縱向不均勻沉降和地震荷載(穿越地震活躍帶的隧道)等工后荷載作用下，會加劇接縫變形。因此，綜合考慮上述效應，確定最不利接縫張開量(Δ)和錯臺量(S)。

2.1.3 彈性密封墊設計指標

彈性密封墊設計指標包括2方面: 一是防水能力設計指標，二是閉合壓縮力設計指標。防水能力指標為在最不利接縫變形工況下，彈性密封墊的短期防水抗力不小于短期防水設計指標，且長期防水抗力不小于理論水壓。閉合壓縮力設計指標是指，為保證彈性密封墊的壓縮質(zhì)量，要求密封墊完全拼裝進入管片溝槽時需要的閉合壓縮力小于盾構(gòu)千斤頂?shù)臉O限頂推力：

Fg≤Fjack

。

(2)

式中：Fg為閉合壓縮力；Fjack為千斤頂極限頂推力。

2.2 試驗前有限元預分析

首先，根據(jù)管片接縫預留的密封墊溝槽的尺寸，初步擬定彈性密封墊斷面的外形尺寸參數(shù)； 然后，根據(jù)以往工程實踐提出若干初選斷面; 最后，建立包括彈性密封墊和管片溝槽的有限元模型，計算最不利接縫變形工況下的接觸應力(即防水抗力)，篩選出大于理論水壓的斷面進行加工制作，開展試驗研究。

2.3 試驗研究

2.3.1 彈性密封墊短期防水能力試驗

采用高水壓盾構(gòu)隧道管片接縫防水性能試驗系統(tǒng)，對有限元預分析的篩選斷面進行不同接縫張開量和錯臺量下的防水能力試驗研究，得到滿足短期防水設計指標的斷面。

2.3.2 彈性密封墊閉合壓縮力試驗

加工足尺管片溝槽，對有限元預分析的篩選斷面進行法向壓縮，記錄密封墊的荷載-位移曲線，獲取其閉合壓縮力，得到滿足閉合壓縮力設計指標的斷面。綜合防水能力試驗結(jié)果，得到同時滿足上述試驗的工程推薦斷面。

2.3.3 彈性密封墊材料人工加速老化試驗

開展彈性密封墊材料的老化試驗，得到接觸應力松弛系數(shù)隨時間的衰減規(guī)律。

2.4 試驗后有限元分析

2.4.1 接縫變形控制指標

對工程推薦斷面進行建模，計算接縫不同張開量和錯臺量工況下的接觸應力，得到確保彈性密封墊防水能力的接縫變形量區(qū)間。

2.4.2 設計周期內(nèi)的防水能力預測

基于橡膠密封墊老化性能參數(shù)，建立數(shù)值模型，對設計周期內(nèi)的彈性密封墊長期接觸應力進行計算，進而對彈性密封墊的長期防水能力進行預測。

3 工程應用——南京緯三路長江隧道

3.1 工程概況

南京緯三路長江隧道是南京市最新的穿越長江的越江通道工程，位于長江大橋和緯七路長江隧道之間，連接南京主城區(qū)和浦口新區(qū)，如圖3所示。該工程采用雙管雙層X形盾構(gòu)隧道方案，北線和南線分別由2臺14.93 m直徑的復合泥水盾構(gòu)掘進。

圖3 南京緯三路長江隧道平面圖

Fig. 3 Plan of Yangtze River-crossing Tunnel on Weisan Road in Nanjing

隧道外徑為14.5 m，內(nèi)徑為13.3 m，采用厚度為0.6 m的鋼筋混凝土管片錯縫拼裝而成。襯砌環(huán)分為10塊，包括7塊標準塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊。隧道縱縫采用3根M36斜螺栓連接，隧道環(huán)縫采用58根M30斜螺栓連接。管片接縫采用雙道彈性密封墊，外道為三元乙丙橡膠彈性密封墊，內(nèi)道為遇水膨脹橡膠密封墊。隧道襯砌圓環(huán)構(gòu)造和管片接縫設計如圖4所示。

圖4 南京緯三路長江隧道襯砌圓環(huán)構(gòu)造及接縫大樣圖(單位： mm)

3.2 設計指標確定

江中段隧道拱頂以上最大水深約58 m，拱底以上最大水深為72 m，故長期防水能力設計指標為0.72 MPa。隧道設計使用年限為100年，為長期性地下建筑，綜合考慮安全系數(shù)取為1.2。根據(jù)彈性密封墊供應商的試驗數(shù)據(jù)，三元乙丙橡膠的100年壓縮應力保持率為0.65，故短期防水能力設計指標為0.72×1.2/0.65=1.3 MPa,推導過程見文獻[10]。

考慮到彈性密封墊的容錯能力，影響因素包括： 管片尺寸公差±1 mm； 管片形位公差±2 mm； 環(huán)向錯臺量±5 mm； 縱縫張開量±2 mm； 人為和環(huán)境因素±2 mm； 密封墊配合面尺寸公差±1 mm。管片拼裝偏差的累計值為： 最大張開量5 mm，最大錯臺量15 mm。因此，彈性密封墊設計時考慮的極限狀態(tài)為最大張開量6 mm，最大錯臺量15 mm。

盾構(gòu)千斤頂?shù)臉O限拼裝能力為100 kN/m，故閉合壓縮力設計指標為100 kN/m。

3.3 有限元預分析

參考國內(nèi)外大直徑水下盾構(gòu)隧道管片接縫彈性密封墊的工程案例，提出20種初選彈性密封墊斷面，如圖5所示。根據(jù)上述初選斷面建立彈性密封墊在管片溝槽中的平面應變有限元模型，彈性密封墊采用Mooney-Rivlin模型進行模擬，管片溝槽采用剛體進行模擬，設置剛體參考點控制管片溝槽的平面內(nèi)運動并進行位移加載。其中一個斷面的有限元模型示意圖見圖6。

圖6 有限元預分析模型

進行試驗試樣加工制作的彈性密封墊斷面條件為設計接縫張開量為6 mm時的接觸應力不小于理論水壓，經(jīng)計算，有6種斷面滿足該要求，命名該6種試驗加工斷面分別為SC1、SC2、SC4、SC5、SC6和SC7，如圖5所示。此外，為定量研究彈性密封墊硬度對防水性能的影響，加工制作硬度較小的SC3開展試驗，SC3的斷面參數(shù)同SC1。上述7種試驗彈性密封墊斷面的截面參數(shù)見表2，接觸應力-接縫張開量關系曲線如圖7所示。

3.4 試驗研究

彈性密封墊的防水試驗結(jié)果如圖8所示。在給定的張開6 mm和錯臺15 mm的設計接縫變形量下，SC1斷面的防水能力為1.27 MPa，SC2斷面的防水能力為0.91 MPa，SC3斷面的防水能力為0.62 MPa，SC4斷面的防水能力為0.81 MPa，SC5斷面的防水能力為1.00 MPa，SC6斷面的防水能力為1.18 MPa，SC7斷面的防水能力為1.31 MPa。根據(jù)試驗結(jié)果，SC1和SC7斷面符合設計要求。

彈性密封墊的閉合壓縮力試驗結(jié)果如圖9所示。SC1的閉合壓縮力為318 kN/m，SC2的閉合壓縮力為273 kN/m，SC3的閉合壓縮力為156 kN/m，SC4的閉合壓縮力為90 kN/m，SC5的閉合壓縮力為94 kN/m，SC6的閉合壓縮力為147 kN/m，SC7的閉合壓縮力為73 kN/m。根據(jù)試驗結(jié)果，SC7斷面符合設計要求。

綜合防水試驗結(jié)果和閉合壓縮力試驗結(jié)果，推薦SC7斷面作為工程使用斷面。

表2 試驗彈性密封墊斷面的截面參數(shù)

圖7 試驗彈性密封墊斷面的接觸應力-接縫張開量關系曲線

圖8 試驗彈性密封墊斷面的滲漏水壓-接縫張開量關系曲線(15 mm接縫錯臺量)

彈性密封墊在使用過程中所發(fā)生的老化主要是熱氧老化，同時受機械應力和水的作用。因此可以利用測定橡膠密封制品貯存期的方法來預測橡膠密封墊的使用期，即利用熱空氣加速老化的方法外推計算。根據(jù)橡膠密封墊的實際使用情況，選擇壓縮應力松弛系數(shù)σ/σ0作為壽命預測的試驗項目。不同老化溫度、不同老化時間下的壓縮應力松弛系數(shù)σ/σ0的試驗結(jié)果見表3。

根據(jù)HG/T 3087—2001《靜密封橡膠零件貯存期快速測定方法》規(guī)定，老化特性指標y與老化時間t之間關系可用經(jīng)驗公式描述：

圖9 試驗彈性密封墊斷面的力-壓縮量關系曲線

60 ℃時間/dσ/σ070 ℃時間/dσ/σ080 ℃時間/dσ/σ090 ℃時間/dσ/σ0100 ℃時間/dσ/σ00.250.8650.250.8460.250.7610.50.5960.50.49310.84110.79510.65310.53310.42520.80820.73720.57120.45720.38440.76740.67840.52930.42930.34280.71180.60480.45750.40450.315140.688140.563140.43380.38180.284200.646200.528200.414110.361110.27027.40.63727.90.51427.90.393150.347150.24739.50.590400.491400.386210.324210.21549.20.56249.70.48749.70.342250.310250.21560.10.54460.60.47360.60.32433.90.29633.90.19670.20.52670.70.46870.70.319450.267450.164

y=Bexp(-Kta)

。

(3)

式中：y為壓縮應力松弛系數(shù)σ/σ0；B為試驗常數(shù)；K為速度常數(shù)，d-1；t為老化時間，d；a為經(jīng)驗常數(shù)。

采用試驗數(shù)據(jù)對上式參數(shù)進行擬合，得到老化特性指標與老化時間之間的關系式：

y=1.354 2exp(-10t3.188 1-1 169.8/T×t0.15)

。

(4)

式中T為運營時間。

3.5 接縫變形控制指標

對工程使用斷面SC7建立試驗后有限元分析模型，如圖10所示。該模型的材料模擬、網(wǎng)格剖分、參考點設置等同試驗前有限元預分析模型(見圖5)，唯一的區(qū)別在于施加了側(cè)向水壓力，以模擬水壓加載工況下的彈性密封墊防水性能。水壓施加方式如下： 首先通過改變管片溝槽參考點的位移，達到設定的接縫張開量和錯臺量； 然后維持參考點的位移不變，在彈性密封墊一側(cè)施加水壓力。

圖10 試驗后有限元分析模型

0 mm接縫錯臺量工況下的接縫張開量-接觸應力關系曲線如圖11所示。由圖11可知，接觸應力隨著張開量的增大迅速下降，當接縫張開量約為6.42 mm時，達到1.3 MPa的設計指標。因此，基于計算結(jié)果，為保證隧道接縫防水能力，建議在施工期將接縫張開量控制在6.42 mm以內(nèi)，且在運營期加強結(jié)構(gòu)監(jiān)測，確保接縫張開量不大于6.42 mm。

圖11 接縫張開量-接觸應力關系曲線(0 mm接縫錯臺量)

Fig. 11 Curves of relationship between joint opening and contact stress (joint offset of 0 mm)

6 mm接縫張開量工況下的接縫錯臺量-接觸應力關系曲線如圖12所示。由圖12可知，接觸應力和錯臺量沒有相關性，錯臺量大小對接觸應力的影響不大。當接縫錯臺量在30～33 mm時，接觸應力略小于1.3 MPa的設計指標。需要說明的是，接縫錯動量較大的情況下，彈性密封墊在擠壓變形后會與對面的管片溝槽相接觸，從而提高其防水能力，故在特定的接縫張開條件下，錯動量的增加并非一定導致防水能力的減小。因此，在特定的接縫錯動條件下，接縫的張開量是制約防水能力的關鍵因素。

圖12 接縫錯臺量-接觸應力關系曲線(6 mm接縫張開量)

Fig. 12 Curves of relationship between joint opening and contact stress (joint offset of 6 mm)

3.6 長期防水性能預測

由于處于地下特殊環(huán)境中，彈性密封墊主要受溫度影響。根據(jù)南京市的歷史氣象資料，可認為南京市緯三路隧道建成之后所處的地下常年保持20 ℃?；谑?4)計算得到20年內(nèi)的老化特性指標，見表4。對工程使用斷面SC7建立試驗后有限元預測模型，將表4的數(shù)值作為試驗結(jié)果值輸入ABAQUS有限元軟件，通過其自帶的試驗數(shù)據(jù)擬合功能得到用于黏彈性材料模型參數(shù)值，對設計接縫變形工況(張開量6 mm+錯臺量15 mm)下的SC7斷面長期防水能力進行預測。

表4預測的20年內(nèi)彈性密封墊壓縮應力松弛系數(shù)

Table 4 Predicted relaxation coefficient of compressive stress of elastic gasket within 20 years

時間/年12345σ/σ00.9260.8880.8650.8480.835時間/年678910σ/σ00.8240.8140.8060.7980.792時間/年1112131415σ/σ00.7850.7800.7750.7700.765時間/年1617181920σ/σ00.7610.7570.7530.7500.746

SC7斷面的接觸應力隨時間的變化規(guī)律如圖13所示。由圖13可知，彈性密封墊的接觸應力隨著時間增加而減小。另外，彈性密封墊的初始接觸應力較大，應力松弛的現(xiàn)象較為明顯，并且彈性密封墊進入應力穩(wěn)定的時間也較長。根據(jù)計算結(jié)果，SC7斷面在100年的設計周期內(nèi)可以抵抗0.72 MPa的水壓。

圖13 SC7斷面的接觸應力隨時間的變化規(guī)律

4 結(jié)論與討論

本文針對我國大直徑水下盾構(gòu)隧道工程日益增多的現(xiàn)狀，分析了大直徑、高水壓等工程特點帶來的防水設計需求，總結(jié)了典型工程的接縫防水設計構(gòu)造，建立了大直徑水下盾構(gòu)隧道接縫彈性密封墊的設計方法。該設計方法包括工程參數(shù)提取、試驗前有限元預分析、試驗研究和試驗后有限元分析4部分。將該設計方法應用于目前國內(nèi)承受最大水深(72 m)的南京緯三路長江隧道的接縫彈性密封墊設計選型，成功指導了工程實踐。具體結(jié)論如下。

1)推薦采用雙道彈性密封墊的接縫防水設計方案，外道為主防水防線，內(nèi)道為輔助防水防線，以提高防水設計的安全度。

2)彈性密封墊設計包括防水能力設計和閉合壓縮力設計2部分： 防水能力指的是彈性密封墊在最不利接縫變形量工況下能保證短期和長期接觸應力；閉合壓縮力能夠保證密封墊在管片溝槽中壓實壓緊。

3)開展有限元預分析初選彈性密封墊斷面，篩選出滿足接觸應力要求的斷面加工制作，可大幅減小后續(xù)試驗工作量，提高設計效率。

4)試驗彈性密封墊斷面SC7滿足1.3 MPa的短期防水設計指標和100 kN/m的閉合壓縮力設計指標，推薦作為南京緯三路長江隧道工程應用斷面。

5)為保證隧道防水的可靠性，建議控制接縫張開量在6.42 mm以內(nèi)。在設計6 mm接縫張開量的條件下，接縫錯臺量對防水能力影響不大。

6)彈性密封墊斷面SC7在100年設計周期內(nèi)的接觸應力滿足0.72 MPa的長期防水設計指標。

本文對接縫的防水性能進行了研究，后續(xù)可將本文提出的方法應用到隧道襯砌結(jié)構(gòu)中，對不同位置接縫的防水性能進行分析。