水下盾构隧道管片接缝防水密封垫截面设计研究

王 旭，孟庆余

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

引言

盾构隧道防水包括管片结构自身防水、接缝防水和手孔防水。其中，管片在工厂预制，产品质量有保障，抗渗性能良好，管片之间大量的环向、纵向接缝是防水最为薄弱的部位，也是防水设计最为重要的环节。接缝处防水主要通过设置弹性密封垫实现，从密封机制上讲，采用单道弹性密封垫可满足隧道结构的防水要求，但考虑在工程实践中，在施工阶段难免会出现管片错台或密封垫沟槽混凝土局部压溃等施工误差，导致局部渗漏水发生；其次，在隧道运营阶段，纵向差异沉降会进一步加剧衬砌环间的错台量和张开量，增大渗漏水发生的可能性。

钟元元等[1]提出水压突破第一道密封垫至第二道密封垫时中间有一定的缓冲过程，双道密封垫抗水压能力较单道密封垫抗水压能力更强。在张开量及错位量不均匀时，双道防水能力明显优于单道防水。国内一些埋深超过60 m的超大直径盾构隧道均采用了双道密封垫，如苏通GIL综合管廊、江阴靖江长江隧道、汕头苏埃通道跨海隧道、南京纬七路长江隧道和广深港高铁狮子洋隧道等。

目前，国内超大直径盾构隧道如武汉长江隧道[2]、上海崇明长江隧道[3]、南京纬三路长江隧道[4-5]、南京地铁机场线和广州深层排水隧道等工程结合实际需求，通过开展弹性密封垫的闭合压缩力试验和防水能力试验，确定了弹性密封垫断面；钟小春，伍振志等[6-8]通过应力松弛试验研究了弹性密封垫在隧道设计周期内的长期防水性能；龚琛杰等[9]归纳总结了大直径盾构隧道接缝密封垫断面型式的设计方法，并成功指导了南京纬三路长江隧道盾构管片接缝设计。以汕头至汕尾高速铁路汕头湾海底隧道为工程背景，结合工程进度和前期的研究成果，通过数值模拟确定推荐断面型式，并通过最不利工况防水试验验证断面的合理性，确定适用于本项目的密封垫截面。

1 依托工程概况

汕汕铁路汕头湾海底隧道位于广东省汕头市濠江区和龙湖区境内，线路为北东—北东东走向，如图1所示。

图1 汕头湾海底隧道平面示意

隧道穿越丘陵区、三角洲相沉积平原区及海湾海积地貌，隧道地质构造及水文地质条件较为复杂，属全线控制性重点工程。该隧道是国内外首座设计时速为350 km单洞双线高铁海底隧道，主要特点可总结为“一大、三高、六法、八断裂”，其中，“一大”指隧道盾构段采用的盾构机外径为14.57 m，是铁路隧道领域最大直径泥水平衡盾构机；“三高”指隧道所处的地质环境复杂，高水压(海域矿山法段隧底最大水压力达0.97 MPa)、高侵蚀性环境(氯盐侵蚀环境等级L3)和高烈度地震区(8度地震区)；“六法”指隧道施工工法复杂，共采用6种施工工法，分别为陆域矿山法、海域矿山法、盾构法、明挖法、超大直径盾构空推法、超大直径盾构海底拆解。“八断裂”是指隧道一共穿越17条断层破碎带，其中，8条为活动断裂，隧道需在高水压环境下抵御活动断层蠕动效应及地震工况下的错动影响。

2 管片结构及防水设计

2.1 管片结构设计

汕头湾海底隧道盾构段全长2 129 m，管片外径14 m，内径12.8 m，管片厚度一般为管片外径的4%～6%[10]，结合计算结果，确定管片厚600 mm，环宽2 m。管片型式采用通用管片，错缝拼装，楔形量为40 mm。管片衬砌采用C60高性能钢筋混凝土，混凝土抗渗等级为P12。

综合考虑管片制作、运输、安装等方面的实践经验和结构受力、防水要求等因素，将管片衬砌圆环分为“1+2+7”模式，即由1块封顶块、2块邻接块和7块标准块构成，如图2所示。

图2 衬砌环分块示意

从有助于提高纵向抗震能力、适应软弱地层的角度考虑，本盾构管片接触面环缝设凹凸榫，纵缝不设凹凸榫。

环与环间以56根10.8级M36高性能纵向螺栓相连，既能适应一定的纵向变形，又能将隧道纵向变形控制在满足列车运行及防水要求的范围内。块与块间以30根10.8级M36高性能环向螺栓紧密相连，能有效减少纵缝张开及结构变形。

2.2 管片接缝防水设计

从提高隧道防水的安全度出发，汕头湾海底隧道盾构段采用双道弹性密封垫防水方案。在盾构管片内、外弧侧各设1道弹性密封垫槽，外弧侧密封垫槽处加设1道遇水膨胀橡胶挡土条，内弧侧设嵌缝槽。密封垫采用以三元乙丙为主，辅以遇水膨胀橡胶复合密封垫。盾构隧道管片接缝防水如图3所示。

图3 管片接缝防水示意

2.3 管片接缝设计水压

管片接缝材料设计抵御水压一般应不小于实际承受最大水压的2～3倍[11]。在日本东洋大学工学部、早稻田大学等科研机构关于盾构法隧道设计的相关研究报告中，多推荐防水安全系数(设计水压与实际水压之比)取3.0。对于一些埋深较浅，水压不高的地铁隧道，安全系数多取值为3.0，而越江隧道等一般水压较大，安全系数要作较大折减，在上海延安东路隧道中最大设计水压达到0.8 MPa。表1为国内外已建工程防水压力设计指标。

表1 国内外已建工程防水压力设计指标

从施工阶段(管片拼装完没有承受土压力之前)、在管片结构正常使用和抗震3种工况下，对衬砌环的最不利部位(同时处于最大错台量和最大张开量部位)和最理想部位(错台量和张开量均为零)的管片接缝设计水压提出要求，一般应按抗渗设防水位下隧道埋深的1～3倍设计[12]。

结合以上理论分析和工程实践，汕头湾海底隧道盾构段所处的工程地质、水文地质条件，隧道周边地层为土层或基岩层，洞顶最大埋深约70 m，隧道结构顶承受最大水压力为0.7 MPa，隧道结构底承受最大水压力为0.84 MPa。接缝密封垫在100年设计使用年限内，设计水压安全系数按以下原则考虑。

(1)在施工阶段(管片拼装完没有承受土压力之前)，根据接缝细部构造、衬砌环拼装椭圆度及上浮情况，计算出管片衬砌环接缝的张开量和错台量，接缝设计水压为实际水压的2.3倍，即1.932 MPa。

(2)在正常使用工况，衬砌环最不利部位，接缝设计水压为实际水压的1.5倍，即1.26 MPa；最理想部位(错台量和张开量均为零)接缝设计水压为实际水压的2.3倍，即1.932 MPa。

(3)在抗震工况衬砌环最不利部位，接缝设计水压不得小于1倍的实际水压(0.84 MPa)，其他部位不得小于1.2倍的实际水压，即1.008 MPa。

(4)三元乙丙橡胶100年以后压缩应力保持率为0.65，安全系数取1.5，设计水压=(理论水压×安全系数)/应力保持率=(0.84 MPa×1.5)/0.65=1.94 MPa。

为设计安全考虑，综合确定本项目接缝设计水压为2.0 MPa。

3 初选密封垫断面型式

3.1 密封垫截面设计控制因素

在密封垫断面设计确定过程中，起主要控制作用的因素有2种。

一是弹性密封垫沟槽深度与密封垫高度关系，密封垫沟槽截面如图4所示。

图4 密封垫沟槽截面

(1)

(2)

式中，α、α′分别为弹性密封垫最大、最小压缩率；H为沟槽深度；T为密封垫高度；B为设计中接缝允许张开量的1/2。

二是密封垫被完全压密(接缝张开量为0)，密封垫沟槽截面积应不小于密封垫的净面积，其关系可按下式确定

A=γA0

(3)

式中，A为密封垫沟槽截面积；A0为弹性密封垫净面积。

如γ<1时，压缩到接缝张开量为0时，必然需要过大的压缩力，对管片拼装精度及拼装效率不利，且有导致管片开裂的风险，同时溢出的密封材料会发生塑性变形，丧失弹性止水功能，即产生所谓的“挤隙”现象。如γ>1.15时，橡胶密封垫达不到预期的止水效果。因此，1≤γ≤1.15时，密封垫沟槽面积与密封垫截面积的比例最为合适。

3.2 弹性密封垫断面类型

参考国内外大直径水下盾构隧道管片接缝弹性密封垫的工程案例，结合本项目密封垫沟槽尺寸，通过调整密封垫开槽尺寸、孔洞形式、孔洞分布距离和密封垫高度等相关因素，对内、外道密封垫分别提出4种初选弹性密封垫断面，各弹性密封垫断面的截面参数如表2所示，断面尺寸如图5所示，8种断面的γ值均介于1.0～1.15，满足DBJ 08—50—96《盾构法隧道防水技术规程》要求。

表2 内外道弹性密封垫截面参数

图5 内、外道密封垫断面

4 有限元数值计算分析

针对汕头湾海底盾构隧道工程具体情况，采用ABAQUS软件对初选的内、外道密封垫建立二维非线性有限元模型，通过对压缩反力曲线、压缩形态，接触面应力大小及分布情况等指标的综合分析，确定其防水能力。

数值计算中防水密封垫沟槽采用刚体，三元乙丙弹性密封垫则采用变形实体单元进行模拟。密封垫孔洞设置为自接触，上下密封垫之间及密封垫与沟槽之间均设置为面接触，接触面法向采用硬接触，切向采用罚函数接触。计算中采用的橡胶本构模型是模拟结果与试验较为接近的Yeoh三参数模型[13]，Yeoh模型形式简单，精确度高，适合橡胶的大变形行为，且在橡胶小变形时也具有较好拟合度[14]。采用动力显示计算方式，加载方式采用位移加载。其应变能势函数为

U(I1，I2)=C10(I1-3)+C20(I2-3)2+C30(I1-3)3

(4)

其中，U为应变势能；I1、I2为应变不变量；C10、C20、C30为橡胶材料参数，通过材料拉伸实验获得。在本次数值模拟中，C10取0.682 83，C20取-0.100 43，C30取0.031 34。

目前，由于规范中未明确规定盾构隧道管片接缝的最大允许张开量及最大允许错台量，通常依据工程经验及工程类比拟定，而对于大直径高水压盾构隧道的设计防水最不利工况通常定为张8错15，在此工况下，密封垫网格划分如图6所示。

图6 密封垫网格划分

在密封垫防水体系中存在2条渗流路径[15]，即密封垫之间的接触面以及密封垫与沟槽接触面，通过提高接触面间的接触应力抵抗外界水压力，在最大外部水压作用下，只要密封垫纵向上每一横截面都有有效接触应力[16]存在，密封垫即可发挥较好的防水效果。但在提高接触应力的同时，必然会使得密封垫的闭合压缩反力升高，闭合压缩反力不得大于盾构千斤顶的拼装能力[17]，压缩反力太高，对衬砌的拼装造成不利影响；压缩反力太小，密封垫之间和密封垫与沟槽之间的接触应力又不能满足防水要求。设计时需综合考虑二者之间的关系，因此，将密封垫的压缩反力和接触应力作为防水性能评价基准，开展截面迭代优化设计。

外道断面1两端的接触应力偏大；外道断面2在发生断层滑动等地质灾害时，管片接缝可能会发生大错台及大张开；外道密封垫3的压缩反力较低，与内道密封垫压缩反力不匹配，且其孔洞与外轮廓空余距离过薄不利于制作；因此，在断面4中增加外道密封垫的高度，同时均匀排布孔洞的分布。内道断面1勉强满足本工程的防水要求，但接触应力分布不均匀；内道断面2设计考虑到盾构隧道穿越断层带存在的潜在风险，提高密封垫高度，减少开孔数量；内道断面3提高密封垫的有效接触应力占比；内道断面4提高密封垫高度和密封垫的有效接触应力占比，同时考虑到密封垫截面制作工艺精度等因素，进一步减少孔洞数量并令其规则化。由于篇幅有限，计算结果中仅显示内、外道断面4在“张8错15”工况下，水压加载至2.0 MPa时的计算结果，如图7、图8所示。

图7 外道断面4密封垫计算结果

图8 内道断面4密封垫计算结果

计算结果分析可知：内、外道断面4的压缩反力较为合理、接触应力分布较为均匀，在张开量8 mm、错台量15 mm工况下能满足2 MPa的防水要求。

5 密封垫最不利工况耐水性试验研究

5.1 试验装置

依据密封垫力学性能数值模拟分析的结果，对推荐的内、外道密封垫进行最不利工况防水试验验证。文献[18]要求采用“T”形缝试验研究盾构管片环纵缝接缝处橡胶密封垫的防水能力。试验装置由钢模板、全自动水压加载装置、压力表、开关阀门、连接杆件等部分组成，“T”形模拟防水试验装置由1块平板和2块直角板组成，考虑到不同截面形式密封垫需不同的密封垫沟槽与之对应，防水试验装置包含可更换内胆2套，对应的密封垫沟槽位于内胆上，如此可通过更换含对应密封垫沟槽内胆来实现不同截面形式密封垫的防水试验。耐水压试验密封垫安装示意如图9所示，拼装完成后试验装置如图10所示。

图9 密封垫安装示意

图10 “T”形缝耐水压装置

5.2 试验过程

全自动水压加载装置可实现水压自动加载，水压加载精度为0.01 MPa，最大加载水压为10 MPa，同时可在发生微小渗水时进行水压补偿以保持水压的稳定，并追踪水腔中注水水量的变化，以此可计算密封垫在对应水压下的变形量。

针对推荐的内、外道密封垫在张开量8 mm，错台量15 mm最不利工况下开展防水性能试验。具体试验步骤如下。

(1)在测试开始前，先把试验装置内表面及沟槽清理干净，再将弹性密封垫用氯丁橡胶黏结剂固定到沟槽内，并保持这个状态等待12 h。

(2)静置12 h后，进行张开量8 mm及错台量15 mm的设置操作。

(3)用高强螺栓将装置拧紧固定，确保装置在试验过程中张开量及错动量稳定性。

(4)装置固定好之后，将水压泵及水压表连接到装置上，然后开始加水。

(5)将水加入到水压泵中，再把水压调至0.1 MPa，待其稳定后，再开始加压，在0.1 MPa下保持15 min，不漏则以0.1 MPa为1个单位，逐级往上加，每加1个单位，保持15 min不漏则继续往下加，在达到设计水压2.0 MPa后，保压24 h，不漏则继续加压，此后以0.01 MPa为1个单位，保持1 min，直到出现渗水，将比渗水水压小0.01 MPa水压定为密封垫在此工况下的耐水水压。

5.3 试验结果

在张开量为8 mm，错台量为15 mm工况下，对推荐内、外道密封垫断面分别做了3组试验，试验结果如表3所示。

表3 内、外道密封垫断面耐水能力试验结果 MPa

根据试验结果可知，内、外道密封垫在设计最不利工况下的耐水水压能力均能满足本工程在施工阶段、正常使用阶段和抗震工况下的防水要求。

6 密封垫应用拼装效果

研究确定的内外道三元乙丙橡胶弹性密封垫已进入生产使用阶段，密封垫产品截面如图11所示。

图11 密封垫截面

管片拼装完成后，防水效果较好，管片表面没有渗水、滴水现象，现场拼装实景如图12所示。

图12 管片拼装实景

7 结论

研究通过确定管片接缝设计水压，初选内外道密封垫多种断面型式；再利用有限元数值模拟计算初步确定推荐方案；最后通过耐水压试验验证推荐方案的合理性。成功确定了适用于汕头湾海底隧道工程盾构管片接缝密封垫的断面型式，主要结论如下。

(1)通过研究确定了采用提高密封垫高度和密封垫的有效接触应力占比，内、外道密封垫断面4型式可用于汕头湾海底隧道盾构管片接缝防水。

(2)管片设置双道密封垫时，断面选择应统筹考虑内外道密封垫的防水能力和压缩反力。

(3)外道密封垫和内道密封垫的防水性能相差约0.31 MPa，防水性能较为相近，如外界环境因素导致外道密封垫发生泄露，内道密封垫也能起到一定防水作用。

(4)结合运营及在建项目初步确定的密封垫断面型式要满足《盾构法隧道防水技术规程》要求的沟槽面积与密封垫截面积比值范围，为后续研究奠定基础，避免研究过程反复。

(5)由于内外道密封垫沟槽尺寸不一样，导致密封垫断面类型增加，初步设计断面数量、有限元计算与试验周期延长，且防水效果不一定为最佳状态，建议条件允许时2道密封垫尺寸保持一致。