盾构隧道管片接缝密封垫防水性能及受施工荷载影响研究

关则廉、吴政、高利平

（1.广州地铁建设管理有限公司，广东 广州 510000；2.中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京 100043）

1 基础理论及案例分析

1.1 盾构隧道管片接缝防水研究

盾构隧道管片接缝防水能力的提升和管片连接位置的密封垫性能密切相关，从当前的基础设施工程施工研究情况来看，国内外关于密封垫防水性能的研究已经较为成熟，大多数的研究都是围绕着密封垫材质、密封垫加工的实际方法、密封垫设计方案以及失效机制等内容展开的[1]。

为了进一步提升密封垫防水性能分析的客观性和全面性，还需要在数值模拟的基础上，实现仿真试验。当前一部分隧道应用盾构法进行施工，管片连接位置密封垫的渗漏水问题依旧存在，也就证明原有的密封垫防水性能评估以及设计方案还有提升的空间。传统的室内试验通常是建立在榫槽构件的基础上进行试验的，需要考虑尺寸以及细部结构，但是往往会存在一定的限制，无法全面体现盾构施工的整体过程，难以打造最为真实的工作场景和运行状态，也就导致密封垫防水性能的设计和实际需求之间存在一定偏差，在具体应用的过程中，这些偏差会逐步积累，进而影响具体的使用效果。

除此之外，在施工的过程中产生的施工荷载也未能得到足够重视。施工荷载对于密封垫防水性能产生的影响较大，针对不同的工程，在选择盾构法施工的过程中，施工荷载对于密封垫防水性能产生的影响具有一定的差异性，而不同的影响程度也会导致密封垫防水性能的下降出现差异，因此，首先需要结合具体的施工现场实际情况进行试验和检测，从而给出最为合理的安全系数范围。为了进一步提升检测的精准度以及模拟预期的效率，本文提出了一种以数字模型为依托打造的足尺试验设备，可以围绕施工过程中出现的不同错台量检测防水性能。其次，需要在二维数字模型分析的基础上，研究管片密封垫的具体密封程度，分析密封垫在不同压缩状态下的具体防水性能。最后，需要结合轨道交通后续的使用周期进行密封垫防水性能退化的分析。

1.2 工程概况

为了进一步提升论述的科学性和有效性，案例工程为十八号线自万顷沙至广州东站，经南沙区、番禺区、海珠区及天河区，全长为62.7km，设站9 座，换乘站8 座，平均站间距为7.6km。该工程为典型的地下隧道工程，在施工的过程中需要通过盾构法进行施工。

该标段施工内容分别为HP2 中间风井（预留车站，长为495m）、两座盾构井（HP2 盾构井、HP3 盾构井）、三个盾构区间（HP1 中间风井—HP2 盾构井、HP2中间风井—HP2盾构井、HP2 中间风井—HP3 盾构井），主要涉及明挖、盾构、暗挖三种施工工法。

HP2 中间风井—HP3 盾构井区间设置4 座联络通道，隧道联络通道采用两环钢管片通缝拼装；HP2 中间风井—HP2 盾构井区间设置3 座联络通道，隧道联络通道采用四环特殊环管片通缝拼装。

该工程区间隧道采用单层衬砌，设计参数如下：管片内径为7700mm，管片外径为8500mm，采用错缝拼装；管片厚度为400mm；环宽为1600mm；分块数为7 块，1 块封顶块（F），2 块邻接块（L1、L2)，4 块标准块（B1、B2、B3、B4）。

2 盾构隧道管片接缝密封垫防水性能检测试验

该工程中的盾构隧道管片接缝密封垫主要选择单道弹性密封垫。根据规章制度要求设计和计算出具体的设备参数。该工程确定设计水压为0.6MPa，以维持最佳的防水垫密封性能，调整张开量为6mm、错台量为10mm 时达到极限状态。在以上已知条件的基础上，进行防水性能足尺试验。

2.1 试验设备

在试验开始前需要准备一系列的设备，包含支撑定位设备、水压加载设备、闭合力加载设备。其中的支撑定位设备主要是由弧面板和型钢焊接形成的，为试验提供支撑和辅助滑动功能。每一个支架配备6 个滑轮，便于进行位置调整。弧面板的两侧设置千斤顶，主要为管片的调控提供更高的自由度。闭合力加载设备主要包含千斤顶和轴向力臂，能够提供极为灵活的控制方案。水压加载设备主要以密封盖、加压水箱以及紧固螺栓为主，在密封盖上设置开孔，分别作为出气管、水压表以及进入管的连接入口。在试验的过程中利用游标卡尺和油缸压力表，分别记载管片的错台量、张开量、水压值、闭合力等相关参数。

2.2 试验材料

在试验的过程中需要选择两块标准的管片，按照实际的隧道施工标准进行拼装，并且固定在支撑架上，形成环缝，便于开展后续的水压加采试验以及闭合力试验。选择的管片尺寸和具体的材质与后续工程实际施工期间选择的材料相同，管片的内径为7700mm，管片外径为8500mm，采用错缝拼装的方式进行施工，厚度控制在400mm，环宽为1600mm。为了进一步提升结构的稳定性，同时保证其能够和其他系统进行对接，在临近环缝以及纵缝的位置要设置预留孔，便于进行后续连接。在试验过程中使用的密封垫是工程前期设计的，上部的中间区域需要增加膨胀橡胶，以提升密封程度，其余的位置主要以三元乙丙橡胶为主，密封垫的高度、总截面积、开孔面积以及开孔率均和实际施工所使用的密封垫相同。

2.3 试验过程

试验开始之后需要进行支架定位调整，确保前期初始位置符合具体的施工需求，管片需要利用吊车进行吊装，将其安装在弧面板上，利用胶水粘贴密封垫，满足实际施工需求之后，才可以进行后续的安装施工。在施工过程中要适当调整管片位置和支架，依次安装轴向力臂以及轴向千斤顶，在组装结束之后设定试验要求的错台量。为了进一步提升密封材料的密封程度，在密封材料填充满足24h 之后，才可以按照实际的标准要求进行试验[2]。一系列准备工作完成之后，首先需要将管片和弧面板压紧，然后通过前期的预留孔，利用螺栓分别进行加压水箱以及电子水压计的连接，满足实际加载条件之后进行防水性能的检测。

2.4 试验工况的设计

密封垫的设计极限状态为错台量10mm、张开量6mm。在这一参数下，选择三大组错台量工况，每一种错台量工况对应多个不同的张开量，最后进行性能检测。其具体的参数如表1 所示。

表1 试验工况参数

2.5 试验结果分析

管片接缝密封垫的防水性能将直接影响隧道运行的安全性和稳定性。通过上文一系列方案进行足尺试验，从具体的检测结果上看，防水性能的变化和张开量之间呈现非线性关系，其中的变化节点为3mm。在初始压缩变形到逐渐到达3mm 时防水性能的增长率并没有较大变化，但是在张开量小于3mm的状态下，密封垫的防水性能提升幅度会在短时间内快速增加，上述变化规律和原有的学者研究成果相似。另外，在张开量恒定不变的条件下，错台量的增加会降低密封垫的防水性能。例如张开量在8mm 以上时，选择三种不同的错台量进行性能检测，三种条件下的性能差异率较小；张开量在8mm 以下时，选择三种不同的错台量进行性能检测，则错台量为10mm时，密封垫的防水性能明显小于其他两种；张开量在2mm 以下、错台量为5mm 时，和无错台工况相比，密封垫的防水性能差值变大。

由此可见，错台量对于密封垫防水性能会产生较大影响，对于其极限防水性能影响最大。主要原因在于，如果出现了较大的错台量，一方面会导致密封垫压缩程度逐步下降，进而影响各个接触面的初始压力；另一方面在侧向水压的影响下，密封垫和密封槽之间会产生较大的附加应力，随着水压增大，附加应力也会逐步增加，进而影响密封垫的防水性能。但是由于在不同工程中所采取的管片接缝构造以及密封垫的形式存在一定的差异性，错台量影响密封垫防水性能的复杂程度远高于张开量，因此需要结合不同工程的实际施工环境以及施工细节进行深度试验。

而从设计水压的层面上看，密封垫无错台以及错台量控制在5mm，其所对应的张开量为6mm 时，密封垫的防水性能可以满足0.6MPa 的规范性要求；密封垫错台量在10mm、张开量为6mm 时，密封垫的防水能力下降到0.5MPa。由此可知，若要满足错台量为10mm的固定参数，则需要将张开量控制在5mm 以下，才可以满足设计水压要求。

3 施工荷载对接缝密封垫性能产生的影响

由于隧道内部结构的复杂性，在盾构施工的过程中，管片接缝密封垫防水性能会受到各种复杂因素的影响。比如千斤顶推力、注浆产生的压力、盾构机运行过程中盾尾刷对管片造成的反作用力等等，这些因素会影响管片接缝密封垫的实际效果，而在盾构施工结束之后，管片脱离了机械设备的内部支撑，还会受到来自周边其他土壤结构以及地下水的压力[3]。此外，还需要考虑施工荷载对于密封垫防水性能产生的实际影响。本文主要采取建立数字模型的方式对此进行还原。

3.1 数字模型的建立

依托具体工程案例的实际施工需求，围绕着施工期间的管片衬砌结构以及隧道内部结构，通过参数获取以及智能数据转型，建立了盾构隧道三维模型以及网格图。

在隧道三维模型中能够看出最前侧的管环主要用于施加千斤顶推力；第2 环的管片则位于盾构机的尾部，会承受盾尾刷的反作用力；第3～7 环的管片会受到盾构机拖出之后的土壤压力以及注浆压力，而注浆压力在远离盾构机后会逐步削减；第8～10 环的管片已经脱离盾构机较长的时间，周围的浆液已经达到了稳定状态，在施工的过程中只会受到外界土壤结构施加的压力，因此第10 环管片的接缝沿着隧道轴线方向位移，将其作为边界条件。

在明确了隧道内部的模型和网格之后，按照不同的受力情况，可以结合具体的施工内容合理地计算各项荷载压力。例如隧道工程典型地层断面的土压力计算要考虑隧道顶部的竖向荷载、上部水平荷载、下部水平荷载、地层基床系数等相关数据。

注浆过程中浆液扩散之后的管环各点的压力需要考虑注浆孔位角度、注浆压力、盾构机掘进速度、注浆孔偏离竖直向上的角度、盾尾间隙、浆液扩散半径、浆液黏稠度等相关参数。按照实际标准计算各项压力之后，能够了解管片接缝密封垫所受的具体压力以及荷载情况，由此可以判断不同荷载条件下对密封垫防水性能造成的影响。

3.2 接缝变形的影响

盾构隧道纵缝、环缝的张开量以及错台量过大会导致接缝变形，二者之间有直接关联，而这两个参数的变化和千斤顶推力也有一定的关系。

3.2.1 纵缝变形的影响

随着千斤顶推力的逐步增加，盾构机上行纵缝最大错台量以及张开量都会明显提升。而随着千斤顶推力偏角的逐步变化，不同盾构姿态条件下的接缝变形也会出现一定的差异。

综合其中的线性关系变化情况来看，在不同工况下，纵缝错台量最大值控制在0.65mm 以下，张开量最大值控制在0.48mm 以下，符合上文所论述的极限数值范围，因此，隧道纵缝变形，对于密封垫防水性能产生的影响较小。

3.2.2 环缝变形的影响

环缝变形情况对于密封垫防水性能产生的影响形成线性关系。

结合其中的数值可知，在千斤顶推力偏角为2 度时，施工荷载会影响盾构机的上行条件，导致环缝出现变化，其中最大张开量和错台量均在1mm 以上，分别最高达到1.24mm 及1.07mm，虽然未能对密封垫防水性能造成直接影响，但是会导致密封垫性能下降，存在渗漏水隐患。

3.2.3 施工荷载导致的防水能力退化变化情况

首先，在进行密封垫设计时，其防水能力必须满足前期的水压要求，而如何选取密封垫的极限状态，是保证防水性能合理化的关键[4]。若在施工的过程中定位明确，给出了具体的计算方法以及结果，则在考虑极限状态时，需要结合误差累积值作为参考进行计算，其中要考虑管片尺寸公差、施工误差、环境因素、密封垫配合面尺寸公差等相关因素。整合了以上这些因素之后，还要考虑在实际施工过程中，受这些因素影响的具体变化情况。通过试验分析可知，该工程按照常规的施工规范进行施工，施工荷载对密封垫防水性能产生的影响较小，总体来看，防水性能在不同施工荷载下均控制在2.3MPa 以上，要满足前期设计的2.48MPa 标准值，则应合理地控制千斤顶推力偏角，分析不同盾构姿态下的密封垫防水性能，这样才可以进一步提升密封垫的综合质量。

4 结语

通过当前的既有调查结果来看，管片初始缺陷、施工误差以及后期地质结构变化对于管片接缝处的影响最大，不仅会导致接缝漏水，还有可能导致结构受损。因此科学地进行隧道管片接缝位置的防水性能分析，对于预防渗漏水病害、延长地下交通运行寿命具有一定的促进作用。