盾构管片接缝防水材料防水耐久性实验摘 要:由于我国大规模开展地铁建设的时间不长，盾构管片接缝长期防水问题还没有引起足够的重视。现 有的盾构隧道后期维护中也逐渐出现了隧道接缝渗漏现象，严重影响工程安全。针对盾构管片接缝常用的 防水弹性密封垫材料三元乙丙橡胶，开展了恒定压缩永久变形和老化等长期防水性能试验研究。研 究结果表明，橡胶的老化系数在 0 9 以上，恒定永久压缩应变小于 15 4%，盾构隧道应用的弹性密 封垫防水材料具有良好的长期的防水性能。在此基础上，分析了钱塘江越江隧道冲刷后纵向回弹变形引起 的隧道环向接缝张开后的管片接缝防水性能，能够满足钱塘江最高水位时的隧道接缝防水要求。 关键词: 盾构管片; 接缝防水; 弹性密封垫; 防水耐久性1引言 盾构隧道衬砌是在盾构机盾尾拼装而成的，是盾构隧道主要的受力结构，当省略二次衬砌时，为隧道 的唯一支撑结构。在衬砌隧道的轴向上，当各环管片间拼装缝不错开而形成纵向通缝，即为通缝接头型式， 如图 1( b) 所示; 如果各环管片间拼装缝错开使得纵向不能形成通缝，这样环与环之间存在一定的添接 ( 纵向 ) 加强作用，此时为错缝接头型式，如图 1( c) 所示。由众多管片接缝将预制管片组合而成的盾构 隧道，其接头的防水就成了隧道设计中至关重要的一个问题。BAFig. 1 Segment structure and boll form of ahield tunnel目前管片接头型式通常是采用如图 2 所示的方法。主要包括传力衬垫、弹性橡胶密封垫和遇水膨胀止错變衬國 智片（）错缝衬砌图1盾构衬砌管片的组成及拼装方式適縫衬浏 管片A（心管片在断面上的组舍（b）M衬砌水条。传力衬垫主要是防止钢筋混凝土管片之间的碰撞顶裂，弹性橡胶密封垫和遇水膨胀止水条是主要防 水材料，有时会省略遇水膨胀止水条。在越江盾构隧道中，通常需要穿越饱和砂层，渗透性大且存在高水压。从目前的盾构隧道实践来看， 在建设初期防水橡胶通常能够达到隧道防水标准的要求，但在长期服役过程中，已有部分隧道，例如上海 打浦路隧道管片接缝出现过渗漏1，但认为 主 要 是 由 于 隧 道 的 纵 向 不 均 匀 沉 降 引起的2。目前的越江隧道接缝防水研究主要集中在施工期防水上，认为施工中出现渗漏现象主要是由于盾构姿 态控制不良、管片错台、管片开裂、盾尾密封刷损坏或密封油脂压力不达标等因素造成 3，4。随着施工队 伍质量提升和有关部门对此问题越来越重视，此问题有逐渐降低的趋势。广州地铁二号线“赤岗鹭江区间 隧道接缝防水优良率达到93. 1%，竣工后的渗水量赤-客段仅为0. 020 3L / m2ydd，客-鹭段仅为 0. 033 lL/m2ydd，远低于标准允许值(0. lL/m2ydd)。有一部分学者尝试从弹性密封垫的防水机理来开展研究68，认为防水性能主要是由密封材料性能、 形状、接触宽度和密封材料接触面压力所决定的，并得到经验计算公式，对于指导工程实践具有较高的指 导价值。但其研究分析也主要是针对接缝的短期防水性能开展的。从以上的分析中，可以看出：管片接缝防水问题是一个热点问题，也是一个急切需要进一步开展研 究工作的问题；目前的研究工作较少涉及到管片接头长期防水的问题，这主要是由于我国大规模开展地 铁建设始于上世纪 90 年代，接头长期防水问题还没有得到足够的重视。因此，本文的研究主要从弹性密 封垫的老化和压缩后的永久变形来开展接缝防水材料的长期防水性能。2 盾构管片接头橡胶试验目前盾构隧道防水条材料主要采用三元乙丙密封垫，如图 2 所示。其材料性质要求如表 1所示9。(70 V.项目2272 h)图2管片弹牲密封垫Table 1 Mechanical propertjr of elastic sealed cushion技术指标测试方法Fig. 2 Elastic sealed cushion of segment表I弹性密封垫材料力学性能拉仲强度（MM）扯断仲长率（）恒定压缩永久变形（） （室温x24 h,压缩20%）GB/T 3512GB/T 7759老化系数mid. 5350R 85GB/T 528GB/T 528心）弹性密封垫斯面图（b）弹性密封垫实物图本文针对密封垫的长期性能开展研究工作，因此，主要是针对老化系数和压缩永久变形来开展的。 试验仪器：橡胶的老化试验仪器采用恒温老化烘箱，在72 C恒温下加热72 h,取出后在电子万能试 验机上开展压缩试验。根据橡胶老化前后，其压缩弹性模量的变化来反映橡胶的老化程度，老化系数 = 老 化后橡胶变形模量/老化前变形模量。（町热空气老化箱（b）电了万能试验机图3弹性密封垫老化试验仪器Fig. 3 Aging apparatus for elastic sealed! cushion永久压缩变形试验仪器：仪器采用图3所示的万能压缩机。将橡胶试样压缩20%，并保持24 h,撤 去压力，分别记录试样回弹 10 min、30 min、60 min 时的试样的高度。3 弹性密封垫耐久性试验成果分析3 1 弹性密封垫恒定压缩永久变形通常情况下，可取 30 min 分钟对应的压缩永久变形率作为指标参考值（ 压缩永久变形为老化的塑料 压缩后经过若干时间回弹后的剩余变形） 。从图 4 中可以看出，三试样自由回弹 30 min 时的压缩永久变 形分别为 154%， 108% 和 123%，均小于表 1 所要求的 22%，符合材料变形性质要求。60 min 后，其压缩永久变形基本上接近于零，即弹性密封垫有较好的弹性性能，不易发生不可回弹的塑形变形， 对接头防水具有较好的性能。010203040506070时间(伯呵图4弹牲密封垫永久压缩变形随时间的变化Fif*. 4V art a lion of permanent fleG)rinaLion of elastic sealedtush ion whh time3 2 弹性橡胶密封垫的老化试验后的压缩性能从图 5 中可以看出，弹性密封垫老化后，大部分试样的压缩性能有一定的降低，可以通过曲线的割线 模量来评价老化系数，割线的终点取应变为 0 375 对应的点，此时对应着大多数盾构接缝弹性密封垫的 工作状态。对应的割线模量和老化系数如表 2 所示。0.7?一邑芽-(LG 0.10.20.30.4r elastic sealed cushion弹性密封垫压缩试验条件为无侧限，而隧道接缝工作时仅能在接缝槽中发生变形，可以认为不能发生侧限变形。因此需要将无侧限试验条件下获得变形模量转化为有侧限工作条件下的变形模量，由虎克定律可得到如下计算公式:( 2)式中：E1为无侧限时的接头止水橡胶密封垫的压缩变形模量；E2为有侧限时的接头止水橡胶密封垫的 压缩变形模量；M为泊松比，一般取为0.3。为了安全起见，根据老化后试样变形模量最低值 E1= 1 09 MPa 来计算，得到 E2= 1 48 MPa。接缝的接触压力可根据接缝弹性密封垫的压缩率来计算，目前弹性密封垫的原始厚度为16mm，管片 拼装后，压缩后厚度为10 mm,压缩量为6 mm。根据虎克定律，则接缝橡胶的接触压力可由下式计算:P0= E2（ 3）式中：E为弹性密封垫的压缩应变，应考虑接缝张开量计算的影响。管片接缝长期防水性能应该考虑两个方面: 一是考虑管片接缝弹性密封垫的橡胶老化带来变形模量的 降低，导致管片与弹性密封垫的接触压力有所降低外，另一方面需要考虑隧道纵向的不均匀沉降带来管片 接缝的张开的不利影响，这同样会带来管片与弹性密封垫的接触压力的降低。从而导致管片接缝防水性能 的降低。按地铁隧道保护条例规定的接缝张开值：按地铁隧道设计要求，接缝的张开值62 mm;接 缝密封垫不漏水，且要求环缝张开量66 mm。具体考虑两方面对管片接缝防水的影响如表3所示。表3接缝帐开及耐久性对接缝防水的影响Table 3 Influence of joint seam opening and its durabilityon joint seal quality接缝张开量(mm)1L 5246丽MP越0.680.650. 620. 500.370.820.780. 740. 590.45钱塘江最人 水压(MPa)0. 3从表 3 中可以看出，考虑接缝张开和弹性密封垫老化的影响后，即使接缝张开量达到设计要求的极限2. 0 mm时，接缝的最大抵抗水压还可以达到0. 74 MPa，大于钱塘江最大水压0. 3 MPa，同样也 大于盾构法隧道防水技术标准(DBJ 08-50-96)所要求的0. 6 MPa，满足接缝防水的要求。即使接缝 张开量达到6 mm,接缝的最大抵抗水压也可达到0. 45 MPa，远大于钱塘江最大水压0. 3 MPa，也 能够保证接缝不发生渗漏现象。5 结论 盾构隧道由于在我国大规模建设时间较短，管片接缝长期防水性能还没有得到足够的重视。本文主要针对管片接缝的主要防水材料弹性密封垫开展老化试验和恒定压缩永久变形试验，并对密封垫的耐 久性进行初步分析。可以得到以下结论:( 1) 弹性密封垫随着时间逐渐老化，其压缩变形模量有一定的降低，这会降低接缝的接触压力，对接 缝防水性能有一定的影响;( 2) 弹性密封垫长时间承受压力的作用，容易产生一定的塑形压缩变形，从而降低接缝的接触压力， 对接缝防水性能有一定的影响;( 3) 目前盾构隧道常用的弹性密封垫三元乙丙橡胶基本上能够满足盾构隧道对接缝防水长期性 能的影响，可应用于钱塘江盾构越江隧道工程;( 4) 本文的研究工作只是初步性的，主要是针对正常施工、正常使用的隧道。没有考虑盾构施工控制 不到位导致管片错台，导致橡胶接触面的减少，从而降低了管片接缝的防水性能。参考文献(References)1 王友