越江盾构隧道的防渗止水设计研究

游龙飞

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 国内外越江盾构隧道防水情况

国内外已建成大量越江盾构隧道,逐步形成了较成熟的结构设计计算理论与工程实践体系,但是在盾构隧道防水方面认识则相对落后。越江盾构隧道埋深较大,隧道本身需承受很高的水压,因此对隧道的防水设计提出了相当高的要求。这类隧道如果没有可靠的防水、堵漏措施,地下水就会侵入隧道,影响隧道使用寿命,乃至影响隧道施工及运营的安全。

越江盾构隧道渗漏水的位置是管片的接缝、管片自身小裂缝、注浆孔和手孔等。其中以管片接缝处为防水重点。通常接缝防水的对策是使用密封垫材料,以德国为代表的欧洲方面,采用非膨胀合成橡胶,靠弹性压密,以接触面压应力来止水,以耐久性与止水性见长。德国PHOENIX公司提供的隧道衬砌合成橡胶垫就是其中较典型的形式。日本等国家,则采用水膨胀橡胶,靠其遇水膨胀后的膨胀压止水，它的特点是可使密封材料变薄、施工方便,但耐久性尚待验证。国内主要采用水膨胀类材料与密封垫两者的复合型防水材料,并已经在武汉长江隧道、南京长江隧道、杭州庆春路隧道、杭州钱江隧道中应用。

2 越江盾构隧道渗漏水机理

引起越江盾构隧道渗漏水的原因主要是防水材质不良或违反操作规程造成的,具体可分为以下几类:

(1)管片在制作时养护不合理,表面出现气孔和龟缩裂缝；管片在运输、拼装中受挤压、碰撞,缺边掉角；

(2)水膨胀橡胶粘贴不牢,或下坡时过早浸水使膨胀止水效果降低；

(3)管片拼装质量差,螺栓未拧紧,接缝张开过大；

(4)手孔、螺栓孔、注浆孔等薄弱部位未加防水垫片,封孔施工质量差。

3 越江盾构隧道的防水设计方法

防水方法包括结构自防水和其他附属措施,如管片外防水涂层、管片接缝防水、做二次衬砌等。

3.1 管片结构的自防水

结构自防水是首选的防水措施,主要方法为管片材料采用防水混凝土。盾构隧道衬砌由预制管片拼装而成,多用外加剂防水混凝土,强度等级为≥C50的高性能混凝土,抗渗等级≥P12。

3.2 管片外防水涂层

管片外防水涂层需根据管片材质而定,凡有较深裂纹的管片一般都要增加外防水涂层。对钢筋混凝土管片而言,一般要求如下。

(1)涂层应能在盾尾密封钢丝刷与钢板的挤压摩擦下仍保持完好。

(2)当管片弧面的裂缝宽度达0.2 mm时,仍能抗0.8 MPa的水压,长期不渗漏。

(3)涂层应具有防迷流的功能,其体积电阻率、表面电阻率要高。

(4)涂层应具有良好的抗化学腐蚀、抗微生物侵蚀能力和足够的耐久性。

(5)涂层要有良好的施工季节适应性,施工简便,成本低廉。但应指出,若管片制作质量高,采用抗侵蚀水泥,不做外防水层也是可以的。

3.3 二次衬砌防水

二次衬砌防水层止水有两种：完全防水型；排水型。

越江盾构隧道承受高水压为保证运营安全,所以隧道必须不漏水,故希望是完全防水型。此外,隧道内侧必须进行能充分承受水压等的钢筋混凝土的二次衬砌。因此,防水层本身及接头部等必须能承受所作用的水压。

要止住从这些管片接头面渗出来的水,国外也有将二次衬砌本身作为防水层考虑的办法及在管片和二次衬砌之间设置止水片的方法。二次衬砌隔断了从隧道内侧渗入一次衬砌的水分和氧气,有利于一次衬砌接头器具及螺栓的防腐，二次衬砌的防水层是在混凝土层和二次衬砌之间设置隔离层的方法。

3.4 管片接缝防水3.4.1 管片衬砌接缝特点

盾构隧道管片衬砌接缝较为复杂,具有以下特点:

(1)相对现浇混凝土衬砌而言,单位洞长接缝多而长；

(2)接缝构造复杂,环缝须设有机械插销,纵缝设有导向杆；缝面边缘有避免管片损坏的切角,为保证管片传力,接缝面须有一定的凸起接触面积；

(3)受预制管片安装精度影响,接缝张开度和接触情况对止水的作用有较大影响,防渗效果具有相当程度的敏感性；

(4)接缝缝面厚度较薄,构造上难以使接缝缝面止水在安装后再处理。

管片接缝防水包括弹性密封垫防水、嵌缝防水和向接缝内注入聚氨酯药液等。如何选择一个合理的管片接缝止水形式是工程防渗问题的关键所在。

3.4.2 管片接缝的密封垫防水研究

(1)密封垫止水要求

①柔性止水

管片衬砌在建成运用期间,由于温度变化、土压力、水压力变化、管片制作及拼装误差等原因,使管片间的接缝可能产生变形而开裂或错缝。管片间若采用刚性混凝土连接,就会形成永久性裂缝,使隧洞衬砌发生渗漏,产生结构隐患。因此,除对管片的制作和安装误差应有严格的限制外,管片的接缝还应做成能适应变形的柔性止水。

②功能要求

a.短期及长期防水要求。密封材料若被压缩,产生的反力δγ(切向应力)要大于水压aδw。其中a可以被定义为考虑了切向应力长期降低因素的安全系数,δw为设计水压；密封材料的切向应力,由于应力的减少及材料老化而随时间降低。因此,切向应力应长期不低于设计水压。即

短期止水条件：

δr>aδw(1)

长期止水条件：

δr=δw(2)

b.密封垫在设计水压力下允许张开值应满足下式:

δ≤BD′/(ρmin-0.5D′)+δ0+δS(3)

式中，δ为环缝中弹性防水密封垫在设计水压力下允许的缝张开值,mm；ρmin为隧道纵向挠曲的最小曲率半径,mm；D′为衬砌外径,mm；B为管片宽度,mm；δ0为生产、施工中可能产生的环缝间隙,mm；δS为邻近建筑物引起的接缝张开值,mm。

③止水敷设于管片上。为便于和盾构施工进度协调,没有特殊原因,止水应和安装管片同时一次安装到位,不宜分成另一道工序。

④止水的弹性、止水能力、耐久性应满足安装、外水压力及洞内水文地质和施工环境的要求。

(2)密封材料种类

弹性密封垫的材料选择首先应能满足防水要求的各项技术指标。目前采用的材料大体分为3种：氯丁橡胶与水膨胀橡胶复合型、水膨胀橡胶和三元乙丙橡胶,此外,还发展有三元乙丙橡胶与水膨胀橡胶复合型密封垫。

在弹性密封垫的应用方面,国内氯丁橡胶和水膨胀橡胶使用最多,技术成熟。国外,特别是欧洲则大量使用三元乙丙橡胶。弹性密封垫作为隧道防水的主要防线,其选择必须慎重,对3种弹性密封垫的性能特点比较如表1所示。

表1 弹性密封垫材料比较

从结构与防水材料的耐久性和耐腐蚀性角度出发,三元乙丙橡胶弹性密封垫目前在越江盾构隧道中应用较多。

(3)密封垫断面形式设计

密封垫常用的断面形式包括矩形和非矩形,对地质条件复杂的越江盾构隧道,单一矩形断面的防水材料常不能满足防水设计要求。因此,非矩形异形断面的防水设计是必需的。此类防水设计思想除满足矩形断面的基本设计原则外,还必须提高其大变形工况的适应能力。较早的橡胶密封垫断面以方形为主,在密封垫发展过程中曾出现了多种密封垫断面形式,特别是在非膨胀橡胶应用较多的国家,如德国及欧洲国家,典型断面形式有“谢斯菲尔德”型(中孔形)、“安特卫普”型、“慕尼黑”型(梳形),目前工程中使用较多的断面形式有3种:中孔形、梯形、梳形,图1为我国在隧道建设中曾使用的单一材料及复合型橡胶密封垫断面形式。

图1 密封垫断面形式

橡胶止水条断面尺寸设计首先要满足国际公认的橡胶制品设计准则

Vh+Vd≥Va(4)

式中，Vh为橡胶止水条孔洞体积,mm3；Vd为橡胶止水条压缩后的体积,mm3；Va为橡胶止水条自然状态下的体积,mm3。

依据交联橡胶的统计理论,由材质硬度与杨氏弹性模量的经验公式及静态密封原理,结合相关工程实践经验,王树清[4]等提出了防水材料配方硬度及断面形式的设计思想与具体方法。如图2所示。

图2 密封垫计算断面示意

512D-1.35[(1-εmax)-3-(1-εmax)]≤s/(L·b)(5)

式中，εmin=(2h-2d-g)/2h;εmax=(h-d)/h；Pmax为设计防水压力最大值,Pa；s为螺栓紧固力,kN；L为管片环宽,mm；b为密封材料接触面宽度,mm；h为密封材料厚度,mm；d为密封槽深度,mm；g为允许最大管片间隙,mm；εmin为管片间隙为g且满足设计防水压力Pmax时材料的最小压缩率；εmax为满足管片无间隙拼装条件的最大允许压缩率；D为橡胶压入深度。

由于交联橡胶在高压缩率条件下将导致其交联网络结点破坏,并产生残余变形,根据工程实践经验,εmax最大压缩率一般取33%较合适,若给定Pmax,S、L、b、g值,则由式(5)可求解h、d及D值。由D值对照《硫化橡胶国际硬度的测定(30～851RHD)常规试验方法》(GB6031—85)可得出所需防水材料的配方硬度,从而确定了防水材料的断面形式设计及硬度取值。

3.4.3 管片衬砌接缝的嵌缝防水研究

管片接缝的嵌缝防水是依靠嵌缝材料的充填和粘接力达到密封防水的目的。一般要求嵌缝材料与基面有良好的粘接性(以承受衬砌外壁的静水压力)、较好的弹性(以适应隧道变形),并且它的材料性能须保持稳定。

当地下水从接缝渗入时,腻子遇水膨胀堵住渗水路径。为防止水膨胀腻子膨胀应力过度,使用了工字形的膨胀控制材料(用高密度聚乙烯HDPE制作)。这样不仅能控制膨胀倍率,还能控制膨胀方向,同时使腻子处于双向受力状态,减少了发生剪切破坏的可能性。槽口外封Ω形的氯丁胶乳水泥,可加固工字条而自身不易碎裂。管片嵌缝实例如图3所示。

图3 管片嵌缝实例(单位：mm)

4 工程实例

4.1 工程概况

杭州庆春路越江隧道位于杭州市的中心位置,它北接下城区庆春路,南连萧山区市心路,整条通道贯穿钱江新城与规划钱江世纪城的中心地带。东线隧道长3 078 m,西线隧道长3 042 m,江中段东西线各1 766 m采用2条盾构法圆形隧道。江中盾构隧道外径11.3 m,内径10.3 m,采用通用楔形管片。每环管片厚0.5 m,幅宽2.0 m,采用C50钢筋混凝土平板型管片,抗渗等级为P12。

本隧道江中最深处位于强透水地层,最大水压0.43 MPa,因此防水设计是隧道设计的一个重点。管片接缝防水采用双道防水,外侧为EPDM弹性橡胶密封垫,紧靠其内侧为遇水膨胀橡胶密封垫。为了降低隧道内烟雾对密封防水材料的腐蚀,加强防水效果,管片内侧留有嵌缝槽,对外露接缝进行嵌缝处理。管片衬砌环构造如图4所示。

图4 管片衬砌环构造(单位：mm)

4.2 管片衬砌防渗止水处理方案

管片衬砌防渗止水由管片结构的自防水,衬砌外注浆防水和管片接缝间止水组成。

4.2.1 管片结构自防水

(1)隧道管片采用强度等级为C50的高性能混凝土,抗渗等级P12,限制裂缝开展宽度≤0.2 mm。

(2)防水混凝土应采用普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥,宜掺粉煤灰、粒化高炉矿渣微粉等活性粉料。有关混凝土原材料及外加剂的选择应满足相关规范的要求。

(3)管片在使用期间应满足强度、抗裂要求,最大裂缝宽度不得大于0.2 mm,对于出现渗漏的裂缝及裂缝宽度大于0.2 mm的干裂缝应进行封堵处理。

(4)管片拼装前应确保密封垫槽和嵌缝槽的完整(无缺损和气孔)。

(5)每生产50环管片应抽查1块做检漏测试,试验标准为：0.8 MPa水压力维持3 h,渗水深度≤5 cm。

4.2.2 衬砌外注浆防水

在衬砌管片与天然土体之间存在环形空隙,通过同步注浆以及二次注浆(必要时采用)充填空隙,形成一道外围防水层。同步注浆采用单液浆,二次注浆可采用水泥浆或双液浆。为减小浆材硬化收缩,所有的注浆材料皆宜掺加一定量的微膨胀剂。注浆材料应具有较好的抗水分散性和可注性,并具有合适的胶凝时间和强度，注浆压力一般高于掘进面水土压力0.1～0.2 MPa,施工中应根据地层特征及水压力进行调整,但需满足以下要求：(1)应大于开挖面的水土压力；(2)不能使地面有较大隆起(<10 mm),也不能使地面有较大沉降(<30 mm)；(3)不能使管片因局部受压而错位变形；(4)不能使浆液经常或大量从管片间或盾构机与管片间渗漏。另外注浆时应采取合理措施保证注浆量和注浆的及时性。

4.2.3 管片接缝止水

管片衬砌接缝防水包括弹性密封垫、遇水膨胀橡胶密封垫、最外侧的海绵橡胶条以及内侧嵌缝4个方面。管片环缝、纵缝防水构造如图5、图6所示。

图5 管片环缝防水构造(单位：mm)

图6 管片纵缝防水构造(单位：mm)

(1)弹性密封垫

①抗水压要求：接缝张开8 mm、错位15 mm条件下,设计使用年限内能够抵抗0.9 MPa的水压。

②弹性密封垫的材质、构造及性能。

弹性密封垫材质为三元乙丙橡胶,截面加工为多孔梳形。弹性密封垫加工成棱角分明的框形橡胶圈,将橡胶圈套在四周有沟槽的管片上,通过弹性密封垫的压缩来保证防水效果。三元乙丙橡胶的物理性能指标及测试方法如表2所示。

表2 三元乙丙橡胶的物理性能指标及测试方法

(2)遇水膨胀橡胶密封垫

遇水膨胀橡胶密封垫的材质为聚醚型聚氨酯弹性体,通过吸水膨胀提高接触应力起到防水作用,是管片防水的第二道防线。材料性能指标如表3所示。

表3 遇水膨胀橡胶的物理性能指标及测试方法

注：静水膨胀率=膨胀后体积/膨胀前体积×100%。

(3)海绵橡胶条

设于环缝、纵缝外侧的海绵橡胶材质为氯丁海绵橡胶,施工中起到防止泥沙进入弹性密封垫沟槽、防止同步注浆浆液沿管片接缝穿流以及节约盾尾密封油脂的多重作用。

海绵橡胶条的性能要求：压缩至设计位置时,每延米反力小于8 kN；

(4)内侧嵌缝

工作井附近50环以及施工中错缝较大地段采用聚硫密封胶嵌缝,其余地段采用微膨胀水泥砂浆嵌缝。

嵌缝范围:隧道侧墙之上的接缝；渗漏水部位应将水沿环缝引至隧道底部排水沟。

5 结语

(1)越江盾构隧道的防水设计原则应以混凝土结构自身防水为根本,以接缝防水为重点,多道设防、综合治理,确保在设计水压下接缝张开及在允许的错缝时的长久防水性能；对于隧道处于侵蚀性介质的地层时,管片结构应有相应的防腐蚀措施,同时在管片的外侧涂刷耐侵蚀的防腐涂料。

(2)因越江盾构隧道要承受较高的水头,因此防水标准等级应至少达到二级,在湿陷性黄土、有害地下水等不良地质段应提高防渗标准,必要时设置多道渗漏防线,如衬砌内表面设缝嵌填明止水、喷涂柔性防渗层、固结灌浆形成阻水帷幕、钢衬等。

(3)越江盾构隧道防水设计理论不像建筑结构设计那样系统成熟,漏水情况千差万别,引起渗漏水的因素是随机和模糊的变量,不可能用设计程序或模型来推算渗漏点,因此防水堵漏设计要随实际情况不断调整。

[1] 张凤祥,朱合华,傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社,2004．

[2] 刘建航,候学渊,盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社,1991．

[3] 小泉淳,小林亨.盾构隧道最新防水技术[J].隧道译丛,1993(4):50-64．

[4] 焦齐柱,孙文昊,张迪.杭州市庆春路过江隧道工程设计[J].现代隧道技术,2008(增刊):328-331．

[5] 王树清,唐丽芳等.盾构隧道接缝防水设计探讨[J].长江科学院院报,1998(2)：10-13．

[6] 潘 朋.越江盾构隧道防水技术[J].铁道标准设计，2007(S2).

[7] 王晋川.盾构隧道防水设计要点[J].中国建筑防水,2009(3)：12-17．

[8] 薛绍祖.地下建筑工程防水技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2003．

[9] 裴利华.盾构隧道管片结构设计研究[J].铁道标准设计，2009(12).

[10] 王春河.地铁盾构隧道结构设计的几项优化[J].铁道标准设计，2009(12).