大直径水下盾构隧道接缝弹性密封垫防水性能研究——设计方法与工程指导

龚琛杰， 丁文其

(1. 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系， 上海 200092； 2. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室， 上海 200092)

0 引言

近年来，随着国家发展战略及基础设施建设的持续推进，以及高铁路网、高速公路路网结构的进一步完善，越来越多的跨江越海通道工程应运而生。相较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、不影响通航、抗震及隐蔽性好等独有的技术、经济优势，在世界范围内已被广泛采用[1-2]。在隧道施工的众多工法中，盾构法因其施工劳动强度低、开挖安全可靠、掘进速度快、施工不受季节限制、对周围环境扰动影响小等诸多优点，日益受到工程界的青睐。为了优化设计、节约造价、以最少的工程投资获取最大的结构安全度，由钢筋混凝土管片和螺栓拼装而成的单层衬砌结构，已成为盾构隧道工程实践的主流。对于单层衬砌盾构隧道，除了确保结构足够的承载能力和力学特性外，更应保证隧道在设计周期内的运营可靠性。其中，渗漏水是妨碍隧道正常服役使用的一大难题[3-4]，对大直径水下盾构隧道而言，在承受超高水压作用的同时，往往构筑于高渗透性系数的砂土地层中，如何降低渗漏水的风险，乃至确保隧道的“滴水不漏”，正成为新近的学术和工程热点。

目前，采用弹性橡胶密封垫作为隧道接缝防水密封材料已成为业界主流。具体方式如下： 管片接头靠近外弧面侧预留有密封垫沟槽，在弹性密封垫胶条底部涂刷黏合剂，粘贴胶条到管片预留沟槽，最终在管片拼装阶段通过千斤顶的顶推力相互挤压，产生防水接触应力。为确定满足设计要求的弹性密封垫断面，武汉长江隧道[5]，长海崇明长江隧道[6]，南京纬三路长江隧道[7-11]，南京地铁机场线[12]和广州深层排水隧道[13]等国内盾构隧道案例，分别针对工程实际需求开展了弹性密封垫的闭合压缩力试验和防水能力试验。另外，为保证弹性密封垫在隧道设计周期内的长期防水性能，文献[14-17]讨论了弹性密封垫的应力松弛试验方法。

上述研究大多针对某一特定工程进行专项试验研究，较少涉及大直径水下盾构隧道的接缝防水设计方法的归纳分析，缺少对接缝弹性密封垫的防水设计思路的总结凝练。本文基于我国大直径水下盾构隧道工程实践日益频繁的背景，通过总结现阶段的工程案例，归纳大直径盾构隧道接缝防水设计方法，并结合工程实例阐述具体设计流程，以期为今后水下盾构隧道接缝防水设计提供参考。

1 我国大直径水下盾构隧道概述

1.1 大直径水下盾构隧道在我国的分布

我国代表性的大直径水下盾构隧道工程实例见表1。从分布地域上看，长江、黄浦江、珠江和钱塘江等江河流域持续兴建水下隧道的同时，穿越近海海湾海峡的海底隧道也处于规划之中； 从使用类型上看，涵盖了城市道路、轨道交通和高速铁路隧道； 从结构参数上看，隧道直径由10 m级向15 m级以上跃升，管片呈现出大厚度(0.6 m级)、大幅宽(1.5～2 m级)的特点； 从设计水头高度看，由40 m级左右的江底隧道发展到超百m级的海底隧道; 从接缝防水材料上看，从最初的环氧树脂现场浇涂到如今预制成型的三元乙丙橡胶密封垫。总的来说，发展跨越江河湖海的盾构隧道已成大势所趋，体现出大断面、大幅宽、高水压等特点。

表1 我国代表性大直径水下盾构隧道一览表

1.2 大直径水下隧道的接缝防水构造

为保证隧道在高水压作用下的防水密封，大直径水下隧道管片接缝有采用单道弹性密封垫和采用双道弹性密封垫2种方案。前者是在管片接缝外弧面侧还布置弹性密封垫(尤其适应断面形式复杂、需要微波硫化的三元乙丙橡胶材料)，后者除了在外弧面侧布置主防水弹性密封垫外，在内弧面侧还设置辅助防水密封垫(三元乙丙橡胶材料或遇水膨胀橡胶材料)。这2种方案在国内水下盾构隧道均有应用： 采用单道弹性密封垫的有上海崇明长江隧道、杭州钱江隧道等； 采用双道弹性密封垫的有武汉长江隧道，南京纬三路、纬七路长江隧道，广深港高铁狮子洋隧道等。

从密封机制上讲，采用单道弹性密封垫可以满足隧道结构的防水要求，但考虑在工程实践中，首先在施工阶段难免会出现管片错台或者密封垫沟槽混凝土局部压溃等施工误差，导致局部渗漏水的发生；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。 因此，为提高隧道防水的安全度，越来越多的高水压盾构隧道倾向于采用双道弹性密封垫防水方案。需要说明的是，对于大直径盾构隧道，其管片厚度较大(600 mm以上)，也为双道弹性密封垫的布置提供了空间。

图1为基于最新设计理念的大直径水下盾构隧道接缝防水构造示意图。其中，海绵橡胶挡土条用于防止管片拼装阶段的砂土掉入及盾构盾尾油脂渗入，外道主防水密封垫采用三元乙丙橡胶材料，内道辅助防水密封垫采用遇水膨胀橡胶材料，和嵌缝密封胶共同作为辅助防水措施。

图1 大直径水下盾构隧道接缝防水构造示意图

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

2 接缝弹性密封垫的设计方法

由上文可知，保证隧道防水密封的关键在于弹性密封垫的防水性能，因此，本文围绕接缝弹性密封垫的防水设计展开讨论。按照不同的设计阶段，可划分为工程设计参数提取、试验前有限元预分析、试验研究和试验后有限元分析4部分内容。具体的设计流程如图2所示。

2.1 工程设计参数提取

2.1.1 短期防水设计指标

首先，根据设计资料确定承受最大水头高度的隧道断面，叠加隧道直径，得到该断面拱底位置处的理论水压值。考虑到水下隧道设计使用寿命内的弹性密封垫的潜在劣化，其长期防水能力会受到应力松弛的影响，因此使用特定材质和断面结构的密封垫接缝短期设计水压按式(1)计算：

Pw=(γ×P0)/ε

。

(1)

式中：Pw和P0分别为短期防水设计指标和理论水压；γ为安全系数；ε为应力松弛系数。

2.1.2 接缝允许变形量

对于装配式盾构隧道，由于管片密封垫沟槽制作误差和施工阶段管片拼装误差，接缝难免会出现张开和错台等初始变形; 此外，在运营阶段的车辆往复荷载、纵向不均匀沉降和地震荷载(穿越地震活跃带的隧道)等工后荷载作用下，会加剧接缝变形。因此，综合考虑上述效应，确定最不利接缝张开量(Δ)和错台量(S)。

2.1.3 弹性密封垫设计指标

弹性密封垫设计指标包括2方面: 一是防水能力设计指标，二是闭合压缩力设计指标。防水能力指标为在最不利接缝变形工况下，弹性密封垫的短期防水抗力不小于短期防水设计指标，且长期防水抗力不小于理论水压。闭合压缩力设计指标是指，为保证弹性密封垫的压缩质量，要求密封垫完全拼装进入管片沟槽时需要的闭合压缩力小于盾构千斤顶的极限顶推力：

Fg≤Fjack

。

(2)

式中：Fg为闭合压缩力；Fjack为千斤顶极限顶推力。

2.2 试验前有限元预分析

首先，根据管片接缝预留的密封垫沟槽的尺寸，初步拟定弹性密封垫断面的外形尺寸参数； 然后，根据以往工程实践提出若干初选断面; 最后，建立包括弹性密封垫和管片沟槽的有限元模型，计算最不利接缝变形工况下的接触应力(即防水抗力)，筛选出大于理论水压的断面进行加工制作，开展试验研究。

2.3 试验研究

2.3.1 弹性密封垫短期防水能力试验

采用高水压盾构隧道管片接缝防水性能试验系统，对有限元预分析的筛选断面进行不同接缝张开量和错台量下的防水能力试验研究，得到满足短期防水设计指标的断面。

2.3.2 弹性密封垫闭合压缩力试验

加工足尺管片沟槽，对有限元预分析的筛选断面进行法向压缩，记录密封垫的荷载-位移曲线，获取其闭合压缩力，得到满足闭合压缩力设计指标的断面。综合防水能力试验结果，得到同时满足上述试验的工程推荐断面。

2.3.3 弹性密封垫材料人工加速老化试验

开展弹性密封垫材料的老化试验，得到接触应力松弛系数随时间的衰减规律。

2.4 试验后有限元分析

2.4.1 接缝变形控制指标

对工程推荐断面进行建模，计算接缝不同张开量和错台量工况下的接触应力，得到确保弹性密封垫防水能力的接缝变形量区间。

2.4.2 设计周期内的防水能力预测

基于橡胶密封垫老化性能参数，建立数值模型，对设计周期内的弹性密封垫长期接触应力进行计算，进而对弹性密封垫的长期防水能力进行预测。

3 工程应用——南京纬三路长江隧道

3.1 工程概况

南京纬三路长江隧道是南京市最新的穿越长江的越江通道工程，位于长江大桥和纬七路长江隧道之间，连接南京主城区和浦口新区，如图3所示。该工程采用双管双层X形盾构隧道方案，北线和南线分别由2台14.93 m直径的复合泥水盾构掘进。

图3 南京纬三路长江隧道平面图

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

隧道外径为14.5 m，内径为13.3 m，采用厚度为0.6 m的钢筋混凝土管片错缝拼装而成。衬砌环分为10块，包括7块标准块、2块邻接块和1块封顶块。隧道纵缝采用3根M36斜螺栓连接，隧道环缝采用58根M30斜螺栓连接。管片接缝采用双道弹性密封垫，外道为三元乙丙橡胶弹性密封垫，内道为遇水膨胀橡胶密封垫。隧道衬砌圆环构造和管片接缝设计如图4所示。

图4 南京纬三路长江隧道衬砌圆环构造及接缝大样图(单位： mm)

3.2 设计指标确定

江中段隧道拱顶以上最大水深约58 m，拱底以上最大水深为72 m，故长期防水能力设计指标为0.72 MPa。隧道设计使用年限为100年，为长期性地下建筑，综合考虑安全系数取为1.2。根据弹性密封垫供应商的试验数据，三元乙丙橡胶的100年压缩应力保持率为0.65，故短期防水能力设计指标为0.72×1.2/0.65=1.3 MPa,推导过程见文献[10]。

考虑到弹性密封垫的容错能力，影响因素包括： 管片尺寸公差±1 mm； 管片形位公差±2 mm； 环向错台量±5 mm； 纵缝张开量±2 mm； 人为和环境因素±2 mm； 密封垫配合面尺寸公差±1 mm。管片拼装偏差的累计值为： 最大张开量5 mm，最大错台量15 mm。因此，弹性密封垫设计时考虑的极限状态为最大张开量6 mm，最大错台量15 mm。

盾构千斤顶的极限拼装能力为100 kN/m，故闭合压缩力设计指标为100 kN/m。

3.3 有限元预分析

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，提出20种初选弹性密封垫断面，如图5所示。根据上述初选断面建立弹性密封垫在管片沟槽中的平面应变有限元模型，弹性密封垫采用Mooney-Rivlin模型进行模拟，管片沟槽采用刚体进行模拟，设置刚体参考点控制管片沟槽的平面内运动并进行位移加载。其中一个断面的有限元模型示意图见图6。

图6 有限元预分析模型

进行试验试样加工制作的弹性密封垫断面条件为设计接缝张开量为6 mm时的接触应力不小于理论水压，经计算，有6种断面满足该要求，命名该6种试验加工断面分别为SC1、SC2、SC4、SC5、SC6和SC7，如图5所示。此外，为定量研究弹性密封垫硬度对防水性能的影响，加工制作硬度较小的SC3开展试验，SC3的断面参数同SC1。上述7种试验弹性密封垫断面的截面参数见表2，接触应力-接缝张开量关系曲线如图7所示。

3.4 试验研究

弹性密封垫的防水试验结果如图8所示。在给定的张开6 mm和错台15 mm的设计接缝变形量下，SC1断面的防水能力为1.27 MPa，SC2断面的防水能力为0.91 MPa，SC3断面的防水能力为0.62 MPa，SC4断面的防水能力为0.81 MPa，SC5断面的防水能力为1.00 MPa，SC6断面的防水能力为1.18 MPa，SC7断面的防水能力为1.31 MPa。根据试验结果，SC1和SC7断面符合设计要求。

弹性密封垫的闭合压缩力试验结果如图9所示。SC1的闭合压缩力为318 kN/m，SC2的闭合压缩力为273 kN/m，SC3的闭合压缩力为156 kN/m，SC4的闭合压缩力为90 kN/m，SC5的闭合压缩力为94 kN/m，SC6的闭合压缩力为147 kN/m，SC7的闭合压缩力为73 kN/m。根据试验结果，SC7断面符合设计要求。

综合防水试验结果和闭合压缩力试验结果，推荐SC7断面作为工程使用断面。

表2 试验弹性密封垫断面的截面参数

图7 试验弹性密封垫断面的接触应力-接缝张开量关系曲线

图8 试验弹性密封垫断面的渗漏水压-接缝张开量关系曲线(15 mm接缝错台量)

弹性密封垫在使用过程中所发生的老化主要是热氧老化，同时受机械应力和水的作用。因此可以利用测定橡胶密封制品贮存期的方法来预测橡胶密封垫的使用期，即利用热空气加速老化的方法外推计算。根据橡胶密封垫的实际使用情况，选择压缩应力松弛系数σ/σ0作为寿命预测的试验项目。不同老化温度、不同老化时间下的压缩应力松弛系数σ/σ0的试验结果见表3。

根据HG/T 3087—2001《静密封橡胶零件贮存期快速测定方法》规定，老化特性指标y与老化时间t之间关系可用经验公式描述：

图9 试验弹性密封垫断面的力-压缩量关系曲线

60 ℃时间/dσ/σ070 ℃时间/dσ/σ080 ℃时间/dσ/σ090 ℃时间/dσ/σ0100 ℃时间/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为压缩应力松弛系数σ/σ0；B为试验常数；K为速度常数，d-1；t为老化时间，d；a为经验常数。

采用试验数据对上式参数进行拟合，得到老化特性指标与老化时间之间的关系式：

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

。

(4)

式中T为运营时间。

3.5 接缝变形控制指标

对工程使用断面SC7建立试验后有限元分析模型，如图10所示。该模型的材料模拟、网格剖分、参考点设置等同试验前有限元预分析模型(见图5)，唯一的区别在于施加了侧向水压力，以模拟水压加载工况下的弹性密封垫防水性能。水压施加方式如下： 首先通过改变管片沟槽参考点的位移，达到设定的接缝张开量和错台量； 然后维持参考点的位移不变，在弹性密封垫一侧施加水压力。

图10 试验后有限元分析模型

0 mm接缝错台量工况下的接缝张开量-接触应力关系曲线如图11所示。由图11可知，接触应力随着张开量的增大迅速下降，当接缝张开量约为6.42 mm时，达到1.3 MPa的设计指标。因此，基于计算结果，为保证隧道接缝防水能力，建议在施工期将接缝张开量控制在6.42 mm以内，且在运营期加强结构监测，确保接缝张开量不大于6.42 mm。

图11 接缝张开量-接触应力关系曲线(0 mm接缝错台量)

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

6 mm接缝张开量工况下的接缝错台量-接触应力关系曲线如图12所示。由图12可知，接触应力和错台量没有相关性，错台量大小对接触应力的影响不大。当接缝错台量在30～33 mm时，接触应力略小于1.3 MPa的设计指标。需要说明的是，接缝错动量较大的情况下，弹性密封垫在挤压变形后会与对面的管片沟槽相接触，从而提高其防水能力，故在特定的接缝张开条件下，错动量的增加并非一定导致防水能力的减小。因此，在特定的接缝错动条件下，接缝的张开量是制约防水能力的关键因素。

图12 接缝错台量-接触应力关系曲线(6 mm接缝张开量)

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

3.6 长期防水性能预测

由于处于地下特殊环境中，弹性密封垫主要受温度影响。根据南京市的历史气象资料，可认为南京市纬三路隧道建成之后所处的地下常年保持20 ℃。基于式(4)计算得到20年内的老化特性指标，见表4。对工程使用断面SC7建立试验后有限元预测模型，将表4的数值作为试验结果值输入ABAQUS有限元软件，通过其自带的试验数据拟合功能得到用于黏弹性材料模型参数值，对设计接缝变形工况(张开量6 mm+错台量15 mm)下的SC7断面长期防水能力进行预测。

表4预测的20年内弹性密封垫压缩应力松弛系数

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

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

SC7断面的接触应力随时间的变化规律如图13所示。由图13可知，弹性密封垫的接触应力随着时间增加而减小。另外，弹性密封垫的初始接触应力较大，应力松弛的现象较为明显，并且弹性密封垫进入应力稳定的时间也较长。根据计算结果，SC7断面在100年的设计周期内可以抵抗0.72 MPa的水压。

图13 SC7断面的接触应力随时间的变化规律

4 结论与讨论

本文针对我国大直径水下盾构隧道工程日益增多的现状，分析了大直径、高水压等工程特点带来的防水设计需求，总结了典型工程的接缝防水设计构造，建立了大直径水下盾构隧道接缝弹性密封垫的设计方法。该设计方法包括工程参数提取、试验前有限元预分析、试验研究和试验后有限元分析4部分。将该设计方法应用于目前国内承受最大水深(72 m)的南京纬三路长江隧道的接缝弹性密封垫设计选型，成功指导了工程实践。具体结论如下。

1)推荐采用双道弹性密封垫的接缝防水设计方案，外道为主防水防线，内道为辅助防水防线，以提高防水设计的安全度。

2)弹性密封垫设计包括防水能力设计和闭合压缩力设计2部分： 防水能力指的是弹性密封垫在最不利接缝变形量工况下能保证短期和长期接触应力；闭合压缩力能够保证密封垫在管片沟槽中压实压紧。

3)开展有限元预分析初选弹性密封垫断面，筛选出满足接触应力要求的断面加工制作，可大幅减小后续试验工作量，提高设计效率。

4)试验弹性密封垫断面SC7满足1.3 MPa的短期防水设计指标和100 kN/m的闭合压缩力设计指标，推荐作为南京纬三路长江隧道工程应用断面。

5)为保证隧道防水的可靠性，建议控制接缝张开量在6.42 mm以内。在设计6 mm接缝张开量的条件下，接缝错台量对防水能力影响不大。

6)弹性密封垫断面SC7在100年设计周期内的接触应力满足0.72 MPa的长期防水设计指标。

本文对接缝的防水性能进行了研究，后续可将本文提出的方法应用到隧道衬砌结构中，对不同位置接缝的防水性能进行分析。