和燕路隧道盾构防水密封垫极限防水性能试验研究

薛光桥， 郭志明， 李 拼， 谢宏明， 王士民， *

(1. 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063； 2. 水下隧道技术国家地方联合工程研究中心，湖北 武汉 430063； 3. 南京市公共工程建设中心， 江苏 南京 210019； 4. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)

0 引言

随着我国基础设施建设的不断推进，越来越多的过江、跨海隧道不断涌现，其中以盾构法修建的水下隧道最为常见。在水下盾构隧道的设计与建设中，防水是其中非常关键的环节之一[1]，需要引起格外重视。盾构隧道防水主要包括以下6个方面： 管片自防水、壁后注浆层防水、接缝密封垫防水、嵌缝槽防水、螺栓孔和注浆孔防水、二次衬砌防水等。管片和接缝防水是主体[2]，接缝密封垫防水是整个盾构隧道防水的薄弱环节，也是盾构隧道防水设计的重点。

盾构隧道接缝密封垫防水设计大致可分为4个阶段： 工程设计参数提取、试验前数值模拟分析、试验研究、试验后数值模拟分析[3]。在工程设计参数提取阶段，普遍的做法是根据工程地质勘测结果，结合规范要求确定设计水压； 接着，根据隧道结构设计参数，确定接缝允许的张开量和错台量； 然后，根据这些参数，并参考类似工程[4-9]，进行密封垫型式的初步设计，初步设计出几种密封垫后，利用数值模拟计算软件对各密封垫的防水性能进行模拟[10-14]，并对其进行初步比选； 最后，根据防水试验中各密封垫在设计允许张开量、错台量下的耐水水压，判定各密封垫防水性能的优劣。

目前的盾构隧道接缝防水设计中，对于密封垫防水性能的评价指标是在设计允许张开量、错台量情况下的耐水水压。在现有的水下盾构隧道工程案例中，部分隧道工程由于某些问题导致管片在施工过程中或运营过程中的张开量或错台量已经超过了设计允许值。在密封垫张开量或错台量超出设计允许值的情况下，盾构隧道管片衬砌结构的防水性能在隧道服役期内是否仍能满足要求是一个值得关注的问题。张稳军等[15-16]在研究盾构隧道密封垫防水性能的过程中，分析了管片张开量与防水性能的关系，探讨了管片张开量超出设计允许值时的防水性能变化特性，但并未给出防水密封垫极限张开量允许值。截至目前，相关研究尚未形成明确的评价标准或指标，对于具体工程而言，仍需结合防水构造的具体情况及工程需求开展进一步研究。

基于以上背景，依托南京和燕路长江隧道工程，本文针对穿越地震带等存在密封垫张开量与错台量超出设计允许值风险的水下盾构隧道，研究密封垫张开量与错台量超出设计允许值后的防水性能变化规律，探究能满足防水要求的极限张开量与错台量，以期为上述问题的解决提供理论依据，为现有盾构隧道的防水设计优化提供相关参考。

1 工程概况

南京和燕路长江隧道穿越区河道呈不对称V字形，靠近南岸段呈极陡地形，最大水深达53 m，造成隧道承受水压达0.79 MPa。南京和燕路长江隧道为目前国内最深的水下隧道。隧道采用盾构法下穿长江水域，盾构段长度约为3 000 m，穿越地层有砂层、中风化角砾岩、角砾状灰岩和灰岩、含砾砂岩，且需要穿越F7区域断裂及4条断层，属于典型的土岩复合地层。江南明挖段局部有灰岩侵入。

南京和燕路长江隧道管片外侧沟槽内设置多孔型弹性橡胶密封垫，材质为三元乙丙橡胶。根据具体情况，设计了2种弹性密封垫，Ⅰ 型适用于一般区段； Ⅱ 型为增强型，布置于F7断层(长江深槽)、软硬不均等可能存在较大差异变形的地段以增强其防水性能。

和燕路长江隧道工程抗水压要求： 1)接缝张开8 mm、错台15 mm的条件下，Ⅰ型弹性橡胶密封垫即时抵抗1.6 MPa的水压，设计使用年限内能够抵抗0.65 MPa的水压； 2)接缝张开10 mm、错台15 mm的条件下，Ⅱ型弹性橡胶密封垫即时抵抗2.0 MPa的水压，设计使用年限内能够抵抗0.8 MPa的水压。

根据和燕路长江隧道工程的具体情况及防水要求，结合对密封垫的调研及相关类似工程经验，对密封垫及其对应沟槽进行初步选型。针对和燕路长江隧道工程的特殊地质条件，提供了多种密封垫孔洞形式，将密封垫及其沟槽分为2组，一组为高24 mm 的Ⅰ型密封垫，另一组为高28 mm的Ⅱ型密封垫。

根据试验前对几种密封垫的防水数值分析以及各密封垫在设计最不利工况下(Ⅰ型密封垫为张开8 mm、错台15 mm，Ⅱ型密封垫为张开10 mm、错台15 mm)的防水性能表现，选取其中的密封垫2(Ⅰ型)和密封垫7(Ⅱ型)进行极限工况防水试验，2种密封垫及沟槽的相关参数及截面尺寸分别如表1及图1所示。

2 密封垫极限防水性能试验

2.1 试验装置

为探究盾构隧道管片接缝的张开量与错台量在超出设计允许值后密封垫防水性能的变化情况以及是否仍能满足设计要求，本文进行了一系列密封垫张开量与错台量超出设计允许值的防水试验，试验装置如图2所示。

表1 密封垫及沟槽相关参数

(a) Ⅰ型密封垫

(b) Ⅱ型密封垫

(c) Ⅰ型密封垫沟槽

(d) Ⅱ型密封垫沟槽

图2 防水试验装置

防水试验装置由T形防水试验模具、全自动水压加载装置、压力表、开关阀门和连接杆件等组成。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。T形防水试验模具包含可更换内胆(见图3)，对应的密封垫沟槽位于内胆上，不同内胆对应不同的沟槽截面，如此可通过更换对应密封垫沟槽的内胆来实现不同截面形式密封垫的防水试验。

图3 防水模具内胆

2.2 试验过程

针对选取的2种密封垫开展防水性能试验。试验开始前，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12 h。静置12 h后，进行密封垫张开量以及错台量的设置操作，如图4所示。

(a) 设置张开量

(b) 设置错台量

将张开量及错台量设置好之后，用高强螺栓将装置拧紧固定，以确保在试验过程中张开量及错台量的稳定。装置固定好之后，将水压加载装置及水压表与防水试验模具连接； 然后向水压泵中加水至装置水压为0.1 MPa。待其稳定后，开始加压，在0.1 MPa下保持15 min；若装置不发生漏水则以0.1 MPa为1个单位逐级增加水压，每加1个单位，装置保持15 min不发生漏水则继续加压；在达到设计水压1.6 MPa(Ⅱ型密封垫为2.0 MPa)后，保压24 h，不发生漏水则继续加压直到出现漏水。将比漏水水压小0.1 MPa的水压定为密封垫在此工况下的耐水水压。

对于极限张开量防水试验，保持错台量15 mm不变，从张开量为8 mm(Ⅱ 型密封垫为10 mm)开始，张开量每增大1 mm作为1个工况，通过防水试验得到每一工况下的耐水水压，直到某一工况下的耐水水压小于设计允许耐水水压时停止试验。同理，对于极限错台量防水试验，保持张开量8 mm(Ⅱ 型密封垫为10 mm)不变，从错台量为15 mm开始，错台量每增大2 mm作为1个工况，通过防水试验得到每一工况下的耐水水压，直到某一工况下的耐水水压小于设计允许耐水水压时停止试验。为减小试验中的误差，每个工况做2组试验，取其最小值作为该工况下的耐水水压。

3 防水试验结果

3.1 Ⅰ型密封垫防水试验结果

3.1.1 极限张开量防水试验结果

对Ⅰ型密封垫进行极限张开量防水试验，试验结果如表2所示。

表2 Ⅰ型密封垫极限张开量防水试验结果

根据试验结果绘制Ⅰ型密封垫耐水水压随张开量的变化曲线，结果如图5所示。

图5 在错台量为15 mm的情况下Ⅰ型密封垫耐水水压随张开量的变化曲线

由图5可以看出： 在密封垫张开量超过8 mm(设计允许张开量)后，随着张开量的增大，密封垫的耐水水压逐渐减小，且减小幅度随着张开量的增大逐步增大。由此可见，张开量的增大会显著降低密封垫的防水性能，对密封垫的防水性能有着直接非线性的影响。

Ⅰ型密封垫耐水水压要求为1.6 MPa，在张开量超出11 mm后无法满足防水要求。因此，在错台量为15 mm的工况下，密封垫极限张开量为11 mm。

3.1.2 极限错台量防水试验结果

对Ⅰ型密封垫进行极限错台量防水试验，试验结果如表3所示。

表3 Ⅰ型密封垫极限错台量防水试验结果

根据试验结果绘制Ⅰ型密封垫耐水水压随错台量的变化曲线，结果如图6所示。

图6 在张开量为8 mm的情况下Ⅰ型密封垫耐水水压随错台量的变化曲线

由图6可以看出： 1)随着错台量的增大，密封垫的耐水水压总体呈减小的趋势，但其中也存在大错台密封垫耐水水压比小错台密封垫耐水水压高的情况； 2)在错台量超出21 mm之后，密封垫的防水性能下降幅度较大，且从该曲线的变化趋势来看，随着错台量进一步增大，防水性能的下降幅度有进一步增大的可能。

Ⅰ型密封垫防水水压要求为1.6 MPa，在张开量为8 mm、错台量为21 mm的工况下，密封垫的耐水水压为1.7 MPa，满足防水要求；当错台量大于21 mm时，密封垫的耐水水压迅速下降，达不到防水要求。因此，I型密封垫在张开量为8 mm工况下的极限错台量为21 mm。

3.2 Ⅱ型密封垫防水试验结果

3.2.1 极限张开量防水试验结果

对Ⅱ型密封垫进行极限张开量防水试验，试验结果如表4所示。

表4 Ⅱ型密封垫极限张开量防水试验结果

根据试验结果绘制Ⅱ型密封垫耐水水压随张开量的变化曲线，结果如图7所示。

图7 在错台量为15 mm的情况下Ⅱ型密封垫耐水水压随张开量的变化曲线

由图5和图7可以看出： Ⅱ型密封垫的耐水水压整体上要高于Ⅰ型密封垫，其随张开量的变化规律与Ⅰ型密封垫基本一致，即密封垫的耐水压能力随着张开量的增大而逐步减小，且减小幅度随着张开量的增大逐渐增大。

Ⅱ型密封垫耐水水压要求为2.0 MPa，在张开量超出13 mm后无法满足防水要求，因此，在错台量为15 mm的工况下，其极限张开量为13 mm。

3.2.2 极限错台量防水试验结果

对Ⅱ型密封垫进行极限错台量防水试验，试验结果如表5所示。

实践教学是高校教学工作的重要组成部分。综合实践课程可以从教学理念，资源建设，课程设计，组织实施和评估激励等方面进行。在具体的课程建设中，我们可以尝试从以下几个方面构建：

表5 Ⅱ型密封垫极限错台量防水试验结果

根据试验结果绘制Ⅱ型密封垫耐水水压随错台量的变化曲线，结果如图8所示。

图8 在张开量为10 mm的情况下Ⅱ型密封垫耐水水压随错台量的变化曲线

由图8可知： 1)在保持张开量为10 mm时，随着错台量的增大，Ⅱ型密封垫的耐水水压总体呈减小的趋势； 2)在错台量小于21 mm时，密封垫耐水水压在3.1 MPa左右波动。这说明错台量在小于一定量值时对密封垫的防水性能影响不大。耐水水压出现波动的原因可能与Ⅱ型密封垫的三角形孔分布有关。橡胶密封垫是一个多孔结构，橡胶材料在横向上分布并不均一，孔洞的间断分布造成上、下密封垫在不同错台量下接触时产生的接触应力不同，从而导致密封垫耐水水压的波动。

对比Ⅱ型密封垫与Ⅰ型密封垫各自极限错台量下的防水试验结果可以发现： 1)Ⅱ型密封垫在错台量小于21 mm的情况下，耐水水压在3.1 MPa左右波动，并未有明显下降； 2)Ⅰ型密封垫在错台量小于21 mm的情况下，随着错台量的增加，尽管其中存在有大错台量密封垫防水性能比小错台量密封垫防水性能高的情况，但其防水性能整体呈减小的趋势，且下降幅度较大。这说明耐水水压高的Ⅱ型密封垫兼容错台的能力也较强。

Ⅱ 型密封垫耐水水压要求为2.0 MPa，在张开量为10 mm、错台量为25 mm的工况下，密封垫耐水水压为2.5 MPa，满足防水要求；当错台量大于25 mm时，密封垫的防水性能迅速下降，达不到防水要求。因此，Ⅱ 型密封垫在张开量为10 mm时极限错台量为25 mm。

4 结论与讨论

本文基于南京和燕路长江隧道工程，结合试验前对几种密封垫的数值模拟分析以及各密封垫在设计工况下的防水性能表现，选取了2种密封垫进行极限张开量与极限错台量工况下的防水试验，通过对试验结果的对比分析，可得到以下结论：

2)当密封垫保持设计允许张开量时，错台量超过设计允许值后，随错台量的增大，密封垫的耐水水压先呈波动式减小，达到某一量值后迅速下降，直至失效。

3)Ⅰ型密封垫在错台量为15 mm的工况下满足防水要求的极限张开量为11 mm，在张开量为8 mm的工况下满足防水要求的极限错台量为21 mm；Ⅱ型密封垫在错台量为15 mm的工况下满足防水要求的极限张开量为13 mm，在张开量为10 mm的工况下满足防水要求的极限错台量为25 mm。

工程实践中，对于盾构隧道接缝防水而言，管片张开量与错台量是影响接缝防水性能的2个重要因素，在不同工作状态下，两者可能出现多种组合情况。本文在研究过程中，首先将其中一个量值设定为设计允许值，在此基础上探讨另一个量值在满足设计防水性能时的极限值，因此，文中结论并不能与工程中密封垫的所有工作状态一一对应。建议在试验条件允许的情况下，考虑工程实际可能出现的管片张开量与错台量量值，通过正交试验设计，系统地分析不同管片张开量与错台量组合情况下的防水性能，进一步为工程实践提供全面的指导。