小直径污水盾构隧道抗渗防腐措施及防腐内衬的选用

陈喜坤，李宏,陈铁虎

(苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210019)*

目前，盾构法施工以其掘进速度快、施工安全、对周围环境影响小等优点[1]在直径较小的市政管网隧道的修建中逐渐得到应用[2]，这类隧道通常穿越城区主干河流或城区重要构筑物，且距居民区距离小.运营期一旦发生渗漏事故，往往造成地下水污染等恶劣影响.因此，需关注该类隧道运营期抗渗防腐性能.

隧道的接缝变形是导致隧道渗漏腐蚀的重要原因，王树清(1998)[3]依据交联橡胶的统计理论，讨论了弹性密封防水材料的非线性应力、应变特性；Shalabi[4]对管片接头性能做了较多的研究，分析了地面荷载与地震荷载两方面因素对管片纵向接头性能的影响，通过管片接头在动力作用后的抗渗性能试验，得出了循环荷载与抗渗性能之间的关系，阐明了重复荷载与静载对接头抗渗性能影响机理的差别；赵运臣(2008)等[5]通过试验研究了不同断面的橡胶止水垫在不同张开量、不同错位量条件下的装配应力与极限抗渗压力；密封垫的耐久性是隧道抗渗防腐的关键，国内外学者针对这一问题开展了大量研究，PY．Le(2012)等[6]研究了氯丁橡胶在水环境下的长期老化性能，指出橡胶在严重老化时，橡胶的物理特性与化学特性是非常明显的，在寿命预测中应予以考虑M．Patel(2001)[7]采用热机械分析仪研究了橡胶材料在不同温度的湿热环境下的永久压缩变形，并依此预测了材料的使用寿命.杨军和王进(2005)采用热重分析(TG)方法研究氯丁橡胶材料质量损失与老化时间之间的关系，引入时温转移(TTT)叠加处理思想，得出了橡胶在热空气老化下的活化能，并以质量损失作为指标预测了材料老化寿命.钟小春、秦建设等(2011)[8]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.

以上学者关注到隧道抗渗防腐的问题，大都是针对防腐材料的性能开展了一些实验探讨，对于盾构法修建的污水隧道运营期的加强防渗防腐问题较少涉及，本文将针对南京洪武路污水主干管盾构隧道项目开展该方面的探讨，以期为后续工程提供借鉴.

1 工程概况

南京洪武路污水主干管采用盾构法施工，盾构隧道从外秦淮河北岸开始，沿河岸成约51°角斜穿大堤后，顺外秦淮河底自东向西敷设，穿越饮马桥及地铁一号线后，再敷设至外秦淮河南岸，过河段全长约700 m，隧道沿线穿越地层主要为风化粉砂质泥岩、粉质粘土、含卵砾石粉质粘土等.

盾构隧道内径为2 100 mm，管片厚250 mm，环宽0.8 m.本工程盾构管片采用钢筋混凝土管片，混凝土等级为C50，防水等级P12.每环管片分割为6块，1块封顶块，两块邻接块(B1、B2块)、三块标准块(A1、A2、A3块).管片块与块、环与环之间采用弯螺栓连接.如图1所示.

2 渗漏机理探讨

盾构隧道渗漏通常发生在接缝的位置，接缝的变形和防水材料的性能减退是重要的因素，但渗漏发生的本质还是水压力突破了防水材料的防护.

2.1 密封垫失效原理

橡胶密封垫密封的过程就是橡胶体在密封力(弹性复原力或膨胀力)作用下，在接触表面产生较大的变形，从而填充了接触面上微观上的凹凸不平，阻止液体在接触间隙中的流动，达到密封的目的，如图2所示.目前在隧道橡胶密封垫防水设计中，普遍将橡胶密封垫看作类似于高粘体系的材料，它具有把压力传递到其接触面的特性.装在密封槽中的橡胶密封垫受压缩(或遇水膨胀)时，便对初始接触面产生弹性复原应力(或水膨胀力)P0，当其受到液体压力作用时，也将在接触面上产生附加应力P1，总接触面应力为：

当作用在密封垫上的水压Pw>αP时，即P>α(P0+P1)=α(P0+βP0)=α(1+β)P0时，即发生渗漏，式中α表示密封垫压力转化为防水压力的转化系数，与密封材料的材质、耦合面表面状况有关，β表示水压力转化为密封垫压力的转化系数，与材料硬度、断面形式有关.因此必须合理地选择橡胶密封垫的设计参数，才能使得盾构隧道在运营期间不发生渗漏.

2.2 密封垫失效原因及失效模式

盾构隧道接缝防水是依靠螺栓的挤压力压密密封垫来实现的，如果密封垫拼装过程中未闭合.错缝张开严重或密封垫材料松弛均会造成防水失效，分析认为，密封垫的失效模式包括以下几种：

(1)环缝张开或错台

盾构隧道在施工和运营过程中由于断面椭圆度的改变引起断面收敛，从而出现顶部和底部管片内张开，两侧管片外张开的现象，如图3(a)所示.

(2)纵缝错台、张开

隧道的不均匀沉降是导致纵缝错台、张开的主要原因，张开形式如图3(b)所示，施工中加强壁后注浆是降低纵缝变形的主要措施.

3 小直径盾构隧道抗渗防腐体系

小直径盾构隧道的抗渗防腐体系可划分为三层，即盾构管片壁后注浆、管片混凝土和接缝防水材料自防水以及内衬防腐层.

3.1 管片壁后注浆

壁后注浆可以在盾构管片环外侧形成一层环状保护层，对阻止地下水与污水隧道之间的渗透通道具有一定的阻挡作用，但其作用十分有限.目前常用的注浆浆液包括单液浆(硬液浆、惰液浆)、双液浆及化学注浆等.其中应用较多的为单液浆[9].

3.2 管片混凝土与接缝防水材料的自防水

(1)洪武路盾构隧道管片及防水情况

洪武路污水盾构隧道管片选用了C50混凝土，抗渗等级P12，同时控制裂缝宽度不大于0.2mm，且不得有贯穿裂缝，混凝土抗侵蚀系数大于0.根据工程经验，该设计指标能够较好的控制管片自身的抗渗.此外，采用了常规的防水弹性密封垫(三元乙丙橡胶)，每一个螺栓孔、注浆孔均设置了缓膨胀型遇水膨胀橡胶密封圈，内弧侧在预留的嵌缝槽内进行嵌缝密封.

(2)弹性密封垫性能试验研究

为了确保弹性密封垫的性能能够满足长期抗渗防腐的要求，通过实验探讨了本项目中弹性密封垫的相关性能.

弹性密封垫的在长期受压应力作用下会产生松弛老化现象，降低密封垫的防水能力，通常采用热氧老化的方法来进行寿命的评估.图4、5是密封垫热氧老化过程中收缩率、拉伸强度、扯断伸长率随着龄期的变化曲线，可以看出随着时间的增加，压缩率逐渐增大，密封垫的应力松弛效应随温度的增加而加剧.而拉伸强度和扯断伸长率随老化时间的变化并不明显，只是在一个小范围内波动.

根据阿累尼乌斯方程式以每个测试温度达到临界值时间的对数lnT与相应的测试温度的热力学温度的倒数1/T作图，通过标绘各点并求取最佳拟合直线，从而推出常温(25℃)达到一定应力松弛率所需要的老化时间，如图6所示.经过外推曲线可以看出压缩率为35%情况下在25℃条件下的使用寿命约为120年.压缩率为30%情况下在25℃条件下的使用寿命约为100年左右.符合本工程的相关设计要求.

3.3 内衬防腐层

内衬防腐层对于盾构法隧道的应用较少，调研发现目前常用的内衬防腐方法主要包括：PE管内衬、橡胶圈+胀环、软衬法、钢套管内衬、钢筋混凝土内衬、防腐喷涂内衬.各种方法的优缺点简析如表1所示.

表1 防腐内衬方法的比选

洪武路盾构污水管隧道存在小半径(80 m)转弯路段，PE管施工无法满足；污水隧道对过流断面设计要求高，内径不允许较大程度减小，因此钢套管和钢筋混凝土方案适用性不强；软衬法施工造价高，工艺复杂也不适用；内衬防腐喷涂内衬造价合适，且施工速度快，过流断面损失小，能够适应管径、断面形状、弯曲度的变化，对本工程的适应性较好.但是，由于该方法防腐材料多样，性能各异，因此通过相关指标进行防腐材料的比选是必要的.

(1)主要控制指标的确定

污水盾构隧道结构防腐材料需要满足的要求包括：

1)隧道易发生不均匀沉降、管片接缝错台、张开等变形行为，错台形式如图7所示，要求防腐材料具有良好的柔韧性；根据相关规范，错台量应小于5 mm，张开量小于6 mm，换算为涂膜的伸长率分别为4%、30%，因此涂膜的断裂伸长率应大于30%.

2)污水中含有固体颗粒状杂物，会对内衬材料产生撞击，要求防腐材料具有一定的强度；

考虑尺寸为20 cm×20 cm×100 cm的木材来模拟污水管道中的坚硬物质对涂膜的撞击，木材的密度为600～800 kg/m3，质量为24～32 kg.管道内径为2.1 m，设计流量为3 m3/s(换算速度为0.86m/s)，考虑到排污工程中污水管道内不是满载，所以取流速为1 m/s，计算可以得到防腐材料抵抗的冲击力应不小于24～32 N，冲击强度不低于1MPa.

3)防腐材料应与混凝土具有较强的粘结性;

应保证防腐内衬破损后不被水流撕开，渗透压力作用下不脱落，根据隧道土水压力估算附着力(粘贴力)应大于0.12 MPa.

4)具有较好的耐久性，满足50年设计年限的要求.

(2)防腐材料性能试验研究

开展的主要试验包括粘结力测试试验、冲击性能试验、拉伸试验等.选取了常用的四种防腐材料，分别对四种材料进行相关指标试验，试验结果如表2所示.

表2 材料试验结果

可以看出MMA材料断裂伸长率满足要求，且对混凝土表面要求低，粘结性能最好，可以作为底涂，而瓷釉材料表面光滑，可以降低污水输送的摩阻力，从而降低能耗.因此采用MMA作为喷涂底漆，瓷釉作为喷涂面漆具备良好的应用效果，现场实现也证实了该方法，现场喷涂情况如图8所示.

主要施工工艺：管片手孔、接缝处理(粗糙度2mm)—喷涂MMA(0.25 mm)—喷涂瓷釉(2-3道，2.5 mm左右)—工后检查(外观、强度、厚度).

4 结论

(1)小直径盾构隧道在运行过程中容易产生密封垫耐久性降低、管片环纵缝张开、钢筋混凝土锈蚀等情况导致水压大于接触面应力，从而发生隧道渗漏等病害，有必要采取措施降低隧道渗漏腐蚀的风险；

(2)洪武路污水盾构隧道采用的三元乙丙橡胶密封垫在压缩率为25%、30%条件下的使用寿命均能满足工程需要；

(3)目前常用的防腐层形式中，封堵缝+内喷涂防腐防渗材料具有对过流断面影响小、防腐抗渗性能强、工期短等优点，是一种具有应用前景的内衬防腐方法；

(4)内喷涂材料中MMA+瓷釉的方式施工性能最佳，具有推广应用价值.