关于取消盾构管片嵌缝和手孔封堵设计的探讨

南力辉

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南 郑州 450001)

盾构法隧道防水体系由管片结构自防水+接缝防水组成，接缝防水[1]包括密封垫、螺栓孔、嵌缝和管片手孔，密封垫和螺栓孔防水措施均为必选措施，嵌缝和手孔防水均为地铁运营维护过程中要求增加的措施。嵌缝分为底部嵌缝和顶部嵌缝，底部嵌缝是为了防止管片底部接缝冒水影响道床混凝土质量，顶部嵌缝是为了防止管片顶部接缝处渗漏水造成接触网短路或锈蚀，嵌缝防水对运营期间保证结构耐久性、设备安全性和稳定性起一定的作用；管片手孔进行防水处理主要是为了防止螺栓及螺母锈蚀，但是顶部嵌缝和手孔防水的材料失效后脱落也会给运营地铁带来隐患或者维护工作量[2]。对此，本文结合工程经验，基于防水标准，对嵌缝和手孔的防水做法及存在问题进行分析，提出改进建议。

1 嵌缝和手孔封堵依据及常规做法

1.1 依据

盾构隧道的防水等级一般为二级，按照《地铁设计规范》12.8节要求，嵌缝防水范围为部分区段宜做，嵌缝材料应具有良好的不透水性、潮湿基面粘结性、耐久性、弹性和抗下坠性的特性。嵌缝做法未有规范强制性要求，属于管片接缝防水加强措施。

管片手孔封堵规范无强制性要求，仅中国工程建设协会标准《隧道工程防水技术规范》提出管片手孔宜用砂浆或符合国家标准的快硬水泥部分或者完全封填。地下水位低的地区，盾构隧道内较干燥，例如郑州地铁1～5号线均未施工手孔封堵。

1.2 嵌缝的常规做法及所用材料

目前，设计管片内侧环纵向沿边设置了嵌缝槽，底部嵌缝是指在道床混凝土范围内(约90°)的嵌缝槽进行嵌缝处理；顶部嵌缝是当顶部有渗漏水时再施作，顶部嵌缝施工时先堵漏处理、确保基面干燥后再在隧道竖向轴线顶部两侧各22.5°(共45°)范围进行嵌缝处理，如图1所示。

图1 管片嵌缝范围

隧道顶部嵌缝处理起到排水的功效，以保证隧道拱顶无渗漏水滴落在供电接触网上；隧道底部嵌缝处理是为了防止管片底部接缝处冒水影响道床混凝土质量，提高道床混凝土耐久性。

嵌缝防水施工应在盾构千斤顶顶力影响范围外进行，且应在接缝堵漏和无明显渗水后进行。嵌缝材料嵌填时，应先涂刷基层处理剂，嵌填应密实、平整。具体施工流程如下[3]：①管片拱底90°范围嵌缝，基层处理干燥→嵌入PE薄膜→填充氯丁胶乳快硬水泥或者聚合物水泥砂浆。②管片拱顶45°嵌缝，基层处理干燥→嵌入PE海绵条→填充高模量聚氨酯密封胶。

苏州地铁5、6、7、8号线底部嵌缝材料均为聚合物水泥砂浆，S1线为氯丁胶乳快硬水泥；5号线顶部嵌缝材料为聚硫密封胶，S1、6、7、8号线为高模量聚氨酯密封胶；嵌缝材料均为非定型材料。道床范围嵌缝材料需适应基面潮湿，并能适应管片环缝少量的胀缩变形，聚合物水泥砂浆和氯丁胶乳快硬水泥均可满足该要求。顶部材料需能长期保持粘结力，运营过程中不坠落，但由于之前采用的聚硫密封胶为双组分制品，嵌缝作业前需将两组分搅拌混合，施工不方便，搅拌效果难以保证，造成粘结力不能满足长期要求，运营过程中列车振动导致材料局部掉落。为了施工方便和保证材料嵌缝防水效果，现已改进为采用单组分高模量聚氨酯密封胶，可用嵌缝枪将材料注入嵌缝槽内，具有作业简单方便、性能质量稳定的优点。

1.3 手孔封堵的常规做法及所用材料

为了防止螺栓及螺母锈蚀，同时为了避免管片手孔封堵材料坠落，设计中要求：上半环的手孔不封堵，外露螺栓采用喷锌防护后涂刷环氧密封封底涂料；下半环的手孔采用硫铝酸盐超早强(微膨胀)水泥填充封堵。封堵前必须将手孔内积水、污渍、杂物清除干净,并于手孔内壁涂刷界面处理剂。

手孔封堵施工流程：①上半环手孔不封堵，表面净化处理(包含除锈)→喷锌防护→涂刷环氧密封封底涂料。②下半环手孔，将手孔内积水、污渍、杂物清除干净→手孔内壁涂刷界面处理剂→填充硫铝酸盐超早强(微膨胀)水泥。

2 嵌缝和手孔封堵存在问题分析

2.1 止水效果及造价分析

根据地铁运营公司工务段反映，地铁盾构隧道顶部嵌缝材料有部分脱落、底部道床处存在多处冒水，说明管片顶部和底部接缝防水均未达到理想效果，如图2所示。管片手孔封堵也出现局部掉落的现象，影响盾构隧道整体美观，如图3所示。

图2 嵌缝渗水 图3 手孔封堵材料脱落

管片嵌缝和手孔封堵工程费用按照环数进行工程量清单综合计价，每环的嵌缝和手孔封堵的综合单价约为900元。嵌缝和手孔封堵材料费用较少，大量费用花费在人工上。嵌缝槽和手孔体积小，无法采用大型机械化设施进行快速作业，需要大量人力进行现场作业，见图4和图5，作业效率较慢，迫切要求对管片嵌缝和手孔封堵作业进行改进。

图4 嵌缝施工 图5 手孔封堵施工

2.2 失效原因分析

2.2.1 管片设计原因

管片嵌缝可分为平底型、单侧型、斜底型和倒“退拔”型，如图6所示。目前常采用的嵌缝为斜底型和倒“退拔”型这两种，除了倒“退拔”型外，其余的结构形式中嵌缝材料完全依靠嵌缝材料与管片的粘结力，在长时间运营的各种因素作用下可能会掉落。

图6 嵌缝槽断面构造形式

2.2.2 嵌缝渗水原因

管片嵌缝施工时，嵌缝槽内存在湿渍，降低嵌缝材料与混凝土管片的粘结性，尤其是聚氨酯密封胶会吸收嵌缝槽内的水分并与水发生化学反应产生二氧化碳，二氧化碳在基层表面聚集会影响基面与密封胶的粘结性，造成粘结界面破坏，长时间作用下嵌缝材料可能会脱落[4]。

2.2.3 管片错台

《盾构法隧道施工及验收规范》(GB50446-2017)中要求管片衬砌环内错台控制值为5 mm、管片衬砌环间错台控制值为6 mm[5]。盾构管片拼装过程中，因盾构机操作手水平、管片拼装手水平、地质条件变化等制约条件，管片环缝、纵缝均会产生一定的错台。根据部分数据统计，国内已建成隧道错台量，成型隧道管片错台大于10 mm的超标率已经超过5%。随着错台量增大，嵌缝密封胶与管片嵌缝槽的基面接触长度减小，影响嵌缝防水效果。

2.2.4 运营阶段列车振动影响

运营阶段，非减振道床段管片衬砌会随着列车振动发生受迫振动，具体表现为：在列车振动荷载到达前，各点竖向位置振动幅度较小，随着作用时间逐渐增长，振幅逐渐增大，当列车荷载到达时，振幅达到峰值，之后随着时间增加振幅逐渐减小。

部分学者计算出[6]：①列车荷载通过前后各管片接缝处存在相对位移。②管片嵌缝各位置竖向振动加速度不同，对管片嵌缝条及密封胶产生作用力，长时间的不平衡作用力可能会造成嵌缝材料与管片基面脱离，从而形成了渗水通道。③手孔封堵材料在列车振动的情况下与管片基面脱离，造成材料脱落。

3 取消嵌缝和手孔封堵后的改进设计

地铁区间一般采用顶部接触网供电方式，由于地下水作用或者列车振动，隧道顶部的嵌缝材料易掉落。一旦PE薄膜、PE海绵条或者聚氨酯密封胶掉落，下坠至接触网上，轻则迫使停车，重则造成供电短路，危害行车安全。随着盾构防水技术的提高，基于隧道顶部嵌缝材料存在掉落至供电接触的隐患，很多地区已经取消了隧道顶部的嵌缝防水做法，但是隧道顶部的渗漏水仍不可避免。对于接缝渗漏、螺栓防腐的问题，可通过改进接缝防水的措施和加强螺栓防腐防锈处理来加以解决。

3.1 管片接缝的改进设计

针对管片接缝渗漏水的问题，可采用将单道密封垫改进为双道密封垫的设计方案，该改进方案可适应施工中管片错台及后期运营阶段列车振动的防水要求。双道密封垫[7]的设计理念已在日本盾构隧道中使用，国内输水盾构隧道已成功采用双道密封垫，例如上海长江口青草沙输水隧道工程，内外两道密封垫(如图7)可在0.85 MPa水压下，错位5 mm、接缝张开6 mm下未发生渗漏。公路市政过江隧道也尝试在管片接缝中设置双道密封垫，如武汉长江隧道外侧采用EDPM弹性密封垫、内侧采用遇水膨胀止水橡胶为主的复合密封垫，南京长江隧道外侧采用EDPM多孔弹性密封垫、内侧采用聚醚聚氨酯弹性密封垫。

图7 双道密封垫结构 图8 单道密封垫结构

双道密封垫是在单道密封垫的内侧增加一道密封垫，相对于管片单道密封垫(见图8)其主要优点：①盾构管片设防水压力可由0.9 MPa提高至2.0 MPa[8]，工程应用范围广。②若外道密封垫因施工质量等原因造成防水局部失效，内道密封垫即可发挥主防水作用，提高盾构管片接缝防水效果和防水可靠性。③取消管片嵌缝，可避免嵌缝材料掉落至接触网上的运营隐患。

但双道密封垫防水设计也有未完善之处，其缺点是设置两道密封垫时，必须计算每道密封垫的闭合压缩力，否则管片拼装成环时，会因环向螺栓紧裹不足而使纵缝不易闭合，造成封顶块插入很困难，所以双道密封垫应用于工程实际中还需要很多工作要做。

3.2 手孔封堵的改进设计

取消手孔封堵后，为防止螺栓、螺母锈蚀，防腐防锈要做到位，喷锌防护厚度不小于120 μm，喷锌层锌含量不低于96%，其上再涂环氧密封涂料30 μm。喷锌前应进行表面净化处理，清除表面油脂和其他污物，若有锈蚀，应进行除锈处理，除锈等级不低于《涂覆涂料前钢材表面处理表面清洁度的目视评定》(GB/T 8923)的要求。

3.3 改进设计与原设计经济数据对比

管片接缝密封垫同样按照环数进行工程量清单综合计价，每环的密封垫的综合单价约为1 400元。增加一道密封垫费用虽高于每环管片采用嵌缝和手孔封堵的综合单价900元，但管片接缝粘贴密封垫可在地面的加工车间内作业，施工环境好，作业质量比隧道内嵌缝好。如若开发粘贴管片密封垫的机械设备，将降低嵌缝的综合单价，提高施工效率。

4 结论和建议

鉴于盾构隧道防水等级为二级，对管片嵌缝和手孔封堵无强制性要求，建议通过取消管片嵌缝和手孔封堵的设计，采用加强管片防水质量和防止螺栓及螺母锈蚀措施。取消管片嵌缝和手孔封堵后，可避免嵌缝材料掉落至供电接触的隐患，有利于运营安全，并降低了造价。