盾構(gòu)隧道雙道密封墊防水能力及失效模式研究

李雪，霍鵬，周順華，黃大維，黃琦

盾構(gòu)隧道雙道密封墊防水能力及失效模式研究

李雪1，霍鵬1，周順華2，黃大維3，黃琦1

(1. 西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2. 同濟大學(xué) 上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室，上海 201804；3. 華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013)

盾構(gòu)管片接縫在高水壓下的防水是保障隧道正常使用的關(guān)鍵。為了研究盾構(gòu)隧道管片雙道密封墊防水機理及最大設(shè)防壓力，自行研制雙道密封墊水密性試驗裝置。對比分析不同張開量及錯臺量情況下，單道及雙道密封墊的最大設(shè)防壓力，并探討單道密封墊與雙道密封墊的失效模式。研究結(jié)果表明：盾構(gòu)接頭張開量影響接縫防水能力，隨著張開量的增加，最大防水能力降低。雙道密封墊失效模式與單道密封墊不同，張角情況存在手孔滲漏、躥水等失效模式。研究成果可為類似水下盾構(gòu)隧道雙道密封墊設(shè)計施工提供借鑒。

盾構(gòu)隧道；雙道密封墊；室內(nèi)試驗；失效模式

盾構(gòu)工法以機械化施工程度高，掘進效率快，施工過程地層位移影響小等優(yōu)點在地鐵區(qū)間隧道中得以廣泛應(yīng)用。隨著城市建設(shè)規(guī)模的快速發(fā)展，地鐵越江工程也越來越多。盾構(gòu)機下穿大型江河湖泊易遭遇潮汐漲落、高承壓水層[1]等不利條件，水下盾構(gòu)隧道管片接縫處一旦漏水將造成巨大的損失，因此水下盾構(gòu)隧道管片接頭在高水壓作用下的防水是保障隧道正常使用的關(guān)鍵[2]。在一般水壓條件下，盾構(gòu)隧道管片采用單道密封墊可滿足防水要求，但在大斷面、深覆土、高水壓力作用下的盾構(gòu)隧道[3]，為保證盾構(gòu)隧道管片接縫防水的可靠性，部分隧道采用雙道密封墊，以防止因施工缺陷或橡膠密封墊材料長時間老化而使其中一道失效[4]，造成接縫漏水甚至涌水事故的發(fā)生。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對于盾構(gòu)隧道接縫防水的研究主要集中在單道密封墊上[5-7]。DING等[8]研發(fā)了一套盾構(gòu)隧道單道密封墊檢測裝置，該裝置采用混凝土模具，用于分析南京緯三路過江盾構(gòu)隧道密封墊防水能力。SHI等[9]建立了考慮實效性的EPDM盾構(gòu)密封墊本構(gòu)關(guān)系，對盾構(gòu)密封墊長期失效性能進行了分析。Shalabi等[10-12]對盾構(gòu)隧道密封性能進行了試驗，得到不同張開量情況下密封性接觸壓力和最大水壓力的關(guān)系。國內(nèi)南京軌道交通3號線、10號線[13]、武漢長江隧道[14]、杭州地鐵1號線[15]等工程均結(jié)合具體工程對不同密封墊形式進行了防水試驗，進行了設(shè)計優(yōu)化。然而，針對雙道密封墊防水機理的研究與失效模式方面的試驗研究較少，張子新等[16]利用盾構(gòu)隧道雙道密封墊防水試驗系統(tǒng)，對比分析了雙道彈性密封墊較單道彈性密封墊防水效果的提高程度。但對雙道彈性密封墊的防水機理和失效模式仍缺乏較深入的研究。對于盾構(gòu)管片接縫處內(nèi)外道密封墊是否存在串聯(lián)關(guān)系，雙道密封墊失效模型是否與單道密封墊有差異，雙道彈性密封墊在不同施工誤差作用下對接縫防水的具體有利作用還缺乏比較深入的研究。本文基于國內(nèi)某地鐵越江盾構(gòu)隧道工程，自行設(shè)計雙道密封墊防水能力試驗設(shè)備。分析不同張開量及錯臺量下，單道及雙道密封墊最大設(shè)防水壓及失效模式。根據(jù)實驗結(jié)果分析內(nèi)外道密封墊在防水工作中所起的作用，雙道密封墊最大防水能力及可能存在的失效模式，研究結(jié)果可為今后水下盾構(gòu)隧道雙道密封墊選取、設(shè)計和施工提供借鑒。

1 工程概況

國內(nèi)某越江地鐵隧道采用1臺外徑為11.64 m的泥水平衡盾構(gòu)機掘進，隧道設(shè)計為單洞雙線圓形斷面，區(qū)間線路總長約3.6 km，盾構(gòu)管片外徑11.2 m，內(nèi)徑10.2 m，管片寬度2 m，管片厚度0.5 m (如圖1所示)。盾構(gòu)隧道穿越的地層為粉砂、細(xì)砂地層、粉質(zhì)黏土、中砂、粗砂、砂卵石，該地層滲透性好，且具有較大水壓，其中區(qū)間線路縱斷面如圖2所示。從圖2可知，盾構(gòu)穿越主要地層為粉砂、細(xì)砂。線路最高水壓達(dá)到0.61 MPa，根據(jù)設(shè)計要求，管片密封墊設(shè)防壓力要求達(dá)到1.2 MPa。因此，盾構(gòu)管片接縫的防水設(shè)計至關(guān)重要。考慮到管片承受較高水壓，管片接縫防水采用雙道密封墊，具體布置圖如圖3所示。

單位：mm

2 雙道密封墊水密性試驗

2.1 密封墊形式概況

本工程盾構(gòu)隧道接縫防水密封墊形式采用“謝斯菲爾德”(中孔型)斷面形式，密封墊為雙道密封墊，具體的內(nèi)外道密封墊的橫斷面形式如圖4所示，外道密封墊比內(nèi)道密封墊斷面尺寸大。密封墊材料采用EPDM 橡膠材料，具有較好耐久性能。

圖2 盾構(gòu)隧道縱向地質(zhì)斷面圖

單位：mm

2.2 雙道密封墊防水能力試驗設(shè)計

為檢驗雙道密封墊極限防水能力，自行設(shè)計一套雙道密封墊防水能力試驗裝置。水密性試驗原理為利用密封墊制造一個密閉環(huán)境，調(diào)整密封環(huán)境的水壓，觀察滲漏情況。盾構(gòu)隧道管片內(nèi)外密封墊防水能力試驗裝置見圖5~6所示。通過雙道密封墊防水試驗觀察內(nèi)外道密封墊被擊穿過程中的水壓變化，以確定內(nèi)外道密封墊在接縫防水中所起的作用。按照《盾構(gòu)法盾構(gòu)隧道施工與驗收規(guī)范》(GB50446—2017)規(guī)定，城市地鐵隧道在盾尾內(nèi)拼裝完成時，襯砌環(huán)內(nèi)錯臺量允許偏差量為5 mm，襯砌環(huán)間錯臺量允許偏差量為6 mm。綜合環(huán)縫和縱縫最大允許錯臺量，試驗中錯臺量取6 mm。分別對單獨1道(內(nèi)道、外道)和雙道密封墊進行水密性試驗，對其防水能力進行對比，試驗內(nèi)容見表1。

單位：mm

表1 防水機理研究試驗內(nèi)容

圖5 試驗?zāi)＞呤疽鈭D

圖6 雙道密封墊水密性試驗裝置實物圖

2.3 試驗方法及步驟

2.3.1 單道密封墊試驗

將待測的試樣裝入溝槽中，用黏合劑將密封條黏接于溝槽的底部。放置6 h后，將頂板蓋在底板上，將其調(diào)整到所需雙向錯臺量。擰緊螺栓到設(shè)定的張開量。之后進行分級加載，每次加壓0.1 MPa，壓力穩(wěn)定后保壓5 min，直到密封墊被水壓擊穿，記下電子水壓表讀數(shù)。

2.3.2 雙道密封墊試驗

1) 將待測的密封墊試樣裝入溝槽中，用黏合劑將密封條黏接于溝槽的底部。放置6 h后，將底板的內(nèi)外道密封墊之間的間隙充滿水；

2) 將頂板與底板蓋上，將其調(diào)整到所需雙向錯臺量。擰緊螺栓到設(shè)定的張開量；

3) 進行分級加載，每次加壓0.1 MPa，壓力穩(wěn)定后保壓5 min。加壓的同時觀察內(nèi)外道間隙之間水壓表的讀數(shù)變化；

4) 繼續(xù)加壓，直到第2道密封墊被擊穿，記錄密封墊被擊穿時的水壓值。

3 試驗結(jié)果及分析

由于各組密封墊生產(chǎn)質(zhì)量的差異，與設(shè)計斷面相比或多或少存在一定的正負(fù)公差，因此各組試驗的結(jié)果存在一定的離散性。單道彈性密封墊、雙道密封墊水密性試驗結(jié)果見圖8~9所示。從圖可知，單道密封墊防水極限壓力，在張開量與錯臺量相同的情況下，外道密封墊比內(nèi)道密封墊能夠承受更大的水壓。其中張開量、錯臺量均為6 mm情況下，外道密封墊能滿足設(shè)計要求(1.2 MPa)，內(nèi)道密封墊設(shè)防壓力平均值為1.0 MPa，小于設(shè)計要求，相比較該隧道所處最高水壓要大。當(dāng)張開量為8 mm，錯臺量為6 mm時，外道密封墊設(shè)防壓力平均值已小于防水壓力設(shè)置值，但仍大于隧道所處最高水壓值，內(nèi)道密封墊最大設(shè)防壓力已遠(yuǎn)小于密封墊防水壓力設(shè)計值，甚至已經(jīng)小于最高水壓0.6 MPa。

雙道彈性密封墊一字縫水密性試驗密封墊從開始至擊穿物理過程見表2。從表2的雙道密封墊水密性試驗過程可以看出，雙道密封墊失效過程分為3步。第1步，水壓小于第1道密封墊設(shè)防壓力時，水壓表顯示為0，第1道尚未被擊穿；第2步，隨著中心水壓的增大，當(dāng)中心水壓大于第1道密封墊設(shè)防壓力，密封墊被擊穿，此時，中心水壓迅速下降，內(nèi)外道直接水壓逐漸上升與中心水壓相同，此時第2道密封墊尚未被擊穿；第3步，當(dāng)水壓穩(wěn)定數(shù)分鐘后，第2道密封墊發(fā)生滲漏，雙道密封墊均已失效。

圖8 雙道密封墊與單道密封墊擊穿水壓對比 (張開6 mm，錯臺6 mm)

圖9 雙道密封墊與單道密封墊擊穿水壓對比(張開8 mm，錯臺6 mm)

從圖8~9可以看出：雙道密封墊最大擊穿水壓決定于擊穿第1道(外道)密封墊時的水壓。當(dāng)張開量為6 mm，錯臺量為6 mm時，雙道密封墊最大設(shè)防壓力大于防水要求設(shè)計值；當(dāng)張開量為8 mm，錯臺量為6 mm時，雙道密封墊最大設(shè)防壓力小于設(shè)計值，略大于隧道工程最大處水壓，不能滿足防水設(shè)計要求。對比圖8~9可知，最大的擊穿水壓并不會因為設(shè)置雙道密封墊而有所增大，而只與單道密封墊的最大防水壓力有關(guān)。

表2 雙道密封墊水密性試驗過程

4 雙道密封墊失效模式

4.1 密封墊失效原因

在密封墊的防水能力滿足設(shè)計要求的情況下，接縫處過大的錯臺、張開量以及管片間接縫的內(nèi)外張角是引起密封墊失效而誘發(fā)接縫漏水的主要原因。管片拼裝階段的拼裝誤差，管片推出盾尾后周圍水土荷載的作用以及運營期隧道的不均勻沉降都會引起隧道接縫產(chǎn)生過大的錯臺、張開量。

對于僅存在張開、錯臺而不存在張角的接縫變形情況，內(nèi)外道密封墊處、隧道嵌縫處的張開量和錯臺量是完全一致的，如圖10(a)和圖10(b)工況所示。試驗研究表明雙道密封墊之間不存在串聯(lián)接力作用。因此，當(dāng)接縫張開、錯臺量過大導(dǎo)致周圍水壓的擊穿能力大于密封墊的最大防水能力時，內(nèi)外道密封墊將同時失效；對于接縫存在張角的情況，內(nèi)外道密封墊的張開量明顯是不相同的。在存在外張角的情況下，外道密封墊的張開量大于內(nèi)道，如圖10(c)所示。對于內(nèi)張角則是內(nèi)道密封墊大于外道密封墊，如圖10(d)所示。因此，在雙道密封墊實際服役過程中，其中一道失效而另外一道未失效的情況是普遍存在的。

(a) 管片張開；(b) 管片錯臺；(c) 外張角；(d) 內(nèi)張角

4.2 接縫存在張角情況的失效模式分析

對于接縫存在內(nèi)張角的情況，內(nèi)道密封墊失效，外道密封墊未失效，此時不會在該接縫處發(fā)生滲漏。但若由于施工等原因接縫處存在較大的張開量造成外道也失效，此時將在該接縫處發(fā)生滲漏。在這種失效模式下，隧道內(nèi)壁接縫處將存在較大的張開量。

對于接縫存在外張角的情況會出現(xiàn)多種不同的失效模式。當(dāng)外張角過大使得外道密封墊張開量大于防水設(shè)計指標(biāo)，則外道密封墊可能失效，水將從管片外側(cè)滲入外道密封墊和內(nèi)道密封墊之間的管片接縫內(nèi)。與內(nèi)張角的情況相同，若此時存在較大的張開量，使得內(nèi)道密封墊的抗水壓能力小于外界水壓，雙道密封墊將同時失效，如圖11(b)工況所示。若此時不存在較大的張開量，則內(nèi)道密封墊未失效，雙道密封墊的防水效果便發(fā)揮出來，這一點來講對于防水是有利的。

對于外道密封墊失效而內(nèi)道未失效的情況可能存在2種失效模式。在外道密封墊失效之后，水從第1道密封墊滲入而從螺栓孔滲出，如圖11(c)工況所示。另一種失效模式為：水從第1道密封墊滲入后，繞管片周邊沿管片間的縫隙流竄。如果相鄰管片處內(nèi)張角過大，內(nèi)道防水密封墊不足以抵抗外側(cè)水壓，那么水將沿該處接縫的內(nèi)道密封墊滲入，稱這種失效模式為“竄水”現(xiàn)象，如圖11(d)工況所示。

(a) 內(nèi)張角(雙道失效)；(b) 外張角(雙道失效)；(c) 外張角(手孔滲漏)；(d) 外張角(竄水)

因此，在接縫采用雙道密封墊的盾構(gòu)隧道中應(yīng)注意螺栓孔密封封堵的良好性和連接螺栓的防腐蝕處理。同時加強接縫處的堵漏。

5 結(jié)論

1) 當(dāng)雙道密封墊中內(nèi)外道密封墊錯臺量相同時，密封墊最大防水能力隨著接縫張開量增大而減小。當(dāng)密封墊錯臺量為6 mm，張開量為8 mm時，內(nèi)道密封墊不滿足工程防水要求。

2) 盾構(gòu)隧道雙道密封墊失效模式與單道密封墊有差異，雙道密封墊接縫出現(xiàn)張角情況下存在手孔滲漏，躥水等不同于單道的失效模式。

3) 對于僅存在張開、錯臺而不存在張角的接縫變形情況，當(dāng)接縫張開、錯臺量過大導(dǎo)致周圍水壓的擊穿能力大于密封墊的最大防水能力時，內(nèi)外道密封墊將同時失效。

4) 高水壓條件下，盾構(gòu)隧道管片雙道密封墊相對于單道密封墊有更高的防水可靠性，但因為雙道密封墊有不同的失效模式，但應(yīng)該保證手孔處密封的良好性以及加強接縫的堵漏。

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Test research on watertight mechanism and failure model of the double sealing gaskets in shield tunnel

LI Xue1, HUO Peng1, ZHOU Shunhua2, HUANG Dawei3, HUANG Qi1

(1. School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Rail Infrastructure Durability and System Safety, Tongji University, Shanghai 201804, China;3. Engineering Research Center of Railway Environmental Vibration and Noise, Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Waterproof joints are essential for shield tunnel lining with high ground water pressure. To investigate the failure model of the double sealing gasket and the gasket sealant capacity, a new test device was designed and the tests were carried out. With the different joint opening and offset, the gasket sealant capacity was performed. The results show that the joint opening has a significant effect on the gasket leakage capacity. With increasing joint opening, the gasket sealant capacity decreases. The failure modes of the double and single gaskets are different. The waterproof system of the double gaskets could be variable combined to prevent the water from leakage. Because of the different seepage path, the leakage for double gaskets does not occur only at the gasket to gasket interface and gasket to groove interface. Achievements obtained in this research can provide references for the similar projects of shield tunnel under water.

shield tunnel; double gaskets; laboratory test; failure model

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20190255

U455.43

A

1672 - 7029(2020)01 - 0159 - 08

2019-04-03

國家自然科學(xué)基金資助項目(51808469)；上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室開放基金資助項目(R201902)

李雪(1985-)，男，山西襄汾人，博士，從事巖土地下工程教學(xué)與科研；E-mail：jialixue521@163.com

(編輯 陽麗霞)