寧佐利

(上海市城市建設設計研究總院，上海 200125)

GPST工法管片接縫防水技術研究

寧佐利

(上海市城市建設設計研究總院，上海 200125)

接縫是盾構隧道滲漏水發(fā)生的主要部位，而接縫面止水是盾構隧道防水的關鍵。盾構隧道接頭防水是通過接縫面上的接觸壓力將密封材料壓縮而產生堵水作用，但接觸面壓力又受接頭錯位和張開量的影響。為了解決南京地鐵某GPST(地面出入式盾構)工法在超淺覆土及負覆土下掘進過程中，盾構千斤頂頂推力不足、接縫止水條難以達到預定的壓縮量和擠密的問題，通過試驗和仿真分析的方法，得出適用于淺覆土管片接縫的低硬度、高孔洞率止水條；止水條耐水性能試驗結果表明，止水條能夠滿足本工程管片接縫長期止水的要求。

盾構隧道；GPST工法；接縫防水；止水條性能

0 引言

GPST(地面出入式盾構)工法是指盾構直接在地面(或地面簡易導坑)完成始發(fā)和到達，而不借助深大工作井的盾構施工技術。該工法起源于日本，是解決城市復雜條件下隧道施工的有效措施之一。2003年日本株式會社大林組開始研發(fā)盾構地面始發(fā)、到達快速施工技術，2004年完成盾構試驗機研制，2005年完成試驗段施工，2008年在中央環(huán)狀品川線大井地區(qū)進行了工程應用。

地面出入式盾構法新技術將以往通過明挖施工接線段及工作井、盾構段利用工作井作始發(fā)和接收的模式，轉變?yōu)槔枚軜嬐瓿烧麠l隧道施工。該工法不用施工豎井和大開挖施工接線段，可減少明挖施工場地、縮短工期及節(jié)約結構成本，有較好的社會效益和經濟效益。地面出入式盾構不同于常規(guī)盾構的關鍵技術之一在于管片接縫防水，而管片接縫防水的關鍵是接縫面防水密封材料的采用及其設置。由于盾構出入地面存在一定長度的超淺埋及負埋深段，其受力變形特性與常規(guī)盾構隧道不同，通常超淺埋段須采取抗浮措施，如頂面壓重、抗浮樁、抗浮錨桿及采用高重度管片(如鋼渣混凝土)等。因開挖面欠壓、盾構千斤頂推力較小、管片環(huán)縫接觸面壓力較小、淺埋管片所受軸力小、縱縫接觸面壓力較小，采用常規(guī)硬度較大的止水條，盾構很難提供足夠的裝配力來保證管片接縫止水條的壓密，所以，有必要對超淺埋管片接縫防水結構進行研究，形成適用于地面出入式盾構法的防水技術。

盾構接縫止水條的設計主要有2類方法。對于常規(guī)地鐵盾構管片止水條以經驗和類似工程參考來設計，而對于特殊地質條件、大直徑盾構隧道以及其他特殊情況條件下則主要通過數值計算和試驗來輔助設計。對于大直徑、高水壓條件下的管片止水條受力特性，國內已做過類似的研究[1]，如拓勇飛等[2]針對目前國內盾構隧道中承受最高水壓力(0.72 MPa)的條件，提出了彈性密封墊斷面優(yōu)化設計的流程與方法。本文針對零覆土及負覆土條件下管片接縫止水條受力性狀進行研究，目的在于探索出適用于開挖面欠壓情況下的管片接縫止水條。

1 研究概況

南京某地鐵區(qū)間地面出入式盾構工法試驗段線路縱斷面如圖1所示，隧道外徑6.2 m，最小埋深約1.89 m，最大埋深約5 m，穿越地層主要為粉質黏土層。

圖1 線路縱斷面圖(單位：mm)

針對超淺埋隧道盾構姿態(tài)控制難、裝配力不足等問題，采用高精度管片、斜螺栓連接及定位銷(見圖2)等技術，以提高管片的拼裝精度，進而減少管片錯臺對接縫防水的影響；同時，通過研究接縫防水方式，確保超淺覆土管片的防水性能。

接縫防水采用彈性密封原理、線性密封方式、預制成型的方法，形成具有特殊斷面形式的彈性密封條。通過研究不同截面形狀、不同硬度密封條的防水性能，提出適合于地面出入式盾構的止水結構；采用數值模擬和試驗手段對接縫(一字縫和T字縫)不同錯動量、張開量下止水條的防水性能進行分析，確定合理的錯動量及張開量控制指標。

2 接縫防水構造及止水條性能分析

2.1 常見止水條種類及形式

從盾構隧道接縫防水工程實踐來看，止水條主要有多孔壓縮型橡膠密封圈、遇水膨脹橡膠以及橡膠密封圈復合遇水膨脹材料3類。歐洲通常采用非膨脹合成橡膠，靠彈性壓密來止水，以耐久性與止水性見長；日本等國家主要采用水膨脹橡膠，靠其遇水膨脹后的膨脹壓止水，該做法可使密封材料變薄，施工方便；國內則趨于采用單道、多孔、特殊斷面彈性橡膠密封墊和遇水膨脹橡膠復合型防水材料[2]，以膨脹反力補償“密封墊”的應力松弛，通過分析接縫變形及止水條老化引起的應力損失來確定止水條的使用壽命[3-4]。常見的接縫止水條斷面形式如圖3所示。

(a)管片縱縫

(b)管片環(huán)縫

圖3常見止水條斷面形式

Fig.3 Cross-section types of common water sealing strips

由于管片制作誤差、拼裝誤差及受力變形的存在，管片接縫(縱縫和環(huán)縫)存在一定的張開量和錯臺，接縫止水必須具備上述不利條件下的防水能力。

2.2 接縫止水條性能要求

接縫設防水壓應根據短期和長期承受水壓綜合考慮。通常短期防水要求止水條因壓縮而產生的接觸面應力為設計水壓力的2～3倍[5]，長期防水要求接觸面應力不小于設計水壓力；同時，止水條要具備一定的耐久性能，主要包括防水功能耐久性、耐水性、耐動力疲勞性、耐干濕疲勞性、耐化學腐蝕性等。止水條的性能應符合表1的規(guī)定[6]。

表1 止水條彈性密封墊物理性能Table 1 Physical properties of gaskets of water sealing strips

3 接縫止水條力學性能分析

本工程最大埋深約5 m，正常使用階段最不利工況承受的最大水壓約0.1 MPa，取0.12 MPa作為極限情況。通過對圖3中的止水條斷面形式進行數值分析及耐水壓試驗，驗證接縫止水條的防水性能及裝配性能。

3.1 止水條裝配應力數值模擬

3.1.1 計算模型

建立密封墊三維模型，采用剛體來模擬管片密封槽對防水密封墊的側限作用。彈性密封墊材料采用Mooney-Rivlin模型，混凝土管片采用剛體模擬，計算單元采用八節(jié)點六面體單元。有限元計算模型如圖4所示。

圖4 有限元計算模型

3.1.2 材料本構

相互接觸的物體表面普遍存在著摩擦現(xiàn)象，當橡膠和金屬接觸時，在界面上具有比金屬相接觸時大得多的摩擦因數。分析選用庫侖摩擦模型[7]，該模型中2個接觸面在開始相互滑動之前，在界面上會有達到某一大小的剪應力產生，這種狀態(tài)稱為粘合狀態(tài)；一旦剪應力超過此值，2個表面將開始滑動，這種狀態(tài)叫作滑動狀態(tài)。本構模型如圖5所示。

圖5 摩擦本構模型

3.1.3 邊界約束條件

根據實際物理模型，有限元模型的邊界條件及荷載定義為：在剛體下表面施加剛體的所有自由度約束，在密封墊的前后側施加水平向約束。密封墊的上表面采用剛體施加垂向位移邊界條件。

3.1.4 計算工況

針對圖3中4種截面形式的橡膠止水條，分析不同硬度下(45，50，55，65)裝配力與壓縮量關系，以確定最佳止水條斷面形式及硬度。不同硬度止水條的材料參數如表2所示。

表2 橡膠止水條的Mooney-Rivlin參數[8]Table 2 Mooney-Rivlin parameters of rubber water sealing strips

3.1.5 結果分析

由設計止水條高度和管片止水條溝槽深度計算得到止水條的最大壓縮量約5.5 mm。在無錯位情況下，止水條達到最大壓縮量下的閉合壓縮力及止水條壓密變形量如表3所示。各工況下止水條的裝配力與壓縮量關系如圖6所示。

表3各工況止水條的最大裝配力及壓密變形量
Table 3 Maximum assembling force and compression of water sealing strips under different working conditions

斷面各硬度下的裝配力/(kN/m)65555045壓密變形量/mm斷面141．530．026．619．33．0斷面243．027．522．517．53．2斷面372．247．739．729．23．8斷面427．217．214．811．14．2

(a)斷面形式1

(b)斷面形式2

(c)斷面形式3

(d)斷面形式4

上述各截面止水條的裝配力-變形曲線表明：同一斷面在變形一定的情況下，硬度越大，所需的裝配力越大；同等壓縮量情況下，止水條內部開孔率(斷面開孔面積與整個輪廓面積的比值)越大，所需的裝配力越小，裝配力-變形特性曲線的“平段”越明顯。通常通過調整止水條的硬度、斷面形狀及開孔率來控制裝配力-變形曲線。在超淺覆土下，盾構頂推力不足時，通過分析不同硬度、不同開孔率止水條的裝配力-變形特性，并加以調整，以滿足防水要求。由于本工程管片接縫所受極限水壓僅為0.12 MPa，小硬度止水亦可滿足接縫防水要求，試驗主要通過控制開孔率，使防水達到最佳效果。

3.2 止水條耐水性能試驗研究

采用模型試驗模擬止水條在管片拼裝過程中的裝配力及接觸應力，試驗裝置如圖7所示。

圖7 模型試驗裝置

將多孔橡膠止水條試樣裝配入專用的夾具中，以15 mm/min的壓縮速度測試其接觸面應力-變形曲線，如圖8所示。

圖8 止水條接觸應力與變形關系曲線Fig.8 Curves of relationship between contact pressure and compression of water sealing strip

將止水條試樣按一定的壓縮量裝配到如圖7所示的實驗設備上，采用間歇方式給耐壓水箱加壓，測定試樣的密封水壓。試驗表明，止水條的耐水壓值隨裝配應力的增加而呈線性增大。止水條頂部平均接觸壓力與耐水壓值關系如圖9所示。

對比數值分析結果與試驗結果可知，試驗得到的止水條耐水壓力與數值計算結果相接近，二者比值為0.98～1.35。止水條100年的長期防水能通過數值分析的防水接觸面應力乘以應力松弛系數0.65[5]得到。表4列出了各截面不同硬度下，在壓縮量為2.5 mm(即接縫張開5 mm)時的長期防水能力。

圖9 止水條接觸壓力與試驗耐水壓力關系Fig.9 Curves of relationship between contact pressure and test waterproofing pressure of water sealing strips

表4各工況下止水條長期耐水壓力預測
Table 4 Prediction of long-term waterproofing pressure of water sealing strips under different working conditions MPa

斷面硬度45505565斷面10．150．200．240．37斷面20．120．150．180．28斷面30．200．260．310．45斷面40．120．150．190．27

從表4可以看出：各種斷面形式的止水條經100 年老化后，都能夠滿足本工程管片接縫長期止水的要求。

4 結論與討論

通過數值分析和模型試驗，對隧道盾構施工管片橡膠止水條的裝配力-壓縮變形特性以及耐水壓性能進行了研究，并對其使用壽命進行了評估。分析表明，硬度(邵爾A)在45～65度的止水條都能夠滿足本工程設防水壓0.12 MPa的要求，考慮到耐久性及抗老化性能，宜采用小硬度止水條。采用斷面開孔率較大的止水條可以降低裝配應力、延長裝配力-壓縮變形曲線中的“平段”，能夠更好地適應工程施工技術要求。

針對實際超淺覆土盾構工程，通過提高管片拼裝精度(如管片增設定位銷和定位棒)、增加注漿孔及縱向通長螺栓連接等措施，來減小止水條的安裝間隙和錯位量，進而提高止水條的長期耐水壓性能。

接縫止水性能受止水條的硬度、開孔率影響較大，目前對二者的控制尚沒有明確的標準，而對上述參數的變化規(guī)律進行研究，建立參數化體系則有助于最大限度地發(fā)揮止水條的止水性能。此外，超淺覆土盾構隧道管片接縫止水效果受地面動荷載、溫度應力等環(huán)境條件影響較大，尤其是在負覆土條件下，如何控制溫差變化對止水條的疲勞破壞和提高止水條的性能有待于進一步的研究。

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StudyonWaterproofingJointsofSegmentsinGPSTMethod

NING Zuoli

(ShanghaiCityUrbanConstructionDesignandResearchInstitute,Shanghai200125,China)

Joint is the main part where leakage occurs in shield tunnels,and the waterproofing of the joint surface is the key of the waterproofing of shield tunnels.The waterproofing of the joints of shield tunnels depends on the compression of the water sealing materials on the contact surface of the joints under the action of the contact pressure.However,the contact pressure is influenced by the dislocation and opening of the joints.Regarding GPST ( Ground Penetrated Shield Technology) applied in the construction of Nanjing Metro,the shield is boring under super-shallow soil cover or even without soil cover,the thrust force of the cylinders is inadequate,which results in insufficient compression and compactness of the water sealing strips.Tests and simulations are made in order to solve the above-mentioned problems and water sealing strips with low hardness and high porosity suitable for segments under shallow soil covers are developed.The waterproofing tests on the water sealing strips developed demonstrate that the water sealing strips developed can meet the long-term waterproofing requirements of the segments of the mentioned project.

shield tunnel; GPST method; joint waterproofing; property of water sealing strip

2013-11-01;

2014-07-07

上海市科學技術委員會科研計劃項目(11231202703)

寧佐利(1975—)，男，四川內江人，2002年畢業(yè)于西南交通大學，隧道工程專業(yè)，碩士，高級工程師，現(xiàn)從事地下工程設計及科研工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.09.005

U 45

A

1672-741X(2014)09-0844-05