金躍郎， 丁文其， 肖明清， 孫文昊， 吳煒楓， 葉美錫， 涂新斌

(1. 同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092； 3. 杭州市下城區(qū)住房和城市建設局, 浙江 杭州 310006； 4. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063； 5. 國家電網(wǎng)有限公司， 北京 100031)

0 引言

隨著地下空間開發(fā)需求的多元化，近年來，盾構(gòu)隧道在大直徑輸水、深層排蓄水、電力等多個領域得到快速發(fā)展。同時，隨著盾構(gòu)法施工技術(shù)與工藝的不斷突破，盾構(gòu)隧道在不斷迎接大直徑、長距離、超埋深、高水壓等多方面的挑戰(zhàn)。對于大直徑、超埋深、高水壓的盾構(gòu)隧道，除了需解決襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力性能的關(guān)鍵問題之外，其防水性能關(guān)鍵技術(shù)研究同樣面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，為了滿足越來越高的防水要求，管片接縫防水技術(shù)需不斷改進與突破。

在防水設計上，隨著隧道深度不斷變大，設計水壓從高水壓到超高水壓發(fā)展。南京緯三路隧道最大水壓為0.72 MPa[1]，廣深港高速鐵路獅子洋隧道為0.67 MPa[2]，南京長江隧道為0.65 MPa[3]，武漢長江隧道為0.57 MPa[4]，本文所述工程最大水壓高達0.80 MPa，盾構(gòu)隧道防水設計面臨巨大挑戰(zhàn)。

在高水壓地層條件下，盾構(gòu)隧道一旦出現(xiàn)局部滲漏，將引起隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能劣化[5]，在長期滲漏的情況下，隧道安全性能將無法保證。對于高水壓大直徑盾構(gòu)隧道管片接縫防水，國內(nèi)外多采用雙道防水形式，如德國易北河第4座道路隧道、上海青草沙過江隧道等大型水下隧道工程。

針對蘇通GIL綜合管廊超高水壓盾構(gòu)隧道大直徑、長距離、高水壓、高要求的特點，目前已有的大斷面盾構(gòu)隧道管片接縫防水密封墊斷面結(jié)構(gòu)形式已無法滿足其設計需求。故針對該項目超高水壓管片接縫防水這一關(guān)鍵問題展開研究，管片接縫將采用雙道彈性密封墊防水方案，在管片接縫的內(nèi)側(cè)和外側(cè)各布置1道密封墊。通過大量工程調(diào)研、斷面設計及數(shù)值計算，對比分析篩選出初步斷面，并通過壓縮性能試驗和防水性能試驗對所選斷面進行驗證。

1 盾構(gòu)隧道接縫防水設計要求

1.1 項目概況

淮南—南京—上海1 000 kV交流特高壓輸變電工程蘇通GIL(氣體絕緣輸電線路)綜合管廊工程，是世界上首次在重要輸電通道中采用特高壓GIL，也是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、技術(shù)水平最高的超長距離GIL創(chuàng)新工程，對華東地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義。本工程的隧道工程部分采用盾構(gòu)法施工，其最大水壓值高達0.80 MPa，為目前國內(nèi)盾構(gòu)隧道水壓最高值，其平面圖如圖1所示。

圖1 蘇通GIL綜合管廊工程平面圖

1.2 防水性能指標

類比相關(guān)工程案例，為減小滲漏水發(fā)生概率，增大隧道運營安全系數(shù)，本工程采用雙道三元乙丙(EPDM)彈性密封墊防水方案，其中定義近襯砌外弧面一側(cè)為外道，近襯砌內(nèi)弧面一側(cè)為內(nèi)道。與公路交通隧道不同的是，本隧道為特高壓GIL綜合管廊隧道。建成使用后，隧道內(nèi)部將長期處于相對高溫狀態(tài)，故在密封墊防水設計中，需考慮隧道運營時內(nèi)部環(huán)境溫度對隧道的影響。防水性能指標計算公式為

防水性能指標=(理論水壓值×安全系數(shù))/壓縮應力保持率。

(1)

式中： 理論水壓值為0.80 MPa； 壓縮應力保持率與環(huán)境溫度有關(guān)，內(nèi)外道密封墊有所不同。

綜合管廊隧道設計使用年限為100年，為長期性地下建筑。外道密封墊環(huán)境溫度按20 ℃計算，根據(jù)橡膠老化性能預測公式[6]，三元乙丙橡膠100年以后的壓縮應力保持率為65%； 而內(nèi)道密封墊環(huán)境溫度大于外道，考慮運營過程中溫度變化的影響，根據(jù)相關(guān)計算，平均可按30 ℃進行橡膠老化性能預測計算，得到三元乙丙橡膠100年以后的壓縮應力保持率為50%。國際上一般考慮安全系數(shù)為1.2～1.4，本工程隧道屬于高水壓隧道，考慮到外道密封墊是隧道第1道防水防線，將外道密封墊的安全系數(shù)定為1.3，而內(nèi)道為第2道防水防線，按1.2計算。

由式(1)得出： 內(nèi)道密封墊防水性能指標為1.92 MPa，外道為1.60 MPa。

此外，還需綜合考慮接縫防水能力對接縫誤差的適應性，即接縫在指定張開量和錯縫量的情況下才能達到設定防水值，這對密封墊的設計提出了更高要求。主要應考慮防水產(chǎn)品的容錯能力，考慮因素如下： 1)管片尺寸公差為±1 mm，直接影響接縫張開量和錯縫量。2)管片形位公差為±2 mm，直接影響接縫張開量和錯縫量。3)機械能力。環(huán)向精度直接影響管片錯縫量±5 mm，縱向扭力直接影響接縫張開量±2 mm。4)人為因素、環(huán)境影響因素直接影響管片錯縫量±2 mm。5)密封墊配合面尺寸公差為±1 mm，直接影響密封墊的對接錯縫量。因此，得到管片拼裝偏差累計值： 最大張開量為8 mm，最大錯縫量為15 mm。故接縫在張開量為8 mm、錯縫量為15 mm的極限情況下才能滿足設計要求。

1.3 裝配力要求

采用雙道密封墊接縫防水形式，在接縫滲漏水概率減小的同時，接縫密封墊閉合壓縮力增加。本項目所用盾構(gòu)的最大裝配力為130 kN/m，故該接縫密封墊閉合壓縮力需小于盾構(gòu)的最大裝配力。

2 盾構(gòu)隧道接縫防水密封墊設計

本項目內(nèi)道和外道密封墊溝槽設計不同(如圖2所示)，需對內(nèi)道和外道密封墊分別進行斷面設計優(yōu)化分析和試驗驗證。參考相關(guān)工程經(jīng)驗，在密封墊材料方面，選用具有良好耐老化性能的三元乙丙橡膠(EPDM)作為密封墊的主體材料。在密封墊型式設計方面，結(jié)合管片接縫防水性能數(shù)值模擬相關(guān)研究，通過理論分析、初選斷面、模型驗證，最終篩選出較優(yōu)的密封墊型式進行防水性能試驗，具體過程不在此文中贅述。

(a) 外道密封墊溝槽

(b) 內(nèi)道密封墊溝槽

根據(jù)大量的數(shù)值模擬對比與分析，并基于目前國內(nèi)高水壓盾構(gòu)隧道工程中的密封墊斷面型式[7-12]，優(yōu)化得出內(nèi)外道密封墊斷面，如圖3所示，并作為下文所述的試驗對象。

(a) 外道密封墊斷面

(b) 內(nèi)道密封墊斷面

3 密封墊裝配壓縮性能試驗

為滿足密封墊裝配力要求，需在接縫防水性能試驗的同時，進行裝配壓縮性能試驗，以獲取密封墊的裝配壓縮性能數(shù)據(jù)。

3.1 試驗工況

為滿足施工裝配要求，在滿足接縫密封墊耐水壓值要求的同時，還需滿足在盾構(gòu)最大裝配力下內(nèi)外雙道密封墊均能壓縮閉合的條件。考慮到橡膠材料硬度對密封墊壓縮性能影響較大，分別對不同硬度(硬度計示值為67和60)的同一斷面密封墊進行試驗。密封墊橡膠材料的硬度參考相關(guān)國家標準[13]。密封墊壓縮性能試驗工況如表1所示。

表1 密封墊壓縮性能試驗工況

3.2 試驗裝置

根據(jù)相關(guān)國家標準規(guī)范[13]，密封墊壓縮性能試驗裝置如圖4所示。

1—導向套； 2—溝槽下模塊； 3—橡膠密封墊； 4—溝槽上模塊； 5—端面封板。 標準密封墊試件長度為200 mm， 試驗時導向套與溝槽上模板之間接觸光滑。

圖4 密封墊壓縮性能試驗裝置[13]

Fig. 4 Schematic diagram of sealing gasket compression test device[13]

彈性密封墊裝配壓縮性能試驗采用HUALONG多功能拉壓試驗機加載，如圖5所示，儀器可自動讀取壓縮力和密封墊壓縮量。

圖5 密封墊裝配壓縮性能試驗儀器

3.3 試驗方法

試驗過程嚴格按相關(guān)規(guī)范要求[13]，采用位移控制的方式，加載范圍為0～22 mm，豎向壓縮增量為1 mm，密封墊每壓縮1 mm記錄1次豎向壓縮力數(shù)據(jù)。1次試驗結(jié)束后卸載，觀察密封墊的回彈情況，將同一組密封墊重復進行2次試驗，以觀察密封墊的2次壓縮性能和反復承受荷載的能力。密封墊試件在壓縮過程中的變化如圖6所示。

(a) 初始壓縮

(b) 壓縮過程中

(c) 壓縮至接縫閉合

3.4 試驗結(jié)果

3.4.1 外道密封墊

對工況1和工況2進行密封墊裝配壓縮性能試驗，分別得出其壓縮力-壓縮量曲線，如圖7所示。由試驗結(jié)果可知，對于外道密封墊而言，在相同壓縮量下，硬度為60的試件壓縮力均小于硬度為67的試件。當密封墊硬度為67、張開量壓縮至2 mm(對應壓縮量為20 mm)時，壓縮力為65 kN/m；而當外道密封墊硬度為60、張開量壓縮至2 mm(對應壓縮量為20 mm)時，需要的壓縮力為55 kN/m，較硬度為67時減小約15%。降低硬度對降低閉合壓縮力的效果明顯。

3.4.2 內(nèi)道密封墊

同樣，對工況3和工況4進行密封墊壓縮性能試驗，試驗結(jié)果如圖8所示，內(nèi)道密封墊硬度同樣對密封墊閉合壓縮力存在較大影響，且更為明顯。當內(nèi)道密封墊硬度為67、接縫張開量壓縮至2 mm(對應壓縮量為20 mm)時，需要的壓縮力為60 kN/m； 而當外道密封墊硬度為60，張開量壓縮至2 mm(對應壓縮量為20 mm)時，需要的壓縮力為43 kN/m，較硬度為67時減小約28%。

圖7 外道密封墊壓縮性能曲線

圖8 內(nèi)道密封墊壓縮性能曲線

密封墊壓縮性能試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示，內(nèi)道和外道密封墊在相同壓縮量下，硬度為60的試件壓縮力均小于硬度為67的試件壓縮力，且內(nèi)道密封墊閉合壓縮力小于外道密封墊閉合壓縮力，因為內(nèi)道密封墊寬度較小。就密封墊壓縮性能而言，在130 kN/m的盾構(gòu)裝配力條件下，所設計的內(nèi)道和外道密封墊均可將接縫張開量壓縮至2 mm以內(nèi)?？紤]管片接縫間實際還存在一定厚度的傳力襯墊，此時該接縫已接近于閉合狀態(tài)。此外，也可通過緊固螺栓等方式將接縫安裝至滿足要求。

表2 密封墊壓縮性能試驗結(jié)果

4 盾構(gòu)管片接縫防水性能模擬試驗

4.1 試驗工況

針對所設計的密封墊斷面型式進行防水性能試驗，在考慮不同硬度(硬度計示值為67和60)的基礎上，確定密封墊在不同接縫張開錯縫量下的實際防水能力。接縫防水性能試驗工況匯總?cè)绫?所示。密封墊橡膠材料的硬度參考相關(guān)國家標準[13]。

表3 接縫防水性能試驗工況

4.2 試驗方法

采用同濟大學研制的可三向自動加載的高水壓盾構(gòu)隧道管片接縫防水性能試驗系統(tǒng)進行試驗，如圖9所示。防水性能試驗主要步驟如下： 1)通過位移加載，控制接縫到指定張開量、錯縫量； 2)加載水壓，直至密封墊防水失效； 3)徹底卸載，待密封墊恢復到最初狀態(tài)，重新加載到下一個工況指定的接縫變形量進行防水性能試驗。

圖9 可三向自動加載的高水壓盾構(gòu)隧道管片接縫防水性能試驗系統(tǒng)

Fig. 9 Waterproof test system of high-pressure shield tunnel segment joints with automatic loading in three directions

4.3 試驗結(jié)果

在錯縫量分別為0、 15 mm時，對所設計的雙道密封墊進行了“一”字縫防水性能試驗，并記錄其防水失效現(xiàn)象和防水能力。

4.3.1 防水失效

根據(jù)試驗記錄可知，由于目前密封墊轉(zhuǎn)角采用實心轉(zhuǎn)角硫化搭接，試驗中接縫密封墊防水失效主要是角部漏水，如圖10所示。

圖10 接縫防水失效

4.3.2 防水能力

匯總不同密封墊、硬度、錯縫量的試件試驗結(jié)果，如表4所示。

表4 蘇通GIL隧道超高水壓接縫防水性能試驗結(jié)果

密封墊的防水能力受密封墊型式、硬度和錯縫量的影響。在相同錯縫量和硬度的條件下，內(nèi)道密封墊防水能力均高于外道密封墊防水能力，其原因在于斷面型式的差異導致接觸應力分布不同。同一個斷面在相同硬度下，接縫錯縫量越大，密封墊防水性能越低，因為錯縫導致密封墊有效接觸面積和寬度減少，不利于接觸應力的有效分布，從而使防水性能降低。同一斷面在相同錯縫量條件下，密封墊硬度越高，其防水性能越高，因為硬度越高，相應的壓縮力越大，接觸應力越高，越利于接縫防水。

綜合密封墊壓縮性能和防水性能試驗結(jié)果可知： 1)當密封墊硬度為67時，雙道密封墊閉合壓縮力為125 kN/m，滿足130 kN/m的裝配力要求； 2)在張開量為8 mm、錯縫量為15 mm的條件下，外道密封墊防水能力為1.80 MPa，內(nèi)道密封墊防水能力為1.94 MPa，可滿足外道1.60 MPa、內(nèi)道1.92 MPa的防水性能指標要求。綜上所述，設計的接縫密封墊可滿足蘇通GIL綜合管廊超高水壓盾構(gòu)隧道接縫防水要求。

5 結(jié)論與建議

通過國內(nèi)外工程實際和研究現(xiàn)狀的調(diào)研，結(jié)合蘇通GIL綜合管廊隧道工程的難點，針對高水壓防水設計要求以及高溫運行環(huán)境的影響，進行了密封墊優(yōu)化設計以及防水性能、裝配性能的試驗研究，得到結(jié)論與建議如下：

1) 通過數(shù)值模擬，分別優(yōu)化得出適用于本項目的內(nèi)外雙道密封墊斷面。通過裝配性能試驗可知，設計的密封墊可滿足接縫裝配力要求。

2) 彈性密封墊的防水能力與硬度有關(guān)。密封墊硬度越高，越容易產(chǎn)生較高的壓縮應力峰值，從而達到較好的防水效果。然而，硬度越高，密封墊閉合壓縮力越大，對盾構(gòu)的裝配力要求越高，在實際管片接縫密封墊設計中，需同時考慮且滿足兩者的要求。

3)當密封墊硬度為67時，試驗得出當張開量為8 mm、錯縫量為15 mm時，內(nèi)道和外道密封墊防水能力分別為1.94 MPa和1.80 MPa，可分別滿足本工程對應的1.92 MPa和1.60 MPa的雙道密封墊防水性能要求，可為類似超高水壓盾構(gòu)隧道工程接縫防水提供參考。而當硬度為60時，內(nèi)道和外道密封墊防水能力分別為1.50 MPa和1.35 MPa，雖無法滿足1.92 MPa和1.60 MPa的防水性能要求，但仍能抵抗較高水壓，可用于本工程中的隧道淺埋段，或其他防水要求較低的類似盾構(gòu)隧道工程中。

4)對雙道密封墊的防水失效機制尚未闡述，該部分研究將在今后進一步展開。