薛光橋， 郭志明， 李 拼， 謝宏明， 王士民， *

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063； 2. 水下隧道技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖北 武漢 430063； 3. 南京市公共工程建設(shè)中心， 江蘇 南京 210019； 4. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，越來(lái)越多的過(guò)江、跨海隧道不斷涌現(xiàn)，其中以盾構(gòu)法修建的水下隧道最為常見(jiàn)。在水下盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)與建設(shè)中，防水是其中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一[1]，需要引起格外重視。盾構(gòu)隧道防水主要包括以下6個(gè)方面： 管片自防水、壁后注漿層防水、接縫密封墊防水、嵌縫槽防水、螺栓孔和注漿孔防水、二次襯砌防水等。管片和接縫防水是主體[2]，接縫密封墊防水是整個(gè)盾構(gòu)隧道防水的薄弱環(huán)節(jié)，也是盾構(gòu)隧道防水設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

盾構(gòu)隧道接縫密封墊防水設(shè)計(jì)大致可分為4個(gè)階段： 工程設(shè)計(jì)參數(shù)提取、試驗(yàn)前數(shù)值模擬分析、試驗(yàn)研究、試驗(yàn)后數(shù)值模擬分析[3]。在工程設(shè)計(jì)參數(shù)提取階段，普遍的做法是根據(jù)工程地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，結(jié)合規(guī)范要求確定設(shè)計(jì)水壓； 接著，根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，確定接縫允許的張開(kāi)量和錯(cuò)臺(tái)量； 然后，根據(jù)這些參數(shù)，并參考類(lèi)似工程[4-9]，進(jìn)行密封墊型式的初步設(shè)計(jì)，初步設(shè)計(jì)出幾種密封墊后，利用數(shù)值模擬計(jì)算軟件對(duì)各密封墊的防水性能進(jìn)行模擬[10-14]，并對(duì)其進(jìn)行初步比選； 最后，根據(jù)防水試驗(yàn)中各密封墊在設(shè)計(jì)允許張開(kāi)量、錯(cuò)臺(tái)量下的耐水水壓，判定各密封墊防水性能的優(yōu)劣。

目前的盾構(gòu)隧道接縫防水設(shè)計(jì)中，對(duì)于密封墊防水性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)是在設(shè)計(jì)允許張開(kāi)量、錯(cuò)臺(tái)量情況下的耐水水壓。在現(xiàn)有的水下盾構(gòu)隧道工程案例中，部分隧道工程由于某些問(wèn)題導(dǎo)致管片在施工過(guò)程中或運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的張開(kāi)量或錯(cuò)臺(tái)量已經(jīng)超過(guò)了設(shè)計(jì)允許值。在密封墊張開(kāi)量或錯(cuò)臺(tái)量超出設(shè)計(jì)允許值的情況下，盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的防水性能在隧道服役期內(nèi)是否仍能滿足要求是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。張穩(wěn)軍等[15-16]在研究盾構(gòu)隧道密封墊防水性能的過(guò)程中，分析了管片張開(kāi)量與防水性能的關(guān)系，探討了管片張開(kāi)量超出設(shè)計(jì)允許值時(shí)的防水性能變化特性，但并未給出防水密封墊極限張開(kāi)量允許值。截至目前，相關(guān)研究尚未形成明確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)或指標(biāo)，對(duì)于具體工程而言，仍需結(jié)合防水構(gòu)造的具體情況及工程需求開(kāi)展進(jìn)一步研究。

基于以上背景，依托南京和燕路長(zhǎng)江隧道工程，本文針對(duì)穿越地震帶等存在密封墊張開(kāi)量與錯(cuò)臺(tái)量超出設(shè)計(jì)允許值風(fēng)險(xiǎn)的水下盾構(gòu)隧道，研究密封墊張開(kāi)量與錯(cuò)臺(tái)量超出設(shè)計(jì)允許值后的防水性能變化規(guī)律，探究能滿足防水要求的極限張開(kāi)量與錯(cuò)臺(tái)量，以期為上述問(wèn)題的解決提供理論依據(jù)，為現(xiàn)有盾構(gòu)隧道的防水設(shè)計(jì)優(yōu)化提供相關(guān)參考。

1 工程概況

南京和燕路長(zhǎng)江隧道穿越區(qū)河道呈不對(duì)稱(chēng)V字形，靠近南岸段呈極陡地形，最大水深達(dá)53 m，造成隧道承受水壓達(dá)0.79 MPa。南京和燕路長(zhǎng)江隧道為目前國(guó)內(nèi)最深的水下隧道。隧道采用盾構(gòu)法下穿長(zhǎng)江水域，盾構(gòu)段長(zhǎng)度約為3 000 m，穿越地層有砂層、中風(fēng)化角礫巖、角礫狀灰?guī)r和灰?guī)r、含礫砂巖，且需要穿越F7區(qū)域斷裂及4條斷層，屬于典型的土巖復(fù)合地層。江南明挖段局部有灰?guī)r侵入。

南京和燕路長(zhǎng)江隧道管片外側(cè)溝槽內(nèi)設(shè)置多孔型彈性橡膠密封墊，材質(zhì)為三元乙丙橡膠。根據(jù)具體情況，設(shè)計(jì)了2種彈性密封墊，Ⅰ 型適用于一般區(qū)段； Ⅱ 型為增強(qiáng)型，布置于F7斷層(長(zhǎng)江深槽)、軟硬不均等可能存在較大差異變形的地段以增強(qiáng)其防水性能。

和燕路長(zhǎng)江隧道工程抗水壓要求： 1)接縫張開(kāi)8 mm、錯(cuò)臺(tái)15 mm的條件下，Ⅰ型彈性橡膠密封墊即時(shí)抵抗1.6 MPa的水壓，設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)能夠抵抗0.65 MPa的水壓； 2)接縫張開(kāi)10 mm、錯(cuò)臺(tái)15 mm的條件下，Ⅱ型彈性橡膠密封墊即時(shí)抵抗2.0 MPa的水壓，設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)能夠抵抗0.8 MPa的水壓。

根據(jù)和燕路長(zhǎng)江隧道工程的具體情況及防水要求，結(jié)合對(duì)密封墊的調(diào)研及相關(guān)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)密封墊及其對(duì)應(yīng)溝槽進(jìn)行初步選型。針對(duì)和燕路長(zhǎng)江隧道工程的特殊地質(zhì)條件，提供了多種密封墊孔洞形式，將密封墊及其溝槽分為2組，一組為高24 mm 的Ⅰ型密封墊，另一組為高28 mm的Ⅱ型密封墊。

根據(jù)試驗(yàn)前對(duì)幾種密封墊的防水?dāng)?shù)值分析以及各密封墊在設(shè)計(jì)最不利工況下(Ⅰ型密封墊為張開(kāi)8 mm、錯(cuò)臺(tái)15 mm，Ⅱ型密封墊為張開(kāi)10 mm、錯(cuò)臺(tái)15 mm)的防水性能表現(xiàn)，選取其中的密封墊2(Ⅰ型)和密封墊7(Ⅱ型)進(jìn)行極限工況防水試驗(yàn)，2種密封墊及溝槽的相關(guān)參數(shù)及截面尺寸分別如表1及圖1所示。

2 密封墊極限防水性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

為探究盾構(gòu)隧道管片接縫的張開(kāi)量與錯(cuò)臺(tái)量在超出設(shè)計(jì)允許值后密封墊防水性能的變化情況以及是否仍能滿足設(shè)計(jì)要求，本文進(jìn)行了一系列密封墊張開(kāi)量與錯(cuò)臺(tái)量超出設(shè)計(jì)允許值的防水試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

表1 密封墊及溝槽相關(guān)參數(shù)

(a) Ⅰ型密封墊

(b) Ⅱ型密封墊

(c) Ⅰ型密封墊溝槽

(d) Ⅱ型密封墊溝槽

圖2 防水試驗(yàn)裝置

防水試驗(yàn)裝置由T形防水試驗(yàn)?zāi)＞?、全自?dòng)水壓加載裝置、壓力表、開(kāi)關(guān)閥門(mén)和連接桿件等組成。全自動(dòng)水壓加載裝置可實(shí)現(xiàn)水壓自動(dòng)加載，水壓加載精度為0.01 MPa，最大加載水壓為10 MPa，同時(shí)可在發(fā)生微小滲水時(shí)進(jìn)行水壓補(bǔ)償以保持水壓的穩(wěn)定，并追蹤水腔中注水水量的變化。T形防水試驗(yàn)?zāi)＞甙筛鼡Q內(nèi)膽(見(jiàn)圖3)，對(duì)應(yīng)的密封墊溝槽位于內(nèi)膽上，不同內(nèi)膽對(duì)應(yīng)不同的溝槽截面，如此可通過(guò)更換對(duì)應(yīng)密封墊溝槽的內(nèi)膽來(lái)實(shí)現(xiàn)不同截面形式密封墊的防水試驗(yàn)。

圖3 防水模具內(nèi)膽

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

針對(duì)選取的2種密封墊開(kāi)展防水性能試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始前，先把試驗(yàn)裝置內(nèi)表面及溝槽清理干凈，再將彈性密封墊用氯丁橡膠黏結(jié)劑固定到溝槽內(nèi)，并保持這個(gè)狀態(tài)12 h。靜置12 h后，進(jìn)行密封墊張開(kāi)量以及錯(cuò)臺(tái)量的設(shè)置操作，如圖4所示。

(a) 設(shè)置張開(kāi)量

(b) 設(shè)置錯(cuò)臺(tái)量

將張開(kāi)量及錯(cuò)臺(tái)量設(shè)置好之后，用高強(qiáng)螺栓將裝置擰緊固定，以確保在試驗(yàn)過(guò)程中張開(kāi)量及錯(cuò)臺(tái)量的穩(wěn)定。裝置固定好之后，將水壓加載裝置及水壓表與防水試驗(yàn)?zāi)＞哌B接； 然后向水壓泵中加水至裝置水壓為0.1 MPa。待其穩(wěn)定后，開(kāi)始加壓，在0.1 MPa下保持15 min；若裝置不發(fā)生漏水則以0.1 MPa為1個(gè)單位逐級(jí)增加水壓，每加1個(gè)單位，裝置保持15 min不發(fā)生漏水則繼續(xù)加壓；在達(dá)到設(shè)計(jì)水壓1.6 MPa(Ⅱ型密封墊為2.0 MPa)后，保壓24 h，不發(fā)生漏水則繼續(xù)加壓直到出現(xiàn)漏水。將比漏水水壓小0.1 MPa的水壓定為密封墊在此工況下的耐水水壓。

對(duì)于極限張開(kāi)量防水試驗(yàn)，保持錯(cuò)臺(tái)量15 mm不變，從張開(kāi)量為8 mm(Ⅱ 型密封墊為10 mm)開(kāi)始，張開(kāi)量每增大1 mm作為1個(gè)工況，通過(guò)防水試驗(yàn)得到每一工況下的耐水水壓，直到某一工況下的耐水水壓小于設(shè)計(jì)允許耐水水壓時(shí)停止試驗(yàn)。同理，對(duì)于極限錯(cuò)臺(tái)量防水試驗(yàn)，保持張開(kāi)量8 mm(Ⅱ 型密封墊為10 mm)不變，從錯(cuò)臺(tái)量為15 mm開(kāi)始，錯(cuò)臺(tái)量每增大2 mm作為1個(gè)工況，通過(guò)防水試驗(yàn)得到每一工況下的耐水水壓，直到某一工況下的耐水水壓小于設(shè)計(jì)允許耐水水壓時(shí)停止試驗(yàn)。為減小試驗(yàn)中的誤差，每個(gè)工況做2組試驗(yàn)，取其最小值作為該工況下的耐水水壓。

3 防水試驗(yàn)結(jié)果

3.1 Ⅰ型密封墊防水試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 極限張開(kāi)量防水試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)Ⅰ型密封墊進(jìn)行極限張開(kāi)量防水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 Ⅰ型密封墊極限張開(kāi)量防水試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制Ⅰ型密封墊耐水水壓隨張開(kāi)量的變化曲線，結(jié)果如圖5所示。

圖5 在錯(cuò)臺(tái)量為15 mm的情況下Ⅰ型密封墊耐水水壓隨張開(kāi)量的變化曲線

由圖5可以看出： 在密封墊張開(kāi)量超過(guò)8 mm(設(shè)計(jì)允許張開(kāi)量)后，隨著張開(kāi)量的增大，密封墊的耐水水壓逐漸減小，且減小幅度隨著張開(kāi)量的增大逐步增大。由此可見(jiàn)，張開(kāi)量的增大會(huì)顯著降低密封墊的防水性能，對(duì)密封墊的防水性能有著直接非線性的影響。

Ⅰ型密封墊耐水水壓要求為1.6 MPa，在張開(kāi)量超出11 mm后無(wú)法滿足防水要求。因此，在錯(cuò)臺(tái)量為15 mm的工況下，密封墊極限張開(kāi)量為11 mm。

3.1.2 極限錯(cuò)臺(tái)量防水試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)Ⅰ型密封墊進(jìn)行極限錯(cuò)臺(tái)量防水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 Ⅰ型密封墊極限錯(cuò)臺(tái)量防水試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制Ⅰ型密封墊耐水水壓隨錯(cuò)臺(tái)量的變化曲線，結(jié)果如圖6所示。

圖6 在張開(kāi)量為8 mm的情況下Ⅰ型密封墊耐水水壓隨錯(cuò)臺(tái)量的變化曲線

由圖6可以看出： 1)隨著錯(cuò)臺(tái)量的增大，密封墊的耐水水壓總體呈減小的趨勢(shì)，但其中也存在大錯(cuò)臺(tái)密封墊耐水水壓比小錯(cuò)臺(tái)密封墊耐水水壓高的情況； 2)在錯(cuò)臺(tái)量超出21 mm之后，密封墊的防水性能下降幅度較大，且從該曲線的變化趨勢(shì)來(lái)看，隨著錯(cuò)臺(tái)量進(jìn)一步增大，防水性能的下降幅度有進(jìn)一步增大的可能。

Ⅰ型密封墊防水水壓要求為1.6 MPa，在張開(kāi)量為8 mm、錯(cuò)臺(tái)量為21 mm的工況下，密封墊的耐水水壓為1.7 MPa，滿足防水要求；當(dāng)錯(cuò)臺(tái)量大于21 mm時(shí)，密封墊的耐水水壓迅速下降，達(dá)不到防水要求。因此，I型密封墊在張開(kāi)量為8 mm工況下的極限錯(cuò)臺(tái)量為21 mm。

3.2 Ⅱ型密封墊防水試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 極限張開(kāi)量防水試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)Ⅱ型密封墊進(jìn)行極限張開(kāi)量防水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 Ⅱ型密封墊極限張開(kāi)量防水試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制Ⅱ型密封墊耐水水壓隨張開(kāi)量的變化曲線，結(jié)果如圖7所示。

圖7 在錯(cuò)臺(tái)量為15 mm的情況下Ⅱ型密封墊耐水水壓隨張開(kāi)量的變化曲線

由圖5和圖7可以看出： Ⅱ型密封墊的耐水水壓整體上要高于Ⅰ型密封墊，其隨張開(kāi)量的變化規(guī)律與Ⅰ型密封墊基本一致，即密封墊的耐水壓能力隨著張開(kāi)量的增大而逐步減小，且減小幅度隨著張開(kāi)量的增大逐漸增大。

Ⅱ型密封墊耐水水壓要求為2.0 MPa，在張開(kāi)量超出13 mm后無(wú)法滿足防水要求，因此，在錯(cuò)臺(tái)量為15 mm的工況下，其極限張開(kāi)量為13 mm。

3.2.2 極限錯(cuò)臺(tái)量防水試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)Ⅱ型密封墊進(jìn)行極限錯(cuò)臺(tái)量防水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

實(shí)踐教學(xué)是高校教學(xué)工作的重要組成部分。綜合實(shí)踐課程可以從教學(xué)理念，資源建設(shè)，課程設(shè)計(jì)，組織實(shí)施和評(píng)估激勵(lì)等方面進(jìn)行。在具體的課程建設(shè)中，我們可以嘗試從以下幾個(gè)方面構(gòu)建：

表5 Ⅱ型密封墊極限錯(cuò)臺(tái)量防水試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制Ⅱ型密封墊耐水水壓隨錯(cuò)臺(tái)量的變化曲線，結(jié)果如圖8所示。

圖8 在張開(kāi)量為10 mm的情況下Ⅱ型密封墊耐水水壓隨錯(cuò)臺(tái)量的變化曲線

由圖8可知： 1)在保持張開(kāi)量為10 mm時(shí)，隨著錯(cuò)臺(tái)量的增大，Ⅱ型密封墊的耐水水壓總體呈減小的趨勢(shì)； 2)在錯(cuò)臺(tái)量小于21 mm時(shí)，密封墊耐水水壓在3.1 MPa左右波動(dòng)。這說(shuō)明錯(cuò)臺(tái)量在小于一定量值時(shí)對(duì)密封墊的防水性能影響不大。耐水水壓出現(xiàn)波動(dòng)的原因可能與Ⅱ型密封墊的三角形孔分布有關(guān)。橡膠密封墊是一個(gè)多孔結(jié)構(gòu)，橡膠材料在橫向上分布并不均一，孔洞的間斷分布造成上、下密封墊在不同錯(cuò)臺(tái)量下接觸時(shí)產(chǎn)生的接觸應(yīng)力不同，從而導(dǎo)致密封墊耐水水壓的波動(dòng)。

對(duì)比Ⅱ型密封墊與Ⅰ型密封墊各自極限錯(cuò)臺(tái)量下的防水試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)： 1)Ⅱ型密封墊在錯(cuò)臺(tái)量小于21 mm的情況下，耐水水壓在3.1 MPa左右波動(dòng)，并未有明顯下降； 2)Ⅰ型密封墊在錯(cuò)臺(tái)量小于21 mm的情況下，隨著錯(cuò)臺(tái)量的增加，盡管其中存在有大錯(cuò)臺(tái)量密封墊防水性能比小錯(cuò)臺(tái)量密封墊防水性能高的情況，但其防水性能整體呈減小的趨勢(shì)，且下降幅度較大。這說(shuō)明耐水水壓高的Ⅱ型密封墊兼容錯(cuò)臺(tái)的能力也較強(qiáng)。

Ⅱ 型密封墊耐水水壓要求為2.0 MPa，在張開(kāi)量為10 mm、錯(cuò)臺(tái)量為25 mm的工況下，密封墊耐水水壓為2.5 MPa，滿足防水要求；當(dāng)錯(cuò)臺(tái)量大于25 mm時(shí)，密封墊的防水性能迅速下降，達(dá)不到防水要求。因此，Ⅱ 型密封墊在張開(kāi)量為10 mm時(shí)極限錯(cuò)臺(tái)量為25 mm。

4 結(jié)論與討論

本文基于南京和燕路長(zhǎng)江隧道工程，結(jié)合試驗(yàn)前對(duì)幾種密封墊的數(shù)值模擬分析以及各密封墊在設(shè)計(jì)工況下的防水性能表現(xiàn)，選取了2種密封墊進(jìn)行極限張開(kāi)量與極限錯(cuò)臺(tái)量工況下的防水試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，可得到以下結(jié)論：

2)當(dāng)密封墊保持設(shè)計(jì)允許張開(kāi)量時(shí)，錯(cuò)臺(tái)量超過(guò)設(shè)計(jì)允許值后，隨錯(cuò)臺(tái)量的增大，密封墊的耐水水壓先呈波動(dòng)式減小，達(dá)到某一量值后迅速下降，直至失效。

3)Ⅰ型密封墊在錯(cuò)臺(tái)量為15 mm的工況下滿足防水要求的極限張開(kāi)量為11 mm，在張開(kāi)量為8 mm的工況下滿足防水要求的極限錯(cuò)臺(tái)量為21 mm；Ⅱ型密封墊在錯(cuò)臺(tái)量為15 mm的工況下滿足防水要求的極限張開(kāi)量為13 mm，在張開(kāi)量為10 mm的工況下滿足防水要求的極限錯(cuò)臺(tái)量為25 mm。

工程實(shí)踐中，對(duì)于盾構(gòu)隧道接縫防水而言，管片張開(kāi)量與錯(cuò)臺(tái)量是影響接縫防水性能的2個(gè)重要因素，在不同工作狀態(tài)下，兩者可能出現(xiàn)多種組合情況。本文在研究過(guò)程中，首先將其中一個(gè)量值設(shè)定為設(shè)計(jì)允許值，在此基礎(chǔ)上探討另一個(gè)量值在滿足設(shè)計(jì)防水性能時(shí)的極限值，因此，文中結(jié)論并不能與工程中密封墊的所有工作狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。建議在試驗(yàn)條件允許的情況下，考慮工程實(shí)際可能出現(xiàn)的管片張開(kāi)量與錯(cuò)臺(tái)量量值，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地分析不同管片張開(kāi)量與錯(cuò)臺(tái)量組合情況下的防水性能，進(jìn)一步為工程實(shí)踐提供全面的指導(dǎo)。