郭 忠, 林志軍，* , 江 河, 歐陽(yáng)皖霖

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000； 2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804； 3. 上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

0 引言

近年來(lái)，隨著城市地下空間的快速開(kāi)發(fā)，盾構(gòu)法隧道得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。對(duì)于盾構(gòu)隧道工程而言，隧道防水是設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一，而防水密封墊的選用和設(shè)計(jì)又是盾構(gòu)隧道防水的重點(diǎn)。在工程常用的接縫防水措施中，框型密封墊的常規(guī)接角構(gòu)造采用實(shí)心的角部形式，導(dǎo)致角部相對(duì)剛度較大且難以完全壓縮，密封墊角部常為滲漏的多發(fā)區(qū)域。此外，在盾構(gòu)管片拼裝施工過(guò)程中，管片四角常出現(xiàn)起“鼓”現(xiàn)象，甚至壓碎管片角部使其部分剝落，為角部滲漏水提供了更多不利條件。大直徑盾構(gòu)隧道管片的混凝土強(qiáng)度等級(jí)往往較高，相比常規(guī)管片脆性更大，更容易在拼裝時(shí)發(fā)生壓碎管片角部的情況。

目前，很多學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)隧道防水密封墊的防水性能開(kāi)展了研究，且主要采用數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)的方法。文獻(xiàn)[1-7]通過(guò)數(shù)值模擬建立了防水密封墊的數(shù)值模型，并對(duì)密封墊的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究，橡膠材料的本構(gòu)模型參數(shù)主要參照Gent[5]提出的方法進(jìn)行選取。陳云堯等[1]認(rèn)為盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊閉合孔采用雙排孔形式防水效果最好。張亞洲[3]研究了涂抹潤(rùn)滑劑、沾水等情況下對(duì)降低密封墊閉合壓縮力的效果。張子新等[6]認(rèn)為，通過(guò)在密封條兩側(cè)設(shè)置凹槽，可有效減小密封墊角部與混凝土間接觸應(yīng)力，減少局部應(yīng)力集中，保證混凝土管片的完整性，提高接頭防水能力。

Shalabi[4]開(kāi)展了考慮管片縱縫存在轉(zhuǎn)角情況下的密封墊防水失效試驗(yàn)，并分別得到了鋼性溝槽與混凝土溝槽中密封墊的防水性能。朱祖熹[8-10]結(jié)合延安東路越江隧道防水工程實(shí)例，通過(guò)試驗(yàn)研究了彈性橡膠防水密封墊的各項(xiàng)性能，試驗(yàn)結(jié)果明確了防水密封墊一字縫和十字縫的張開(kāi)量和抗水壓性能之間的關(guān)系。

文獻(xiàn)[11-14]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了防水密封墊斷面指標(biāo)、錯(cuò)動(dòng)量等對(duì)密封墊防水效果的影響。江河等[11]的研究結(jié)果表明： 單排孔密封墊的防水密封性能優(yōu)于多排孔型和復(fù)合孔型。葉美錫等[12]對(duì)密封墊裝配時(shí)所需的閉合壓縮力和密封墊接觸應(yīng)力分布的影響因素進(jìn)行了研究，并按各因素的影響程度大小進(jìn)行了排序，主次順序?yàn)閺堥_(kāi)量、斷面開(kāi)孔率、橡膠硬度、開(kāi)槽數(shù)量、開(kāi)孔形狀、其他因素及錯(cuò)臺(tái)量。由廣明[13]通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)和工程應(yīng)用，認(rèn)為單道彈性密封墊可以滿足大直徑隧道深埋、急曲線對(duì)接縫防水的要求。陳瑞祥等[14]提出保障拼裝質(zhì)量及密封墊與管片緊密結(jié)合可以充分發(fā)揮密封墊性能。張穩(wěn)軍等[15]從遇水膨脹橡膠塊二次防水效應(yīng)出發(fā)，提出了基于遇水膨脹橡膠塊幾何尺寸及斷面形式的復(fù)合型密封墊選型設(shè)計(jì)方法。

針對(duì)目前密封墊采用實(shí)心搭接角部導(dǎo)致的管片端部易損壞[16-17]、密封墊角部易漏水[18]等問(wèn)題，有學(xué)者采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)密封墊角部構(gòu)造開(kāi)展了研究。吳煒楓等[19]通過(guò)試驗(yàn)指出密封墊角部采用空心形式可以改善角部滲漏水情況。李燚[20]通過(guò)數(shù)值模擬得出，采用空心轉(zhuǎn)角可以降低密封墊角部壓縮力，有利于實(shí)際施工。鐘元元等[21]提出密封墊的轉(zhuǎn)角部位應(yīng)特殊處理，并應(yīng)通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)合理的空腔結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)外采用的部分密封墊為削弱角部氣囊效應(yīng)，從外面鉆孔打通，起到減小角部應(yīng)力集中、與鋼模固定的作用[22]，如圖1所示。

然而，現(xiàn)有關(guān)于密封墊角部構(gòu)造的研究?jī)H對(duì)比了采用特定空心角部形式的密封墊與采用實(shí)心角部密封墊之間的性能差異，得到的結(jié)論也多為定性建議。角部不同空心構(gòu)造對(duì)密封墊性能的影響程度并不明確，同時(shí)，國(guó)外新型密封墊的角部構(gòu)造實(shí)施效果也罕見(jiàn)論證與分析，目前仍缺乏密封墊角部構(gòu)造形式對(duì)密封墊防水能力和受力性能影響規(guī)律的相關(guān)研究。

為了明確不同密封墊角部構(gòu)造對(duì)角部應(yīng)力集中效應(yīng)的減小程度，為密封墊角部構(gòu)造設(shè)計(jì)優(yōu)化提供試驗(yàn)依據(jù)，本研究設(shè)計(jì)了5種不同的開(kāi)孔方案： 在角部中心開(kāi)不同半徑的雙孔(半徑分別為6、7、8 mm)；在角部中心開(kāi)半徑為9 mm的單孔；在角部開(kāi)偏心的半徑為6 mm的雙孔。通過(guò)對(duì)比這5組開(kāi)孔方案及不開(kāi)孔方案的試驗(yàn)結(jié)果，研究不同開(kāi)孔半徑大小及開(kāi)孔位置對(duì)減小閉合壓縮力的影響，最終在5種方案中選出最優(yōu)方案，在保證防水性能的基礎(chǔ)上減小防水密封墊角部的閉合壓縮力。

1 工程概況

杭州市香積寺路西延工程(莫干山路西側(cè)—上塘路東側(cè))位于杭州市拱墅區(qū)，西起教工路，東至德苑路，全長(zhǎng)2.65 km。其中，盾構(gòu)隧道總長(zhǎng)1 170 m，穿越運(yùn)河段的隧道長(zhǎng)度約為60 m，每環(huán)隧道由9塊管片組成，管片外徑為11.30 m，厚度為0.50 m，環(huán)寬為2.0 m，管片采用強(qiáng)度等級(jí)為C60的高性能混凝土。

穿越運(yùn)河段隧道的最小覆土厚度約為9.50 m，勘察期間測(cè)得京杭大運(yùn)河水深1.5～3.8 m，河底淤泥厚度一般不超過(guò)1.0 m。該工程所在區(qū)域的地下水主要為第四系松散淺層孔隙潛水類(lèi)型、深部松散巖類(lèi)孔隙承壓水和基巖裂隙水?？辈炱陂g測(cè)得各勘探孔潛水位埋深為0.60～5.20 m，相應(yīng)標(biāo)高為1.39～4.74 m。水位受氣候條件等影響，季節(jié)性變化明顯，潛水位變幅一般為1.0～2.0 m。綜合判斷，場(chǎng)地最低地下水位標(biāo)高取0.50 m。承壓水水位埋深為地面下1.50 m(與地表潛水水位持平)，對(duì)應(yīng)高程為3.55 m。

盾構(gòu)隧道穿越運(yùn)河段水位高、水壓大，隧道的抗水壓要求為0.6 MPa，給該工程盾構(gòu)隧道防水能力提出了較高要求。

2 管片接縫防水設(shè)計(jì)

2.1 防水密封墊位置及構(gòu)造

本工程管片接縫采用2道密封墊進(jìn)行防水，外道為三元乙丙彈性橡膠密封墊，內(nèi)道為遇水膨脹橡膠密封墊，并在接縫內(nèi)側(cè)嵌縫。2道密封墊溝槽的位置關(guān)系、尺寸信息和各密封墊斷面構(gòu)造如圖2所示。

(a) 2道密封墊位置及溝槽尺寸(b) 彈性密封墊斷面(c) 遇水膨脹橡膠密封墊斷面

2.2 彈性密封墊設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)GB 50108—2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》和GB 18173.4—2010《高分子防水材料 第4部分： 盾構(gòu)法隧道管片用橡膠密封墊》中關(guān)于防水密封墊相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的規(guī)定和以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本試驗(yàn)采用的三元乙丙彈性橡膠密封墊技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 角部構(gòu)造優(yōu)化

3.1 角部破壞形式

實(shí)際施工過(guò)程中，框型密封墊在管片拼裝時(shí)四角常出現(xiàn)起“鼓”現(xiàn)象，進(jìn)而壓碎管片角部使其部分剝落，如圖3所示。

表1 彈性密封墊設(shè)計(jì)參數(shù)

(a)

(b)

3.2 角部構(gòu)造優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

彈性密封墊只有在壓縮狀態(tài)下才具備防水能力，因此了解密封墊在受壓縮時(shí)接觸壓力的變化規(guī)律至關(guān)重要。管片拼裝的理想狀態(tài)是將全部密封墊都?jí)嚎s入溝槽之中，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓縮力稱(chēng)之為“閉合壓縮力”。在設(shè)計(jì)密封墊時(shí)，為提升耐水壓能力，必然會(huì)使密封墊的閉合壓縮力上升，然而受盾構(gòu)設(shè)備限制，閉合壓縮力需小于設(shè)備拼裝能力上限。本節(jié)采用室內(nèi)試驗(yàn)方法模擬三元乙丙彈性橡膠密封墊的壓縮過(guò)程，研究壓縮力的發(fā)展規(guī)律，并比較不同角部構(gòu)造優(yōu)化方案間的閉合壓縮力差異。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了多種開(kāi)孔方案，研究不同密封墊角部構(gòu)造對(duì)拼裝壓力的影響，最終通過(guò)室內(nèi)壓縮試驗(yàn)確定最優(yōu)方案，5種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

3.3 試驗(yàn)裝置

根據(jù)確定的溝槽斷面，并參考GB 18173.4—2010《高分子防水材料 第4部分： 盾構(gòu)法隧道管片用橡膠密封墊》中壓縮試驗(yàn)的相關(guān)要求，設(shè)計(jì)了密封墊壓縮試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置如圖5所示。

(a) 雙孔，6 mm，中心 (b) 雙孔，7 mm，中心

(c) 雙孔，8 mm，中心 (d) 單孔，9 mm，中心

(e) 雙孔，6 mm，偏離中心5 mm

(a) 示意圖 (b) 實(shí)物圖

壓縮試驗(yàn)裝置主要由加載系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及壓縮模具4部分組成。其中,加載系統(tǒng)由千斤頂(油壓)和反力架組成；傳感器系統(tǒng)包括可以記錄壓縮量的位移傳感器與可以記錄壓力的壓力傳感器，2種傳感器均根據(jù)要求進(jìn)行了標(biāo)定，能確保數(shù)值的準(zhǔn)確；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)位移傳感器與壓力傳感器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與處理;壓縮模具根據(jù)已經(jīng)確定的溝槽進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用直角溝槽的形式，頂板、底板如圖6所示。

(a) 模具頂板

(b) 模具底板

3.4 試驗(yàn)材料及步驟

3.4.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)用到的材料主要有采集角部接觸應(yīng)力的薄膜傳感器及密封墊試樣。

1)薄膜傳感器。薄膜壓力傳感器被粘貼于2塊橡膠材料之間以測(cè)量其壓應(yīng)力，如圖7所示。本試驗(yàn)采用的FlexiForce薄膜壓力傳感器是一種超薄撓性印制電路。在使用薄膜壓力傳感器前需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。

圖7 薄膜壓力傳感器

2)密封墊試樣。根據(jù)上述角部開(kāi)孔備選方案，試驗(yàn)采用的密封墊試樣主要有以下6種，每種各1對(duì)，如圖8所示。

(a) 不開(kāi)孔標(biāo)準(zhǔn)試樣 (b)雙孔，6 mm，中心

(c) 雙孔，7 mm，中心 (d) 雙孔，8 mm，中心

(e) 單孔，9 mm，中心 (f) 雙孔，6 mm，偏移5 mm

3.4.2 試驗(yàn)步驟

1)將2塊密封墊試件貼于夾具上下2塊板的溝槽內(nèi)。

2)將薄膜壓力傳感器貼于2個(gè)密封墊試件的角部之間。

3)將夾具上下2塊板相對(duì)放置，拼裝好側(cè)限板，對(duì)裝置進(jìn)行加壓。加壓值從零開(kāi)始遞增，加壓速率根據(jù)溝槽接觸情況確定。用百分表記錄不同壓力情況下的密封墊壓縮變形量。繪制壓力與壓縮量關(guān)系曲線，將壓縮曲線擬合，并換算成每延米的壓縮力值，計(jì)算出閉合壓縮力。

4)壓縮間隙為0 mm時(shí)停止加壓，讀取薄膜傳感器數(shù)據(jù)，得到角部接觸應(yīng)力。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

3.5.1 各設(shè)計(jì)方案對(duì)比

1)對(duì)不開(kāi)孔的標(biāo)準(zhǔn)密封墊試樣開(kāi)展壓縮試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)密封墊角部、非角部閉合壓縮力測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從試驗(yàn)曲線中可以看出，密封墊的壓縮過(guò)程主要分為2個(gè)階段。在壓縮初期，由于管片之間存在較大空隙，密封墊易于壓縮，壓縮力隨壓縮量的增加大致呈線性增加趨勢(shì)；隨著壓縮量的增大，在壓縮后期，密封墊的可壓縮量減小，壓縮力迅速增大，直至上下2塊管片完全閉合。對(duì)于本試驗(yàn)中的試樣密封墊，角部閉合壓縮力為123.29 kN/m，非角部閉合壓縮力為54.11 kN/m，密封墊在壓縮過(guò)程中角部所受壓縮力約為非角部所受壓縮力的2倍。

圖9 不開(kāi)孔標(biāo)準(zhǔn)密封墊閉合壓縮力曲線

2)對(duì)采用3種中心開(kāi)雙孔方案的角部壓縮力及不開(kāi)孔標(biāo)準(zhǔn)密封墊角部壓縮力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10所示。

圖10 中心開(kāi)雙孔方案對(duì)比

由圖10可知： ①中心開(kāi)雙孔密封墊角部的閉合壓縮力試驗(yàn)曲線整體特征與不開(kāi)孔標(biāo)準(zhǔn)密封墊角部類(lèi)似，其中各方案試驗(yàn)曲線的第1階段壓縮力數(shù)值接近，其原因主要為壓縮初始階段的密封墊尚未擠密，密封墊中心的開(kāi)孔未發(fā)揮作用。②對(duì)比各開(kāi)孔方案試驗(yàn)曲線的第2階段可得，隨著開(kāi)孔半徑增加，最終閉合壓縮力逐漸降低，3種開(kāi)孔方案相比于不開(kāi)孔標(biāo)準(zhǔn)密封墊可使閉合壓縮力分別降低12.70%、24.97%和38.28%。綜上所述，中心開(kāi)雙孔方式可實(shí)現(xiàn)降低防水密封墊閉合壓縮力的效果。

3)對(duì)相同開(kāi)孔半徑下采用中心開(kāi)雙孔、偏心開(kāi)雙孔2種方案的密封墊角部壓縮力及不開(kāi)孔標(biāo)準(zhǔn)密封墊角部壓縮力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖11所示。

圖11 偏心與不偏心方案對(duì)比

由圖11可知： 偏心開(kāi)雙孔密封墊的角部閉合壓縮力試驗(yàn)曲線整體特征與其他方案類(lèi)似。對(duì)比相同開(kāi)孔半徑不同布置方式的方案1和方案5可得： 偏心開(kāi)雙孔方案可降低密封墊角部的閉合壓縮力，但該方案閉合壓縮力的降低效果弱于中心開(kāi)雙孔方案。相較于不開(kāi)孔標(biāo)準(zhǔn)密封墊，開(kāi)孔方案5的閉合壓縮力降低了8.65%，閉合壓縮力降低幅度低于開(kāi)孔方案1的12.70%。可以推測(cè)： 開(kāi)孔越靠近角部中心，降低壓縮力的效果越好。

4)對(duì)有相近開(kāi)孔面積的開(kāi)單孔(方案4)、開(kāi)雙孔(方案2、方案3)3種方案及不開(kāi)孔標(biāo)準(zhǔn)密封墊角部壓縮力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖12所示。

圖12 開(kāi)單、雙孔方案對(duì)比

基于圖10中不同開(kāi)雙孔方案的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，閉合壓縮力的降低效果可能與開(kāi)孔面積有關(guān)。因此在同等開(kāi)孔面積條件下，選擇單、雙孔2種不同開(kāi)孔方式的密封墊試樣開(kāi)展壓縮試驗(yàn)，由角部閉合壓縮力試驗(yàn)曲線可得： 當(dāng)總開(kāi)孔面積相近時(shí)，角部中心開(kāi)單孔對(duì)于降低閉合壓縮力的效果優(yōu)于開(kāi)雙孔，方案2(雙孔，總開(kāi)孔面積為98π mm2)、方案3(雙孔，總開(kāi)孔面積為128π mm2)、方案4(單孔，開(kāi)孔面積為81π mm2)相比于不開(kāi)孔標(biāo)準(zhǔn)密封墊可使閉合壓縮力分別降低24.97%、38.28%和38.30%。同時(shí)，也印證了開(kāi)孔越靠近角部中心，降低壓縮力的效果越好的推測(cè)。

3.5.2 方案比選

各方案密封墊角部的閉合壓縮力及當(dāng)壓縮間隙減小至0 mm時(shí)測(cè)得的角部接觸應(yīng)力匯總?cè)绫?所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總

根據(jù)表2可以得知，閉合壓縮力最小的是方案4，即開(kāi)孔半徑為9 mm的單孔方案，但是其角部的接觸應(yīng)力為0.77 MPa，若管片接縫發(fā)生變形,不容易滿足0.6 MPa的設(shè)計(jì)防水要求，因此選擇閉合壓縮力與其相差較小，但角部接觸應(yīng)力較大的方案3為最優(yōu)方案，即開(kāi)雙孔、半徑為8 mm且孔位位于中心的方案，如圖4(c)所示。

相比于不開(kāi)孔密封墊的角部閉合壓縮力(123.29 kN/m)，方案3密封墊的角部閉合壓縮力(76.10 kN/m)減小了38.3%，且使角部與非角部閉合壓縮力(54.11 kN/m)的差異由約1倍降低至40.6%，密封墊所受壓縮力完全能滿足拼裝的要求。同時(shí)其角部的接觸應(yīng)力為0.89 MPa，較不開(kāi)孔時(shí)減小了24%，距離0.6 MPa的設(shè)計(jì)水壓還有一定的富余，因此可以選擇該方案作為推薦方案，但在施工及運(yùn)營(yíng)期間需要對(duì)角部漏水情況做更為細(xì)致的監(jiān)測(cè)與預(yù)防。

4 結(jié)論與建議

本文結(jié)合杭州市香積寺路西延工程，針對(duì)越江隧道防水密封墊角部構(gòu)造優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)不同防水密封墊角部開(kāi)孔方案并開(kāi)展閉合壓縮試驗(yàn)，得出結(jié)論與建議如下。

1)對(duì)三元乙丙彈性橡膠密封墊進(jìn)行角部開(kāi)孔處理能夠降低閉合壓縮力，但同時(shí)也會(huì)使角部接觸力降低。

2)通過(guò)對(duì)各試驗(yàn)方案數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以推測(cè)： 開(kāi)孔越靠近角部中心，開(kāi)孔半徑越大，對(duì)降低閉合壓縮力的效果越好，但開(kāi)孔靠近中心的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致角部接觸應(yīng)力下降，使其可能不滿足防水要求。

3)通過(guò)閉合壓縮試驗(yàn)對(duì)三元乙丙橡膠彈性密封墊的角部開(kāi)孔方案進(jìn)行比選，得到不開(kāi)孔的常規(guī)角部工藝閉合壓縮力為123.29 kN/m，比選后建議的最優(yōu)方案為在密封墊角部開(kāi)雙孔(開(kāi)孔半徑為8 mm)且孔位位于中心的方案。該方案角部閉合壓縮力為76.10 kN/m，較不開(kāi)孔密封墊角部減小了38.3%，其接觸應(yīng)力較不開(kāi)孔時(shí)減小了24%，且使角部與非角部閉合壓縮力的差異由約1倍降低至40.6%。