張亞洲，姚占虎，魏 馳，張習(xí)穎，趙小鵬，吳榮華，成曉青

(1.中交隧道工程局有限公司, 北京 100102；2.中交一公局集團(tuán)有限公司，北京 100024)

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速推進(jìn)和交通需求的增加，我國盾構(gòu)法施工隧道不斷朝大直徑、高水壓方向發(fā)展[1-6]。如：2009年建成通車的上海長江隧道，最大水壓0.55 MPa[7]；2010年通車的南京長江隧道，最大水壓0.65 MPa[8]；2016年通車的南京揚(yáng)子江隧道，最大水壓0.72 MPa[9]。在建的南京和燕路過江通道最大水壓0.79 MPa[10]、江陰靖江長江隧道最大水壓0.82 MPa。正在研究的瓊州海峽隧道、臺(tái)灣海峽隧道、馬六甲海底隧道、宗谷海峽隧道、巽他海峽隧道水壓高達(dá)1～3 MPa，均擬采用超大直徑盾構(gòu)法實(shí)施[11]。然而，當(dāng)前盾構(gòu)隧道的防水技術(shù)尚不足以完全解決盾構(gòu)隧道施工、運(yùn)營中的滲漏水問題，因此，盾構(gòu)隧道的防水問題一直備受關(guān)注[12]。隨著盾構(gòu)隧道工程的大量建設(shè)，盾構(gòu)隧道所面臨的水壓將越來越高，防水問題將是制約盾構(gòu)隧道進(jìn)一步發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。

目前，關(guān)于盾構(gòu)隧道的防水問題多集中于管片接縫、彈性密封墊的試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬。如Paul[13]、Shalabi[14]、陸明等[15]、謝宏明等[16]、丁文其等[17]結(jié)合實(shí)際工程對接縫的防水性能要求及彈性密封墊開展了接縫防水試驗(yàn)。向科等[18]、羅馳等[19]、孫廉威[20]、張亞洲等[21]利用有限元軟件對彈性密封墊變形特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并取得了大量的研究成果。然而，盾構(gòu)隧道的防水問題是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題：一是防水體系繁雜，包括混凝土自防水、接縫防水、螺栓孔防水、特殊部位(如工作井與隧道連接部位)防水等多個(gè)環(huán)節(jié)；二是隧道施工、運(yùn)營狀態(tài)復(fù)雜多變，特別是因施工不當(dāng)或隧道長期變形引起的接縫張開、管片開裂對隧道的防水影響極大。在長時(shí)間的建設(shè)、運(yùn)營過程中，任何一處防水細(xì)節(jié)處理不當(dāng)都會(huì)增加隧道滲漏風(fēng)險(xiǎn)，影響隧道結(jié)構(gòu)安全和正常使用。高水壓條件下盾構(gòu)隧道防水問題需在設(shè)計(jì)階段、施工階段及運(yùn)營階段采取合理的措施進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)避。因而，有必要對當(dāng)前我國盾構(gòu)隧道的防水問題進(jìn)行全面總結(jié)，為進(jìn)一步形成全面和規(guī)范的高水壓盾構(gòu)隧道防水設(shè)計(jì)與施工方法提供參考。

本文基于設(shè)計(jì)、施工實(shí)踐與工程調(diào)研，系統(tǒng)梳理了盾構(gòu)隧道防水機(jī)制與防水體系、管片防水構(gòu)造設(shè)計(jì)、防水施工工藝的常見問題，提出相應(yīng)的技術(shù)措施，并對盾構(gòu)隧道防水技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 接縫防水機(jī)制、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與防水體系

1.1 接縫防水機(jī)制

盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊材料主要有三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠，目前國內(nèi)以三元乙丙橡膠密封墊為主流。三元乙丙橡膠密封橫截面設(shè)計(jì)為多孔結(jié)構(gòu)，其外形尺寸、開孔率、有效斷面面積與管片上預(yù)留的密封墊槽尺寸相匹配。當(dāng)相鄰管片拼裝時(shí)，密封墊發(fā)生壓縮變形并產(chǎn)生彈性恢復(fù)力，由此在相鄰兩密封墊間及密封墊與管片密封墊槽間產(chǎn)生接觸應(yīng)力，當(dāng)水壓力不足以突破接觸應(yīng)力時(shí)，地下水被隔絕于管片外側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)密封防水。目前，關(guān)于接縫防水機(jī)制方面主要存在以下問題。

1)密封墊的外形尺寸及孔洞布置方式對接觸應(yīng)力的影響具有較大的隨機(jī)性。一方面，導(dǎo)致在選取密封墊設(shè)計(jì)斷面時(shí)存在一定的盲目性，需進(jìn)行大量的斷面假定及數(shù)值試算工作；另一方面，也導(dǎo)致接縫彈性密封墊防水能力極易受生產(chǎn)工藝的影響，從而引起密封墊質(zhì)量的不確定性。因此，利用隨機(jī)參數(shù)、靈敏度分析等方法建立密封墊的外形尺寸及孔洞布置與接觸應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系[22-23]，對于密封墊斷面設(shè)計(jì)具有重要意義。

2)密封墊防水能力判定理論不夠成熟。兩側(cè)密封墊間、密封墊與管片密封墊槽間的接觸應(yīng)力越大，防水能力越強(qiáng)，但接觸應(yīng)力與防水能力之間的定量關(guān)系尚未建立。目前，評(píng)價(jià)密封墊的防水能力主要以平均接觸應(yīng)力為依據(jù)，即當(dāng)某一密封墊平均接觸應(yīng)力大于理論水壓時(shí)即認(rèn)為該密封墊具備試制條件。然而，這一依據(jù)存在一定的不足：①當(dāng)水壓較高時(shí)，為保證允許最大張開量下的密封墊平均接觸應(yīng)力，將極大增加密封墊的閉合壓縮力，導(dǎo)致密封墊設(shè)計(jì)不合理；②接觸應(yīng)力在接觸面上存在橫向、縱向的分布不均勻性，僅用單一斷面的平均接觸應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)，導(dǎo)致其與實(shí)際防水能力間存在較大差異?？紤]到盾構(gòu)隧道接縫防水密封墊接觸應(yīng)力分布不均勻性及密封墊的三維效應(yīng)，采用接觸面有效接觸應(yīng)力來評(píng)價(jià)密封墊的防水能力[24]是一種新的嘗試。

3)對密封墊擠壓條件下管片接縫“動(dòng)態(tài)”張開及錯(cuò)臺(tái)引起的防水能力降低關(guān)注不夠。盾構(gòu)隧道管片密封墊的失效方式主要是管片接縫產(chǎn)生較大的張開量及錯(cuò)臺(tái)量，在當(dāng)前的研究中，無論是試驗(yàn)研究還是數(shù)值模擬，均是在預(yù)先給定的張開量、錯(cuò)臺(tái)量條件下研究接縫的耐水壓能力或接觸應(yīng)力，這種工況僅適用于管片拼裝時(shí)的瞬時(shí)狀態(tài)。然而，隧道在施工、運(yùn)營過程中，會(huì)不可避免地發(fā)生縱向、橫向變形，從而引起管片相對位置發(fā)生“動(dòng)態(tài)”張開、錯(cuò)動(dòng)，這種張開、錯(cuò)動(dòng)發(fā)生時(shí)密封墊呈擠壓狀態(tài)。考慮到密封墊與管片密封墊槽之間的黏接、密封墊頂面相互摩擦作用，這種“動(dòng)態(tài)”錯(cuò)動(dòng)可能會(huì)引起密封墊應(yīng)力變形狀態(tài)發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致密封墊發(fā)生翻轉(zhuǎn)、失效。因此，密封墊擠壓條件下管片接縫“動(dòng)態(tài)”張開及錯(cuò)臺(tái)引起的防水能力降低有待進(jìn)一步關(guān)注。

4)管片接縫微觀密封機(jī)制關(guān)注不夠。當(dāng)前針對接縫防水研究方法中，主流的密封墊水密性能試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算大多未關(guān)注密封墊及管片表面的微觀結(jié)構(gòu)特征及水的黏滯阻力等因素。借鑒機(jī)械工程中橡膠密封的相關(guān)理論，從彈性密封墊、管片密封墊槽表面微觀形貌著手研究，考慮流體物理力學(xué)特性，建立盾構(gòu)管片間密封墊在壓縮狀態(tài)下的微觀泄露通道模型[25-26]，揭示管片接縫微觀密封機(jī)制，值得進(jìn)一步探討。

5)當(dāng)前關(guān)于接縫防水研究方法不夠直觀。目前關(guān)于接縫防水的研究方法主要有試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬，室內(nèi)試驗(yàn)可以得到彈性密封墊在不同張開量和錯(cuò)臺(tái)量下的最大防水壓力，數(shù)值模擬可以得到彈性密封墊在不同水壓下的變形特性和接觸應(yīng)力。然而，目前的研究大都不能直觀地展示密封墊在管片擠壓-水體擠壓-水體滲透過程中的動(dòng)態(tài)特性及接觸應(yīng)力變化，通過構(gòu)建歐拉-拉格朗日網(wǎng)格法的流固耦合計(jì)算模型[21]，對接縫滲流進(jìn)行動(dòng)態(tài)精細(xì)化數(shù)值模擬，探討考慮水壓作用過程的密封墊防水機(jī)制是一種值得探索的研究方法。

1.2 防水技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)一般采用二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)，因以往的隧道外水壓普遍較低，大多不設(shè)置外防水涂層、二次襯砌等其他附加防水措施。但是隨著近年來建設(shè)的盾構(gòu)隧道水壓逐漸增大，管片混凝土的自防水問題將逐漸突出。

盾構(gòu)隧道埋深通常大于30 m，根據(jù)GB 50108—2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》[27]采用P12混凝土，相應(yīng)滲透系數(shù)大約為1.29×10-9cm/s[28-29]。假定某隧道外徑為14.5 m，管片厚度為600 mm，不計(jì)接縫、裂縫滲水，在無其他附加防水措施的情況下，隧道的理論滲漏水量隨隧道外水頭高度變化可通過達(dá)西定律近似估算，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，隧道滲水量隨著隧道外水頭高度呈線性變化，當(dāng)隧道外水頭高度達(dá)到100 m和200 m時(shí)，隧道內(nèi)理論滲水量分別為0.19 L/(m2·d)和0.37 L/(m2·d)。

圖1 隧道滲漏水量隨隧道外水頭高度變化關(guān)系

現(xiàn)行規(guī)范GB 50108—2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》[27]二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的“平均滲漏量不大于0.05 L/(m2·d)”，其檢測方法為“在有流動(dòng)水的隧道內(nèi)設(shè)集水井和貯水堰進(jìn)行積水量檢測”[30]。即規(guī)范所規(guī)定的滲水量僅包含留在隧道內(nèi)的水量，隨氣流蒸發(fā)帶走的水量并未計(jì)入。一般而言，自然通風(fēng)可以帶走隧道內(nèi)壁面0.02～0.05 L/(m2·d)的滲水量，機(jī)械通風(fēng)可以帶走隧道內(nèi)壁面0.1～0.2 L/(m2·d)的滲水量[31]。

基于此，繪制出圖1中的紅色陰影，其含義為：假定隧道通過自然通風(fēng)帶走0.05 L/(m2·d)的滲水量，則僅在隧道外水頭低于54 m時(shí)，隧道內(nèi)滲漏量小于0.05 L/(m2·d)，滿足二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)。同理，繪制出圖1中的藍(lán)色陰影，其含義為：假定隧道通過機(jī)械通風(fēng)帶走0.2 L/(m2·d)的滲水量，則僅在隧道外水頭低于135 m時(shí)，隧道內(nèi)滲漏量小于0.05 L/(m2·d)，滿足二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)。需要說明的是，對于強(qiáng)度C65以上、抗?jié)B等級(jí)P12的管片混凝土，受制于當(dāng)前普通實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件，所測試的滲透系數(shù)不一定準(zhǔn)確，因而實(shí)際滲漏量可能與理論計(jì)算值存在一定差異。

此外，當(dāng)前管片檢漏所采用的工藝由CJJ/T 164—2011《盾構(gòu)隧道管片質(zhì)量檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[32]所規(guī)定，試驗(yàn)管片不承受荷載。然而實(shí)際工況下，管片承受外荷載作用，隧道拱頂內(nèi)側(cè)與拱肩外側(cè)往往存在受力裂縫，即使裂縫控制在正常范圍(如0.2 mm)，但其對管片滲漏的影響必然存在。帶裂縫工作狀態(tài)下管片的滲漏特性與無外力作用的管片有所不同，特別是高水壓條件下更為明顯。

由此可知，隨著國內(nèi)盾構(gòu)隧道朝高水壓方向發(fā)展，防水設(shè)計(jì)與規(guī)范之間將存在一定的不協(xié)調(diào)。對于盾構(gòu)隧道在高水壓條件下，相應(yīng)的防水等級(jí)、防水標(biāo)準(zhǔn)及所采用的防水設(shè)計(jì)措施值得進(jìn)一步探討。

1)當(dāng)前規(guī)范對于各級(jí)防水等級(jí)下的滲漏量沿用早期地下室及地鐵隧道相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，水壓較小，滲漏量設(shè)定較小，而高水壓條件下管片自身滲漏量大，因此，各防水等級(jí)所對應(yīng)的允許滲漏水量可適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)將部分“宜選”“可選”防水措施修訂為“必選”，以滿足相應(yīng)防水等級(jí)的滲漏水量要求。

2)當(dāng)水壓超高(如2 MPa)時(shí)，采用“全面封堵”的設(shè)計(jì)理念可能會(huì)導(dǎo)致防水造價(jià)大量增加。在這種條件下，可以探索“以堵為主，以疏為輔”“以導(dǎo)為主，以堵為輔”的設(shè)計(jì)理念。

3)應(yīng)更加重視外防水涂層、二次襯砌、接縫注入密封劑等防水措施，尤其是設(shè)置二次襯砌，通過管片與二次襯砌之間的排水措施疏排滲漏水，將成為解決超高水壓條件下盾構(gòu)隧道防水問題的一種可能。

4)應(yīng)進(jìn)一步明確高水壓條件下的混凝土抗?jié)B等級(jí)，考慮適當(dāng)提高。

5)應(yīng)進(jìn)一步明確高水壓條件下的混凝土抗?jié)B等級(jí)、允許裂縫寬度取值、裂縫處理措施，研究混凝土裂縫對混凝土自防水的影響。

1.3 接縫設(shè)計(jì)允許張開量與錯(cuò)臺(tái)量

接縫防水依賴于密封墊的壓密作用，而接縫張開量與錯(cuò)臺(tái)量關(guān)系到密封墊的壓密程度和壓密形態(tài)，因此，對盾構(gòu)隧道接縫防水能力影響極大。盾構(gòu)隧道防水設(shè)計(jì)時(shí)，需預(yù)先考慮盾構(gòu)隧道在施工、運(yùn)營期間可能發(fā)生的最大張開量、錯(cuò)臺(tái)量，即接縫設(shè)計(jì)允許張開量、錯(cuò)臺(tái)量。接縫密封的設(shè)計(jì)則要求接縫在達(dá)到設(shè)計(jì)允許張開量、錯(cuò)臺(tái)量時(shí)滿足設(shè)計(jì)防水能力?？紤]隧道設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)彈性密封墊潛在劣化、長期應(yīng)力松弛影響，盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)防水能力通常取理論水壓值的2～3倍，大直徑盾構(gòu)隧道一般取理論水壓值的2倍。理論水壓值則是取隧道線路范圍內(nèi)承受最大水頭高度的隧道斷面拱底處水壓。

當(dāng)前，國內(nèi)不同盾構(gòu)隧道管片接縫設(shè)計(jì)允許張開量、錯(cuò)臺(tái)量及設(shè)計(jì)防水能力如表1所示。

表1 部分盾構(gòu)隧道接縫設(shè)計(jì)允許張開量、錯(cuò)臺(tái)量及設(shè)計(jì)防水能力

表1中，汕頭海灣隧道位于8度地震區(qū)，考慮隧道在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)可能遭遇強(qiáng)烈地震作用，因而管片接縫設(shè)計(jì)允許張開量、錯(cuò)臺(tái)量較大，達(dá)到張開15 mm、錯(cuò)臺(tái)10 mm[16]。

GB 50446—2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》[38]規(guī)定了在拼裝中和成型驗(yàn)收時(shí)的管片允許錯(cuò)臺(tái)量，以公路隧道為例，管片拼裝時(shí)允許環(huán)間錯(cuò)臺(tái)為7 mm、成型驗(yàn)收時(shí)允許環(huán)間錯(cuò)臺(tái)為17 mm。然而，管片拼裝及成型隧道驗(yàn)收不能代表隧道長期運(yùn)營工況，成型隧道驗(yàn)收允許環(huán)間錯(cuò)臺(tái)應(yīng)在設(shè)計(jì)允許張開量、錯(cuò)臺(tái)量范圍內(nèi)。

一般而言，設(shè)計(jì)時(shí)考慮的接縫允許張開量、錯(cuò)臺(tái)量應(yīng)綜合管片生產(chǎn)誤差、拼裝質(zhì)量控制、隧道平縱曲線段以及運(yùn)營階段變形的影響等因素，然而當(dāng)前國內(nèi)接縫設(shè)計(jì)允許張開量、錯(cuò)臺(tái)量多依據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，未形成統(tǒng)一的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和取值依據(jù)，導(dǎo)致不同設(shè)計(jì)單位取值差異很大?？紤]到不同隧道的外界環(huán)境千差萬別，越來越多的盾構(gòu)隧道地處強(qiáng)震區(qū)，或面臨下伏巖溶、上部堆載、大厚度河床沖刷等運(yùn)營工況，以既有工程案例調(diào)研統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，建立設(shè)計(jì)允許張開量、錯(cuò)臺(tái)量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和取值依據(jù)十分重要。

此外，設(shè)計(jì)所考慮的允許張開量、錯(cuò)臺(tái)量以密封墊的防水能力為依據(jù)，其量測部位理應(yīng)以密封墊處或接縫外側(cè)為準(zhǔn)，然而工程實(shí)踐中，管片拼裝完成后，密封墊處或管片外側(cè)的張開量、錯(cuò)臺(tái)量無法測量，依據(jù)GB 50446—2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》[38]僅能對管片內(nèi)側(cè)進(jìn)行測量?？紤]管片拼裝及外荷載影響，其接縫內(nèi)、外張開量和錯(cuò)臺(tái)量實(shí)際存在較大差異，因此，如何解決這一矛盾也是當(dāng)前的重點(diǎn)。

1.4 接縫防水體系

目前，我國盾構(gòu)隧道接縫防水主要有以下4種體系，如圖2所示。

1)外側(cè)單道三元乙丙橡膠彈性密封墊(見圖2(a))。如上海周家嘴路越江隧道工程[33]、上海諸光路通道工程、上海北橫通道工程、上海長江隧道工程、長江西路隧道工程等。

2)外側(cè)單道三元乙丙橡膠彈性密封墊，緊鄰三元乙丙橡膠彈性密封墊設(shè)置1道遇水膨脹橡膠輔助防水密封墊(見圖2(b))。如珠海興業(yè)快線(南段)工程、上海銀都路越江隧道工程、武漢長江公鐵隧道工程、濟(jì)南濟(jì)濼路黃河隧道工程、南京長江五橋夾江隧道工程等。

3)外側(cè)設(shè)置1道三元乙丙橡膠彈性密封墊，內(nèi)側(cè)設(shè)置1道遇水膨脹橡膠防水密封墊(見圖2(c))。如南京長江隧道工程、南京揚(yáng)子江隧道工程等。

4)內(nèi)外雙道三元乙丙橡膠彈性密封墊(見圖2(d))。如蘇通GIL管廊[35]、上海長江口青草沙輸水隧道工程[39]等。

(a)外側(cè)單道三元乙丙橡膠彈性密封墊

以圖2(c)和圖2(d)為代表的防水體系被認(rèn)為是雙道防水體系，在行業(yè)內(nèi)已達(dá)成共識(shí)，但對于如圖2(b)所示的防水體系能否被稱為雙道防水體系，在業(yè)界存在較大爭議。理論上，緊鄰三元乙丙橡膠彈性密封墊的遇水膨脹橡膠防水條具有一定的輔助防水功能，但管片防水槽口下部退臺(tái)設(shè)計(jì)的初衷是為了避免混凝土接縫面開裂，非預(yù)留遇水膨脹橡膠防水條粘貼空間，并且該種設(shè)計(jì)不能適應(yīng)運(yùn)營期內(nèi)、外側(cè)張開量的變化，因而，如圖2(b)所示的防水體系不應(yīng)稱為雙道防水體系。

以圖2(c)和圖2(d)為代表的雙道防水體系的主要優(yōu)勢有：1)有利于管片拼裝時(shí)均勻受力、平穩(wěn)閉合。將內(nèi)外雙道密封墊看作壓縮彈簧，管片閉合時(shí)密封墊先接觸，拼裝時(shí)較單道防水的管片更平穩(wěn)。2)當(dāng)接縫發(fā)生滲漏時(shí)，可在2道密封墊之間的腔體內(nèi)注入止水材料進(jìn)行堵漏。3)適用于有內(nèi)水壓的隧道。4)避免外側(cè)彈性密封墊受氣相或隧道內(nèi)污水侵蝕影響。5)能適應(yīng)運(yùn)營期內(nèi)、外側(cè)張角的變化。6)增加防水可靠性。

其不利之處在于：1)當(dāng)外側(cè)發(fā)生滲漏時(shí)，滲漏水沿著環(huán)縱縫竄流，難以準(zhǔn)確判斷外側(cè)滲漏點(diǎn)位置。2)當(dāng)外側(cè)發(fā)生滲漏后，將在內(nèi)、外道密封墊的腔體間形成滲透壓力，增加螺栓孔滲漏的可能性。3)增加管片的閉合壓縮力，縱縫螺栓緊固相對困難。

上海地區(qū)廣泛采用如圖2(a)所示的單道防水體系，其他城市的超大直徑盾構(gòu)隧道多采用如圖2(b)和圖2(c)所示的防水體系。上海黃浦江江面寬度普遍小于700 m，且水深、沖刷深度均相對較小，做為越江隧道發(fā)源最早、數(shù)量最多的地區(qū)，上海的越江隧道設(shè)計(jì)埋深較小，承受的水壓相對較小，因而，單道防水形式在上海地區(qū)應(yīng)用廣泛。上海周家嘴路越江隧道為避讓碼頭樁基而采取深埋措施，最大水壓0.6 MPa，是目前上海建成的最高水壓盾構(gòu)隧道工程[29]。隨著城市的發(fā)展，上海規(guī)劃中的超大直徑盾構(gòu)隧道(如崇明西長江隧道)也逐漸朝著超高水壓方向發(fā)展，雙道防水體系將可能得到更多的應(yīng)用。

當(dāng)前盾構(gòu)隧道工程中有部分案例采用外側(cè)雙道三元乙丙橡膠密封防水體系，如在建的江陰靖江長江隧道，其接縫防水設(shè)計(jì)如圖3(a)所示。這種形式的接縫防水設(shè)計(jì)能將地下水隔離在管片中心線以外的區(qū)域，大大降低螺栓孔滲漏的可能性，相比傳統(tǒng)的雙道防水，其失去了部分優(yōu)勢，且可能會(huì)帶來一定的困難，如：1)管片外側(cè)閉合壓縮力過大(120～140 kN)，導(dǎo)致拼裝平穩(wěn)性差，管片外沿發(fā)生剪切破壞、內(nèi)沿接觸碎裂的可能性增大，如圖3(d)所示。2)螺栓受力理論上是內(nèi)外雙道防水(見圖3(b))、單道防水(見圖3(c))的2倍，因此，螺栓緊固相對較難，且螺栓手孔處易開裂。3)密封墊槽范圍較大，螺栓中線以外受壓區(qū)面積較小，管片外側(cè)抗彎區(qū)存在一定的削弱，對管片接縫的抗彎剛度有一定影響。4)不能適應(yīng)運(yùn)營期內(nèi)、外側(cè)張角的變化?；诖?，該種設(shè)計(jì)對施工控制提出了更高的要求，有待在工程實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證和總結(jié)。外側(cè)雙道防水及接縫防水體系拼裝力學(xué)模型如圖3所示。

(a)外側(cè)雙道密封構(gòu)造

2 管片防水構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.1 擋砂條

擋砂條設(shè)置如圖4所示。目前，我國盾構(gòu)隧道中應(yīng)用的擋砂條主要有遇水膨脹橡膠擋砂條與海綿橡膠擋砂條2種型式，如表2所示。遇水膨脹橡膠擋砂條(見圖4(a))采用L形設(shè)計(jì)，遇水膨脹橡膠擋砂條始終位于管片已拼好的一側(cè)，避免擋砂條暴露于迎千斤頂側(cè)，能有效降低擋砂條在下一管片拼裝前因遇水產(chǎn)生預(yù)先膨脹的負(fù)面效應(yīng)[34]，如圖4(c)所示。管片構(gòu)造與擋砂條的設(shè)計(jì)相匹配(見圖5)，遇水膨脹橡膠擋砂條張貼部位預(yù)留的管片溝槽設(shè)計(jì)為L形而不是繞管片1周。海綿橡膠條(見圖4(b))不發(fā)生遇水膨脹，采用框形設(shè)計(jì)，管片構(gòu)造相對簡單。

(a)遇水膨脹橡膠擋砂條斷面設(shè)置 (b)海綿橡膠擋砂條斷面設(shè)置

表2 擋砂條設(shè)置型式

圖5 遇水膨脹橡膠擋砂條處預(yù)留端部包角溝槽(單位: mm)

當(dāng)前采用2種型式擋砂條的工程應(yīng)用案例均較多。因擋砂條的設(shè)計(jì)理念存在差異，尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，容易引起一些難以預(yù)料的問題。如采用框形遇水膨脹橡膠擋砂條替代L形遇水膨脹橡膠擋砂條，因橡膠條厚度與管片預(yù)留槽口不匹配，將導(dǎo)致管片不閉合、初始滲漏量大等問題。

2.2 遇水膨脹橡膠輔助防水條

遇水膨脹橡膠輔助防水條的設(shè)置如圖6所示。目前遇水膨脹橡膠輔助防水條均采用框形設(shè)計(jì)，如圖6(a)所示，管片拼裝時(shí)迎千斤頂面一側(cè)的遇水膨脹橡膠輔助防水條暴露在外。盾構(gòu)下坡推進(jìn)時(shí)，隧道拱底部位易發(fā)生積水現(xiàn)象(見圖7)，容易引起遇水膨脹橡膠輔助防水條預(yù)先膨脹，加上拱底部位泥沙沾染影響，接縫防水施工質(zhì)量不易保證。

(a)框形 (b)L形

圖7 拱底積水

因此，結(jié)合L形擋砂條的工程經(jīng)驗(yàn)，將遇水膨脹橡膠輔助防水條設(shè)計(jì)為L形(見圖6(b))，對管片生產(chǎn)模具、管片細(xì)部構(gòu)造及防水材料管理的復(fù)雜性增加有限。雖然目前未見有該種設(shè)計(jì)，但仍是一種可能的合理化措施。

2.3 傳力襯墊

我國盾構(gòu)隧道發(fā)展早期，由于接縫面退縮設(shè)計(jì)不足，且拼裝工藝不成熟，導(dǎo)致管片破損現(xiàn)象多發(fā)，10 m級(jí)盾構(gòu)隧道在環(huán)、縱縫均設(shè)置丁腈軟木橡膠傳力襯墊(見圖8)。當(dāng)前管片拼裝工藝較為成熟，接縫構(gòu)造設(shè)計(jì)得到改善，因此取消了縱縫傳力襯墊，僅在環(huán)縫設(shè)置傳力襯墊[42]。

(a)縱縫張貼 (b)環(huán)縫張貼

環(huán)縫設(shè)置傳力襯墊能有效減少因錯(cuò)縫拼裝時(shí)環(huán)面不平整引起的應(yīng)力集中和管片破損，但由此引起的接縫摩擦力下降將導(dǎo)致螺栓承受剪力增大，對管片抗浮不利。若取消環(huán)縫傳力襯墊，接縫面混凝土直接接觸，摩擦力較大，對抗浮有利，但拼裝過程中管片易開裂、破損?？紤]到未來盾構(gòu)隧道管片拼裝工藝的持續(xù)進(jìn)步，建議對于設(shè)置內(nèi)外雙道防水密封墊的管片取消環(huán)縫傳力襯墊；對于設(shè)置單道防水密封墊的管片，應(yīng)設(shè)置環(huán)縫傳力襯墊，但在抗浮不利情況下應(yīng)取消。

2.4 二次注漿孔

目前，管片構(gòu)造設(shè)計(jì)中關(guān)于二次注漿孔及其預(yù)埋件引起的防水問題考慮不足，尤其是二次注漿孔端部混凝土預(yù)留厚度無明確標(biāo)準(zhǔn)。典型盾構(gòu)隧道二次注漿孔端部預(yù)留混凝土厚度統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 典型盾構(gòu)隧道二次注漿孔端部預(yù)留混凝土厚度統(tǒng)計(jì)

由表3可知，目前國內(nèi)盾構(gòu)隧道二次注漿孔端部混凝土厚度為40～200 mm，差異較大。若端部預(yù)留混凝土厚度過大，將導(dǎo)致啟用二次注漿孔時(shí)鉆孔不便，易引起外側(cè)混凝土及外防水涂層損傷。若端部預(yù)留混凝土厚度過薄，其阻水效果較差，考慮到管片受力時(shí)彎矩引起的管片外側(cè)裂縫，能夠起到有效阻水作用的混凝土厚度十分有限。

因此，端部預(yù)留混凝土厚度應(yīng)與施工工藝、周邊環(huán)境及其他相關(guān)要求相匹配。對于需要經(jīng)常啟用二次注漿孔的隧道，如盾構(gòu)下穿密集建(構(gòu))筑物時(shí)，二次注漿孔端部預(yù)留混凝土宜薄，便于鉆孔注漿，但不能小于80 mm；對于不常啟用二次注漿孔的隧道，如周邊環(huán)境較空曠、對沉降控制要求不高，二次注漿孔端部預(yù)留混凝土宜厚，確保端部混凝土防水，建議≥100 mm?？筛鶕?jù)情況對同一隧道不同區(qū)段的管片二次注漿孔端部厚度采取針對性的設(shè)計(jì)手段。

2.5 螺栓孔防水

目前螺栓孔防水通常采用強(qiáng)度相對較低的遇水膨脹彈性體密封圈，施工時(shí)將套有密封圈的螺桿穿入螺栓孔擰緊施工。施工過程中螺桿的扭轉(zhuǎn)、擠壓和摩擦作用極易對密封圈造成破壞，從而導(dǎo)致其失去防水能力，形成滲漏通道?？稍诠芷佑|端面螺孔周圍布設(shè)1圈密封墊槽，張貼環(huán)形密封墊(見圖9)，利用環(huán)形密封墊與管片間的接觸應(yīng)力防水。這種設(shè)計(jì)能夠在不對防水體系大幅度改變的情況下實(shí)現(xiàn)螺栓孔的密封。

(a)正視圖 (b)剖面圖

3 防水施工工藝

3.1 防水材料及質(zhì)量

目前國內(nèi)防水密封材料主要有2種：一種是多孔型三元乙丙橡膠彈性密封墊，另一種是遇水膨脹橡膠密封墊。多孔型三元乙丙橡膠彈性密封墊起源于歐洲，通過密封的彈性壓密實(shí)現(xiàn)止水。雖然多孔型三元乙丙橡膠彈性密封墊存在長期應(yīng)力松弛現(xiàn)象，但其在設(shè)計(jì)年限內(nèi)的應(yīng)力松弛率能夠通過阿累尼烏斯公式結(jié)合快速老化試驗(yàn)驗(yàn)證，在國內(nèi)也有充分的設(shè)計(jì)、制造和施工經(jīng)驗(yàn)，是國內(nèi)主流的防水密封材料。遇水膨脹橡膠密封墊起源于日本，材料接觸到水后產(chǎn)生膨脹，主要通過膨脹力來止水。因其中的高分子吸水材料易在水中溶解析出，利用阿累尼烏斯公式判斷耐久性缺乏適用性，國內(nèi)廠商生產(chǎn)的遇水膨脹橡膠其耐久性也沒有得到充分的實(shí)際驗(yàn)證，因此，國內(nèi)主要用于輔助防水。

當(dāng)前市場上的防水材料主要存在以下情況：1)部分廠家在原料中摻加再生膠、二次再生膠，以次充好，導(dǎo)致隧道施工及運(yùn)營期間發(fā)生密封墊破碎、斷裂等問題[2]。2)橡膠生產(chǎn)過程中調(diào)配不佳，導(dǎo)致成品的硬度控制不好，隨溫度變化大，冬季施工時(shí)硬度過高，從而影響粘貼和管片拼裝。3)密封墊框尺寸誤差，造成“松肩”“蹋肩”“過拉”問題。因此，應(yīng)加強(qiáng)材料的生產(chǎn)監(jiān)督與進(jìn)場檢驗(yàn)，完善和貫徹密封墊的招標(biāo)要求，密封墊需經(jīng)試套后才能批量生產(chǎn)。

3.2 防水施工過程與工藝

防水施工過程中常見的問題有：1)密封條粘貼時(shí)發(fā)生偏移、鼓起、缺口現(xiàn)象；2)槽口清理不干凈，孔眼未修補(bǔ)；3)雨中粘貼，防雨不當(dāng)；4)傳力襯墊歪斜、鼓起；5)F塊未涂刷減摩劑；6)吊運(yùn)過程中材料損壞；7)當(dāng)管片推進(jìn)油缸采用單缸時(shí)，撐靴易發(fā)生旋轉(zhuǎn)，由于摩擦作用導(dǎo)致防水條拉出失效。對于此類問題，設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮施工的便利性；施工中應(yīng)提升管理水平與工人素質(zhì)，采取措施保證施工質(zhì)量。如在單撐靴油缸處設(shè)置防轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)軌，能夠保證撐靴的穩(wěn)定性，降低防水條拉出失效的可能。

3.3 密封墊角部堆積、滲漏

封頂塊拼裝時(shí)產(chǎn)生的角部堆積、滲漏問題一直是盾構(gòu)隧道防水施工質(zhì)量的頑疾，如圖10所示。主要原因有：1)封頂塊插入時(shí)，封頂塊張貼的密封墊與鄰接塊的密封墊發(fā)生較大的擠壓作用，在過大的摩擦力作用下導(dǎo)致角部推出。2)密封墊角部孔洞實(shí)心，無法壓縮閉合，導(dǎo)致封頂塊處T字縫產(chǎn)生先天張開量。3)密封墊角部產(chǎn)生氣囊效應(yīng)，管片難以閉合。4)密封墊堆積導(dǎo)致角部應(yīng)力集中，混凝土碎裂、滲水。

(a)角部密封墊擠出

行業(yè)內(nèi)從產(chǎn)品材料、施工工藝和防水設(shè)計(jì)等方面圍繞這個(gè)問題做了大量的工作。

1)產(chǎn)品上。早期采用角模壓制拐角預(yù)制件+直條膠件熱接成框，生產(chǎn)的防水密封墊拐角為實(shí)心材料，如圖11所示。目前采用直條狀膠件45°斜接，角部密封墊孔、槽間完全或部分相通，減少了“肉瘤”效應(yīng)，如圖12所示。國外廠商從外面鉆孔打通，減小角部應(yīng)力集中，削弱角部氣囊效應(yīng)，具有一定的效果，如圖13所示。

(a)密封墊實(shí)心拐角拼接圖 (b)密封墊實(shí)心拐角處橫斷面

(a)拐角空心密封墊45°斜接圖 (b)拐角空心密封墊內(nèi)展圖

圖13 拐角處鉆孔緩解氣囊效應(yīng)的防水密封墊[2]

2)施工上。密封墊表面涂抹減摩劑。

3)設(shè)計(jì)上。在角部加貼未硫化丁基橡膠膩?zhàn)颖∑?，但?dāng)前某些用法值得商榷：一是當(dāng)前許多大直徑盾構(gòu)隧道采用如圖2(b)所示的接縫防水構(gòu)造，膩?zhàn)颖∑采w了內(nèi)側(cè)遇水膨脹條(如圖14所示)，影響其膨脹性的同時(shí)對混凝土包角覆蓋不夠，不能很好地將角部縫隙擠密填平、補(bǔ)齊防水；二是管片4個(gè)角部均張貼膩?zhàn)颖∑?，?dǎo)致拼裝后縱橫縫均存在2層膩?zhàn)颖∑?，厚度過大，對防水不利[42]。應(yīng)采用對角張貼的方式，確保在縱橫縫位置有且僅有1層膩?zhàn)颖∑?。膩?zhàn)颖∑贾萌鐖D15所示。

圖14 未硫化丁基橡膠膩?zhàn)颖∑瑥堎N實(shí)例

圖15 膩?zhàn)颖∑贾脠D[42]

3.4 嵌縫施工

盾構(gòu)隧道管片的內(nèi)側(cè)嵌縫通過彈性擠密及填實(shí)塞密作用與接縫一同構(gòu)成“疏水槽道”，具有引流和疏排的作用，能夠防止隧道頂部滴水，避免對吊頂設(shè)備、鐵軌或路面的正常使用造成影響；同時(shí)，能夠防止隧道底部積水，確保拱底防水施工質(zhì)量，減少隧道長期縱向沉降。其能夠承受的最大水壓僅為0.1～0.2 MPa，因此，不能依賴其防水和止水效果。

目前工程實(shí)施過程中常見的問題為管片接縫堵漏未完成即進(jìn)行嵌縫作業(yè)，意圖依賴嵌縫實(shí)現(xiàn)堵水。由于流入接縫的水短期未建立壓力，嵌縫具備一定的阻擋“無壓水”短期效果。然而隨著滲漏的發(fā)展，地下水必然會(huì)在接縫中建立壓力，滲漏將不可避免。此外，嵌縫一旦在接縫堵漏完成前施作，將會(huì)引起滲漏水竄流，導(dǎo)致外側(cè)滲漏點(diǎn)位難以判斷，影響堵漏作業(yè)。

實(shí)際上，當(dāng)管片剛脫出盾尾時(shí)，地層壓力未作用于管片，管片所承受的軸力較小，接縫擠壓力不足；同時(shí)，管片受同步注漿漿液、千斤頂推力作用尚處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)接縫滲水是可能的，然而這種滲漏大多隨時(shí)間發(fā)展、盾構(gòu)推進(jìn)而好轉(zhuǎn)。

因此，筆者認(rèn)為：1)因定形嵌縫材料具有一定的自適應(yīng)變形能力，在堵漏工作結(jié)束后即可實(shí)施。未定形嵌縫材料須在管片堵漏完成、無明顯滲水的情況下，且在千斤頂頂力影響范圍之外施工，確保嵌縫材料與管片黏結(jié)可靠。2)由于盾構(gòu)后配套臺(tái)車長度有限，千斤頂影響范圍之外的臺(tái)車長度較短，可能導(dǎo)致來不及進(jìn)行堵漏及嵌縫作業(yè)，因此，對施工管理提出了較高的要求。

4 結(jié)論與展望

1)當(dāng)前關(guān)于管片接縫防水的機(jī)制尚未厘清，有待在以下幾方面進(jìn)一步開展工作：①考慮隨機(jī)性的彈性密封墊截面選取和設(shè)計(jì)方法；②考慮接觸應(yīng)力橫、縱向分布不均條件下，密封墊防水能力定量評(píng)價(jià)方法；③密封墊擠壓條件下管片接縫“動(dòng)態(tài)”張開及錯(cuò)臺(tái)與密封墊防水能力的關(guān)系；④密封墊防水微觀機(jī)制研究；⑤高水壓條件下帶裂縫工作混凝土的防水機(jī)制。

2)當(dāng)前的隧道防水技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已不適應(yīng)高水壓盾構(gòu)隧道的發(fā)展，新的統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)亟待建立：①隨著盾構(gòu)隧道水壓越來越高，應(yīng)對各防水等級(jí)相應(yīng)的允許滲漏水量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，或?qū)⒉糠帧耙诉x”防水措施調(diào)整為“應(yīng)選”；②在超高水壓條件下，可以探索“以堵為主，以疏為輔”“以導(dǎo)為主，以堵為輔”的理念；③應(yīng)進(jìn)一步明確高水壓條件下的混凝土抗?jié)B等級(jí)、管片檢漏標(biāo)準(zhǔn)及防水材料的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；④亟待建立設(shè)計(jì)允許張開量、錯(cuò)臺(tái)量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和取值依據(jù)。

3)防水設(shè)計(jì)是守好地下水最重要的一道關(guān)：①應(yīng)在理解原防水體系優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對防水體系進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，并對可能帶來的新問題進(jìn)行充分研究；②應(yīng)更加重視外防水涂層、二次襯砌、接縫注入密封劑等防水措施，尤其是設(shè)置二次襯砌，通過管片與二次襯砌之間的排水措施疏排滲漏水，將成為解決未來超高水壓條件下盾構(gòu)隧道防水問題的一種可能；③近年來應(yīng)用較多的半封閉弧形內(nèi)襯，經(jīng)濟(jì)性較好，能夠有效提升管片防水能力和隧道形象；④遇水膨脹輔助防水條、二次注漿孔防水等構(gòu)造設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分考慮施工的合理性。

4)盾構(gòu)隧道滲漏水問題與防水施工質(zhì)量密切相關(guān)。從管片鋼模制作、管片預(yù)制生產(chǎn)，到防水材料檢驗(yàn)、進(jìn)場、施作，再到管片拼裝成型、堵漏、嵌縫，工藝冗雜、施工周期長，防水工程施工質(zhì)量不確定性因素過多。當(dāng)前我國盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場管理水平相對較低，工人素質(zhì)參差不齊，施工過程較為粗放，不利于盾構(gòu)隧道高水壓的發(fā)展。因此，高水平施工管理隊(duì)伍的建設(shè)與高素質(zhì)產(chǎn)業(yè)化工人的培育是未來大盾構(gòu)行業(yè)的重要任務(wù)。

5)盾構(gòu)隧道防水新材料、新工藝的開發(fā)和引入是未來的發(fā)展趨勢。如：①開發(fā)具備高防滲性能的防水涂材及自防水混凝土材料；②采用新型管片型式，如鋼殼-混凝土復(fù)合管片，以彌補(bǔ)混凝土高水壓下抗?jié)B性能的不足；③選用新型防水密封墊型式，如錨固式防水密封墊，其腿部嵌固于管片，能夠有效阻斷密封墊底部滲水通道，避免粘貼不牢引起的密封墊脫落，解決管片拼裝過程中引起密封墊的推擠、堆積問題，但是存在管片制作工藝要求高、密封墊破損難修復(fù)、錨腳處混凝土易開裂等問題；④新型管片連接與拼裝方式，日本廣泛應(yīng)用的“插銷”“滑銷”快速接頭，拼裝精度高，接縫張開量、錯(cuò)臺(tái)量小，成型隧道質(zhì)量好，在上海地鐵18號(hào)線得到成功應(yīng)用，如何進(jìn)一步解決相關(guān)技術(shù)問題，從而在超大直徑盾構(gòu)隧道中進(jìn)一步推廣應(yīng)用十分重要。

6)隨著各地基礎(chǔ)設(shè)施的廣泛建設(shè)，盾構(gòu)隧道遭遇軟土、巖溶、斷層、膨脹土、超淺覆土、高烈度地震區(qū)、超小半徑曲線等復(fù)雜地質(zhì)條件或工況將越來越多，給盾構(gòu)隧道的防水技術(shù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。此外，大多數(shù)越江隧道面臨運(yùn)營期上覆河床的沖淤問題，對隧道的縱向變形影響很大，成為威脅越江隧道防水系統(tǒng)的重要因素。因此，如何在隧道運(yùn)營期進(jìn)行滲漏水的智能監(jiān)測與綜合防治十分重要。結(jié)合現(xiàn)有的隧道工程，提出隧道滲漏水病害評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合傳感、實(shí)時(shí)監(jiān)控及在線監(jiān)測技術(shù)，構(gòu)建盾構(gòu)隧道滲漏水病害分級(jí)預(yù)警綜合評(píng)價(jià)方法，針對運(yùn)營期不同滲漏類型，建立相應(yīng)的快速響應(yīng)機(jī)制及綜合治理方案，采用智能算法實(shí)現(xiàn)大直徑盾構(gòu)隧道運(yùn)營期滲漏水智能養(yǎng)護(hù)決策，是今后的重要任務(wù)。

致謝

本文撰寫過程中查閱了大量文獻(xiàn)、規(guī)范、專著、圖紙、新聞報(bào)道等，并進(jìn)行了多項(xiàng)工程實(shí)例調(diào)研，在此一并致謝。特別向朱祖熹先生表達(dá)感謝與敬意，先生關(guān)于盾構(gòu)隧道防水方面的論文著述對本文的影響頗深，在論文寫作過程中亦十分有幸得到先生的指導(dǎo)。