朱祖熹

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200235)

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盾構(gòu)隧道管片接縫密封墊防水技術的現(xiàn)狀與今后的課題

朱祖熹

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200235)

在追溯盾構(gòu)隧道接縫防水密封墊的技術發(fā)展歷程的基礎上，通過對防水密封墊材質(zhì)選用與加工方式，彈性橡膠、遇水膨脹橡膠及復合橡膠密封墊各自的功效及其在不同隧道類別、不同使用條件下的應用，單道密封墊與雙道密封墊設置的評價等反映密封墊防水技術的現(xiàn)狀，進而提出劣質(zhì)密封墊或受損密封墊取代、管片接縫密封墊的設計與應用等研究課題。

盾構(gòu)隧道；復合密封墊；微波硫化；閉合壓縮力；密封墊失效取代

0 引言

隨著國內(nèi)隧道工程建設飛躍的發(fā)展，盾構(gòu)法施工隧道在數(shù)量遞增的同時，也逐漸向超大直徑、大埋深方向發(fā)展。從數(shù)量上看，至2011年底規(guī)劃的53個城市中地鐵有396條，線路長14 000 km[1]，其中盾構(gòu)區(qū)間隧道全面增加；從難度觀察，如：要求抵抗最大水壓為1.7 MPa，直徑為15.9 m的瓊州海峽[2]等大埋深隧道也已出現(xiàn)，這對盾構(gòu)隧道接縫防水的最重要防線橡膠密封墊來說是個嚴峻的考驗。目前，相關文獻對管片接縫橡膠密封墊技術的研究日趨深入，更側(cè)重于密封墊防水機制研究，如劉建國等[3]對密封墊防水機制進行闡述，對孔壁失穩(wěn)與閉合壓縮的過程及孔洞氣囊效應進行探索；羅馳等[4]研究了在壓縮量較大時，對孔排布斷面的穩(wěn)定性明顯不如錯孔排布斷面，對于不對稱溝槽,彈性密封墊優(yōu)化時應優(yōu)先考慮錯孔排布的密封墊型式；高波等[5]結(jié)合隧道拼裝的橢圓度與內(nèi)外張角的關系，討論密封墊的失效機制；王湛[6]研究得出在接縫張開的情況下，滲漏主要發(fā)生在密封墊間的接觸面上；接縫錯開的情況下，隨錯縫位移的增大，滲漏發(fā)生在密封墊與混凝土間的接觸面上。筆者認為從管片接縫橡膠密封墊的材質(zhì)與加工工藝、管片接縫設置單道或雙道橡膠密封墊的要點等角度來探求密封墊的技術現(xiàn)狀，提出今后的管片接縫密封墊的設計與應用研究課題，頗有必要。

1 管片接縫橡膠密封墊的材質(zhì)與加工工藝

1.1 國內(nèi)的材質(zhì)選用與加工方式

1.1.1 彈性橡膠密封墊

國內(nèi)早期采用彈性橡膠密封墊，斷面也是有腳槽的，并布有少數(shù)圓孔，用以氯丁橡膠(CR)為材質(zhì)、模壓熱硫化加工密封墊，到了20世紀90年代中期，采用了以三元乙丙橡膠(EPDM)為膠料的多孔多槽斷面彈性密封墊，適應微波熱硫化的加工制造方式[7]。為滿足管片接縫水壓、張開量及錯位量的加大，密封墊斷面構(gòu)造日趨復雜多樣，EPDM已成為材質(zhì)的主流。CR微波硫化工藝的加工性，因分子極性大，不如EPDM，此外，CR國產(chǎn)膠的售價明顯高于EPDM，進口膠價格更高。隨著日本、德國公司在上海、常州生產(chǎn)EPDM，其價格總體呈下降趨勢，故它穩(wěn)居密封墊用膠量之首位。對特殊功效的盾構(gòu)隧道，如熱力管道隧道，管片接縫溫度大于40 ℃，采用硅橡膠(VMQ)為密封墊材質(zhì)。由此可見，材質(zhì)的選用常與隧道功能相適應。

另外，每塊管片密封墊被加工成框形，過去其四角由角模壓成拐角預制件，由它與直條狀膠件，通過模壓、熱接成框。這時，拐角部位往往為實芯。如今，已不必預制角件，將直條狀膠件直接45°斜接而成，從而保證角部密封墊孔、槽間完全或部分相通，使管片T字、十字縫角部橡膠不會鼓起成“肉瘤”，江陰海達橡膠廠、上海隧橋橡膠廠在這方面有所突破。

1.1.2 遇水膨脹橡膠類密封墊

國內(nèi)在20世紀80年代初就借鑒日本經(jīng)驗研制成功遇水膨脹橡膠類密封墊。上海地鐵6號線與8號線，廣州地鐵1、3、5號線部分區(qū)間隧道；岳陽城陵磯長江輸水隧道；南京三江口西氣東輸過江隧道[8]；上海合流污水治理隧道等管片接縫都采用過單道遇水膨脹橡膠類密封墊。國內(nèi)西北橡膠研究院率先研制了聚醚聚氨酯彈性體類膨脹材料，它長期浸水析出率很低；但總體而言，由于對膨脹材料含量與性能，尤其耐久性監(jiān)控困難，目前，在管片接縫密封墊中處于輔助地位，有時用作雙道密封墊中的一道，或作為復合型密封墊中的覆蓋層、變形縫管片密封墊的加貼層，及管片接縫擋水條。

1.1.3 復合型橡膠密封墊

由早期的粘合與嵌合方式復合到現(xiàn)今同步微波硫化一次復合，解決了不同材料與形狀的橡膠硫化速率相異的難題，使復合型密封墊性能互補性與尺寸穩(wěn)定性獲得提高，值得推廣。圖1是復合型密封墊及復合方式(嵌合方式與微波一次硫化方式)，而這種復合主要在密封墊頂面，也可在密封墊腳部。

1.2 國外的材質(zhì)選用與加工方式

1.2.1 歐、美洲彈性密封墊的材質(zhì)選用與加工方式

歐、美污水隧道、地鐵隧道等管片使用接縫小斷面的彈性密封墊常用丁腈橡膠(NBR)、CR為材質(zhì)(見表1)，如德國慕尼黑地鐵、委內(nèi)瑞拉加爾加斯地鐵、英國謝斯菲爾德污水隧道。這與密封墊斷面構(gòu)造簡單、設計防水夠用即可的要求(接縫張開量小，水壓較低)有關，與硫化方式有多種(模壓、微波、鹽浴、油浴、硫化罐等)也相關，而國外CR與EPDM價差小也是原因。當然對深埋、大直徑隧道，國外也都用形式不一的多孔多槽狀、甚至“蜂窩”狀斷面密封墊(這時橡膠硬度需大于邵爾A70°，方可構(gòu)成“骨架”支撐)，以EPDM通過微波加熱、均勻硫化成型，使復雜的斷面形狀不走樣。另外，見圖1(b)左，密封墊在管片生產(chǎn)時就置入溝槽，靠腳部小鉤與所澆混凝土“錨合”，定位更牢靠。在國外，道路隧道內(nèi)因有廢氣排放、油滴等污染，密封墊有用NBR和CR的，但畢竟腐蝕有限，實際用EPDM微波硫化的也不少,見圖2(b)。加拉加斯地鐵用CR模壓制成[9]，見圖2(a)。

(a) 國內(nèi)嵌合方式(左)，微波一次硫化(右)

(b) 國外微波一次硫化

由于框形密封墊四角拼裝常有起“鼓”問題，目前，國外為削弱角部氣囊效應，如圖3所示從外面鉆孔打通，既是減小、避免角部應力集中，也是密封墊在管片生產(chǎn)時置入溝槽后，與鋼模固定所需。盡管筆者對此做法尚有質(zhì)疑，但認為對密封墊角部作特殊處理很有必要。

1.2.2 日本為主的遇水膨脹橡膠(彈性體)密封墊的材質(zhì)選用與加工方式

日本與東亞(如韓國、中國臺灣及新加坡)的一些工程采用了遇水膨脹類材料(包括硫化型遇水膨脹橡膠和聚醚聚氨酯膨脹類彈性體材料)，自20世紀80年代始，日本在遇水膨脹橡膠密封墊技術上不斷創(chuàng)新，以旭電化(Adeka)、西亞化成(C.I.kasei)公司為代表，從開始追求材質(zhì)高膨脹率，到后來一直堅持低于400%的膨脹倍率，從采用摻加丙烯酸樹脂聚氨酯預聚體等膨脹樹脂、由混煉機混煉、硫化成型的橡膠，進而使用反應釜合成、反應完全、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的純聚醚聚氨酯彈性體類遇水膨脹材料，體現(xiàn)了較大的技術進步。 后者以三洋化成(Sanyo Chemical Industries)的AQUAPURENE系列材料為代表，其特點是超低的質(zhì)量變化率，而且隨膨脹倍率的增大，材料物理力學性能下降較少[10]。早稻田大學理工學院大冢正博博士[11]認為：合成橡膠以化學反應速率理論為基礎的長期性評價法的阿累尼烏斯(Arrhenius )方法，對判斷遇水膨脹材料的耐久性缺乏適用性。由于水膨脹密封材料的差異，升溫加速老化的試驗對耐久性評價困難，難點在于膨脹應力在不同壓縮條件下能抵消多少壓縮應力松弛，其中膨脹樹脂的析出率是關鍵。國內(nèi)的研究對此也有共識。

表1 管片接縫密封墊的選型表

注：表3中“對應的斷面與尺寸”一列為德國地下交通設施研究會 (STUVA)推薦的、使用于不同水壓的密封墊斷面圖。

(a) 加拉加斯地鐵隧道密封墊

(b) 易北河第4道路隧道密封墊

圖3 國外密封墊角部開孔處理

歐洲早期幾乎不用遇水膨脹密封墊，這以著名的Phoenix、Trelleborg公司為代表，但同樣有影響力的D twyler公司，較早就用EPDM與遇水膨脹橡膠復合密封墊Coexswell，如今這種做法在防水要求高的工程中逐漸增多，而同步微波硫化一次復合技術也更成熟。其中膨脹橡膠的倍率通常在400%，少數(shù)有高達600%以上。圖4為國外某公司復合型橡膠條，膨脹橡膠為高膨脹率的。筆者認為其吸水率過高，材料長期性能總會下降。

圖4 EPDM與遇水膨脹橡膠(高膨脹率)復合密封墊

Fig.4 EPDM composite sealing gasket and water swelling rubber gasket

就加工方式而言，遇水膨脹橡膠密封墊，多為模壓或擠出成形，也有用先澆鑄、再切割、粘合成形。斷面通常是實心的，它也制成框形(角部多熱膠合或冷粘)，但斷面尺寸小者，可直接用擠出長條沿管片四周兜繞成環(huán)。

2 管片接縫設置單道或雙道橡膠密封墊的要點

2.1 設置雙道密封墊之技術要點

國際上認為受內(nèi)外水壓力作用的輸水隧道，采用雙道密封墊是合適的。由于管片在不同工況下，有內(nèi)、外張角的變化，雙道密封墊在施工與運營階段可適應這種變化下的水密性。在日本土木工程學會的隧道規(guī)范“盾構(gòu)法”篇中也明確規(guī)定：1)注入密封劑方式；2)在高水壓與內(nèi)水壓作用的場合設雙道密封墊；3)管片角部密封墊無縫加工3項接縫防水要則。

國內(nèi)輸水盾構(gòu)隧道設雙道密封墊防水成功的實例，可以長江口青草沙輸水隧道工程為典型(見圖5)。這條中等直徑(6 800 mm)長距離(7.2 km)盾構(gòu)隧道，管片厚480 mm，設內(nèi)外2道密封墊，在設計水壓0.85 MPa、錯位5 mm、接縫張開6 mm時，不滲漏[12]。

近十年，考慮到密封墊的百年使用壽命，有認為雙道比單道可靠的觀點；同時管片直徑大、厚度大時，也為設置雙道密封墊提供了條件。在道路隧道工程中，武漢長江隧道率先在管片接縫中設置內(nèi)外2道密封墊(外為EPDM彈性密封墊,內(nèi)為遇水膨脹橡膠為主的復合密封墊)防水，接著南京長江隧道設置EPDM多孔彈性密封墊與聚醚聚氨酯彈性體膨脹各一道組合防水。此后，還陸續(xù)有多個類似工程實踐。筆者認為這種努力也有意義；雖然，根據(jù)橡膠老化機制推斷，雙道密封墊在正常工況下的失效是趨近于同時，但不排斥施工損害與劣質(zhì)材料會使其中一道先失效。

圖5 青草沙過江管隧道管片接縫防水(單位：mm)

Fig.5 Waterproofing design of segment joints of Qingcaosha River-crossing Tunnel (mm)

設計管片接縫設雙道密封墊時，除確定密封墊壓縮應力特性外，還必須計算每道密封墊的閉合壓縮力，否則拼裝成環(huán)時接縫；尤其是縱縫，如環(huán)向螺栓緊裹不足而不易閉合，封頂塊管片插入就很困難、襯砌環(huán)橢圓度會加大、管片外沿混凝土損裂碎落等影響拼裝與防水的隱患不少。因此，設計時應有充分的室內(nèi)、現(xiàn)場試驗與計算為支撐。

2.2 設置單道密封墊之技術要點

如上所述，過去國內(nèi)一直秉承在高精度鋼模制作高精度管片的前提下，單道彈性密封墊能充分滿足防水要求的觀點。單道密封墊成功例子有很多，較近的是上海崇明長江隧道。國內(nèi)，對于直徑較小，管片厚在320～350 cm的地鐵隧道管片，更只設一道密封墊。在20世紀，國內(nèi)除在水工盾構(gòu)隧道采用雙道密封墊外，在大直徑的鐵路、公路隧道上很少設雙道密封墊。與此同時，除水工隧道外，國外大直徑盾構(gòu)隧道也極少釆用雙道接縫密封墊,東京灣道路隧道在管片內(nèi)側(cè)設一道緩沖墊片的槽，易誤認為第2道防水線，其實還是單道密封墊。曾為業(yè)界矚目的易北河第4(公路)隧道(The Fourth Eibe Tunnel)是設2條密封墊的少有例子。為防滲漏水竄流，其中間設豎向隔斷，可在間隔區(qū)注漿止水。但是，設雙道總的閉合壓縮力加大，環(huán)面平整度難掌握、堵水效果有限等，工程實踐不太成功，在歐洲防水界進而以“與其勉強設置雙道密封墊還不如做好單道密封墊更可靠”的觀點為主流，并在密封墊的設計與試驗、材料與加工方面下功夫，這種做法也是可取的。

外沿擋水條的功效是擋地層泥砂及同步注漿漿材、盾尾密封油脂。國外采用不考慮其擋水作用的海綿條，國內(nèi)有用遇水膨脹橡膠的，它兼有擋水功能，效果也好，但不應看作一道設防。

3 管片接縫密封墊今后研究的課題

3.1 劣質(zhì)密封墊或受損密封墊取代的研究迫在眉睫

橡膠密封墊劣質(zhì)材料、以次充好的行徑屢禁不止。眾所周知，橡膠價格與石油市場價格實際掛鉤，近二十年，石油價格從飆升到回落，總趨勢仍呈上升，而橡膠密封墊工程招標價卻幾乎不變，這里有背離施工定額、違反優(yōu)質(zhì)優(yōu)價原則的情況，更有廠家故意壓價惡性競爭，這勢必引起少數(shù)不良企業(yè)造假，在價格上漲期 (譬如2011年EPDM漲至5萬元/t，個別地鐵工程密封墊招標價卻低于現(xiàn)今) 尤甚，結(jié)果有廠家在原料中大摻再生膠、二次再生膠。數(shù)十年后甚至短時間內(nèi)，密封墊破碎、斷裂或出現(xiàn)滲漏沉降等嚴重后果。

筆者認為，當前除了管理上要加強材料監(jiān)督與檢驗、建立快速檢測機制、完善密封墊的招標要求外，如何在今后的設計中留有密封墊失效取代的后備措施，乃是當務之急。

這種預案目前還只有粗略的構(gòu)想，如借鑒埃及艾哈邁德·哈姆迪(Ahmed Hamdi)隧道及上海大連路越江隧道有過的“管片環(huán)縱接縫預留注入密封劑通道與溝槽” 方案 ，將來壓入液態(tài)密封膠(或橡膠) 作為置入新防水線(防流竄是關鍵)；又如改變管片嵌縫槽外形，研制嵌入式膨脹類定型密封件及外封材料，失效后置入。

3.2 同一隧道不同埋深段接縫密封墊的不同設計

目前，盾構(gòu)隧道埋深不斷創(chuàng)記錄；同時，盾構(gòu)直接從地面破土開挖的淺埋隧道正在開發(fā)。因此，同一條隧道的不同埋深段，有必要采用不同的接縫密封墊，變化類型有：1)密封墊外形、尺寸不變(即密封墊溝槽全部相同)，中間孔位可變；2)密封墊外形、尺寸、中間孔位都不變，但橡膠硬度變化(筆者認為這易影響材料蠕變與應力松弛等特性)；3)接縫密封墊溝槽與密封墊，均對應埋深，按高低不同分別設防。第1類和第2類方式總體上較簡單，且可以滿足防水要求，但也不排斥第3類方式。總之，要因地制宜加以選用。

3.3 管片接縫密封墊的設計與應用需要研究的若干問題

3.3.1 重視框形密封墊角部的設計與加工

如同前述，管片十字縫、T字縫是滲漏水的重點。早期，密封墊角部制成上翹方式，以加強防水，結(jié)果適得其反。以后，改成平直面，再后來在角部孔、腳槽處挖空。由于國外是由供應商作具體商品設計、研究與加工，所以設計與理論研究，試驗設備與生產(chǎn)工藝都在工廠一體化。拿角部加工這點來看，國內(nèi)的設計與研究就有脫節(jié)現(xiàn)象。

3.3.2 合理確定密封墊設防與試驗指標

目前，常對密封墊水密性要求過高，確定設防的依據(jù)不足，如處于高水頭壓力下，應采用遇水膨脹材料復合的密封墊,這時因膨脹應力能抵消壓縮應力松弛,故設計水壓力未必以2倍計。另外，接縫的張開值雖說是按公式計算所得，但有2個估值，轉(zhuǎn)換半徑最小處實際只在一個點上，而最大錯臺如也要落在此點，結(jié)果往往高估。若試驗時密封墊水密性勉強滿足高值，代價是降低了它的施工性、耐久性，那顯然是有違初衷的。

3.3.3 應更強調(diào)密封墊研究與工程實踐切合

正如“引言”所述，國內(nèi)依托工程項目，結(jié)合接縫密封墊水密性、應力應變特性及蠕變、應力松弛等室內(nèi)試驗，進行有限元計算等數(shù)理模擬研究日趨深化。今后應繼續(xù)強調(diào)管片拼裝控制、隧道轉(zhuǎn)彎與豎曲線段以及運營階段沉降、矩形盾構(gòu)土體對管片緊裹力與傳統(tǒng)圓形盾構(gòu)差別等工程實際對密封墊的影響研究。

此外，密封墊在管片生產(chǎn)時就“錨合”于接縫混凝土溝槽中的做法在國外也已有多年。以色列ES Rubber 公司的與混凝土“錨合”的密封墊如圖6所示。由圖6可知：此類密封墊帶底邊、有小鉤，可與混凝土“錨合”。在水壓高、錯臺量大時，它腳部不會蹺曲，密封可靠，這些優(yōu)點也是值得研究的，當然管片生產(chǎn)的難度會加大。

圖6 以色列ES Rubber 公司的與混凝土“錨合”的密封墊

3.3.4 加強密封墊防水功效在工程中的監(jiān)測、鑒別

由于管片接縫滲漏，往往不全是密封墊造成的，管片結(jié)構(gòu)構(gòu)造設計合理性、拼裝與推進質(zhì)量等都會是影響因素，客觀上缺乏科學的分析與鑒別，未能對密封墊失效有精準的探究，而主觀上設計、施工、建設單位對項目中的弊端不愿披露，對密封墊的不足，反映缺失，這些都影響了密封墊的技術進步。

4 結(jié)論與建議

1)彈性橡膠密封墊仍將以EPDM為主要材質(zhì)。建議增加它與遇水膨脹聚醚聚氨酯彈性體組成的復合密封墊的應用，而微波硫化一次擠出的加工工藝應是生產(chǎn)的技術方向。

2)地鐵等較小斷面隧道管片接縫應持續(xù)設置單道密封墊防水；水工隧道則擬設置抗內(nèi)、外水壓的雙道密封墊防水；大直徑道路隧道接縫，為耐久性與可靠性設計，也可設置雙道密封墊，但必須通過實驗與計算，合理確定它們的閉合壓縮力，否則會適得其反。

3)隨著深埋盾構(gòu)隧道建造的增加，會傾向于設計“蜂窩”狀斷面的密封墊，這時它的膠料硬度大于邵爾A70°為好。

4)劣質(zhì)密封墊與失效密封墊的取代措施應是從速開展研究的問題，文中提出了2條基本思路，以供參考。

5)應避免對接縫密封墊設計與試驗指標片面提高的追求；同時，對密封墊框的四角應進行去除“氣囊”效應等特殊處理的研究。

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State-of-art and Developing Direction of Waterproofing Technology for Sealing Gasket of Shield Tunnel Segment Joints

ZHU Zuxi

(ShanghaiTunnelEngineering&RailTransitDesignandResearchInstitute,Shanghai200235,China)

The development of waterproofing technology for sealing gasket of shield tunnel segment joints is introduced.The selection and manufacturing method of waterproofing gasket materials,the functions of elastic rubber,water swelling rubber and composite rubber gasket and their application to tunnels under different conditions,and evaluations on single gasket and dual gaskets are presented.The developing direction of waterproofing gasket is proposed in terms of invalid gasket replacing,design and application.

shield tunnel; composite sealing gasket; microwave curing; close compressive force; invalid sealing gasket replacing

2016-06-02;

2016-06-22

朱祖熹(1943—)，江蘇蘇州人，1965年畢業(yè)于華東化工學院(現(xiàn)華東理工大學)，有機合成專業(yè)，本科，教授級高級工程師，從事隧道與地下工程防水設計、研究、施工50年，是隧道與地下工程防水專業(yè)的資深專家。E-mail：zhuzuxi_712@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.002

U 45

A

1672-741X(2016)10-1171-06