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1、超大直径盾构隧道防水设计技术综述摘要：针对越江道路隧道采用超大直径盾构施工的特殊工况以崇明越江通道长江隧道工程实际防水功效为例阐述了该类隧道主要的防水设计内容及相关的科研内容为今后类似工程的防水设计提供参考。关键词：超大直径盾构隧道；防水设计；混凝土管片；衬砌接缝；连接通道：弹性橡胶密封垫 目前，国内越来越多的地下道路工程采用超大直径盾构隧道进行施工，特别是越江道路隧道。这类隧道埋深较大，隧道本身需承受很高的水压，因此对隧道的防水设计提出了相当高的要求。超大直径盾构隧道的防水设计主要包括预制混凝土管片结构与现浇混凝土结构自防水、衬砌接缝防水、连接通道防水等内容。本文结合目前正在施工的上海崇明越
2、江通道长江隧道工程，就上述内容作详细的介绍与论述。 1 工程概况上海崇明越江通道长江隧道起于浦东五号沟越长江南港后至长兴岛与长江大桥相接全长 8 89333m；其中浦东岸边段长 65783 m，长兴岛岸边段长 82993 m，江中段是两条盾构法圆形隧道，其上行线、下行线长度分别为7 47165 m 和 7 46936 m。上下行线间设有 8 条连接通道，间距约 830 m。圆形盾构隧道段上层为高速公路车道层，下层有预留轨道交通空间、设备管廊及上下层的江中废水泵房等。江中盾构隧道衬砌结构采用钢筋混凝土通用管片错缝拼装，衬砌外径为15 m，管片厚度为 650 mm环宽为 2 000 mm，混凝土强
3、度为 C60，衬砌所承受的最大水压为 52 m左右。2 超大直径盾构隧道防水设计技术21 隧道衬砌防水设计原则根据超大直径盾构隧道的工程特点，设计人员确立了 “以混凝土结构自防水为根本，以接缝防水为重点，多道设防，确保高水压下接缝张开时的长久防水性能”的设计原则。22 隧道衬砌防水等级要求一般隧道的防水等级达到二级即可，考虑到本工程为大型、重要的道路交通隧道，故岸边段、江中盾构隧道、连接通道均取高于二级的防水标准，即：1)整条隧道平均渗漏量 005 L(d)，隧道内任意 100渗漏量01 L(d)。2)隧道内表面湿渍总内表面积的 4，任意 100 内的湿渍4 点，单一湿渍的最大面积015。以上
4、提出的防水等级对隧道的整体和局部做出了定量的达标要求，并以此作为隧道验收合格的依据。23 预制混凝土管片结构与现浇混凝土结构自防水随着隧道本体耐久性要求的逐步提高，设计人员对预制混凝土管片结构与现浇混凝土结构(包括连接通道、工作井、岸边段 )提出了多项材料的配比要求，以保证混凝土结构的密实性与耐久性。1)对预制混凝土管片提出的要求选用强度等级425 MPa 的 P0、P I 或 P型水泥；限制胶凝材料用量 (混凝土胶凝材料用量在 410500 kgm3)、混凝土中的含碱量 (总碱量3 kgm3)、水胶比(035)、混凝土中最大氯离子含量 (为胶凝材料质量的 O1)；选用坚固耐久、级配合格、粒形
5、良好的洁净骨料为原料； 添加优质粉煤灰（ 级灰)等超细矿物掺和料、高效减水剂 (减水率18)配制成以耐久性为重点的高性能混凝土； 管片检测达标要求：a混凝土抗渗等级 S12；b混凝土管片氯离子扩散系数 1210-12s(崇明长江隧道主要采用自然扩散法测定氯离子扩散系数，此方法过程较慢，但扩散系数比较接近实际情况，数据的稳定性较高 )揖管片单块检漏标准 (08 MPa、2 h)为渗水高度5 cm。由于超大直径盾构隧道的管片体积较大，过去的检漏设备无法完全一次罩住管片，故按管片的弧长方向将单块管片均分成三个区域，在实际操作时，任选一个区域进行检漏测试，务必达到上述检漏要求才算合格。2)对现浇混凝土
6、结构 (包括连接通道、工作井、岸边段 )的要求选用强度等级425 MPa 的 P0、P I 或 P型水泥及坚固耐久、级配合格、粒形良好的洁净骨料为原料； 添加优质粉煤灰(级灰)、矿渣微粉(S95)等复合超细矿物掺和料配制成以耐久性为重点的 C35 高性能混凝土； 添加高效减水剂 (减水率12)，限制胶凝材料用量 (混凝土胶凝材料用量 320400 kgm3)、水胶比(045)、胶凝材料中氯离子的总量 (不超过胶凝材料质量的 01)，严格规定混凝土中的含碱量(总碱量3 kgm3)，防止碱集料反应； 连接通道的抗渗等级 S12，盾构二作井和岸边段根据不同的结构埋深深度，提出不同的抗渗等级要求； 由
7、于连接通道为圆环构造形式，为保证施 _丁质量，通道除拱底 120范围采用普通混凝土外，其余部位皆采用添加了聚羧酸减水剂的自密实混凝土，其水胶比、胶凝材料用量也有相应的变化。24 衬砌接缝防水衬砌的接缝防水在盾构隧道的防水措施中处于十分重要的地位。崇明长江隧道在对多种方案进行比选的基础上，确定了弹性橡胶密封垫与挡水条组成双道防线的接缝防水方案。1)弹性橡胶密封垫断面构造形式的确定弹性橡胶密封垫的材质取三元乙丙橡胶或三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶的复合体，两类材质的性能指标见表 l、表 2。在弹性橡胶密封垫断面形式的设计过程中，设计人员联合同济大学路基与土工技术研究所及相关生产厂家组成了科研课题组，采
8、取了室内试验与有限元计算相结合的方法，经过几个阶段的努力，最终确定了密封垫的断面构造形式。第一阶段在对最初设计的弹性橡胶密封垫断面进行了压缩变形试验、“一”字缝与“T”字缝水密性试验后，课题组对试验数据和结果进行了认真分析，认为初设断面的密封垫虽然能达到一定的防水效果，但其压缩线应力较大 (为 62 kNm)。会对衬砌的拼装造成较为不利的影响；同时为降低工程造价，在保证密封垫抗水压性能不下降的前提下决定减小密封垫沟槽尺寸，采用断面尺寸较小的弹性橡胶密封垫。表 1 三元乙丙橡胶性能指标耐老化性/（70，96h）硬度（）拉伸强度MPa扯断伸长率防霉等级拉伸强度变化率/%扯断伸长率变化率/%硬度变化
9、/（）625105350不低于 1级-15-30+6表 2 遇水膨胀橡胶性能指标反复浸水试验硬度（）拉伸强度MPa扯断伸长率体积膨胀倍率/%拉伸强度/MPa扯断伸长率/%体积膨胀倍率45734004002250300注：(1)弹性橡胶密封垫中采用的 遇水膨胀橡胶与挡水条采用的遇水膨胀橡胶性能指标一致第二阶段在密封垫沟槽尺寸变更确定的基础上 ,我们设计了三种优化断面的弹性橡胶密封垫；然后采用有限元计算方法建立数学模型，通过对上述三种断面的计算与分析，课题组放弃了模拟变形后会产生局部破损的一种密封垫断面形式，选择了其余两种密封垫进行水密性试验、压缩变形试验以及蠕变试验、应力松弛试验，根据试验结果确
10、定了工程中应用的断面构造形式。在此断面基础上，课题组进一步优化了密封垫的高度，并再次进行了相关的水密性等系列试验，都达到了理想的效果，从而最后确定了工程采用的密封垫断面构造形式。此弹性橡胶密封垫可达到接缝张开 7 mm、错缝 6 mm、抗 104 MPa 水压的要求，其压缩线应力为 43 kNm,应力松弛 36 d 后基本达到稳定，应力松弛为 25，仍可满足实际工程防水要求第三阶段为了进一步提高弹性橡胶密封垫的安全系数在工程应用断面构造形式的基础上，课题组又提出了四种改进断面的构造形式。通过水密性试验与压缩变形试验，初步选定了圆孔直径减小且橡胶硬度降低的密封垫构造形式为优化的首选断面，接着进行
11、此断面的蠕变试验与应力松弛试验，根据上述试验的结果最终确定了安全系数得到进一步提高的密封垫断面构造形式。新的弹性橡胶密封垫可达到接缝张开8mm、错缝 6 mm、抗 104 MPa 水压的要求，其压缩线应力为 55 kNm，应力松弛 58d 后基本达到稳定，应力松弛为20说明新的密封垫应力松弛性能优于原工程应用断面。根据上述三阶段的试验结果，设计人员决定选择水密性较好 (接缝张开 8 mm、错缝6 mm、抗 104 MPa 水压)的弹性橡胶密封垫断面形式 (二)，应用于隧道的深埋段、超深埋段、中埋段衬砌接缝中；水密性次之 (接缝张开 7 mm、错缝 6 mm、抗 104 MPa 水压)的弹性橡胶
12、密封垫断面形式 (一)，应用于隧道的浅埋段衬砌接缝中。同时，课题组运用有限元计算法，对两种工程应用断面的弹性橡胶密封垫百年之后的应力松弛，拟合出随时间的变化函数，经计算 100 年之后的残余应力分别为 056 MPa和 071 MPa，计算结果表明百年之后密封垫仍可达到水密性要求。另外，通过本次试验，设计人员认为以下几点在今后的密封垫设计与施工中应作为重要优化方向。我们观察到水密性试验中产生的漏水点主要集中于密封垫与混凝土沟槽接触面，而非密封垫之间。因此在今后的密封垫设计中，需重点考虑与沟槽相接触的密封垫底部与两侧的构造加强措施，以保证此处受压后产生的应力足以抵抗试验水压。三元乙丙橡胶与遇水膨
13、胀橡胶构成的复合式弹性橡胶密封垫在试验中多次发现遇水膨胀橡胶从密封垫表面脱出的现象，原因是基于目前的橡胶生产工艺，绝大多数生产厂家将三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶分开硫化，然后采用人工作业把遇水膨胀橡胶嵌入三元乙丙橡胶内，两种橡胶实际并未真正合为一体，因此遇水膨胀橡胶在遇水产生体积膨胀后，与三元乙丙橡胶分离。目前，国内外已有生产厂家研发出三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶一次硫化成型技术。此举可保证遇水膨胀橡胶与三元乙丙橡胶结合的完整性，在今后应大力推广应用。在衬砌拼装过程中，管片纵缝的角部密封垫有沿纵向外突出的现象，其原因可能是密封垫被完全压入沟槽的压力较大，造成不同管片的密封垫之间在拼装过程中摩擦力增
14、大，因而产生上述现象。针对此问题，可采用密封垫顶面涂覆有机硅涂层的方法来解决。长江隧道在施工现场采用了此方法后，纵缝角部密封垫向外突出现象大为改观。有限元计算应作为室内试验前确定试验断面构造形式的重要辅助手段，在计算结果的基础上再开展试验，此为合理的确定最终断面的方法。 2)挡水条材质与设置方式的确定设计挡水条的目的在于其设置于 弹性橡胶密封垫的外侧，可阻挡泥砂直接作用于密封垫本体，确保密封垫的耐久性使用要求，同时兼起辅助防水的功效。挡水条的材质选用具有遇水膨胀性质的遇水膨胀橡胶和聚氨酯弹性体，聚氨酯弹性体的性能指标见表3。 表 3 聚氨酯弹性体性能指标硬度/（）拉伸强度/MPa扯断伸长率/体
15、积膨胀倍率/质量变化率/4370.480036025遇水膨胀橡胶是大家所熟知的防水材料， 聚氨酯弹性体为由日本引进的最新防水材料，其材质为聚氨酯，突出的优点在于此材料质量变化率较小，且遇水膨胀后材料的拉伸强度不会下降反而增大，缺点在于造价较高。课题组对挡水条进行了水密性试验、对混凝土管片的影响试验、浸水质量变化率及反复干缩循环试验。由这些试验得出如下结论：遇水膨胀挡水条仅在接缝张开量较小时能承受一定的水压，故仅起辅助防水作用。挡水条遇水后产生的膨胀力未超过管片混凝土的抗压强度，故对管片不产生任何影响。在相同试验条件下，聚氨酯弹性体的质量变化率为175，遇水膨胀橡胶的质量变化率为 284。聚氨酯
16、弹性体的质量变化率明显小于遇水膨胀橡胶，说明聚氨酯弹性体的膨胀耐久性优于遇水膨胀橡胶。反复干缩循环试验表明，地下水中氯盐的含量大小对聚氨酯弹性体膨胀性能影响不大而对遇水膨胀橡胶的膨胀性能影响较大；在满足设计要求达到的膨胀倍率基础上，遇水膨胀橡胶的膨胀倍率比聚氨酯弹性体的膨胀倍率大，但聚氨酯弹性体的膨胀稳定性较好。鉴于上述试验结果，并结合考虑工程造价因素，设计人员决定聚氨酯弹性体挡水条主要应用于隧道加固区的衬砌接缝内。其余衬砌接缝内采用遇水膨胀橡胶挡水条。同时，挡水条设置于管片纵缝与背千斤顶面的环缝内，即呈 “L”型，此举保证了挡水条在拼装过程中，可始终不处于衬砌拼装的暴露面，降低了挡水条在下一衬砌环拼装前因遇水产生预先膨胀的负面效应。25 连接通道
