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1、盾构管片接缝防水材料防水耐 久性实验盾构管片接缝防水材料防水耐久性实验摘要:由于我国大规模开展地铁建设的时间不长，盾构管片接缝长期防水问题还没有引起足够的重视。现 有的盾构隧道后期维护中也逐渐出现了隧道接缝渗漏现象，严重影响工程安全。针对盾构管片接缝常用的 防水弹性密封垫材料 三元乙丙橡胶，开展了恒定压缩永久变形和老化等长期防水性能试验研究。研 究结果表明，橡胶的老化系数在0. 9以上，恒定永久压缩应变小于15. 4%,盾构隧道应用的弹性 密封垫防水材料具有良好的长期的防水性能。在此基础上，分析了钱塘江越江隧道冲刷后纵向回弹变形引 起的隧道环向接缝张开后的管片接缝防水性能，能够满足钱塘江最高水
2、位时的隧道接缝防水要求。关键词：盾构管片；接缝防水；弹性密封垫；防水耐久性1引言盾构隧道衬砌是在盾构机盾尾拼装而成的，是盾构隧道主要的受力结构，当省略二次衬砌时，为隧道 的唯一支撑结构。在衬砌隧道的轴向上，当各环管片间拼装缝不错开而形成纵向通缝，即为通缝接头型式, 如图1( b)所示；如果各环管片间拼装缝错开使得纵向不能形成通缝，这样环与环之间存在一定的添接 (纵向)加强作用，此时为错缝接头型式，如图1(c)所示。由众多管片接缝将预制管片组合而成的盾构 隧道，其接头的防水就成了隧道设计中至关重要的一个问题。通醸衬砌A()管片在断面上的组合(b )通缝紂砌错縫衬砌3)错缝衬砌图1盾构衬砌管片的组
3、成及拼装方式卜您.1 Sef*menl slnn lure and l)ok form of shiehl luniiel目前管片接头型式通常是采用如图2所示的方法。主要包括传力衬垫、弹性橡胶密封垫和遇水膨胀止水条。传力衬垫主要是防止钢筋混凝土管片之间的碰撞顶裂，弹性橡胶密封垫和遇水膨胀止水条是主要防 水材料，有时会省略遇水膨胀止水条。在越江盾构隧道中，通常需要穿越饱和砂层，渗透性大且存在高水压。从目前的盾构隧道实践来看， 在建设初期防水橡胶通常能够达到隧道防水标准的要求，但在长期服役过程中，已有部分隧道，例如上海 打浦路隧道管片接缝出现过渗漏曲，但认为主要是由于隧道的纵向不均匀沉降引起的。目
4、前的越江隧道接缝防水研究主要集中在施工期防水上，认为施工中出现渗漏现象主要是由于盾构姿 态控制不良、管片错台、管片开裂、盾尾密封刷损坏或密封油脂压力不达标等因素造成3, 4。随着施工队 伍质量提升和有关部门对此问题越来越重视，此问题有逐渐降低的趋势。广州地铁二号线“赤岗一鹭江区间 隧道”接缝防水优良率达到93. 1%，竣工后的渗水量赤-客段仅为0. 020 3L / m2ydd，客-鹭段 仅为0. 033 1L/m2ydd,远低于标准允许值(0. 1L/m2ydd)。有一部分学者尝试从弹性密封垫的防水机理来开展研究68，认为防水性能主要是由密封材料性能、 形状、接触宽度和密封材料接触面压力所决
5、定的，并得到经验计算公式，对于指导工程实践具有较高的指 导价值。但其研究分析也主要是针对接缝的短期防水性能开展的。从以上的分析中，可以看出：管片接缝防水问题是一个热点问题，也是一个急切需要进一步开展研 究工作的问题；目前的研究工作较少涉及到管片接头长期防水的问题，这主要是由于我国大规模开展地 铁建设始于上世纪90年代，接头长期防水问题还没有得到足够的重视。因此，本文的研究主要从弹性密 封垫的老化和压缩后的永久变形来开展接缝防水材料的长期防水性能。2盾构管片接头橡胶试验目前盾构隧道防水条材料主要釆用三元乙丙密封垫，如图2所示。其材料性质要求如表1所示9。5）惮性密封垫斯面图（昉弹性密封垫实物图图
6、2管片弹性密封垫Fig. 2 Elastic sealed cushion of segmrnL表I弹性密封垫材斜力学壯能Table 1 Mechanical proptrtjr of elastic sealed cushion项目技术指标测试方法拉仲强度（MPa）m 10. 5GB/T 528扯断伸长率（強）350GB/T 528老化系数70 C x72 h)孑085GB/T 3512恒定压缩水久变形（晁） （室温滾24 h,压缩20%）三22GB/T 7759本文针对密封垫的长期性能开展研究工作，因此，主要是针对老化系数和压缩永久变形来开展的。试验仪器：橡胶的老化试验仪器采用恒温老化烘箱
7、，在72 C恒温下加热72 h,取出后在电子万能试 验机上开展压缩试验。根据橡胶老化前后，其压缩弹性模量的变化来反映橡胶的老化程度，老化系数=老 化后橡胶变形模量/老化前变形模量。（a ）热空气老化箱（b ）电了万能试验机图3闻性密封垫老化试验仪器F诫 3Aging ippuaratudc for elassie sealed Sshion永久压缩变形试验仪器：仪器采用图3所示的万能压缩机。将橡胶试样压缩20%,并保持24 h, 撤去压力，分别记录试样回弹10 min、30 min、60 min时的试样的高度。3弹性密封垫耐久性试验成果分析3.1弹性密封垫恒定压缩永久变形通常情况下，可取30
8、min分钟对应的压缩永久变形率作为指标参考值（压缩永久变形为老化的塑料 压缩后经过若干时间回弹后的剩余变形）。从图4中可以看出，三试样自由回弹30 min时的压缩永久 变形分别为15. 4%, 10. 8%和12. 3%,均小于表1所要求的22%,符合材料变形性质要 求。60 min后，其压缩永久变形基本上接近于零，即弹性密封垫有较好的弹性性能，不易发生不可回弹 的塑形变形，对接头防水具有较好的性能。010203040506070时间仙吋?14弹性密封垫朮久压缩变形随时间的变化Fig4 Vari it inn of peimanent fieforimLion of elastic seale
9、dcushion with lime3. 2弹性橡胶密封垫的老化试验后的压缩性能从图5中可以看出，弹性密封垫老化后，大部分试样的压缩性能有一定的降低，可以通过曲线的割 线模量来评价老化系数，割线的终点取应变为0. 375对应的点，此时对应着大多数盾构接缝弹性密封 垫的工作状态。对应的割线模量和老化系数如表2所示。0.7加 (M 0.20.304(U 0.7应变国5#件密封垫老化后的压縮性能Fig. 5 Curve of si re Li.uin far d-asiic culr(I ion表2弹性盍封经的老化前后压缩性能的对比Tahl 2 ComparisonEl謂Ik* g出alitl cu
10、s-hionbefbrt 目eh! after 咼gieig室齡材料变形模虽(MPi)老化系数(滋天然样老化前L 19试样一1-1294.2述样一1.29106.4试样I. IS.2试祥四L099L6注：老化系数=老化后的初始压缩模眉7老化前的初始压 缩模量电从表2可以看出，除个别试样存在较大的误差外，试样的老化系数均大于0. 9,能够满足表1中 材料性质所要求的0.85以上。4老化对隧道接缝防水的影响分析在密封垫和混凝土之间的接触压力P0作用下，管片接缝防水如图6所示，能够承受的最大水压由下 式计算9,10:Pmax，w=k P0混麗土管片F工弹性密擔垫:于： 密封壇握擬土管片图6弹性密封垫
11、的密封原理F聯 6 Sealing princip!e for elasLif sealed kiiUihmi弹性密封垫压缩试验条件为无侧限，而隧道接缝工作时仅能在接缝槽中发生变形，可以认为不能发生 侧限变形。因此需要将无侧限试验条件下获得变形模量转化为有侧限工作条件下的变形模量，由虎克定律 可得到如下计算公式：站（I -血叽二 U “）（1 -4）（ 2）式中：E1为无侧限时的接头止水橡胶密封垫的压缩变形模量;E2为有侧限时的接头止水橡胶密封垫的 压缩变形模量；M为泊松比，一般取为0.3。为了安全起见，根据老化后试样变形模量最低值E1= 1. 09 MPa来计算，得到E2= 1. 48 MP
12、a。接缝的接触压力可根据接缝弹性密封垫的压缩率来计算，目前弹性密封垫的原始厚度为16mm,管 片拼装后，压缩后厚度为10 mm,压缩量为6 mm。根据虎克定律，则接缝橡胶的接触压力可由下式计 算：P0= E2e（3）式中：为弹性密封垫的压缩应变，应考虑接缝张开量计算的影响。管片接缝长期防水性能应该考虑两个方面:一是考虑管片接缝弹性密封垫的橡胶老化带来变形模量的 降低，导致管片与弹性密封垫的接触压力有所降低外，另一方面需要考虑隧道纵向的不均匀沉降带来管片 接缝的张开的不利影响，这同样会带来管片与弹性密封垫的接触压力的降低。从而导致管片接缝防水性能 的降低。按地铁隧道保护条例规定的接缝张开值：按地
13、铁隧道设计要求，接缝的张开值a2 mm;接 缝密封垫不漏水，且要求环缝张开量S6mm。具体考虑两方面对管片接缝防水的影响如表3所示。表3接缝张幵及耐久性对接缝防水的影响Table 3 Influence of joint seam opening and its durabHitron joint seal quality接缝张开量0711.52460.680.65a 620. 5()0.37Pi隔)0.820.7S0 740. 590.45钱塘江最人n a水压(MPzi)tj. a从表3中可以看出，考虑接缝张开和弹性密封垫老化的影响后，即使接缝张开量达到设计要求的极 限2. 0 mm时，接缝
14、的最大抵抗水压还可以达到0. 74 MPa,大于钱塘江最大水压0. 3 MPa, 同样也大于盾构法隧道防水技术标准(DBJ 08-50-96)所要求的0. 6 MPa,满足接缝防水的要求。 即使接缝张开量达到6 mm,接缝的最大抵抗水压也可达到0. 45 MPa,远大于钱塘江最大水压0. 3 MPa,也能够保证接缝不发生渗漏现象。5结论盾构隧道由于在我国大规模建设时间较短，管片接缝长期防水性能还没有得到足够的重视。本文主要 针对管片接缝的主要防水材料弹性密封垫开展老化试验和恒定压缩永久变形试验，并对密封垫的耐久性进行初步分析。可以得到以下结论：(1) 弹性密封垫随着时间逐渐老化，其压缩变形模量
15、有一定的降低，这会降低接缝的接触压力，对接 缝防水性能有一定的影响；(2) 弹性密封垫长时间承受压力的作用，容易产生一定的塑形压缩变形，从而降低接缝的接触压力， 对接缝防水性能有一定的影响；(3) 目前盾构隧道常用的弹性密封垫三元乙丙橡胶基本上能够满足盾构隧道对接缝防水长期 性能的影响，可应用于钱塘江盾构越江隧道工程；(4) 本文的研究工作只是初步性的，主要是针对正常施工、正常使用的隧道。没有考虑盾构施工控制 不到位导致管片错台，导致橡胶接触面的减少，从而降低了管片接缝的防水性能。参考文献(References)1 王友辛.上海黄浦江打浦路隧道渗漏水治理J.中国建筑防水，1989, ( 3) : 28-29. ( Wang Youxin. Control of water leakage for Dapu Road Tunnel under Huangpu River in Shan
