盾构隧道管片接缝密封垫防水技术的现状与今后的课题

收稿日期：２０１６－０６－０２；修回日期：２０１６－０６－２２作者简介：朱祖熹（１９４３—），江苏苏州人，１９６５年毕业于华东化工学院（现华东理工大学），有机合成专业，本科，教授级高级工程师，从事隧道与地下工程防水设计、研究、施工５０年，是隧道与地下工程防水专业的资深专家。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。盾构隧道管片接缝密封垫防水技术的现状与今后的课题朱祖熹（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海　２００２３５）摘要：在追溯盾构隧道接缝防水密封垫的技术发展历程的基础上，通过对防水密封垫材质选用与加工方式，弹性橡胶、遇水膨胀橡胶及复合橡胶密封垫各自的功效及其在不同隧道类别、不同使用条件下的应用，单道密封垫与双道密封垫设置的评价等反映密封垫防水技术的现状，进而提出劣质密封垫或受损密封垫取代、管片接缝密封垫的设计与应用等研究课题。关键词：盾构隧道；复合密封垫；微波硫化；闭合压缩力；密封垫失效取代ＤＯＩ：１０．３９７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－７４１Ｘ．２０１６．１０．００２中图分类号：Ｕ４５　　　　　文献标志码：Ａ　　　　　文章编号：１６７２－７４１Ｘ（２０１６）１０－１１７１－０６ＳｔａｔｅｏｆａｒｔａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｉｎｇＤｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆＷａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＳｅａｌｉｎｇＧａｓｋｅｔｏｆＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌＳｅｇｍｅｎｔＪｏｉｎｔｓＺＨＵＺｕｘｉ（ＳｈａｎｇｈａｉＴｕｎｎｅｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ＲａｉｌＴｒａｎｓｉｔＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｓｅａｌｉｎｇｇａｓｋｅｔｏｆｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｓｅｇｍｅｎｔｊｏｉｎｔｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇｇａｓｋｅｔｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｅｌａｓｔｉｃｒｕｂｂｅｒ，ｗａｔｅｒｓｗｅｌｌｉｎｇｒｕｂｂｅｒａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｒｕｂｂｅｒｇａｓｋｅｔａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｔｕｎｎｅｌｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓｏｎｓｉｎｇｌｅｇａｓｋｅｔａｎｄｄｕａｌｇａｓｋｅｔｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇｇａｓｋｅｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｅｒｍｓｏｆｉｎｖａｌｉｄｇａｓｋｅｔｒｅｐｌａｃｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｅａｌｉｎｇｇａｓｋｅｔ；ｍｉｃｒｏｗａｖｅｃｕｒｉｎｇ；ｃｌｏｓｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｆｏｒｃｅ；ｉｎｖａｌｉｄｓｅａｌｉｎｇｇａｓｋｅｔｒｅｐｌａｃｉｎｇ０　引言随着国内隧道工程建设飞跃的发展，盾构法施工隧道在数量递增的同时，也逐渐向超大直径、大埋深方向发展。从数量上看，至２０１１年底规划的５３个城市中地铁有３９６条，线路长１４０００ｋｍ［１］，其中盾构区间隧道全面增加；从难度观察，如：要求抵抗最大水压为１．７ＭＰａ，直径为１５．９ｍ的琼州海峡［２］等大埋深隧道也已出现，这对盾构隧道接缝防水的最重要防线橡胶密封垫来说是个严峻的考验。目前，相关文献对管片接缝橡胶密封垫技术的研究日趋深入，更侧重于密封垫防水机制研究，如刘建国等［３］对密封垫防水机制进行阐述，对孔壁失稳与闭合压缩的过程及孔洞气囊效应进行探索；罗驰等［４］研究了在压缩量较大时，对孔排布断面的稳定性明显不如错孔排布断面，对于不对称沟槽，弹性密封垫优化时应优先考虑错孔排布的密封垫型式；高波等［５］结合隧道拼装的椭圆度与内外张角的关系，讨论密封垫的失效机制；王湛［６］研究得出在接缝张开的情况下，渗漏主要发生在密封垫间的接触面上；接缝错开的情况下，随错缝位移的增大，渗漏发生在密封垫与混凝土间的接触面上。笔者认为从管片接缝橡胶密封垫的材质与加工工艺、管片接缝设置单道或双道橡胶密封垫的要点等角度来探求密封垫的技术现状，提出今后的管片接缝密封垫的设计与应用研究课题，颇有必要。１　管片接缝橡胶密封垫的材质与加工工艺１．１　国内的材质选用与加工方式１．１．１　弹性橡胶密封垫国内早期采用弹性橡胶密封垫，断面也是有脚槽　　的，并布有少数圆孔，用以氯丁橡胶（ＣＲ）为材质、模压热硫化加工密封垫，到了２０世纪９０年代中期，采用了以三元乙丙橡胶（ＥＰＤＭ）为胶料的多孔多槽断面弹性密封垫，适应微波热硫化的加工制造方式［７］。为满足管片接缝水压、张开量及错位量的加大，密封垫断面构造日趋复杂多样，ＥＰＤＭ已成为材质的主流。ＣＲ微波硫化工艺的加工性，因分子极性大，不如ＥＰＤＭ，此外，ＣＲ国产胶的售价明显高于ＥＰＤＭ，进口胶价格更高。随着日本、德国公司在上海、常州生产ＥＰＤＭ，其价格总体呈下降趋势，故它稳居密封垫用胶量之首位。对特殊功效的盾构隧道，如热力管道隧道，管片接缝温度大于４０℃，采用硅橡胶（ＶＭＱ）为密封垫材质。由此可见，材质的选用常与隧道功能相适应。另外，每块管片密封垫被加工成框形，过去其四角由角模压成拐角预制件，由它与直条状胶件，通过模压、热接成框。这时，拐角部位往往为实芯。如今，已不必预制角件，将直条状胶件直接４５°斜接而成，从而保证角部密封垫孔、槽间完全或部分相通，使管片Ｔ字、十字缝角部橡胶不会鼓起成“肉瘤”，江阴海达橡胶厂、上海隧桥橡胶厂在这方面有所突破。１．１．２　遇水膨胀橡胶类密封垫国内在２０世纪８０年代初就借鉴日本经验研制成功遇水膨胀橡胶类密封垫。上海地铁６号线与８号线，广州地铁１、３、５号线部分区间隧道；岳阳城陵矶长江输水隧道；南京三江口西气东输过江隧道［８］；上海合流污水治理隧道等管片接缝都采用过单道遇水膨胀橡胶类密封垫。国内西北橡胶研究院率先研制了聚醚聚氨酯弹性体类膨胀材料，它长期浸水析出率很低；但总体而言，由于对膨胀材料含量与性能，尤其耐久性监控困难，目前，在管片接缝密封垫中处于辅助地位，有时用作双道密封垫中的一道，或作为复合型密封垫中的覆盖层、变形缝管片密封垫的加贴层，及管片接缝挡水条。１．１．３　复合型橡胶密封垫由早期的粘合与嵌合方式复合到现今同步微波硫化一次复合，解决了不同材料与形状的橡胶硫化速率相异的难题，使复合型密封垫性能互补性与尺寸稳定性获得提高，值得推广。图１是复合型密封垫及复合方式（嵌合方式与微波一次硫化方式），而这种复合主要在密封垫顶面，也可在密封垫脚部。１．２　国外的材质选用与加工方式１．２．１　欧、美洲弹性密封垫的材质选用与加工方式欧、美污水隧道、地铁隧道等管片使用接缝小断面的弹性密封垫常用丁腈橡胶（ＮＢＲ）、ＣＲ为材质（见表１），如德国慕尼黑地铁、委内瑞拉加尔加斯地铁、英国谢斯菲尔德污水隧道。这与密封垫断面构造简单、设计防水够用即可的要求（接缝张开量小，水压较低）有关，与硫化方式有多种（模压、微波、盐浴、油浴、硫化罐等）也相关，而国外ＣＲ与ＥＰＤＭ价差小也是原因。当然对深埋、大直径隧道，国外也都用形式不一的多孔多槽状、甚至“蜂窝”状断面密封垫（这时橡胶硬度需大于邵尔Ａ７０°，方可构成“骨架”支撑），以ＥＰＤＭ通过微波加热、均匀硫化成型，使复杂的断面形状不走样。另外，见图１（ｂ）左，密封垫在管片生产时就置入沟槽，靠脚部小钩与所浇混凝土“锚合”，定位更牢靠。在国外，道路隧道内因有废气排放、油滴等污染，密封垫有用ＮＢＲ和ＣＲ的，但毕竟腐蚀有限，实际用ＥＰＤＭ微波硫化的也不少，见图２（ｂ）。加拉加斯地铁用ＣＲ模压制成［９］，见图２（ａ）。（ａ）国内嵌合方式（左），微波一次硫化（右）（ｂ）国外微波一次硫化图１　复合型密封垫及复合方式（单位：ｍｍ）Ｆｉｇ．１　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｅａｌｉｎｇｇａｓｋｅｔａｎｄｃｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄ（ｍｍ）　　由于框形密封垫四角拼装常有起“鼓”问题，目前，国外为削弱角部气囊效应，如图３所示从外面钻孔打通，既是减小、避免角部应力集中，也是密封垫在管片生产时置入沟槽后，与钢模固定所需。尽管笔者对此做法尚有质疑，但认为对密封垫角部作特殊处理很有必要。１．２．２　日本为主的遇水膨胀橡胶（弹性体）密封垫的材质选用与加工方式日本与东亚（如韩国、中国台湾及新加坡）的一些工程采用了遇水膨胀类材料（包括硫化型遇水膨胀橡胶和聚醚聚氨酯膨胀类弹性体材料），自２０世纪８０年代始，日本在遇水膨胀橡胶密封垫技术上不断创新，以旭电化（Ａｄｅｋａ）、西亚化成（Ｃ．Ｉ．ｋａｓｅｉ）公司为代表，从开始追求材质高膨胀率，到后来一直坚持低于４００％的膨胀倍率，从采用掺加丙烯酸树脂聚氨酯预聚体等膨胀树脂、由混炼机混炼、硫化成型的橡胶，进而使用反应釜合成、反应完全、结构稳定的纯聚醚聚氨酯弹性体类遇水膨胀材料，体现了较大的技术进步。后者以三洋化成（ＳａｎｙｏＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ）的ＡＱＵＡＰＵＲＥＮＥ系列材料为代表，其特点是超低的质量变化率，而且随膨胀倍率的增大，材料物理力学性能下降较少［１０］。早稻田大学理工学院大冢正博博士［１１］认为：合成橡胶以化学反应２７１１　隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　第３６卷　速率理论为基础的长期性评价法的阿累尼乌斯（Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ）方法，对判断遇水膨胀材料的耐久性缺乏适用性。由于水膨胀密封材料的差异，升温加速老化的试验对耐久性评价困难，难点在于膨胀应力在不同压缩条件下能抵消多少压缩应力松弛，其中膨胀树脂的析出率是关键。国内的研究对此也有共识。表１　管片接缝密封垫的选型表Ｔａｂｌｅ１　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｓｅａｌｉｎｇｇａｓｋｅｔｆｏｒｔｕｎｎｅｌｓｅｇｍｅｎｔｊｏｉｎｔｓ　隧道类别适用条件材质与断面对应的断面与尺寸／ｍｍ地铁或污水隧道低到中的水头压力　耐污水，压缩变形量小的断面与较软框形圈角部道路隧道　较大直径、管片错位较大、有废气与油污　应用稍宽的断面，可以ＣＲ、ＮＢＲ为材质给水隧道高水压、饮用水　应有稳固的断面与符合饮用水使用标准的橡胶深埋铁路隧道　很高水压，有圆度，接缝局部应力大　应有坚实、硬度较大、能回弹复原的断面，ＥＰＤＭ材质混合废水充盈隧道中等水压，适应压力变化的断面双道密封垫ＥＰＤＭ材质　注：表３中“对应的断面与尺寸”一列为德国地下交通设施研究会（ＳＴＵＶＡ）推荐的、使用于不同水压的密封垫断面图。（ａ）加拉加斯地铁隧道密封垫（ｂ）易北河第４道路隧道密封垫图２　国外两隧道密封垫断面（单位：ｍｍ）Ｆｉｇ．２　Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｓｏｆｄｕａｌｓｅａｌｉｎｇｇａｓｋｅｔｓ（ｍｍ）图３　国外密封垫角部开孔处理Ｆｉｇ．３　Ｏｐｅｎｉｎｇｏｆｓｅａｌｉｎｇｇａｓｋｅｔａｂｒｏａｄ欧洲早期几乎不用遇水膨胀密封垫，这以著名的Ｐｈｏｅｎｉｘ、Ｔｒｅｌｌｅｂｏｒｇ公司为代表，但同样有影响力的Ｄｔｗｙｌｅｒ公司，较早就用ＥＰＤＭ与遇水膨胀橡胶复合密封垫Ｃｏｅｘｓｗｅｌｌ，如今这种做法在防水要求高的工程中逐渐增多，而同步微波硫化一次复合技术也更成熟。３７１１　第１０期　　　　　　　　　　　　　　朱祖熹：　盾构隧道管片接缝密封垫防水技术的现状与今后的课题　其中膨胀橡胶的倍率通常在４００％，少数有高达６００％以上。图４为国外某公司复合型橡胶条，膨胀橡胶为高膨胀率的。笔者认为其吸水率过高，材料长期性能总会下降。图４　ＥＰＤＭ与遇水膨胀橡胶（高膨胀率）复合密封垫Ｆｉｇ．４　ＥＰＤＭｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｅａｌｉｎｇｇａｓｋｅｔａｎｄｗａｔｅｒｓｗｅｌｌｉｎｇｒｕｂｂｅｒｇａｓｋｅｔ就加工方式而言，遇水膨胀橡胶密封垫，多为模压或挤出成形，也有用先浇铸、再切割、粘合成形。断面通常是实心的，它也制成框形（角部多热胶合或冷粘），但断面尺寸小者，可直接用挤出长条沿管片四周兜绕成环。２　管片接缝设置单道或双道橡胶密封垫的要点２．１　设置双道密封垫之技术要点国际上认为受内外水压力作用