GPST工法管片接缝防水技术研究

宁佐利

(上海市城市建设设计研究总院，上海 200125)

GPST工法管片接缝防水技术研究

宁佐利

(上海市城市建设设计研究总院，上海 200125)

接缝是盾构隧道渗漏水发生的主要部位，而接缝面止水是盾构隧道防水的关键。盾构隧道接头防水是通过接缝面上的接触压力将密封材料压缩而产生堵水作用，但接触面压力又受接头错位和张开量的影响。为了解决南京地铁某GPST(地面出入式盾构)工法在超浅覆土及负覆土下掘进过程中，盾构千斤顶顶推力不足、接缝止水条难以达到预定的压缩量和挤密的问题，通过试验和仿真分析的方法，得出适用于浅覆土管片接缝的低硬度、高孔洞率止水条；止水条耐水性能试验结果表明，止水条能够满足本工程管片接缝长期止水的要求。

盾构隧道；GPST工法；接缝防水；止水条性能

0 引言

GPST(地面出入式盾构)工法是指盾构直接在地面(或地面简易导坑)完成始发和到达，而不借助深大工作井的盾构施工技术。该工法起源于日本，是解决城市复杂条件下隧道施工的有效措施之一。2003年日本株式会社大林组开始研发盾构地面始发、到达快速施工技术，2004年完成盾构试验机研制，2005年完成试验段施工，2008年在中央环状品川线大井地区进行了工程应用。

地面出入式盾构法新技术将以往通过明挖施工接线段及工作井、盾构段利用工作井作始发和接收的模式，转变为利用盾构完成整条隧道施工。该工法不用施工竖井和大开挖施工接线段，可减少明挖施工场地、缩短工期及节约结构成本，有较好的社会效益和经济效益。地面出入式盾构不同于常规盾构的关键技术之一在于管片接缝防水，而管片接缝防水的关键是接缝面防水密封材料的采用及其设置。由于盾构出入地面存在一定长度的超浅埋及负埋深段，其受力变形特性与常规盾构隧道不同，通常超浅埋段须采取抗浮措施，如顶面压重、抗浮桩、抗浮锚杆及采用高重度管片(如钢渣混凝土)等。因开挖面欠压、盾构千斤顶推力较小、管片环缝接触面压力较小、浅埋管片所受轴力小、纵缝接触面压力较小，采用常规硬度较大的止水条，盾构很难提供足够的装配力来保证管片接缝止水条的压密，所以，有必要对超浅埋管片接缝防水结构进行研究，形成适用于地面出入式盾构法的防水技术。

盾构接缝止水条的设计主要有2类方法。对于常规地铁盾构管片止水条以经验和类似工程参考来设计，而对于特殊地质条件、大直径盾构隧道以及其他特殊情况条件下则主要通过数值计算和试验来辅助设计。对于大直径、高水压条件下的管片止水条受力特性，国内已做过类似的研究[1]，如拓勇飞等[2]针对目前国内盾构隧道中承受最高水压力(0.72 MPa)的条件，提出了弹性密封垫断面优化设计的流程与方法。本文针对零覆土及负覆土条件下管片接缝止水条受力性状进行研究，目的在于探索出适用于开挖面欠压情况下的管片接缝止水条。

1 研究概况

南京某地铁区间地面出入式盾构工法试验段线路纵断面如图1所示，隧道外径6.2 m，最小埋深约1.89 m，最大埋深约5 m，穿越地层主要为粉质黏土层。

图1 线路纵断面图(单位：mm)

针对超浅埋隧道盾构姿态控制难、装配力不足等问题，采用高精度管片、斜螺栓连接及定位销(见图2)等技术，以提高管片的拼装精度，进而减少管片错台对接缝防水的影响；同时，通过研究接缝防水方式，确保超浅覆土管片的防水性能。

接缝防水采用弹性密封原理、线性密封方式、预制成型的方法，形成具有特殊断面形式的弹性密封条。通过研究不同截面形状、不同硬度密封条的防水性能，提出适合于地面出入式盾构的止水结构；采用数值模拟和试验手段对接缝(一字缝和T字缝)不同错动量、张开量下止水条的防水性能进行分析，确定合理的错动量及张开量控制指标。

2 接缝防水构造及止水条性能分析

2.1 常见止水条种类及形式

从盾构隧道接缝防水工程实践来看，止水条主要有多孔压缩型橡胶密封圈、遇水膨胀橡胶以及橡胶密封圈复合遇水膨胀材料3类。欧洲通常采用非膨胀合成橡胶，靠弹性压密来止水，以耐久性与止水性见长；日本等国家主要采用水膨胀橡胶，靠其遇水膨胀后的膨胀压止水，该做法可使密封材料变薄，施工方便；国内则趋于采用单道、多孔、特殊断面弹性橡胶密封垫和遇水膨胀橡胶复合型防水材料[2]，以膨胀反力补偿“密封垫”的应力松弛，通过分析接缝变形及止水条老化引起的应力损失来确定止水条的使用寿命[3-4]。常见的接缝止水条断面形式如图3所示。

(a)管片纵缝

(b)管片环缝

图3常见止水条断面形式

Fig.3 Cross-section types of common water sealing strips

由于管片制作误差、拼装误差及受力变形的存在，管片接缝(纵缝和环缝)存在一定的张开量和错台，接缝止水必须具备上述不利条件下的防水能力。

2.2 接缝止水条性能要求

接缝设防水压应根据短期和长期承受水压综合考虑。通常短期防水要求止水条因压缩而产生的接触面应力为设计水压力的2～3倍[5]，长期防水要求接触面应力不小于设计水压力；同时，止水条要具备一定的耐久性能，主要包括防水功能耐久性、耐水性、耐动力疲劳性、耐干湿疲劳性、耐化学腐蚀性等。止水条的性能应符合表1的规定[6]。

表1 止水条弹性密封垫物理性能Table 1 Physical properties of gaskets of water sealing strips

3 接缝止水条力学性能分析

本工程最大埋深约5 m，正常使用阶段最不利工况承受的最大水压约0.1 MPa，取0.12 MPa作为极限情况。通过对图3中的止水条断面形式进行数值分析及耐水压试验，验证接缝止水条的防水性能及装配性能。

3.1 止水条装配应力数值模拟

3.1.1 计算模型

建立密封垫三维模型，采用刚体来模拟管片密封槽对防水密封垫的侧限作用。弹性密封垫材料采用Mooney-Rivlin模型，混凝土管片采用刚体模拟，计算单元采用八节点六面体单元。有限元计算模型如图4所示。

图4 有限元计算模型

3.1.2 材料本构

相互接触的物体表面普遍存在着摩擦现象，当橡胶和金属接触时，在界面上具有比金属相接触时大得多的摩擦因数。分析选用库仑摩擦模型[7]，该模型中2个接触面在开始相互滑动之前，在界面上会有达到某一大小的剪应力产生，这种状态称为粘合状态；一旦剪应力超过此值，2个表面将开始滑动，这种状态叫作滑动状态。本构模型如图5所示。

图5 摩擦本构模型

3.1.3 边界约束条件

根据实际物理模型，有限元模型的边界条件及荷载定义为：在刚体下表面施加刚体的所有自由度约束，在密封垫的前后侧施加水平向约束。密封垫的上表面采用刚体施加垂向位移边界条件。

3.1.4 计算工况

针对图3中4种截面形式的橡胶止水条，分析不同硬度下(45，50，55，65)装配力与压缩量关系，以确定最佳止水条断面形式及硬度。不同硬度止水条的材料参数如表2所示。

表2 橡胶止水条的Mooney-Rivlin参数[8]Table 2 Mooney-Rivlin parameters of rubber water sealing strips

3.1.5 结果分析

由设计止水条高度和管片止水条沟槽深度计算得到止水条的最大压缩量约5.5 mm。在无错位情况下，止水条达到最大压缩量下的闭合压缩力及止水条压密变形量如表3所示。各工况下止水条的装配力与压缩量关系如图6所示。

表3各工况止水条的最大装配力及压密变形量
Table 3 Maximum assembling force and compression of water sealing strips under different working conditions

断面各硬度下的装配力/(kN/m)65555045压密变形量/mm断面141．530．026．619．33．0断面243．027．522．517．53．2断面372．247．739．729．23．8断面427．217．214．811．14．2

(a)断面形式1

(b)断面形式2

(c)断面形式3

(d)断面形式4

上述各截面止水条的装配力-变形曲线表明：同一断面在变形一定的情况下，硬度越大，所需的装配力越大；同等压缩量情况下，止水条内部开孔率(断面开孔面积与整个轮廓面积的比值)越大，所需的装配力越小，装配力-变形特性曲线的“平段”越明显。通常通过调整止水条的硬度、断面形状及开孔率来控制装配力-变形曲线。在超浅覆土下，盾构顶推力不足时，通过分析不同硬度、不同开孔率止水条的装配力-变形特性，并加以调整，以满足防水要求。由于本工程管片接缝所受极限水压仅为0.12 MPa，小硬度止水亦可满足接缝防水要求，试验主要通过控制开孔率，使防水达到最佳效果。

3.2 止水条耐水性能试验研究

采用模型试验模拟止水条在管片拼装过程中的装配力及接触应力，试验装置如图7所示。

图7 模型试验装置

将多孔橡胶止水条试样装配入专用的夹具中，以15 mm/min的压缩速度测试其接触面应力-变形曲线，如图8所示。

图8 止水条接触应力与变形关系曲线Fig.8 Curves of relationship between contact pressure and compression of water sealing strip

将止水条试样按一定的压缩量装配到如图7所示的实验设备上，采用间歇方式给耐压水箱加压，测定试样的密封水压。试验表明，止水条的耐水压值随装配应力的增加而呈线性增大。止水条顶部平均接触压力与耐水压值关系如图9所示。

对比数值分析结果与试验结果可知，试验得到的止水条耐水压力与数值计算结果相接近，二者比值为0.98～1.35。止水条100年的长期防水能通过数值分析的防水接触面应力乘以应力松弛系数0.65[5]得到。表4列出了各截面不同硬度下，在压缩量为2.5 mm(即接缝张开5 mm)时的长期防水能力。

图9 止水条接触压力与试验耐水压力关系Fig.9 Curves of relationship between contact pressure and test waterproofing pressure of water sealing strips

表4各工况下止水条长期耐水压力预测
Table 4 Prediction of long-term waterproofing pressure of water sealing strips under different working conditions MPa

断面硬度45505565断面10．150．200．240．37断面20．120．150．180．28断面30．200．260．310．45断面40．120．150．190．27

从表4可以看出：各种断面形式的止水条经100 年老化后，都能够满足本工程管片接缝长期止水的要求。

4 结论与讨论

通过数值分析和模型试验，对隧道盾构施工管片橡胶止水条的装配力-压缩变形特性以及耐水压性能进行了研究，并对其使用寿命进行了评估。分析表明，硬度(邵尔A)在45～65度的止水条都能够满足本工程设防水压0.12 MPa的要求，考虑到耐久性及抗老化性能，宜采用小硬度止水条。采用断面开孔率较大的止水条可以降低装配应力、延长装配力-压缩变形曲线中的“平段”，能够更好地适应工程施工技术要求。

针对实际超浅覆土盾构工程，通过提高管片拼装精度(如管片增设定位销和定位棒)、增加注浆孔及纵向通长螺栓连接等措施，来减小止水条的安装间隙和错位量，进而提高止水条的长期耐水压性能。

接缝止水性能受止水条的硬度、开孔率影响较大，目前对二者的控制尚没有明确的标准，而对上述参数的变化规律进行研究，建立参数化体系则有助于最大限度地发挥止水条的止水性能。此外，超浅覆土盾构隧道管片接缝止水效果受地面动荷载、温度应力等环境条件影响较大，尤其是在负覆土条件下，如何控制温差变化对止水条的疲劳破坏和提高止水条的性能有待于进一步的研究。

[1]吴祥祖,张庆贺,李大勇,等.南京地铁试验段盾构法遂道防水技术及渗漏分析[J].中国建筑防水,2003(4):15-17.(WU Xiangzu,ZHANG Qinghe,LI Dayong,et al.Waterproofing technology and leaking analysis for shield-driven tunnel of the Nanjing subway[J].China Building Waterproofing,2003(4):15-17.(in Chinese))

[2]拓勇飞,舒恒,郭小红,等.超高水压大直径盾构隧道管片接缝防水设计与试验研究[J].岩土工程学报,2013(S1):227-231.(TUO Yongfei,SHU Heng,GUO Xiaohong,et al.Design and experimental study on waterproof gasket of large-diameter shield tunnel under ultra high water pressure[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2013(S1):227-231.(in Chinese))

[3]王明.隧道盾构施工管片橡胶密封垫的材料和结构及产品性能特性[J].特种橡胶制品，2005(2)：45-46.(WANG Ming.Material and structure of rubber gasket for shield driven tunnel segment and characteristic of the products [J].Special Purpose Rubber Products，2005(2)：45-46.(in Chinese))

[4]陆明,雷震宇,张勇,等.上海长江隧道衬砌接缝和连接通道的防水试验研究[J].地下工程与隧道,2008(4):12-16.(LU Ming,LEI Zhenyu,ZHANG Yong,et al.Waterproofing test of lining joint and cross passage of Shanghai Yangtze River Tunnel[J].Underground Engineering and Tunnels,2008(4):12-16.(in Chinese))

[5]向科.盾构隧道弹性密封垫优化设计与试验研究[J].中国建筑防水,2010(10):30-35.(XIANG Ke.Optimization design and experimental study of shield tunnel elastic gasket[J].China Building Waterproofing,2010(10):30-35.(in Chinese))

[6]童智能,吴祥红.浅谈盾构隧道管片拼装接缝的防水处理[J].现代隧道技术,2007,44 (2):52-55.(TONG Zhineng,WU Xianghong.On the waterproofing of joints between shield tunnel segments [J].Modern Tunnelling Technology,2007,44 (2):52-55.(in Chinese))

[7]赵运臣,肖龙鸽,刘招伟,等.武汉长江隧道管片接缝防水密封垫设计与试验研究[J].现代隧道技术,2008(S1):144-149.(ZHAO Yunchen,XIAO Longge,LIU Zhaowei,et al.Experiment study and design on the watertight seal forreinforced concrete segment joint of Wuhan Yangtze River Tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2008(S1):144-149.(in Chinese))

[8]GB 50446—2008 盾构法隧道施工与验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.(GB 50446—2008 Code for construction and acceptance of shield tunneling method[S].Beijing:China Architecture & Building Press,2008.(in Chinese))

StudyonWaterproofingJointsofSegmentsinGPSTMethod

NING Zuoli

(ShanghaiCityUrbanConstructionDesignandResearchInstitute,Shanghai200125,China)

Joint is the main part where leakage occurs in shield tunnels,and the waterproofing of the joint surface is the key of the waterproofing of shield tunnels.The waterproofing of the joints of shield tunnels depends on the compression of the water sealing materials on the contact surface of the joints under the action of the contact pressure.However,the contact pressure is influenced by the dislocation and opening of the joints.Regarding GPST ( Ground Penetrated Shield Technology) applied in the construction of Nanjing Metro,the shield is boring under super-shallow soil cover or even without soil cover,the thrust force of the cylinders is inadequate,which results in insufficient compression and compactness of the water sealing strips.Tests and simulations are made in order to solve the above-mentioned problems and water sealing strips with low hardness and high porosity suitable for segments under shallow soil covers are developed.The waterproofing tests on the water sealing strips developed demonstrate that the water sealing strips developed can meet the long-term waterproofing requirements of the segments of the mentioned project.

shield tunnel; GPST method; joint waterproofing; property of water sealing strip

2013-11-01;

2014-07-07

上海市科学技术委员会科研计划项目(11231202703)

宁佐利(1975—)，男，四川内江人，2002年毕业于西南交通大学，隧道工程专业，硕士，高级工程师，现从事地下工程设计及科研工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.09.005

U 45

A

1672-741X(2014)09-0844-05