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)



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)

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。

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

0 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14 000 km[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1.7 MPa，直径为15.9 m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

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(Sanyo Chemical Industries)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

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3 国外密封垫角部开孔处理

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D twyler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。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 EPDM composite sealing gasket and water swelling rubber gasket

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的输水隧道，采用双道密封垫是合适的。由于管片在不同工况下，有内、外张角的变化，双道密封垫在施工与运营阶段可适应这种变化下的水密性。在日本土木工程学会的隧道规范“盾构法”篇中也明确规定：1)注入密封剂方式；2)在高水压与内水压作用的场合设双道密封垫；3)管片角部密封垫无缝加工3项接缝防水要则。

国内输水盾构隧道设双道密封垫防水成功的实例，可以长江口青草沙输水隧道工程为典型(见图5)。这条中等直径(6 800 mm)长距离(7.2 km)盾构隧道，管片厚480 mm，设内外2道密封垫，在设计水压0.85 MPa、错位5 mm、接缝张开6 mm时，不渗漏[12]。

近十年，考虑到密封垫的百年使用寿命，有认为双道比单道可靠的观点；同时管片直径大、厚度大时，也为设置双道密封垫提供了条件。在道路隧道工程中，武汉长江隧道率先在管片接缝中设置内外2道密封垫(外为EPDM弹性密封垫,内为遇水膨胀橡胶为主的复合密封垫)防水，接着南京长江隧道设置EPDM多孔弹性密封垫与聚醚聚氨酯弹性体膨胀各一道组合防水。此后，还陆续有多个类似工程实践。笔者认为这种努力也有意义；虽然，根据橡胶老化机制推断，双道密封垫在正常工况下的失效是趋近于同时，但不排斥施工损害与劣质材料会使其中一道先失效。

图5 青草沙过江管隧道管片接缝防水(单位：mm)

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

设计管片接缝设双道密封垫时，除确定密封垫压缩应力特性外，还必须计算每道密封垫的闭合压缩力，否则拼装成环时接缝；尤其是纵缝，如环向螺栓紧裹不足而不易闭合，封顶块管片插入就很困难、衬砌环椭圆度会加大、管片外沿混凝土损裂碎落等影响拼装与防水的隐患不少。因此，设计时应有充分的室内、现场试验与计算为支撑。

2.2 设置单道密封垫之技术要点

如上所述，过去国内一直秉承在高精度钢模制作高精度管片的前提下，单道弹性密封垫能充分满足防水要求的观点。单道密封垫成功例子有很多，较近的是上海崇明长江隧道。国内，对于直径较小，管片厚在320～350 cm的地铁隧道管片，更只设一道密封垫。在20世纪，国内除在水工盾构隧道采用双道密封垫外，在大直径的铁路、公路隧道上很少设双道密封垫。与此同时，除水工隧道外，国外大直径盾构隧道也极少釆用双道接缝密封垫,东京湾道路隧道在管片内侧设一道缓冲垫片的槽，易误认为第2道防水线，其实还是单道密封垫。曾为业界瞩目的易北河第4(公路)隧道(The Fourth Eibe Tunnel)是设2条密封垫的少有例子。为防渗漏水窜流，其中间设竖向隔断，可在间隔区注浆止水。但是，设双道总的闭合压缩力加大，环面平整度难掌握、堵水效果有限等，工程实践不太成功，在欧洲防水界进而以“与其勉强设置双道密封垫还不如做好单道密封垫更可靠”的观点为主流，并在密封垫的设计与试验、材料与加工方面下功夫，这种做法也是可取的。

外沿挡水条的功效是挡地层泥砂及同步注浆浆材、盾尾密封油脂。国外采用不考虑其挡水作用的海绵条，国内有用遇水膨胀橡胶的，它兼有挡水功能，效果也好，但不应看作一道设防。

3 管片接缝密封垫今后研究的课题

3.1 劣质密封垫或受损密封垫取代的研究迫在眉睫

橡胶密封垫劣质材料、以次充好的行径屡禁不止。众所周知，橡胶价格与石油市场价格实际挂钩，近二十年，石油价格从飙升到回落，总趋势仍呈上升，而橡胶密封垫工程招标价却几乎不变，这里有背离施工定额、违反优质优价原则的情况，更有厂家故意压价恶性竞争，这势必引起少数不良企业造假，在价格上涨期 (譬如2011年EPDM涨至5万元/t，个别地铁工程密封垫招标价却低于现今) 尤甚，结果有厂家在原料中大掺再生胶、二次再生胶。数十年后甚至短时间内，密封垫破碎、断裂或出现渗漏沉降等严重后果。

笔者认为，当前除了管理上要加强材料监督与检验、建立快速检测机制、完善密封垫的招标要求外，如何在今后的设计中留有密封垫失效取代的后备措施，乃是当务之急。

这种预案目前还只有粗略的构想，如借鉴埃及艾哈迈德·哈姆迪(Ahmed Hamdi)隧道及上海大连路越江隧道有过的“管片环纵接缝预留注入密封剂通道与沟槽” 方案 ，将来压入液态密封胶(或橡胶) 作为置入新防水线(防流窜是关键)；又如改变管片嵌缝槽外形，研制嵌入式膨胀类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缝密封垫的不同设计

目前，盾构隧道埋深不断创记录；同时，盾构直接从地面破土开挖的浅埋隧道正在开发。因此，同一条隧道的不同埋深段，有必要采用不同的接缝密封垫，变化类型有：1)密封垫外形、尺寸不变(即密封垫沟槽全部相同)，中间孔位可变；2)密封垫外形、尺寸、中间孔位都不变，但橡胶硬度变化(笔者认为这易影响材料蠕变与应力松弛等特性)；3)接缝密封垫沟槽与密封垫，均对应埋深，按高低不同分别设防。第1类和第2类方式总体上较简单，且可以满足防水要求，但也不排斥第3类方式。总之，要因地制宜加以选用。

3.3 管片接缝密封垫的设计与应用需要研究的若干问题

3.3.1 重视框形密封垫角部的设计与加工

如同前述，管片十字缝、T字缝是渗漏水的重点。早期，密封垫角部制成上翘方式，以加强防水，结果适得其反。以后，改成平直面，再后来在角部孔、脚槽处挖空。由于国外是由供应商作具体商品设计、研究与加工，所以设计与理论研究，试验设备与生产工艺都在工厂一体化。拿角部加工这点来看，国内的设计与研究就有脱节现象。

3.3.2 合理确定密封垫设防与试验指标

目前，常对密封垫水密性要求过高，确定设防的依据不足，如处于高水头压力下，应采用遇水膨胀材料复合的密封垫,这时因膨胀应力能抵消压缩应力松弛,故设计水压力未必以2倍计。另外，接缝的张开值虽说是按公式计算所得，但有2个估值，转换半径最小处实际只在一个点上，而最大错台如也要落在此点，结果往往高估。若试验时密封垫水密性勉强满足高值，代价是降低了它的施工性、耐久性，那显然是有违初衷的。

3.3.3 应更强调密封垫研究与工程实践切合

正如“引言”所述，国内依托工程项目，结合接缝密封垫水密性、应力应变特性及蠕变、应力松弛等室内试验，进行有限元计算等数理模拟研究日趋深化。今后应继续强调管片拼装控制、隧道转弯与竖曲线段以及运营阶段沉降、矩形盾构土体对管片紧裹力与传统圆形盾构差别等工程实际对密封垫的影响研究。

此外，密封垫在管片生产时就“锚合”于接缝混凝土沟槽中的做法在国外也已有多年。以色列ES Rubber 公司的与混凝土“锚合”的密封垫如图6所示。由图6可知：此类密封垫带底边、有小钩，可与混凝土“锚合”。在水压高、错台量大时，它脚部不会跷曲，密封可靠，这些优点也是值得研究的，当然管片生产的难度会加大。

图6 以色列ES Rubber 公司的与混凝土“锚合”的密封垫

3.3.4 加强密封垫防水功效在工程中的监测、鉴别

由于管片接缝渗漏，往往不全是密封垫造成的，管片结构构造设计合理性、拼装与推进质量等都会是影响因素，客观上缺乏科学的分析与鉴别，未能对密封垫失效有精准的探究，而主观上设计、施工、建设单位对项目中的弊端不愿披露，对密封垫的不足，反映缺失，这些都影响了密封垫的技术进步。

4 结论与建议

1)弹性橡胶密封垫仍将以EPDM为主要材质。建议增加它与遇水膨胀聚醚聚氨酯弹性体组成的复合密封垫的应用，而微波硫化一次挤出的加工工艺应是生产的技术方向。

2)地铁等较小断面隧道管片接缝应持续设置单道密封垫防水；水工隧道则拟设置抗内、外水压的双道密封垫防水；大直径道路隧道接缝，为耐久性与可靠性设计，也可设置双道密封垫，但必须通过实验与计算，合理确定它们的闭合压缩力，否则会适得其反。

3)随着深埋盾构隧道建造的增加，会倾向于设计“蜂窝”状断面的密封垫，这时它的胶料硬度大于邵尔A70°为好。

4)劣质密封垫与失效密封垫的取代措施应是从速开展研究的问题，文中提出了2条基本思路，以供参考。

5)应避免对接缝密封垫设计与试验指标片面提高的追求；同时，对密封垫框的四角应进行去除“气囊”效应等特殊处理的研究。

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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：zhuzuxi_712@163.com。

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

U 45

A

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