盾构法隧道管片用软木橡胶衬垫的研究

刘冠瑜，李 波，庄 澎，贡 健

（江阴海达橡塑股份有限公司，江苏 江阴 214424）

构筑公路、铁路、地铁等的隧道的主要施工方法是盾构法，盾构管片是盾构法的主要装配构件，是隧道的最内层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。盾构管片由高强度抗渗混凝土制造，是盾构法隧道的永久衬砌结构，其质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性能及耐久性能。为防止拼装时破损，管片的环面和纵向面上需粘贴传力衬垫。近年来，我国在隧道工程中越来越多地使用软木橡胶作为传力衬垫。由于没有国外标准可以参照，相关设计或投标文件经常提出一些不合理甚至存在较大错误的技术指标，并互相引用，对施工质量造成不良影响。为此，国家标准化管理委员会下达2012年度质检公益性行业科研专项标准化项目《防腐、减震用橡胶新材料重要标准研究》，其中减震用橡胶新材料（包括“声屏障橡胶件”和“盾构法隧道管片用软木橡胶衬垫”）的研究和标准起草、编制由江阴海达橡塑股份有限公司 承担。

本文简介盾构法隧道管片用软木橡胶衬垫的配方和工艺试验以及标准制订情况。

1 软木橡胶衬垫在盾构管片中的应用

国外早在修建苏伊士运河阿哈默德-哈姆迪（Ahmed Hamdi）隧道（1980年建成）时就曾经将软木板与其他材料进行过对比试验，但最终采用胶乳水泥垫板。我国在盾构管片中使用软木橡胶衬垫始于20世纪80年代，首先在上海延安东路越江盾构道路隧道建设（1984—1988年）中选用软木橡胶传力衬垫用以分散应力集中[1-2]。上海市隧道工程设计研究所（上海市隧道工程轨道交通设计研究院前身）对多种材料进行研究，发现用车辆刹车胶垫材料——软木丁腈橡胶（NBR）加工的多孔软木碎粒压缩性好，掺合胶料后压缩回弹性较软木更好，泊松比更为恰当，厚度减小，造价合理。当时汽车刹车片有耐油要求，胶垫用耐油性好的软木NBR制备，试验表明可用作盾构隧道纵缝缓冲胶垫。软木橡胶传力衬垫在延安东路越江隧道实践应用比较成功，使应力均布，起到一定的缓冲作用，减少了管片边角的碎裂，客观上有助于管片混凝土结构的抗裂与防水。此后，软木橡胶衬垫作为盾构管片的传力衬垫，在上海、北京、天津、广州、武汉、成都、昆明、南宁、无锡、苏州等城市的地铁和轨道交通以及越江隧道工程得到扩大应用，引黄工程和南水北调工程也采用该 产品。

在盾构管片中应用时，根据管片的拼接方法（环缝、纵缝或变形缝）以及受力情况，选用不同硬度和厚度的软木橡胶衬垫。近20年的设计、施工和使用实践表明软木橡胶衬垫在盾构管片拼装作业中，对管片的缓冲、抗碎裂有明显效果，避免了拼装过程中管片的破损，而一旦管片被撞击破损，产生贯穿裂缝或使密封垫外露，造成隧道渗漏水，后果严重。管片、软木橡胶衬垫以及管片拼装施工如图1所示。

图1 隧道盾构管片及拼装示意

2 配方研究

软木橡胶衬垫是以橡胶与软木为主要组分的复合材料，在橡胶中加入软木粒，对橡胶产品进行改性，以此增大硫化胶的可压缩性、可恢复性等。我国自1965年起就用橡胶代替使用多年的蛋白质粘合剂，改进了软木制品的性能，扩大了用途。20世纪八九十年代，我国开发了许多软木橡胶制品，主要有车辆制动摩擦片[3-4]、铁路轨枕 垫[5-6]和密封制品[7-9]，其中在变压器密封件中的应用效果最为突出，《软木橡胶密封制品》已作为行业标准颁布[10-11]。虽然一些文献[9，12]报道过有关软木橡胶的配方设计和基本性能，但涉及盾构管片用软木橡胶衬垫的配方研究尚未见公开报道，因此本工作结合产品的使用要求有针对性地进行配方研究。

2.1 主要原材料

2.1.1 软木粉

软木由空心的微孔细胞堆砌而成，1 m3软木约有1 500万～4 000万个细胞。典型的软木细胞直径约30 μm，细胞壁厚度约1～2 μm，细胞为六边形蜂窝状结构（见图2）。软木细胞中1/2以上（以体积计）是空气，形成一个个密闭的气囊，受压后气囊变小，细胞内压力升高，失去压力时，细胞内压力降低，细胞恢复原状。橡胶与软木复合可以集软木与橡胶的优点于一体，既具有软木的可压缩性，又具有橡胶的高弹性和柔软性，可压缩性大，解压恢复率高，而且具有比橡胶高的抗压强度。利用软木橡胶的这种特性制成软木橡胶垫贴在管片上，不但可以缓冲、防撞，而且还起传力作用，缓和管片局部应力分布、分散应力集中，保护管片在运输和拼装过程中免受碰撞损坏。

图2 软木细胞的显微结构

软木的选用比橡胶复杂，因为软木化学组成复杂，软木粉粒主要是以天然树木——栎树的栓皮为原料制造而成，产地（国家和地区）、树种树龄、木栓质量、粒度以及与橡胶的复合比例均会明显影响软木橡胶的硬度、强度和压缩可恢复性。欧洲具有地中海气候的葡萄牙、西班牙以天然槠树为原料制造软木粉，其质量优于以天然栎树栓皮为原料制造的国产软木粉，但成本较高。本研究基于成本考虑，选用国产软木粉。我国软木产地分布很广，遍及300多个县市，但以环北纬32～35度的山区质量最佳，例如秦巴山区（陕西宝鸡、凤翔，四川巴中、南充等地）。

软 木 粒径 为0.15，0.18，0.25，0.38，0.52和0.83 mm时软木NBR（邵尔A型硬度为70度、含胶率30%）恒定形变下压缩可恢复性分别为92%，74%，84%，94%，88%和62%。可见，软木粒径以0.3～0.5 mm为宜。恒定形变下压缩可恢复性的试验方法参见GB/T 31061—2014附录A[13]。

2.1.2 橡胶

试验方法参照文献[13]，对比NBR、天然橡胶（NR）和丁苯橡胶（SBR）对软木橡胶压缩可恢复性以及压缩应力的影响，3种软木橡胶的含胶率均为30%，试验压缩率分别为30%（邵尔A型硬度70度）、20%（邵尔A型硬度80度）和10%（邵尔A型硬度90度），结果见图3。

图3 胶种对软木橡胶压缩性能的影响

由图3可见，3种橡胶中，SBR胶料性能最差。NBR胶料的压缩可恢复性高（回弹性好）、压缩应力小（可压缩性大），效果最好。此外NBR与软木混炼分散性较好，而且耐油（可以避免在存放和施工场所被油类污染受损）。NR胶料性能虽逊于NBR胶料，但其与软木的粘合性和强度优于NBR胶料，不过NR与软木混炼分散性较差，配合剂分散不够均匀，而且不耐油。综上所述，本研究选用NBR，结合混炼、挤出和硫化工艺，选用中高丙烯腈含量（丙烯腈质量分数为0.31～0.35）、中等门尼粘度[ML（1+4）100 ℃为45～60]的NBR。

2.1.3 硫化体系

软木橡胶一般采用硫黄/促进剂硫化体系。在橡胶中加入软木后，达到正硫化点所需的时间延长。这主要是由于软木为多孔结构，加入橡胶后对助剂有吸附作用；软木体积大，加入橡胶后混炼胶体积增大，单位体积助剂减少所致。因此，要得到相同硫化效果，需要增大硫化体系用量或增大超促进剂（如秋兰姆、硫代氨基甲酸盐）用量，但可能导致焦烧和喷霜。研究发现，添加二烷基硫脲促进剂可以在不过量使用超促进剂的情况下提高胶料硫化速率和交联程度且不喷霜，这是以往软木橡胶配方设计中未出现的，具有创新性。

在消融疗效的评价方面，常规超声作用甚微。因为消融灶为等回声，且周围没有完整的包膜，所以在常规超声上很难将消融灶与周边肝组织区别开，也就无法准确判断肿瘤消融后边界，难以评估消融的疗效。

2.1.4 防老剂

软木橡胶是浅色制品，易受日光（紫外光）攻击。试验表明[14]，使用紫外光耐候试验箱模拟自然环境进行耐候试验，按ISO 7322[15]进行评价，软木NBR的性能比原料软木下降幅度大（见表1），因此必须添加有效的防老剂。本研究选用一种受阻酚型防老剂WL[Wing-Stay L，2，2＇-亚甲基双（6-α-甲基苄基对甲酚），法国伊利欧公司中国工厂产品]，该防老剂挥发性极小、抗老化效能高、持久性长且对硫化无影响，优于常用的浅色防老剂（防老剂264，2246和MB）。

表1 原料软木与软木橡胶耐候性对比

2.1.5 补强填充剂

选用适当的补强填充剂（沉淀法白炭黑、陶土和轻质碳酸钙）并调整其用量，可达到设计硬度等物理性能以及工艺要求，并可顾及产品成本。

2.1.6 增塑剂

选用NBR常规酯类增塑剂，例如增塑剂DOP或DOTP。

2.1.7 其他

盾构管片拼装完成后，软木橡胶衬垫的任务完成，无需防水，管片接缝之间的密封防水则由设计于管片上的弹性密封垫（三元乙丙橡胶/遇水膨胀橡胶复合密封条）承担。因此软木橡胶衬垫的配方设计一般不需要考虑添加防霉剂。但是设计、施工单位如有防霉要求，经双方商定，也可添加。本研究发现添加防霉剂791（四氯间苯二甲腈），防霉等级可达二级。

2.2 优选配方

（1）邵尔A型硬度为70度级别：NBR（丙烯腈质量分数为0.34） 100，软木粉（粒径0.38 mm） 110，补强填充剂 30，氧化锌 5，硬脂酸 1，防老剂WL 1.5，增塑剂DOP 50，硫黄 2.5，促进剂（TMTD/DM/二烷基硫脲） 3.8，防霉剂791（视需求） 0或2，合计 303.8或305.8，含胶率 32.9%或32.7%。

（2）邵尔A型硬度为80度级别：NBR（丙烯腈质量分数为0.34） 100，软木粉（粒径0.38 mm） 130，补强填充剂 40，氧化锌 5，硬脂酸 1，防老剂WL 1.5，增塑剂DOP 35，硫黄 2.5，促进剂（TMTD/DM/二烷基硫脲） 3.8，防霉剂791（视需求） 0或2，合计 318.8或320.8，含胶率 31.4%或31.2%。

（3）邵尔A型硬度为90度级别：NBR（丙烯腈质量分数为0.34） 100，软木粉（粒径0.38 mm） 160，补强填充剂 45，氧化锌 5，硬脂酸 1，防老剂WL 1.5，增塑剂DOP 30，硫黄 2.5，促进剂（TMTD/DM/二烷基硫脲） 3.8，防霉剂791（视需求） 0或2，合计 348.8或350.8，含胶率 28.7%或28.5%。

3 生产工艺

3.1 混炼

软木橡胶的传统混炼方法是用开炼机混炼。由于软木呈多孔状，密度小、容积大（密度是NR和NBR的1/4～1/5），因此用开炼机轧炼困难，软木及其他助剂不易分散，粉尘大，混炼时间长，还容易粘辊或脱辊，不但影响混炼胶质量，还影响生产效率。本研究开发了用密炼机混炼软木橡胶的技术，对密炼机投料容量、混炼温度和时间、加料顺序、压砣加压次数都进行了试验，获得适宜的工艺参数，在生产中得到应用。改开炼为密炼是本研究的技术创新。

密炼参数与工艺：密炼机规格75 L，密炼机转速30 r·min-1，填充因数0.75，手工投料，按正常密炼工艺进行，但硫化体系不在开炼机上投加，而在密炼机中混炼。先将生胶与除硫黄和促进剂外的配合剂在密炼机中混炼，加料顺序为生胶→软木粉→补强填充剂→增塑剂，排胶温度135 ℃。冷却后再投入硫黄和促进剂进行混炼，至80 ℃ 排胶。

3.2 硫化

橡胶和软木的混炼胶与单纯橡胶混炼胶不同，软木的加入使橡胶的流动性明显减弱，且具有一定的不可压缩性（软木含量越大，不可压缩性越大）。因此，出片时应严格控制厚度及公差。本研究经过多次试验，了解了模压硫化前后软木的体积比，从而控制混炼胶的投料量，提高了产品的尺寸稳定性和成品合格率。产品采用1 000 mm× 800 mm平板硫化机硫化，硫化温度为150 ℃。

4 标准和性能

通过调研、资料收集、反复试验积累数据以及征求生产企业和用户意见，以江阴海达橡塑股份有限公司为首的起草单位提出了国家标准草案，国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会于2014年12月22日发布国家标准GB/T 31061—2014《盾构法隧道管片用软木橡胶衬垫》，该标准已于2015年6月1日正式实施。

由于用现行的软木密封制品标准[10-11]和非金属垫片材料标准[16]的试验方法来测试软木胶垫的压缩性能误差大，重复性不好，本研究开发了创新的试验方法——《软木胶垫恒定形变下的压缩可恢复性和压缩应力的试验方法》，使用电子拉力试验机，简便易行，误差小，重复性好。此试验方法已被GB/T 31061—2014采用。

以本研究优选配方在江阴海达橡塑股份有限公司生产的产品实际性能以及国家标准指标如表2所示。

表2 产品实际性能与国家标准指标

5 应用前景

随着我国地铁、城际轨道等公共交通的加大投入，盾构技术得到了很大发展。软木橡胶衬垫对于管片施工的防护功能至关重要，其施工操作方便、安全、可靠也得到广泛认可，成为隧道盾构管片的必备材料之一。

至2013年年底，江阴海达橡塑股份有限公司共供应了约80万环软木胶垫，约折合1 000 km的隧道（包括地铁、水利、公路、电力和输气隧道等，其中90%以上为地铁隧道），并且经多年的使用，没有出现任何不良反映，得到客户的一致好评，说明江阴海达橡塑股份有限公司的软木橡胶衬垫适应工程施工要求。随着国内大量地铁工程的上马（目前有超过33个城市在建设地铁），每年的盾构隧道工程达300 km以上。每千米大约有700环管片，每环管片软木胶垫的使用量约为3 m2，折合每千米用量为2 100 m2。软木胶垫的应用日益广泛，技术也随之日益成熟，有良好的应用前景。

致谢：本文在撰写过程中得到北京橡胶工业研究设计院谢忠麟教授级高级工程师指导并审阅，深表谢忱！