苏通GIL综合管廊超高水压盾构隧道接缝防水性能试验研究

金跃郎， 丁文其， 肖明清， 孙文昊， 吴炜枫， 叶美锡， 涂新斌

(1. 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系， 上海 200092； 2. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室， 上海 200092； 3. 杭州市下城区住房和城市建设局, 浙江 杭州 310006； 4. 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063； 5. 国家电网有限公司， 北京 100031)

0 引言

随着地下空间开发需求的多元化，近年来，盾构隧道在大直径输水、深层排蓄水、电力等多个领域得到快速发展。同时，随着盾构法施工技术与工艺的不断突破，盾构隧道在不断迎接大直径、长距离、超埋深、高水压等多方面的挑战。对于大直径、超埋深、高水压的盾构隧道，除了需解决衬砌结构内力性能的关键问题之外，其防水性能关键技术研究同样面临巨大挑战。因此，为了满足越来越高的防水要求，管片接缝防水技术需不断改进与突破。

在防水设计上，随着隧道深度不断变大，设计水压从高水压到超高水压发展。南京纬三路隧道最大水压为0.72 MPa[1]，广深港高速铁路狮子洋隧道为0.67 MPa[2]，南京长江隧道为0.65 MPa[3]，武汉长江隧道为0.57 MPa[4]，本文所述工程最大水压高达0.80 MPa，盾构隧道防水设计面临巨大挑战。

在高水压地层条件下，盾构隧道一旦出现局部渗漏，将引起隧道衬砌结构性能劣化[5]，在长期渗漏的情况下，隧道安全性能将无法保证。对于高水压大直径盾构隧道管片接缝防水，国内外多采用双道防水形式，如德国易北河第4座道路隧道、上海青草沙过江隧道等大型水下隧道工程。

针对苏通GIL综合管廊超高水压盾构隧道大直径、长距离、高水压、高要求的特点，目前已有的大断面盾构隧道管片接缝防水密封垫断面结构形式已无法满足其设计需求。故针对该项目超高水压管片接缝防水这一关键问题展开研究，管片接缝将采用双道弹性密封垫防水方案，在管片接缝的内侧和外侧各布置1道密封垫。通过大量工程调研、断面设计及数值计算，对比分析筛选出初步断面，并通过压缩性能试验和防水性能试验对所选断面进行验证。

1 盾构隧道接缝防水设计要求

1.1 项目概况

淮南—南京—上海1 000 kV交流特高压输变电工程苏通GIL(气体绝缘输电线路)综合管廊工程，是世界上首次在重要输电通道中采用特高压GIL，也是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、技术水平最高的超长距离GIL创新工程，对华东地区经济发展具有重大意义。本工程的隧道工程部分采用盾构法施工，其最大水压值高达0.80 MPa，为目前国内盾构隧道水压最高值，其平面图如图1所示。

图1 苏通GIL综合管廊工程平面图

1.2 防水性能指标

类比相关工程案例，为减小渗漏水发生概率，增大隧道运营安全系数，本工程采用双道三元乙丙(EPDM)弹性密封垫防水方案，其中定义近衬砌外弧面一侧为外道，近衬砌内弧面一侧为内道。与公路交通隧道不同的是，本隧道为特高压GIL综合管廊隧道。建成使用后，隧道内部将长期处于相对高温状态，故在密封垫防水设计中，需考虑隧道运营时内部环境温度对隧道的影响。防水性能指标计算公式为

防水性能指标=(理论水压值×安全系数)/压缩应力保持率。

(1)

式中： 理论水压值为0.80 MPa； 压缩应力保持率与环境温度有关，内外道密封垫有所不同。

综合管廊隧道设计使用年限为100年，为长期性地下建筑。外道密封垫环境温度按20 ℃计算，根据橡胶老化性能预测公式[6]，三元乙丙橡胶100年以后的压缩应力保持率为65%； 而内道密封垫环境温度大于外道，考虑运营过程中温度变化的影响，根据相关计算，平均可按30 ℃进行橡胶老化性能预测计算，得到三元乙丙橡胶100年以后的压缩应力保持率为50%。国际上一般考虑安全系数为1.2～1.4，本工程隧道属于高水压隧道，考虑到外道密封垫是隧道第1道防水防线，将外道密封垫的安全系数定为1.3，而内道为第2道防水防线，按1.2计算。

由式(1)得出： 内道密封垫防水性能指标为1.92 MPa，外道为1.60 MPa。

此外，还需综合考虑接缝防水能力对接缝误差的适应性，即接缝在指定张开量和错缝量的情况下才能达到设定防水值，这对密封垫的设计提出了更高要求。主要应考虑防水产品的容错能力，考虑因素如下： 1)管片尺寸公差为±1 mm，直接影响接缝张开量和错缝量。2)管片形位公差为±2 mm，直接影响接缝张开量和错缝量。3)机械能力。环向精度直接影响管片错缝量±5 mm，纵向扭力直接影响接缝张开量±2 mm。4)人为因素、环境影响因素直接影响管片错缝量±2 mm。5)密封垫配合面尺寸公差为±1 mm，直接影响密封垫的对接错缝量。因此，得到管片拼装偏差累计值： 最大张开量为8 mm，最大错缝量为15 mm。故接缝在张开量为8 mm、错缝量为15 mm的极限情况下才能满足设计要求。

1.3 装配力要求

采用双道密封垫接缝防水形式，在接缝渗漏水概率减小的同时，接缝密封垫闭合压缩力增加。本项目所用盾构的最大装配力为130 kN/m，故该接缝密封垫闭合压缩力需小于盾构的最大装配力。

2 盾构隧道接缝防水密封垫设计

本项目内道和外道密封垫沟槽设计不同(如图2所示)，需对内道和外道密封垫分别进行断面设计优化分析和试验验证。参考相关工程经验，在密封垫材料方面，选用具有良好耐老化性能的三元乙丙橡胶(EPDM)作为密封垫的主体材料。在密封垫型式设计方面，结合管片接缝防水性能数值模拟相关研究，通过理论分析、初选断面、模型验证，最终筛选出较优的密封垫型式进行防水性能试验，具体过程不在此文中赘述。

(a) 外道密封垫沟槽

(b) 内道密封垫沟槽

根据大量的数值模拟对比与分析，并基于目前国内高水压盾构隧道工程中的密封垫断面型式[7-12]，优化得出内外道密封垫断面，如图3所示，并作为下文所述的试验对象。

(a) 外道密封垫断面

(b) 内道密封垫断面

3 密封垫装配压缩性能试验

为满足密封垫装配力要求，需在接缝防水性能试验的同时，进行装配压缩性能试验，以获取密封垫的装配压缩性能数据。

3.1 试验工况

为满足施工装配要求，在满足接缝密封垫耐水压值要求的同时，还需满足在盾构最大装配力下内外双道密封垫均能压缩闭合的条件。考虑到橡胶材料硬度对密封垫压缩性能影响较大，分别对不同硬度(硬度计示值为67和60)的同一断面密封垫进行试验。密封垫橡胶材料的硬度参考相关国家标准[13]。密封垫压缩性能试验工况如表1所示。

表1 密封垫压缩性能试验工况

3.2 试验装置

根据相关国家标准规范[13]，密封垫压缩性能试验装置如图4所示。

1—导向套； 2—沟槽下模块； 3—橡胶密封垫； 4—沟槽上模块； 5—端面封板。 标准密封垫试件长度为200 mm， 试验时导向套与沟槽上模板之间接触光滑。

图4 密封垫压缩性能试验装置[13]

Fig. 4 Schematic diagram of sealing gasket compression test device[13]

弹性密封垫装配压缩性能试验采用HUALONG多功能拉压试验机加载，如图5所示，仪器可自动读取压缩力和密封垫压缩量。

图5 密封垫装配压缩性能试验仪器

3.3 试验方法

试验过程严格按相关规范要求[13]，采用位移控制的方式，加载范围为0～22 mm，竖向压缩增量为1 mm，密封垫每压缩1 mm记录1次竖向压缩力数据。1次试验结束后卸载，观察密封垫的回弹情况，将同一组密封垫重复进行2次试验，以观察密封垫的2次压缩性能和反复承受荷载的能力。密封垫试件在压缩过程中的变化如图6所示。

(a) 初始压缩

(b) 压缩过程中

(c) 压缩至接缝闭合

3.4 试验结果

3.4.1 外道密封垫

对工况1和工况2进行密封垫装配压缩性能试验，分别得出其压缩力-压缩量曲线，如图7所示。由试验结果可知，对于外道密封垫而言，在相同压缩量下，硬度为60的试件压缩力均小于硬度为67的试件。当密封垫硬度为67、张开量压缩至2 mm(对应压缩量为20 mm)时，压缩力为65 kN/m；而当外道密封垫硬度为60、张开量压缩至2 mm(对应压缩量为20 mm)时，需要的压缩力为55 kN/m，较硬度为67时减小约15%。降低硬度对降低闭合压缩力的效果明显。

3.4.2 内道密封垫

同样，对工况3和工况4进行密封垫压缩性能试验，试验结果如图8所示，内道密封垫硬度同样对密封垫闭合压缩力存在较大影响，且更为明显。当内道密封垫硬度为67、接缝张开量压缩至2 mm(对应压缩量为20 mm)时，需要的压缩力为60 kN/m； 而当外道密封垫硬度为60，张开量压缩至2 mm(对应压缩量为20 mm)时，需要的压缩力为43 kN/m，较硬度为67时减小约28%。

图7 外道密封垫压缩性能曲线

图8 内道密封垫压缩性能曲线

密封垫压缩性能试验结果汇总如表2所示，内道和外道密封垫在相同压缩量下，硬度为60的试件压缩力均小于硬度为67的试件压缩力，且内道密封垫闭合压缩力小于外道密封垫闭合压缩力，因为内道密封垫宽度较小。就密封垫压缩性能而言，在130 kN/m的盾构装配力条件下，所设计的内道和外道密封垫均可将接缝张开量压缩至2 mm以内。考虑管片接缝间实际还存在一定厚度的传力衬垫，此时该接缝已接近于闭合状态。此外，也可通过紧固螺栓等方式将接缝安装至满足要求。

表2 密封垫压缩性能试验结果

4 盾构管片接缝防水性能模拟试验

4.1 试验工况

针对所设计的密封垫断面型式进行防水性能试验，在考虑不同硬度(硬度计示值为67和60)的基础上，确定密封垫在不同接缝张开错缝量下的实际防水能力。接缝防水性能试验工况汇总如表3所示。密封垫橡胶材料的硬度参考相关国家标准[13]。

表3 接缝防水性能试验工况

4.2 试验方法

采用同济大学研制的可三向自动加载的高水压盾构隧道管片接缝防水性能试验系统进行试验，如图9所示。防水性能试验主要步骤如下： 1)通过位移加载，控制接缝到指定张开量、错缝量； 2)加载水压，直至密封垫防水失效； 3)彻底卸载，待密封垫恢复到最初状态，重新加载到下一个工况指定的接缝变形量进行防水性能试验。

图9 可三向自动加载的高水压盾构隧道管片接缝防水性能试验系统

Fig. 9 Waterproof test system of high-pressure shield tunnel segment joints with automatic loading in three directions

4.3 试验结果

在错缝量分别为0、 15 mm时，对所设计的双道密封垫进行了“一”字缝防水性能试验，并记录其防水失效现象和防水能力。

4.3.1 防水失效

根据试验记录可知，由于目前密封垫转角采用实心转角硫化搭接，试验中接缝密封垫防水失效主要是角部漏水，如图10所示。

图10 接缝防水失效

4.3.2 防水能力

汇总不同密封垫、硬度、错缝量的试件试验结果，如表4所示。

表4 苏通GIL隧道超高水压接缝防水性能试验结果

密封垫的防水能力受密封垫型式、硬度和错缝量的影响。在相同错缝量和硬度的条件下，内道密封垫防水能力均高于外道密封垫防水能力，其原因在于断面型式的差异导致接触应力分布不同。同一个断面在相同硬度下，接缝错缝量越大，密封垫防水性能越低，因为错缝导致密封垫有效接触面积和宽度减少，不利于接触应力的有效分布，从而使防水性能降低。同一断面在相同错缝量条件下，密封垫硬度越高，其防水性能越高，因为硬度越高，相应的压缩力越大，接触应力越高，越利于接缝防水。

综合密封垫压缩性能和防水性能试验结果可知： 1)当密封垫硬度为67时，双道密封垫闭合压缩力为125 kN/m，满足130 kN/m的装配力要求； 2)在张开量为8 mm、错缝量为15 mm的条件下，外道密封垫防水能力为1.80 MPa，内道密封垫防水能力为1.94 MPa，可满足外道1.60 MPa、内道1.92 MPa的防水性能指标要求。综上所述，设计的接缝密封垫可满足苏通GIL综合管廊超高水压盾构隧道接缝防水要求。

5 结论与建议

通过国内外工程实际和研究现状的调研，结合苏通GIL综合管廊隧道工程的难点，针对高水压防水设计要求以及高温运行环境的影响，进行了密封垫优化设计以及防水性能、装配性能的试验研究，得到结论与建议如下：

1) 通过数值模拟，分别优化得出适用于本项目的内外双道密封垫断面。通过装配性能试验可知，设计的密封垫可满足接缝装配力要求。

2) 弹性密封垫的防水能力与硬度有关。密封垫硬度越高，越容易产生较高的压缩应力峰值，从而达到较好的防水效果。然而，硬度越高，密封垫闭合压缩力越大，对盾构的装配力要求越高，在实际管片接缝密封垫设计中，需同时考虑且满足两者的要求。

3)当密封垫硬度为67时，试验得出当张开量为8 mm、错缝量为15 mm时，内道和外道密封垫防水能力分别为1.94 MPa和1.80 MPa，可分别满足本工程对应的1.92 MPa和1.60 MPa的双道密封垫防水性能要求，可为类似超高水压盾构隧道工程接缝防水提供参考。而当硬度为60时，内道和外道密封垫防水能力分别为1.50 MPa和1.35 MPa，虽无法满足1.92 MPa和1.60 MPa的防水性能要求，但仍能抵抗较高水压，可用于本工程中的隧道浅埋段，或其他防水要求较低的类似盾构隧道工程中。

4)对双道密封垫的防水失效机制尚未阐述，该部分研究将在今后进一步展开。