盾构隧道管片接缝防水体系演化历程与展望

肖明清, 谢宏明， 王士民， *， 钟元元

(1. 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063； 2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031； 3. 江阴海达橡塑股份有限公司， 江苏 江阴 214424)

0 引言

上海市于1966年修建了打浦路越江隧道[1]，由此开始了我国盾构隧道建设的历史。期间修建的盾构隧道从使用属性上看，涉及到铁路隧道、公路隧道、城市地铁隧道、城际专线隧道、高速铁路隧道以及公铁合用隧道等，隧道规模亦横跨小型、中型、大型水下盾构隧道。

近年来，随着我国盾构隧道建设的不断推进，隧道的直径及外水压力呈现越来越大的趋势。目前国内有一批超大直径水下隧道在建或将要开工建设，如深圳春风路隧道(直径15.2 m)、武汉和平大道南延黄鹤楼隧道(直径15.4 m)、武汉两湖隧道(东湖段直径14.5 m，南湖段直径15.4 m)、济南黄河隧道(直径15.2 m)、杭州秦望路隧道(直径15.2 m)、武汉二七路长江隧道(直径15.4 m)等。亦有一批超高水压盾构隧道，例如： 南京和燕路隧道最高水压达0.79 MPa[2]、苏通GIL电力管廊隧道最高水压达0.80 MPa[3]、江阴靖江长江隧道最高水压达0.82 MPa[4]、甬舟铁路金塘海底隧道最高水压达0.85 MPa、深茂铁路珠江口隧道最高水压达1.06 MPa，正在规划论证的青岛胶州湾第二海底隧道最高水压达1.40 MPa，计划建设的琼州海峡大埋深隧道最高水压达1.7 MPa等。

在水下盾构隧道的设计与建设中，防水是其中非常关键的环节[5]，需高度重视。新建设及规划的水下盾构隧道工程已呈现出大直径、大埋深、高水压、地质条件复杂化等特点[6]，因而需要对盾构隧道传统防水体系进行优化升级，以满足不断增加的隧道防水需求。

盾构隧道防水以接缝防水最为关键[7]，盾构隧道管片接缝防水体系设计由外到内依次为外侧挡砂(水)条、防水密封垫、副防水密封垫(可选)、螺栓孔防水、内侧嵌缝引排防水及双层衬砌的二次衬砌防水。其中，外侧挡砂(水)条主要作用为减少盾尾油脂及外部泥砂进入管片接缝；防水密封垫及可选副防水密封垫为目前盾构隧道管片接缝防水的主要措施，发挥主要的防水功能；螺栓孔防水目前无法实现有效密封，因此，密封垫一般布置在螺栓孔的外侧；内侧嵌缝受材料性能和工艺限制，其防水能力有限，通常仅起到引排的作用。

整个接缝防水体系设计中，外侧挡砂(水)条和内侧嵌缝变化极少，因此，为应对不断变化的防水需求，接缝防水体系的演化主要发生在接缝防水密封垫上。接缝防水体系经过不断演化，产生了多种布置方式，而当前业内对接缝防水体系的描述不够统一，因此，有必要对接缝防水体系的演化过程进行梳理，并对各种布置方式进行系统性归类及描述。在此基础上，为便于统一指代，提出了代系划分法，并详细阐述了各代系的构造特征及主要适用范围。

1 三元乙丙橡胶密封垫基本工作原理

对于盾构隧道管片接缝密封垫的材料，目前多采用遇水膨胀橡胶(或遇水膨胀弹性体)及三元乙丙橡胶(EPDM)。遇水膨胀弹性体在日本应用较为广泛，受日本影响，国内于20世纪80年代在上海地铁、广州地铁部分线路也采用过遇水膨胀弹性体作为密封垫[8-9]。目前主流有2种类型的遇水膨胀弹性体[10-11]，但由于该膨胀材料的析出率对于当前主流的橡胶老化理论适应性不够[12]，导致常规的老化试验难以实现对其耐久性的准确预测，从而引发了对遇水膨胀弹性体老化性能的担忧。目前，国内盾构隧道接缝防水主流采用多孔三元乙丙橡胶(EPDM)材质的密封垫，欧美国家也多采用该类型的防水密封垫；而对于三元乙丙复合遇水膨胀型密封垫，国内亦有相关研究[13-15]。

三元乙丙橡胶密封垫作为多孔结构，其防水的原理是利用密封垫压缩过程中，橡胶体产生的较大变形填充了接触面微观上的凸凹不平，并在弹性复原力作用下产生较大的接触应力，阻止液体在接触间隙中流动，达到密封防水的目的[16-17]。

密封垫防水机制如图1所示。当管片拼装时，密封垫压缩受力，在2条渗水路径密封垫与密封垫之间、密封垫与沟槽之间分别产生初始接触应力p10、p20，当受到水压力pw作用时，密封垫与密封垫之间、密封垫与沟槽之间分别产生附加接触应力(自封作用)p11、p21； 此时，密封垫间的接触应力为p10+p11，密封垫与沟槽间的接触应力为p20+p21，当水压力大于任何一条渗水路径的接触应力，即pw>min{p10+p11,p20+p21}时，将发生渗漏。

pw为水压力； p10、 p20为初始接触应力； p11、 p21为附加接触应力。

盾构管片密封垫失效方式主要体现在2方面： 1)在施工期由于注浆压力过大致使隧道管片上浮，管片接缝产生大的张开量及错台量导致密封垫失效； 2)盾构隧道在长期不良地质影响下，管片之间发生明显变形，接缝产生大的张开量及错台量导致密封垫失效，接缝之间的内外张角亦可造成密封垫防水失效[18]。因此，如何保证一定张开量及错台量下的密封垫防水性能是管片接缝防水的关键。

基于此特点，可通过调整密封垫孔型、高度、宽度、硬度、截面面积等参数，满足不同张开量、错台量及设防水压的防水要求[19-21]。

2 管片接缝防水体系演变历程

早期盾构隧道管片接缝采用单道密封垫防水，材质多为三元乙丙橡胶和氯丁橡胶，少部分采用三元乙丙复合遇水膨胀弹性体。随着盾构直径及埋深的加大，防水要求越来越高，传统的单道密封垫的防水效果与可靠性已不能满足要求。对于水压力0.6 MPa左右的水下盾构隧道，出现了三元乙丙橡胶密封垫+遇水膨胀弹性体的防水布置方式；对于水压力0.8 MPa左右的水下盾构隧道，接缝防水的布置方式演变为2道三元乙丙橡胶密封垫或2道三元乙丙橡胶密封垫+遇水膨胀弹性体。然而，对遇水膨胀弹性体密封条而言，是否将其与三元乙丙橡胶同等视为一道防水目前尚无定论，业内对接缝防水体系的描述不够统一。因此，有必要对接缝防水体系的演化过程进行梳理，并对各种布置方式进行系统性归类及描述，以便在防水设计中依据不同的防水需求更精准地选择合适的防水体系。

2.1 第1代管片接缝防水体系

2.1.1 体系构造特征

第1代管片接缝防水体系为单道密封防水，布置于螺栓孔外侧，如图2所示。早期国内第1条盾构过江隧道——上海打浦路隧道的单道密封材料为环氧树脂砂浆，全断面浇抹黏结防水为主，后采用单排孔和槽脚组合的氯丁橡胶，最后发展为以三元乙丙橡胶为主要材料的多孔形密封垫。

图2 第1代管片接缝防水体系

在第1代接缝防水体系中，防水密封垫作为防水主体，同时沿密封垫沟槽外侧设置遇水膨胀挡砂(水)条，主要用于阻挡泥砂涌入，确保密封垫的正常工作状态，挡砂(水)条材质通常选用遇水膨胀弹性体或聚氨酯弹性体。防水密封垫多为三元乙丙橡胶材料，其材质具有压缩永久变形量小、应力松弛变化率低、耐老化性能佳的特点。从对接缝密封垫防水性能进行修复的角度考虑，后期也有在三元乙丙橡胶顶部复合1层遇水膨胀弹性体，当密封垫间出现渗水时，遇水膨胀弹性体通过遇水膨胀在密封垫间接触面上产生垂直方向的压力，改善密封垫接触面的受力状态，从而起到对密封垫防水性能的修复作用。

2.1.2 主要工程应用

早期建设的盾构隧道通常采用第1代接缝防水体系，在地铁隧道(如上海地铁[22]、南京地铁[23]、西安地铁[24]、成都地铁[25])及小直径盾构隧道[26]应用较为成熟，上海早期修建的打浦路隧道、延安东路隧道等多条10 m级穿越黄浦江的水下隧道也采用该防水体系。第1代接缝防水体系的典型密封垫截面形式及其应用项目如表1所示。

表1 第1代接缝防水体系工程应用

由于普通地铁隧道的管片直径约6 m左右，因施工误差或长期沉降造成管片接缝的张开量与错台量不大，设防张开量约为6 mm，错台量为8～10 mm；同时，大多数地铁隧道埋深较浅，隧道所承受的实际水压不大，在0.3～0.4 MPa。因此，从表1可以看出，地铁隧道所用密封垫底部宽度约33 mm左右，高度约16 mm左右，该尺寸的密封垫能够满足大多数地铁隧道的防水要求，且具有较小的拼装反力，对早期盾构的拼装力要求较低，有利于盾构施工。

2.1.3 存在的问题与主要适用范围

从盾构管片结构抗弯上来说，由于密封垫沟槽的尺寸关系到管片外侧抗弯区的削弱程度[28]，而小型的地铁隧道管片厚度较薄，在300～350 mm，因此较小的密封垫对应较小的沟槽尺寸，能降低对管片外侧抗弯区的削弱，提高管片结构受力安全性。

由此可见，第1代接缝防水体系主要适用于直径6 m左右，设防张开量、错台量不大，实际水头不高的小型盾构隧道；亦适用于直径较大，但地质条件较好、水压相对较低的隧道，如延安东路隧道[29]等。

2.2 第2代管片接缝防水体系

2.2.1 体系构造特征

随着盾构隧道的水压和直径进一步增大，传统的接缝防水体系已无法满足日益增加的工程防水需求。因此，在传统接缝防水体系的基础上演化出单道三元乙丙橡胶+遇水膨胀弹性体形成“一主一辅”的第2代接缝防水体系，如图3所示。

(a) 同侧连续布置 (b) 两侧分开布置

第2代接缝防水体系的特点是外侧主防水为三元乙丙橡胶，内侧辅助防水为遇水膨胀弹性体，考虑当外侧主防水三元乙丙橡胶密封垫局部失效后，内侧辅助防水遇水膨胀弹性体吸收渗漏水后发生膨胀，通过膨胀产生的接触应力达到二次止水的目的。此外，对于同侧连续布置的第2代接缝防水体系(见图3(a))，内侧遇水膨胀弹性体可通过膨胀对渗漏点进行封堵，进而实现对外侧密封垫的“即时补强”。同时，遇水膨胀弹性体由于其所需压缩量较小，产生的压缩反力不大，对于管片接缝整体拼装力的影响较小。因此，第2代接缝防水体系相较于传统接缝防水体系的优势在于，能够在不影响管片拼装力的前提下提高接缝防水性能与可靠性。

2.2.2 主要工程应用

第2代接缝防水体系的典型密封垫截面形式及其应用项目如表2所示。

表2 第2代接缝防水体系应用

从表2可以看出，对于承受实际水压为0.5～0.6 MPa的隧道，设防张开量为8 mm、错台量为15 mm，是近期大直径盾构隧道的常规经验设防量。同等条件下，更大直径的盾构隧道因施工误差或纵向变形造成管片接缝的张开量与错台量较小直径盾构隧道的大。此时，密封垫的尺寸也随之增大，底部宽度在40 mm左右，密封垫高度在22 mm左右，以适应管片接缝更大张开量及错台量、更高水压的防水要求。

2.2.3 存在的问题与主要适用范围

从盾构管片结构抗弯上来说，三元乙丙橡胶密封垫的沟槽尺寸进一步增大，且三元乙丙橡胶密封垫旁增设遇水膨胀弹性体时，将更进一步削弱管片外侧抗弯区强度。管片抗弯在何种密封垫布置方式下能够满足隧道结构安全要求需视情况而定，当接缝承载安全性能够得到保证时，可采用图3(a)形式，如武汉三阳路隧道[31]、佛莞狮子洋隧道[32]等；当需要均衡接缝正负抗弯刚度时，可采用图3(b)形式，将三元乙丙橡胶密封垫及遇水膨胀弹性体分别布置在螺栓孔两侧，如南京地铁10号线越江段盾构隧道[33]等。

由此可见，第2代接缝防水体系主要适用于直径10 m左右，设防张开量、错台量不超过工程常设的张开8 mm、错台15 mm，实际水头压力0.5～0.6 MPa的隧道。

2.3 第3代管片接缝防水体系

2.3.1 体系构造特征

当盾构隧道的水压和直径更进一步增大，因施工误差或纵向变形造成管片接缝的张开量与错台量将更大，尤其是地处不良地质条件及高烈度地震断裂带的盾构隧道，其管片接缝张开量、错台量对防水布置方式及密封垫的构造形式提出了更高的要求。第2代接缝防水体系中遇水膨胀弹性体因其膨胀止水需要一定的边界条件限制，在管片接缝张开量进一步增大的情况下，遇水膨胀弹性体的膨胀空间变大，其膨胀止水的效果显著降低，无法满足更高的防水要求。因此，在第2代接缝防水体系的基础上，演化出内外2道均为三元乙丙橡胶密封垫主防水的第3代接缝防水体系(见图4)。德国易北河第4(公路)隧道率先采用双道密封垫防水[34]，国内最先采用双道密封垫防水的为武汉长江隧道[35]，密封垫形式如图4(a)所示。

(a) 两侧纯三元乙丙橡胶 (b) 紧挨外侧增加遇水膨胀弹性体

第3代接缝防水体系的特点是外侧主防水为三元乙丙橡胶，内侧防水也为三元乙丙橡胶，同时内侧防水密封垫截面形式可依据实际防水需求进行调整，与外道形成多种组合防水形式，灵活多变。该方式在外道密封垫失效后，内道密封垫相较于第2代内道遇水膨胀弹性体能够兼容更大的张开量及错台量，大大提高了双道密封垫的防水储备空间； 另外，因施工质量等原因造成其中一道密封垫局部失效，此时另一道密封垫即可发挥主防水的作用，降低施工误差导致的系统性防水风险。

目前螺栓孔防水一般采用遇水膨胀弹性体材料，在施工过程中，遇水膨胀弹性体由于强度不够，在螺栓拧紧时产生的扭转力作用下易遭受破坏，导致防水能力大大降低；同时，螺栓孔的遇水膨胀弹性体防水能力不及主防水密封垫，在螺栓孔两侧布置的多道防水密封垫的外道防水密封垫失效后，渗漏水易从螺栓孔处直接渗流进隧道内，导致内道防水密封垫未能发挥应有的防水能力[36-37]。因此，螺栓孔防水性能极大地限制了螺栓孔内外侧双道密封垫防水体系的防水能力，使其不可避免地成为了内外双道三元乙丙橡胶密封垫防水体系的短板和瓶颈，无法充分发挥双道防水的优越性。

有鉴于此，铁四院对第3代接缝防水体系进行了改良，率先提出一种螺栓孔外侧间隔布置双道密封垫的防水方式，如图5所示。该方式的核心理念是既避免螺丝孔成为接缝防水短板，又有效利用双道防水密封垫之间的水压提高外道密封垫的防水能力。相关试验表明，螺栓孔外侧间隔设置双道密封垫的防水体系的综合防水性能较同规格单道密封垫防水性能提升约30%。该新型防水方式已经首次被应用于江阴靖江长江隧道与甬舟铁路金塘海底隧道[38]。

图5 外部双道密封垫

2.3.2 主要工程应用

第3代接缝防水体系的典型密封垫截面形式及其应用项目如表3所示。

表3 第3代接缝防水体系应用

从表3可以看出，对于承受实际水压近0.8 MPa左右的隧道，密封垫的尺寸也随之增大，底部宽度在40～44 mm，密封垫高度在24～28 mm，以适应管片接缝更大张开量及错台量、更高水压的防水要求。其中，苏埃通道工程地处8度地震烈度区，且隧道穿越3段硬岩凸起及软硬不均等不良地质条件，为应对其在地震中可能出现的极大张开量，首次采用3排孔且高度达32 mm的密封垫，以保证在管片接缝发生大张开量时，密封垫仍有足够的压缩量来保证有一定的防水能力[40]。

2.3.3 存在的问题与主要适用范围

从盾构管片结构抗弯及拼装受力来说，第3代接缝防水体系中，螺栓孔两侧分别布置三元乙丙橡胶密封垫方式的拼装受力更均匀合理，且对管片外侧抗弯区的削弱有限；螺栓孔外侧间隔布置双道密封垫防水方式由于密封垫压缩反力均作用在管片外侧，对管片拼装受力有一定影响，但随着盾构技术的进一步发展，该问题将得到有效缓解，而外侧间隔布置双道密封垫的沟槽对管片外侧抗弯区的削弱经过相关计算及试验研究，发现当管片厚度达到一定值时，能够满足接缝承载安全性要求。因此，大直径盾构隧道的管片厚度较大，给第3代接缝防水体系的灵活性提供了足够的空间。

由此可见，第3代接缝防水体系主要适用于超大断面、超高水压及地质条件较差的隧道。

3 接缝防水体系面临的问题

纵观国内外水下盾构隧道的发展趋势与接缝防水体系的演变历程，前2代接缝防水体系已经成熟，可以预见，随着盾构直径越来越大，水压越来越高，盾构隧道更多采用第3代接缝防水体系已然成为一种趋势。

3.1 防水体系韧性研究

当双道密封垫均布置在管片螺栓孔外侧时，能避免螺栓孔成为渗水通道，但其对于管片外侧受压区的削弱较大，对于管片拼装及接头受力均会产生不利影响。同时，当管片横截面积不足，如小直径、薄管片需采用双道密封垫时，必须采用螺栓孔内外两侧布置，此时螺栓孔防水的重要性凸显。因此，有必要开展螺栓孔防水研究，增强螺栓孔防水能力，进一步提高密封垫布置方式的灵活性及韧性。

密封垫位于拼装紧密的管片之间，目前尚无更换方法，当密封垫失效后，是否有相关的取代、补救备案等附加措施有待进一步研究。复合材料密封垫的出现即体现了对密封垫防水性能修复的考虑，当密封垫间出现渗水时，遇水膨胀弹性体通过遇水膨胀在密封垫间接触面上产生垂直方向的压力，改善密封垫接触面的受力状态，从而起到对密封垫防水性能的修复作用。但当前复合密封垫多在顶部进行硫化共挤复合，仅能解决密封垫间渗漏水的修复，因此可考虑将密封垫上下界面均复合遇水膨胀弹性体，充分保证2条渗水路径均能遇水膨胀修复，切实提高防水体系的防水韧性。

3.2 极端工况下防水体系研究

越来越多的盾构隧道面临穿越活动断层带的问题[41-43]，活动断层会导致管片发生大错台。第1代及第2代接缝防水体系已很难适应大错台工况，而第3代接缝防水体系需要针对大错台进行双道密封垫的选型及优化。同时，应考虑第3代接缝防水体系密封垫布置方式对管片拼装与受力的影响，探索更合理的接缝防水及结构受力协同作用方式。

对于地处高烈度区的盾构隧道，隧道管片接缝在地震作用下发生瞬时大张开及大错台，外部泥砂可能涌入管片接缝。接缝防水体系既需要应对瞬时大张开及大错台，又需要在震后保持良好的防水能力； 因此，有必要开展地震作用下防水体系极限工况适应性及可恢复性研究，开发适用于高烈度区和抗震不利条件下盾构隧道的抗震型防水体系。

3.3 密封垫受力状态下耐久性研究

目前，三元乙丙橡胶密封垫的耐久性研究多集中在普通地下环境，且在受力状态下的老化研究未见报道。密封垫作为多孔橡胶结构，在压缩受力状态下，应力集中现象不可避免，而应力集中又会加速密封垫材料老化； 同时不同张开量、错台量情况下受力状态不同，则其老化状态亦有不同；因此，受力状态下的密封垫老化研究十分必要。此外，随着水下隧道的不断修建，一些隧道对设计使用年限也提出了更高的要求，由以往的100年提高至120～150年，有必要研发适用于更长使用寿命的新型防水材料。

对上述3代接缝防水体系进行总结，并提出未来可能面对的问题以供探讨，如表4所示。

表4 接缝防水体系总结及面临的问题

4 结语

随着我国越江跨海盾构隧道的日益兴建，水下盾构隧道直径及埋深不断增大，防水要求也越来越高，对接缝防水体系提出了更高的要求，前2代接缝防水体系虽已成熟，但已无法应对更高的防水需求。第3代接缝防水体系以其灵活的布置方式正在快速发展与投入应用，仍需开展大量的研究工作。当第3代接缝防水体系趋于成熟后，结合更加成熟的螺栓孔防水及更大直径、更厚管片提供的充足布置空间，将能满足更高的防水要求。同时，随着整个防水体系中新材料、新构造、新工艺等方面的突破，或将产生第4代新型接缝防水体系。在新型接缝防水体系研发方面，建议针对水下盾构隧道的特点进行深入研究，结合具体工程实现研究成果的应用转化，经反复验证后可考虑将其纳入标准规范，进一步推动我国大型水下盾构隧道建设的快速发展。