越江盾構隧道的防滲止水設計研究

游龍飛

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 國內外越江盾構隧道防水情況

國內外已建成大量越江盾構隧道,逐步形成了較成熟的結構設計計算理論與工程實踐體系,但是在盾構隧道防水方面認識則相對落后。越江盾構隧道埋深較大,隧道本身需承受很高的水壓,因此對隧道的防水設計提出了相當高的要求。這類隧道如果沒有可靠的防水、堵漏措施,地下水就會侵入隧道,影響隧道使用壽命,乃至影響隧道施工及運營的安全。

越江盾構隧道滲漏水的位置是管片的接縫、管片自身小裂縫、注漿孔和手孔等。其中以管片接縫處為防水重點。通常接縫防水的對策是使用密封墊材料,以德國為代表的歐洲方面,采用非膨脹合成橡膠,靠彈性壓密,以接觸面壓應力來止水,以耐久性與止水性見長。德國PHOENIX公司提供的隧道襯砌合成橡膠墊就是其中較典型的形式。日本等國家,則采用水膨脹橡膠,靠其遇水膨脹后的膨脹壓止水，它的特點是可使密封材料變薄、施工方便,但耐久性尚待驗證。國內主要采用水膨脹類材料與密封墊兩者的復合型防水材料,并已經在武漢長江隧道、南京長江隧道、杭州慶春路隧道、杭州錢江隧道中應用。

2 越江盾構隧道滲漏水機理

引起越江盾構隧道滲漏水的原因主要是防水材質不良或違反操作規程造成的,具體可分為以下幾類:

(1)管片在制作時養護不合理,表面出現氣孔和龜縮裂縫；管片在運輸、拼裝中受擠壓、碰撞,缺邊掉角；

(2)水膨脹橡膠粘貼不牢,或下坡時過早浸水使膨脹止水效果降低；

(3)管片拼裝質量差,螺栓未擰緊,接縫張開過大；

(4)手孔、螺栓孔、注漿孔等薄弱部位未加防水墊片,封孔施工質量差。

3 越江盾構隧道的防水設計方法

防水方法包括結構自防水和其他附屬措施,如管片外防水涂層、管片接縫防水、做二次襯砌等。

3.1 管片結構的自防水

結構自防水是首選的防水措施,主要方法為管片材料采用防水混凝土。盾構隧道襯砌由預制管片拼裝而成,多用外加劑防水混凝土,強度等級為≥C50的高性能混凝土,抗滲等級≥P12。

3.2 管片外防水涂層

管片外防水涂層需根據管片材質而定,凡有較深裂紋的管片一般都要增加外防水涂層。對鋼筋混凝土管片而言,一般要求如下。

(1)涂層應能在盾尾密封鋼絲刷與鋼板的擠壓摩擦下仍保持完好。

(2)當管片弧面的裂縫寬度達0.2 mm時,仍能抗0.8 MPa的水壓,長期不滲漏。

(3)涂層應具有防迷流的功能,其體積電阻率、表面電阻率要高。

(4)涂層應具有良好的抗化學腐蝕、抗微生物侵蝕能力和足夠的耐久性。

(5)涂層要有良好的施工季節適應性,施工簡便,成本低廉。但應指出,若管片制作質量高,采用抗侵蝕水泥,不做外防水層也是可以的。

3.3 二次襯砌防水

二次襯砌防水層止水有兩種：完全防水型；排水型。

越江盾構隧道承受高水壓為保證運營安全,所以隧道必須不漏水,故希望是完全防水型。此外,隧道內側必須進行能充分承受水壓等的鋼筋混凝土的二次襯砌。因此,防水層本身及接頭部等必須能承受所作用的水壓。

要止住從這些管片接頭面滲出來的水,國外也有將二次襯砌本身作為防水層考慮的辦法及在管片和二次襯砌之間設置止水片的方法。二次襯砌隔斷了從隧道內側滲入一次襯砌的水分和氧氣,有利于一次襯砌接頭器具及螺栓的防腐，二次襯砌的防水層是在混凝土層和二次襯砌之間設置隔離層的方法。

3.4 管片接縫防水3.4.1 管片襯砌接縫特點

盾構隧道管片襯砌接縫較為復雜,具有以下特點:

(1)相對現澆混凝土襯砌而言,單位洞長接縫多而長；

(2)接縫構造復雜,環縫須設有機械插銷,縱縫設有導向桿；縫面邊緣有避免管片損壞的切角,為保證管片傳力,接縫面須有一定的凸起接觸面積；

(3)受預制管片安裝精度影響,接縫張開度和接觸情況對止水的作用有較大影響,防滲效果具有相當程度的敏感性；

(4)接縫縫面厚度較薄,構造上難以使接縫縫面止水在安裝后再處理。

管片接縫防水包括彈性密封墊防水、嵌縫防水和向接縫內注入聚氨酯藥液等。如何選擇一個合理的管片接縫止水形式是工程防滲問題的關鍵所在。

3.4.2 管片接縫的密封墊防水研究

(1)密封墊止水要求

①柔性止水

管片襯砌在建成運用期間,由于溫度變化、土壓力、水壓力變化、管片制作及拼裝誤差等原因,使管片間的接縫可能產生變形而開裂或錯縫。管片間若采用剛性混凝土連接,就會形成永久性裂縫,使隧洞襯砌發生滲漏,產生結構隱患。因此,除對管片的制作和安裝誤差應有嚴格的限制外,管片的接縫還應做成能適應變形的柔性止水。

②功能要求

a.短期及長期防水要求。密封材料若被壓縮,產生的反力δγ(切向應力)要大于水壓aδw。其中a可以被定義為考慮了切向應力長期降低因素的安全系數,δw為設計水壓；密封材料的切向應力,由于應力的減少及材料老化而隨時間降低。因此,切向應力應長期不低于設計水壓。即

短期止水條件：

δr>aδw(1)

長期止水條件：

δr=δw(2)

b.密封墊在設計水壓力下允許張開值應滿足下式:

δ≤BD′/(ρmin-0.5D′)+δ0+δS(3)

式中，δ為環縫中彈性防水密封墊在設計水壓力下允許的縫張開值,mm；ρmin為隧道縱向撓曲的最小曲率半徑,mm；D′為襯砌外徑,mm；B為管片寬度,mm；δ0為生產、施工中可能產生的環縫間隙,mm；δS為鄰近建筑物引起的接縫張開值,mm。

③止水敷設于管片上。為便于和盾構施工進度協調,沒有特殊原因,止水應和安裝管片同時一次安裝到位,不宜分成另一道工序。

④止水的彈性、止水能力、耐久性應滿足安裝、外水壓力及洞內水文地質和施工環境的要求。

(2)密封材料種類

彈性密封墊的材料選擇首先應能滿足防水要求的各項技術指標。目前采用的材料大體分為3種：氯丁橡膠與水膨脹橡膠復合型、水膨脹橡膠和三元乙丙橡膠,此外,還發展有三元乙丙橡膠與水膨脹橡膠復合型密封墊。

在彈性密封墊的應用方面,國內氯丁橡膠和水膨脹橡膠使用最多,技術成熟。國外,特別是歐洲則大量使用三元乙丙橡膠。彈性密封墊作為隧道防水的主要防線,其選擇必須慎重,對3種彈性密封墊的性能特點比較如表1所示。

表1 彈性密封墊材料比較

從結構與防水材料的耐久性和耐腐蝕性角度出發,三元乙丙橡膠彈性密封墊目前在越江盾構隧道中應用較多。

(3)密封墊斷面形式設計

密封墊常用的斷面形式包括矩形和非矩形,對地質條件復雜的越江盾構隧道,單一矩形斷面的防水材料常不能滿足防水設計要求。因此,非矩形異形斷面的防水設計是必需的。此類防水設計思想除滿足矩形斷面的基本設計原則外,還必須提高其大變形工況的適應能力。較早的橡膠密封墊斷面以方形為主,在密封墊發展過程中曾出現了多種密封墊斷面形式,特別是在非膨脹橡膠應用較多的國家,如德國及歐洲國家,典型斷面形式有“謝斯菲爾德”型(中孔形)、“安特衛普”型、“慕尼黑”型(梳形),目前工程中使用較多的斷面形式有3種:中孔形、梯形、梳形,圖1為我國在隧道建設中曾使用的單一材料及復合型橡膠密封墊斷面形式。

圖1 密封墊斷面形式

橡膠止水條斷面尺寸設計首先要滿足國際公認的橡膠制品設計準則

Vh+Vd≥Va(4)

式中，Vh為橡膠止水條孔洞體積,mm3；Vd為橡膠止水條壓縮后的體積,mm3；Va為橡膠止水條自然狀態下的體積,mm3。

依據交聯橡膠的統計理論,由材質硬度與楊氏彈性模量的經驗公式及靜態密封原理,結合相關工程實踐經驗,王樹清[4]等提出了防水材料配方硬度及斷面形式的設計思想與具體方法。如圖2所示。

圖2 密封墊計算斷面示意

512D-1.35[(1-εmax)-3-(1-εmax)]≤s/(L·b)(5)

式中，εmin=(2h-2d-g)/2h;εmax=(h-d)/h；Pmax為設計防水壓力最大值,Pa；s為螺栓緊固力,kN；L為管片環寬,mm；b為密封材料接觸面寬度,mm；h為密封材料厚度,mm；d為密封槽深度,mm；g為允許最大管片間隙,mm；εmin為管片間隙為g且滿足設計防水壓力Pmax時材料的最小壓縮率；εmax為滿足管片無間隙拼裝條件的最大允許壓縮率；D為橡膠壓入深度。

由于交聯橡膠在高壓縮率條件下將導致其交聯網絡結點破壞,并產生殘余變形,根據工程實踐經驗,εmax最大壓縮率一般取33%較合適,若給定Pmax,S、L、b、g值,則由式(5)可求解h、d及D值。由D值對照《硫化橡膠國際硬度的測定(30～851RHD)常規試驗方法》(GB6031—85)可得出所需防水材料的配方硬度,從而確定了防水材料的斷面形式設計及硬度取值。

3.4.3 管片襯砌接縫的嵌縫防水研究

管片接縫的嵌縫防水是依靠嵌縫材料的充填和粘接力達到密封防水的目的。一般要求嵌縫材料與基面有良好的粘接性(以承受襯砌外壁的靜水壓力)、較好的彈性(以適應隧道變形),并且它的材料性能須保持穩定。

當地下水從接縫滲入時,膩子遇水膨脹堵住滲水路徑。為防止水膨脹膩子膨脹應力過度,使用了工字形的膨脹控制材料(用高密度聚乙烯HDPE制作)。這樣不僅能控制膨脹倍率,還能控制膨脹方向,同時使膩子處于雙向受力狀態,減少了發生剪切破壞的可能性。槽口外封Ω形的氯丁膠乳水泥,可加固工字條而自身不易碎裂。管片嵌縫實例如圖3所示。

圖3 管片嵌縫實例(單位：mm)

4 工程實例

4.1 工程概況

杭州慶春路越江隧道位于杭州市的中心位置,它北接下城區慶春路,南連蕭山區市心路,整條通道貫穿錢江新城與規劃錢江世紀城的中心地帶。東線隧道長3 078 m,西線隧道長3 042 m,江中段東西線各1 766 m采用2條盾構法圓形隧道。江中盾構隧道外徑11.3 m,內徑10.3 m,采用通用楔形管片。每環管片厚0.5 m,幅寬2.0 m,采用C50鋼筋混凝土平板型管片,抗滲等級為P12。

本隧道江中最深處位于強透水地層,最大水壓0.43 MPa,因此防水設計是隧道設計的一個重點。管片接縫防水采用雙道防水,外側為EPDM彈性橡膠密封墊,緊靠其內側為遇水膨脹橡膠密封墊。為了降低隧道內煙霧對密封防水材料的腐蝕,加強防水效果,管片內側留有嵌縫槽,對外露接縫進行嵌縫處理。管片襯砌環構造如圖4所示。

圖4 管片襯砌環構造(單位：mm)

4.2 管片襯砌防滲止水處理方案

管片襯砌防滲止水由管片結構的自防水,襯砌外注漿防水和管片接縫間止水組成。

4.2.1 管片結構自防水

(1)隧道管片采用強度等級為C50的高性能混凝土,抗滲等級P12,限制裂縫開展寬度≤0.2 mm。

(2)防水混凝土應采用普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥,宜摻粉煤灰、粒化高爐礦渣微粉等活性粉料。有關混凝土原材料及外加劑的選擇應滿足相關規范的要求。

(3)管片在使用期間應滿足強度、抗裂要求,最大裂縫寬度不得大于0.2 mm,對于出現滲漏的裂縫及裂縫寬度大于0.2 mm的干裂縫應進行封堵處理。

(4)管片拼裝前應確保密封墊槽和嵌縫槽的完整(無缺損和氣孔)。

(5)每生產50環管片應抽查1塊做檢漏測試,試驗標準為：0.8 MPa水壓力維持3 h,滲水深度≤5 cm。

4.2.2 襯砌外注漿防水

在襯砌管片與天然土體之間存在環形空隙,通過同步注漿以及二次注漿(必要時采用)充填空隙,形成一道外圍防水層。同步注漿采用單液漿,二次注漿可采用水泥漿或雙液漿。為減小漿材硬化收縮,所有的注漿材料皆宜摻加一定量的微膨脹劑。注漿材料應具有較好的抗水分散性和可注性,并具有合適的膠凝時間和強度，注漿壓力一般高于掘進面水土壓力0.1～0.2 MPa,施工中應根據地層特征及水壓力進行調整,但需滿足以下要求：(1)應大于開挖面的水土壓力；(2)不能使地面有較大隆起(<10 mm),也不能使地面有較大沉降(<30 mm)；(3)不能使管片因局部受壓而錯位變形；(4)不能使漿液經常或大量從管片間或盾構機與管片間滲漏。另外注漿時應采取合理措施保證注漿量和注漿的及時性。

4.2.3 管片接縫止水

管片襯砌接縫防水包括彈性密封墊、遇水膨脹橡膠密封墊、最外側的海綿橡膠條以及內側嵌縫4個方面。管片環縫、縱縫防水構造如圖5、圖6所示。

圖5 管片環縫防水構造(單位：mm)

圖6 管片縱縫防水構造(單位：mm)

(1)彈性密封墊

①抗水壓要求：接縫張開8 mm、錯位15 mm條件下,設計使用年限內能夠抵抗0.9 MPa的水壓。

②彈性密封墊的材質、構造及性能。

彈性密封墊材質為三元乙丙橡膠,截面加工為多孔梳形。彈性密封墊加工成棱角分明的框形橡膠圈,將橡膠圈套在四周有溝槽的管片上,通過彈性密封墊的壓縮來保證防水效果。三元乙丙橡膠的物理性能指標及測試方法如表2所示。

表2 三元乙丙橡膠的物理性能指標及測試方法

(2)遇水膨脹橡膠密封墊

遇水膨脹橡膠密封墊的材質為聚醚型聚氨酯彈性體,通過吸水膨脹提高接觸應力起到防水作用,是管片防水的第二道防線。材料性能指標如表3所示。

表3 遇水膨脹橡膠的物理性能指標及測試方法

注：靜水膨脹率=膨脹后體積/膨脹前體積×100%。

(3)海綿橡膠條

設于環縫、縱縫外側的海綿橡膠材質為氯丁海綿橡膠,施工中起到防止泥沙進入彈性密封墊溝槽、防止同步注漿漿液沿管片接縫穿流以及節約盾尾密封油脂的多重作用。

海綿橡膠條的性能要求：壓縮至設計位置時,每延米反力小于8 kN；

(4)內側嵌縫

工作井附近50環以及施工中錯縫較大地段采用聚硫密封膠嵌縫,其余地段采用微膨脹水泥砂漿嵌縫。

嵌縫范圍:隧道側墻之上的接縫；滲漏水部位應將水沿環縫引至隧道底部排水溝。

5 結語

(1)越江盾構隧道的防水設計原則應以混凝土結構自身防水為根本,以接縫防水為重點,多道設防、綜合治理,確保在設計水壓下接縫張開及在允許的錯縫時的長久防水性能；對于隧道處于侵蝕性介質的地層時,管片結構應有相應的防腐蝕措施,同時在管片的外側涂刷耐侵蝕的防腐涂料。

(2)因越江盾構隧道要承受較高的水頭,因此防水標準等級應至少達到二級,在濕陷性黃土、有害地下水等不良地質段應提高防滲標準,必要時設置多道滲漏防線,如襯砌內表面設縫嵌填明止水、噴涂柔性防滲層、固結灌漿形成阻水帷幕、鋼襯等。

(3)越江盾構隧道防水設計理論不像建筑結構設計那樣系統成熟,漏水情況千差萬別,引起滲漏水的因素是隨機和模糊的變量,不可能用設計程序或模型來推算滲漏點,因此防水堵漏設計要隨實際情況不斷調整。

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