硬巖盾構隧道彈性密封墊防水性能研究

李 建，李海峰，李克金，商金華，吳圣智，朱士豪

(1.山東高速工程建設集團有限公司，山東 濟南 250014；2.山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250101；3.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250000；4.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250014)

0 引 言

隨著我國經濟和城市化進程的飛速發展，隧道工程的規模不斷增加，我國目前是世界上隧道建設與運營里程最多的國家之一。但是，隨著規模的增大和運營時間的增長，隧道的病害問題日益凸顯[1]。其中，隧道滲漏水是盾構隧道中最為常見的病害。針對盾構隧道滲漏水病害，國內外學者開展了一系列研究。邵華等[2]對上海地鐵開展的病害檢測表明，滲漏水、結構損傷、結構變形是隧道的主要病害，滲漏水病害發生概率為結構損傷病害的3～4倍。董飛等[3]統計分析了北京地鐵7條線路，共計112.7 km的盾構隧道區間，結果顯示滲漏水病害在全部病害中占比高達64.95%。龔琛杰等[4]總結了典型工程的接縫防水設計結構，建立了大直徑水下盾構隧道接縫處彈性密封墊的設計方法。王湛[5]對接縫張開及錯開情況下的密封墊防水失效機理進行了研究，分析了接縫張開和錯開情況下的滲漏位置。上述研究探明了盾構隧道滲漏水特征及盾構隧道接縫防水性能。

對于硬巖盾構隧道，由于存在注漿層，管片及接縫處受力特性明顯不同，需進一步研究硬巖盾構隧道接縫防水性能。為此，本文依托青島地鐵2號線，采用文獻調研、理論分析及數值模擬等方式，研究了接縫處彈性密封墊的防水性能，為硬巖盾構隧道接縫防水設計提供參考。

1 盾構隧道滲漏水特征

滲漏水是盾構隧道建設及運營期最常見的病害。滲漏水病害按照滲流量可分為濕跡、滲水、滴漏、漏泥砂。滲漏水類型占比見圖1。基于北京、上海等地區的盾構隧道調研[6-8]，滲漏水病害常見的滲漏水位置有接縫滲漏、螺栓孔滲漏、注漿孔滲漏、管片裂縫滲漏等。滲漏水位置占比見圖2。管片接縫處是盾構隧道防水最薄弱的部位，該部位采用彈性密封墊防水。影響接縫處彈性密封墊防水性能的關鍵因素為接縫的張開，盾構隧道滲漏水災害應以控制接縫張開為主。

圖1 滲漏水類型

圖2 滲漏水位置

2 不同張開量下彈性密封墊防水性能

接縫處彈性密封墊防水性能與接縫張開量有關。本文通過數值模擬，分析接縫張開量與彈性密封墊的防水性能關系。

2.1 依托工程概況

青島地鐵2號線采用雙護盾TBM進行施工，隧道埋深15～25 m，隧道穿越區以花崗巖為主，地下水以裂隙水為主[9]。隧道采用厚0.3 m、幅寬1.5 m、外徑6 m的管片作為支護結構，錯縫拼裝，塊間采用2根M27的螺栓連接，環間為10根M27的螺栓均勻布置。隧道管片結構見圖3。管片接縫采用三元乙丙橡膠密封墊壓縮擠密防水，彈性密封墊長33 mm，厚16 mm，嵌入管片內部7 mm，最大壓縮量為6 mm。彈性密封墊設計見圖4。

圖3 隧道管片結構

圖4 彈性密封墊設計(單位：mm)

2.2 彈性密封墊防水性能分析

采用ANSYS分析不同接縫張開量下彈性密封墊防水性能。彈性密封墊可視為各向同性不可壓縮的超彈性材料，采用Mooney-Rivlin模型，應變勢能W函數為

W=C10(J1-3)+C1(J2-3)

(1)

式中，J1、J2為應變張量的第一不變量和第二不變量；C1、C10為Rivlid系數。

采用超彈性單元HYPER56用于彈性密封墊的模擬，采用CONTA172和TARGE169模擬單元接觸，彈性密封墊空洞內設置柔-柔接觸，四周設置剛-柔接觸單元。模型將彈性密封墊一側簡化為剛體，彈性密封墊下部設置豎向與水平向約束，上部設置水平向約束。通過上部剛體施加豎向位移模擬接縫的張開及擠密。計算模型見圖5。

圖5 計算模型

彈性密封墊上的接觸壓力反映了彈性密封墊的防水性能，研究分析了不同張開量下彈性密封墊的接觸壓力，圖6為張開量為4 mm和7 mm時接觸壓力分布。從圖6可知，張開量越大，彈性密封墊上的接觸壓力越小，彈性密封墊防水能力越小。彈性密封墊上接觸壓力分布不均勻，圖7給出了彈性密封墊滲流路徑。由滲流路徑可以看出，彈性密封墊存在3個關鍵部位：彈性密封墊與彈性密封墊的接觸部位(關鍵部位1)、彈性密封墊兩側與管片之間的接觸部位(關鍵部位2)、彈性密封墊下側與管片之間的接觸部位(關鍵部位3)，決定了彈性密封墊的防水能力。

圖6 接觸壓力分布(單位：Pa)

圖7 滲水路徑與關鍵部位示意

不同張開量下3個關鍵部位的平均接觸壓力見圖8。從圖8可以看出，關鍵部位1、3接觸壓力隨張開量增大逐步降低，關鍵部位2則先降低再增加后降低。總體上，接縫張開量越大，接觸壓力越低。關鍵部位3的接觸壓力最大，其次是關鍵部位1，關鍵部位2接觸壓力最小。地下水滲流路徑主要有2條：通過關鍵部位1流至隧道內側和通過關鍵部位2、3流至隧道內側。考慮隧道滲漏路徑，關鍵部位1、3是影響隧道接縫防水的最主要部位，而關鍵部位1防水性能低于關鍵部位3，是防水的薄弱部位。因此，應以關鍵部位1的接觸壓力作為評價接縫防水能力的指標。

圖8 接縫張開量與接觸壓力分布

隨著接縫張開量的增大，隧道接縫防水能力經歷了快速降低、緩慢降低和快速失效3個階段。以關鍵部位1擬合得出接縫張開量σ與接縫防水能力P的對應關系為

P=-0.044σ+0.657 0<σ≤2

P=-0.015σ+0.599 2<σ≤6

P=-0.089σ+1.092 6<σ≤11

(2)

3 硬巖盾構隧道防水性能

3.1 接縫張開量計算方法

分析接縫處彈性密封墊防水性能首先要確定接縫處張開量。管片塊間接縫張開量計算分為3種情況：

(1)混凝土受壓區高度x<0。接縫處于受拉狀態，螺栓將承擔全部拉力，接縫張開量σ包括2部分：管片繞螺栓轉動產生的張開量和螺栓受拉產生的張開量，即

(3)

式中，h為管片厚度；θ為接縫張開角度；N為接縫拉力值；E為螺栓的變形模量；La為螺栓的錨固長度。

(2)混凝土受壓區高度0

σ=(h-x)θ

(4)

(3)混凝土受壓區高度x>h/2。混凝土部分接觸或完全接觸，螺栓受壓，張開量計算與式(4)一致。接縫轉動位置為混凝土與螺栓計算得出的中性軸處，見圖9。接縫張開角度θ可由接縫處彎矩M與其抗彎剛度kθ求得，即

圖9 接縫張開

σ=(h-x)θ

(5)

3.2 硬巖盾構隧道接縫防水性能

3.2.1 計算模型及參數

接縫張開量分析需確定接縫處受力狀態，采用殼-彈簧模型分析管片及接縫受力狀態。計算模型見圖10。接縫采用抗彎彈簧模擬，抗彎彈簧剛度與接縫處受力有關，根據文獻[10]成果，拱頂處抗彎彈簧剛度取50 MN·m/rad，邊墻處抗彎彈簧剛度取30 MN·m/rad。管片承受荷載按淺埋隧道荷載計算方法確定。

圖10 計算模型

硬巖盾構隧道管片壁后存在注漿層，注漿層與圍巖共同約束管片變形，對此在進行管片受力分析時需考慮注漿層的作用[11]，注漿層與圍巖耦合抗力系數kR計算公式為

(6)

(7)

式中，kr圍巖彈性抗力系數；C1、C2、C3、C4為系數；Eh為注漿層的彈性模量；vh為注漿層的泊松比；b為注漿層厚度；R為管片輪廓半徑。注漿層彈性模量為1 GPa，厚度0.2 m，管片外半徑3 m，計算得出的耦合抗力系數kR。計算結果見表1。

表1 抗力系數計算結果 MPa/m

3.2.2 接縫防水性能分析

通過數值模擬得出了管片受力特征。IV級圍巖管片彎矩分布見圖11。提取接縫處彎矩，進一步計算接縫張開量，并根據接縫張開量結合式(2)計算分析接縫處防水性能。

圖11 圍巖為IV級時管片的彎矩(單位：N·m)

螺栓錨固長度為15 cm時，計算結果見表2。從表2可以看出，管片接縫張開量較小，滿足結構設計要求，接縫處防水能力均超過0.6 MPa。管片接縫抗彎剛度越大，張開量越小，接縫抗彎剛度與結構彎矩、軸力有關。因此，減小隧道張開量應首先控制管片受力。

表2 計算結果

對青島地鐵2號線雙護盾TBM隧道徐麥區間滲漏水情況進行了調研，隧道整體干燥，僅1處接縫出現了滲漏水。造成滲漏水出現的原因為管片拼裝存在較大錯臺，管片應力集中，接縫出現了一定的張開，彈性密封墊防水性能降低。拼裝錯臺導致的滲漏水見圖12。對于滲漏部位，地鐵施工方利用管片上的注漿孔進行了注漿堵漏。注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿范圍為滲漏點處5環。注漿后，管片壁后漿液形成了隔水層，有效抑制了管片接縫的滲漏。

圖12 拼裝錯臺導致的滲漏水

4 結 語

本文采用文獻調研、理論分析、數值模擬等方法，對青島硬巖盾構管片接縫的受力特征及彈性密封墊防水性能進行了研究，得出了以下結論：

(1)盾構隧道滲漏水最常見的災害型式為滲水，滲水位置以接縫為主，造成盾構隧道滲水的主要原因為接縫張開。

(2)彈性密封墊相互接觸部位為管片防水最薄弱部位。隨著接縫張開量的增大，隧道彈性密封墊防水性能經歷快速降低、緩慢降低和快速失效3個階段，并擬合出了彈性密封墊防水能力與接縫張開量的關系。

(3)考慮硬巖盾構隧道注漿層對管片的約束作用，得出管片接縫受力特征并探明了接縫處防水性能。現場調研及數值模擬均顯示，青島地鐵管片接縫處防水性能良好。