摘  要：某城市地铁越江盾构隧道采用双道弹性密封垫防水设计。通过对两批次不同硬度的成品密封垫进行应力应变压缩试验，得出其内外道防水密封垫的闭合压缩力，在此基础上，根据不同拼装工况，分析管片处于不同接缝位置时闭合需要施加的扭矩，并对计算结果进行讨论，提出了施工时的应对措施及注意事项。

关键词：盾构隧道；密封垫；硬度；管片拼装；扭矩

 

      盾构隧道管片接缝处易发生渗漏，接缝防水是隧道防水设计的关键环节，而在管片接缝防水的措施中，弹性密封垫防水是接缝防水的重点^[1]。

      国际上常用的弹性密封垫主要有两大类型^[2]：一种是以欧洲为代表的谢斯菲尔德型非膨胀合成橡胶，靠弹性压密，以接触面压应力来止水，以耐久性见长; 另一种是以日本为代表的遇水膨胀橡胶，靠其遇水膨胀后的膨胀压来止水。实际使用中发现，遇水膨胀橡胶因吸水性树脂等膨胀材料的品种差异、膨胀后的氯丁橡胶等基材的长期强度与变形性能的下降，以及膨胀剂的溶出和膨胀压性能的低下等原因，实际使用中水膨胀材料的性能难以达到预期效果。国内地铁盾构隧道管片接缝普遍采用非膨胀橡胶密封垫进行防水，效果显著。

      樊庆功等^[3]对密封垫防水性能影响因素进行了深入研究，提出橡胶密封垫断面型式、材质硬度是影响密封垫防水性能的主要因素。密封垫断面型式和所用橡胶材料硬度对其接触应力和闭合压力有很大影响。向科、石修巍^[4]提出应以接触应力和闭合压缩力作为防水密封垫设计的两项指标。盾构隧道所采用的防水密封垫，既要使接触应力满足防水要求，又要确保闭合压缩力不会过大影响拼装。闭合压力即每米橡胶垫完全被压缩到管片沟槽中所需要的力。密封垫在断面形式、材质确定并且在满足防水要求的前提下，适当调低橡胶材料硬度有利于管片拼装。

     本文依据某城市越江隧道工程防水密封垫的检测试验结果，结合工程实际情况进行了分析探讨，并提出了施工时应注意的措施。

 

      某城市地铁越江隧道为单洞双线形式，管片内径10.2 m、外径 11.2 m、厚度 0.5 m、宽 2 m，采用通用衬砌环，衬砌圆环分为 8 块，管片采用错缝拼装方式，管片接缝采用双道弹性密封垫防水，密封垫材质选用非膨胀性橡胶 EPDM（三元乙丙橡胶）。

     工程衬砌环为通用衬砌环，楔形量为 55 mm，采用错缝拼装的形式。一环管片由 1 块封顶块 F、2 块邻接块（L₁，L₂）、5 块标准块（B₁，B₂，B₃，B₄，B₅）构成。封顶块圆心角为24°，邻接块、标准块均为 48°，如图 1所示。本工程所采用的通用管片拼装点位有 9 个位置，分别是封顶块位于衬砌环左侧位置（假定为封顶块中心在 0°位置）、封顶块绕逆时针旋转 12°、24°、36°、60°、84°、108°、132°、156°。

      管片拼装的理想状态是将全部接缝密封垫都压入沟槽之中。常规的分析和实验中，一般采用专门的压缩装置，将密封垫置于其中，模拟密封垫在拼装过程中的受力情况，进而得到密封垫在沟槽闭合时的闭合压缩力。试验器材与加载装置参见图 2。

      试验前采用邵尔硬度计对两批次的密封垫标准试件的硬度进行检测，其硬度分别为 62°和 70°。密封垫设计指标提出硬度宜控制在 65±3°范围内，所以有一批次的密封垫硬度超标。

      根据管片内、外道沟槽形状制作实验装置，选取两组20 cm 的试件进行压缩试验，为模拟拼装状态下的压缩过程，将密封垫试件置于加压装置上，加好侧限装置。通过液压千斤顶在顶部施加压力，用千分表记录不同压力情况下的密封垫压缩变形量。加压值从零开始递增，加压上限根据沟槽确定，每压缩 1 mm，记录一次压力数据，通过加压及变形情况得出压缩应力与压缩量的关系，见图3—6。

      在最后闭合阶段，由于密封垫夹具在最后压缩阶段局部相互接触，导致压缩力急剧增大，可尝试根据前段压缩曲线的发展规律来预测密封垫的闭合压缩力。本文中对试验数据采用多项式拟合，最后推算出：硬度为 62°和 70°的外道密封垫闭合压缩力分别为84.56 kN和 103.87 kN；内道密封垫闭合压缩力分别为 45.05 kN 和 75.33 kN。通过试验结果可以看出，硬度对密封垫的闭合压缩力结果影响很大。成品密封垫在投入使用前，一定要控制好硬度指标。另外，在密封垫满足防水要求的前提下，本工程的密封垫硬度设计指标可以考虑变更为63±2°，以利于管片拼装。

 

      现今的盾构机由于使用自动拼装设备^[5]，其拼装工艺较为成熟完善。首先管片由运输板车从隧道外运入，然后由管片吊机将管片从管片运输台车上卸载并运至管片自动输送装置（管片输送装置上可以同时存放一环管片），再将管片一片一片输送至管片安装机抓取区域，最后靠管片拼装机将其拼装成管片衬砌环。一环管片安装完成后，上紧管片间的连接螺栓。盾构机中能够提供密封垫压紧动作的主要为拼装机和纵向推进千斤顶。而纵向千斤顶提供整个盾构机头的推进顶力，相对于环缝的拼装压力已足够，所以纵缝的张开量控制更受到关注。在使纵缝闭合的过程中主要依靠的是管片自重和螺栓预紧力。

      管片所处的位置对其拼装有很大影响。图 7 所示为拼装侧壁上方的管片接缝受力情况，可以看出在此工况下，管片的自重对于拼装毫无贡献，所需压紧力完全需要外部提供，这部分不足只能依靠旋紧螺栓来实现。更确切地说，管片接缝是否密贴是由连接螺栓的预紧力所决定的。而管片处于图 8 所示位置时，管片的自重能为压紧内外道密封垫贡献一部分力。

      本越江隧道工程，同环两相邻管片使用 2 根 M36螺栓连接（图 9），螺栓与纵缝之间的夹角为 57°。当一环管片安装完成后，上紧管片间的连接螺栓，那么螺栓预紧力 F，管片自重 G，密封垫对管片的作用力 F₁（内道）、F₂（外道），对于嵌缝端点是力矩平衡的，螺栓预紧力 F 可以通过其他已知参数求解得出。而螺栓的扭转力矩^[6]可按照式（1）计算：

T=KFD（1）

式中：T———扭矩；K———拧紧力矩系数，一般在 0.18～0.2 之间；D———螺栓公称直径；F———螺栓预紧力。

      通过计算分析，将管片在各个工况时完全拼装所需要的扭矩汇总于表 1 和 2。

      安装工人拼装管片时，旋紧连接螺栓的扭矩是拼装时的重要指标。如果按照扭矩扳手 80 cm 力臂长度计算，安装工人在一端施加75 kg的力，那么对于螺栓施加的力矩将达到 0.6 kN·m。人工所能提供的预紧扭矩一般在 0.2～0.6 kN·m^[7]。对于拧紧螺栓使得内外道密封垫完全闭合所需要的扭矩，最大达到 1.58kN·m，最小也需要 0.86 kN·m，所以完全依靠安装工人拧紧螺栓以使得管片完全闭合是不现实的。

 

      鉴于本工程盾构断面较大，最初的防水设计为内外双道密封垫，如果单纯考虑接缝的防水能力，导致闭合压缩力过大，直接影响到管片的拼装。通过分析，提出以下结论或建议：

      1） 硬度较高时，密封垫的闭合压缩力也相对较大。本工程的密封垫硬度设计指标可以考虑变更为63±2°，以利于管片拼装。

      2）管片处于顶部和底部时，由于管片的重力不能提供部分挤压密封垫的分力，所以此时管片所需要的拧紧力矩较大。

      3）对于本工程来说，现场依靠扳手紧固螺栓很难将密封垫全部压入沟槽，即无法达到闭合效果，建议采用辅助设备如电动扳手等来保证管片拼装质量。

 

[1] 叶琳昌，薛绍祖．防水工程[M]．2 版.北京：中国建筑工业出版社，1996．

[2] 王民．隧道盾构施工管片橡胶密封垫的材料和结构及产品性能特性[J]．特种橡胶制品，2005，26（1）：42-46.

[3] 樊庆功，方卫民，苏许斌．盾构隧道遇水膨胀橡胶密封垫止水性能试验研究[J].地下空间，2002，22（12）：335-338.

[4] 向科，石修巍．盾构管片弹性密封垫断面设计与优化[J]．地下空间与工程学报，2008（2）：361-364．

[5] 崔国华.盾构管片拼装机的设计及动态性能研究[D].吉林大学，2009.

[6] 陈绍蕃．钢结构[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005.

[7] 张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道[M]．北京：人民交通出版社，2004：833-834.