盾构隧道双道密封垫防水能力及失效模式研究

李雪，霍鹏，周顺华，黄大维，黄琦

盾构隧道双道密封垫防水能力及失效模式研究

李雪1，霍鹏1，周顺华2，黄大维3，黄琦1

(1. 西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2. 同济大学 上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，上海 201804；3. 华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，江西 南昌 330013)

盾构管片接缝在高水压下的防水是保障隧道正常使用的关键。为了研究盾构隧道管片双道密封垫防水机理及最大设防压力，自行研制双道密封垫水密性试验装置。对比分析不同张开量及错台量情况下，单道及双道密封垫的最大设防压力，并探讨单道密封垫与双道密封垫的失效模式。研究结果表明：盾构接头张开量影响接缝防水能力，随着张开量的增加，最大防水能力降低。双道密封垫失效模式与单道密封垫不同，张角情况存在手孔渗漏、蹿水等失效模式。研究成果可为类似水下盾构隧道双道密封垫设计施工提供借鉴。

盾构隧道；双道密封垫；室内试验；失效模式

盾构工法以机械化施工程度高，掘进效率快，施工过程地层位移影响小等优点在地铁区间隧道中得以广泛应用。随着城市建设规模的快速发展，地铁越江工程也越来越多。盾构机下穿大型江河湖泊易遭遇潮汐涨落、高承压水层[1]等不利条件，水下盾构隧道管片接缝处一旦漏水将造成巨大的损失，因此水下盾构隧道管片接头在高水压作用下的防水是保障隧道正常使用的关键[2]。在一般水压条件下，盾构隧道管片采用单道密封垫可满足防水要求，但在大断面、深覆土、高水压力作用下的盾构隧道[3]，为保证盾构隧道管片接缝防水的可靠性，部分隧道采用双道密封垫，以防止因施工缺陷或橡胶密封垫材料长时间老化而使其中一道失效[4]，造成接缝漏水甚至涌水事故的发生。当前，国内外学者对于盾构隧道接缝防水的研究主要集中在单道密封垫上[5-7]。DING等[8]研发了一套盾构隧道单道密封垫检测装置，该装置采用混凝土模具，用于分析南京纬三路过江盾构隧道密封垫防水能力。SHI等[9]建立了考虑实效性的EPDM盾构密封垫本构关系，对盾构密封垫长期失效性能进行了分析。Shalabi等[10-12]对盾构隧道密封性能进行了试验，得到不同张开量情况下密封性接触压力和最大水压力的关系。国内南京轨道交通3号线、10号线[13]、武汉长江隧道[14]、杭州地铁1号线[15]等工程均结合具体工程对不同密封垫形式进行了防水试验，进行了设计优化。然而，针对双道密封垫防水机理的研究与失效模式方面的试验研究较少，张子新等[16]利用盾构隧道双道密封垫防水试验系统，对比分析了双道弹性密封垫较单道弹性密封垫防水效果的提高程度。但对双道弹性密封垫的防水机理和失效模式仍缺乏较深入的研究。对于盾构管片接缝处内外道密封垫是否存在串联关系，双道密封垫失效模型是否与单道密封垫有差异，双道弹性密封垫在不同施工误差作用下对接缝防水的具体有利作用还缺乏比较深入的研究。本文基于国内某地铁越江盾构隧道工程，自行设计双道密封垫防水能力试验设备。分析不同张开量及错台量下，单道及双道密封垫最大设防水压及失效模式。根据实验结果分析内外道密封垫在防水工作中所起的作用，双道密封垫最大防水能力及可能存在的失效模式，研究结果可为今后水下盾构隧道双道密封垫选取、设计和施工提供借鉴。

1 工程概况

国内某越江地铁隧道采用1台外径为11.64 m的泥水平衡盾构机掘进，隧道设计为单洞双线圆形断面，区间线路总长约3.6 km，盾构管片外径11.2 m，内径10.2 m，管片宽度2 m，管片厚度0.5 m (如图1所示)。盾构隧道穿越的地层为粉砂、细砂地层、粉质黏土、中砂、粗砂、砂卵石，该地层渗透性好，且具有较大水压，其中区间线路纵断面如图2所示。从图2可知，盾构穿越主要地层为粉砂、细砂。线路最高水压达到0.61 MPa，根据设计要求，管片密封垫设防压力要求达到1.2 MPa。因此，盾构管片接缝的防水设计至关重要。考虑到管片承受较高水压，管片接缝防水采用双道密封垫，具体布置图如图3所示。

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2 双道密封垫水密性试验

2.1 密封垫形式概况

本工程盾构隧道接缝防水密封垫形式采用“谢斯菲尔德”(中孔型)断面形式，密封垫为双道密封垫，具体的内外道密封垫的横断面形式如图4所示，外道密封垫比内道密封垫断面尺寸大。密封垫材料采用EPDM 橡胶材料，具有较好耐久性能。

图2 盾构隧道纵向地质断面图

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2.2 双道密封垫防水能力试验设计

为检验双道密封垫极限防水能力，自行设计一套双道密封垫防水能力试验装置。水密性试验原理为利用密封垫制造一个密闭环境，调整密封环境的水压，观察渗漏情况。盾构隧道管片内外密封垫防水能力试验装置见图5~6所示。通过双道密封垫防水试验观察内外道密封垫被击穿过程中的水压变化，以确定内外道密封垫在接缝防水中所起的作用。按照《盾构法盾构隧道施工与验收规范》(GB50446—2017)规定，城市地铁隧道在盾尾内拼装完成时，衬砌环内错台量允许偏差量为5 mm，衬砌环间错台量允许偏差量为6 mm。综合环缝和纵缝最大允许错台量，试验中错台量取6 mm。分别对单独1道(内道、外道)和双道密封垫进行水密性试验，对其防水能力进行对比，试验内容见表1。

单位：mm

表1 防水机理研究试验内容

图5 试验模具示意图

图6 双道密封垫水密性试验装置实物图

2.3 试验方法及步骤

2.3.1 单道密封垫试验

将待测的试样装入沟槽中，用黏合剂将密封条黏接于沟槽的底部。放置6 h后，将顶板盖在底板上，将其调整到所需双向错台量。拧紧螺栓到设定的张开量。之后进行分级加载，每次加压0.1 MPa，压力稳定后保压5 min，直到密封垫被水压击穿，记下电子水压表读数。

2.3.2 双道密封垫试验

1) 将待测的密封垫试样装入沟槽中，用黏合剂将密封条黏接于沟槽的底部。放置6 h后，将底板的内外道密封垫之间的间隙充满水；

2) 将顶板与底板盖上，将其调整到所需双向错台量。拧紧螺栓到设定的张开量；

3) 进行分级加载，每次加压0.1 MPa，压力稳定后保压5 min。加压的同时观察内外道间隙之间水压表的读数变化；

4) 继续加压，直到第2道密封垫被击穿，记录密封垫被击穿时的水压值。

3 试验结果及分析

由于各组密封垫生产质量的差异，与设计断面相比或多或少存在一定的正负公差，因此各组试验的结果存在一定的离散性。单道弹性密封垫、双道密封垫水密性试验结果见图8~9所示。从图可知，单道密封垫防水极限压力，在张开量与错台量相同的情况下，外道密封垫比内道密封垫能够承受更大的水压。其中张开量、错台量均为6 mm情况下，外道密封垫能满足设计要求(1.2 MPa)，内道密封垫设防压力平均值为1.0 MPa，小于设计要求，相比较该隧道所处最高水压要大。当张开量为8 mm，错台量为6 mm时，外道密封垫设防压力平均值已小于防水压力设置值，但仍大于隧道所处最高水压值，内道密封垫最大设防压力已远小于密封垫防水压力设计值，甚至已经小于最高水压0.6 MPa。

双道弹性密封垫一字缝水密性试验密封垫从开始至击穿物理过程见表2。从表2的双道密封垫水密性试验过程可以看出，双道密封垫失效过程分为3步。第1步，水压小于第1道密封垫设防压力时，水压表显示为0，第1道尚未被击穿；第2步，随着中心水压的增大，当中心水压大于第1道密封垫设防压力，密封垫被击穿，此时，中心水压迅速下降，内外道直接水压逐渐上升与中心水压相同，此时第2道密封垫尚未被击穿；第3步，当水压稳定数分钟后，第2道密封垫发生渗漏，双道密封垫均已失效。

图8 双道密封垫与单道密封垫击穿水压对比 (张开6 mm，错台6 mm)

图9 双道密封垫与单道密封垫击穿水压对比(张开8 mm，错台6 mm)

从图8~9可以看出：双道密封垫最大击穿水压决定于击穿第1道(外道)密封垫时的水压。当张开量为6 mm，错台量为6 mm时，双道密封垫最大设防压力大于防水要求设计值；当张开量为8 mm，错台量为6 mm时，双道密封垫最大设防压力小于设计值，略大于隧道工程最大处水压，不能满足防水设计要求。对比图8~9可知，最大的击穿水压并不会因为设置双道密封垫而有所增大，而只与单道密封垫的最大防水压力有关。

表2 双道密封垫水密性试验过程

4 双道密封垫失效模式

4.1 密封垫失效原因

在密封垫的防水能力满足设计要求的情况下，接缝处过大的错台、张开量以及管片间接缝的内外张角是引起密封垫失效而诱发接缝漏水的主要原因。管片拼装阶段的拼装误差，管片推出盾尾后周围水土荷载的作用以及运营期隧道的不均匀沉降都会引起隧道接缝产生过大的错台、张开量。

对于仅存在张开、错台而不存在张角的接缝变形情况，内外道密封垫处、隧道嵌缝处的张开量和错台量是完全一致的，如图10(a)和图10(b)工况所示。试验研究表明双道密封垫之间不存在串联接力作用。因此，当接缝张开、错台量过大导致周围水压的击穿能力大于密封垫的最大防水能力时，内外道密封垫将同时失效；对于接缝存在张角的情况，内外道密封垫的张开量明显是不相同的。在存在外张角的情况下，外道密封垫的张开量大于内道，如图10(c)所示。对于内张角则是内道密封垫大于外道密封垫，如图10(d)所示。因此，在双道密封垫实际服役过程中，其中一道失效而另外一道未失效的情况是普遍存在的。

(a) 管片张开；(b) 管片错台；(c) 外张角；(d) 内张角

4.2 接缝存在张角情况的失效模式分析

对于接缝存在内张角的情况，内道密封垫失效，外道密封垫未失效，此时不会在该接缝处发生渗漏。但若由于施工等原因接缝处存在较大的张开量造成外道也失效，此时将在该接缝处发生渗漏。在这种失效模式下，隧道内壁接缝处将存在较大的张开量。

对于接缝存在外张角的情况会出现多种不同的失效模式。当外张角过大使得外道密封垫张开量大于防水设计指标，则外道密封垫可能失效，水将从管片外侧渗入外道密封垫和内道密封垫之间的管片接缝内。与内张角的情况相同，若此时存在较大的张开量，使得内道密封垫的抗水压能力小于外界水压，双道密封垫将同时失效，如图11(b)工况所示。若此时不存在较大的张开量，则内道密封垫未失效，双道密封垫的防水效果便发挥出来，这一点来讲对于防水是有利的。

对于外道密封垫失效而内道未失效的情况可能存在2种失效模式。在外道密封垫失效之后，水从第1道密封垫渗入而从螺栓孔渗出，如图11(c)工况所示。另一种失效模式为：水从第1道密封垫渗入后，绕管片周边沿管片间的缝隙流窜。如果相邻管片处内张角过大，内道防水密封垫不足以抵抗外侧水压，那么水将沿该处接缝的内道密封垫渗入，称这种失效模式为“窜水”现象，如图11(d)工况所示。

(a) 内张角(双道失效)；(b) 外张角(双道失效)；(c) 外张角(手孔渗漏)；(d) 外张角(窜水)

因此，在接缝采用双道密封垫的盾构隧道中应注意螺栓孔密封封堵的良好性和连接螺栓的防腐蚀处理。同时加强接缝处的堵漏。

5 结论

1) 当双道密封垫中内外道密封垫错台量相同时，密封垫最大防水能力随着接缝张开量增大而减小。当密封垫错台量为6 mm，张开量为8 mm时，内道密封垫不满足工程防水要求。

2) 盾构隧道双道密封垫失效模式与单道密封垫有差异，双道密封垫接缝出现张角情况下存在手孔渗漏，蹿水等不同于单道的失效模式。

3) 对于仅存在张开、错台而不存在张角的接缝变形情况，当接缝张开、错台量过大导致周围水压的击穿能力大于密封垫的最大防水能力时，内外道密封垫将同时失效。

4) 高水压条件下，盾构隧道管片双道密封垫相对于单道密封垫有更高的防水可靠性，但因为双道密封垫有不同的失效模式，但应该保证手孔处密封的良好性以及加强接缝的堵漏。

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Test research on watertight mechanism and failure model of the double sealing gaskets in shield tunnel

LI Xue1, HUO Peng1, ZHOU Shunhua2, HUANG Dawei3, HUANG Qi1

(1. School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Rail Infrastructure Durability and System Safety, Tongji University, Shanghai 201804, China;3. Engineering Research Center of Railway Environmental Vibration and Noise, Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Waterproof joints are essential for shield tunnel lining with high ground water pressure. To investigate the failure model of the double sealing gasket and the gasket sealant capacity, a new test device was designed and the tests were carried out. With the different joint opening and offset, the gasket sealant capacity was performed. The results show that the joint opening has a significant effect on the gasket leakage capacity. With increasing joint opening, the gasket sealant capacity decreases. The failure modes of the double and single gaskets are different. The waterproof system of the double gaskets could be variable combined to prevent the water from leakage. Because of the different seepage path, the leakage for double gaskets does not occur only at the gasket to gasket interface and gasket to groove interface. Achievements obtained in this research can provide references for the similar projects of shield tunnel under water.

shield tunnel; double gaskets; laboratory test; failure model

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20190255

U455.43

A

1672 - 7029(2020)01 - 0159 - 08

2019-04-03

国家自然科学基金资助项目(51808469)；上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室开放基金资助项目(R201902)

李雪(1985-)，男，山西襄汾人，博士，从事岩土地下工程教学与科研；E-mail：jialixue521@163.com

(编辑 阳丽霞)