盾构管片接缝渗漏水原因分析及防水措施研究探讨

盾构管片接缝渗漏水原因分析及防水措施研究探讨
发布时间：2022-07-20T02:11:48.669Z 来源：《建筑设计管理》2022年第4期作者：胡奎
[导读] 盾构隧道管片之间大量的环向、纵向接缝是防水最为薄弱的部位
胡奎
中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司无锡
摘要：盾构隧道管片之间大量的环向、纵向接缝是防水最为薄弱的部位，也是防水设计最为重要的环节。

管片接缝通常设置橡胶密封垫进行防水，橡胶具有非常优异的弹性及压缩反力。

但同样橡胶也具有非常优异的伸长率，这一特性在管片拼装时挤压拉伸变形会影响接缝防水效果，尤其在封顶块位置最为明显。

对盾构隧道管片拼装过程中影响接缝防水常见的问题点进行梳理，结合施工过程中的实际情况提出相对应的措施，并进行研究探讨。

关键词：管片接缝；拉伸变形；封顶块；渗漏
一、研究背景：
盾构隧道在建设及运营过程中管片接缝处常会有渗漏水的情况，管片接缝防水问题严重影响了后期隧道运行的质量，在后期维保过程中对于管片接缝处的处理很难根治。

管片接缝渗漏水多在封顶块位置，这是由于封顶块拼装过程中密封垫受挤压拉伸影响被挤出管片沟槽，错缝拼装时密封垫被挤出部分无法压缩而产生应力集中导致管片角部渗漏水，甚至会造成管片的破裂。

目前大直径、高埋深或地层复杂的盾构隧道为避免管片间出现较大的错位量，会在管片环缝甚至凹凸榫或剪力销进行管片拼装限位。

环缝带有凹凸榫或剪力销的管片在拼装时需将纵缝间先进行拼紧在向环向推进，在这过程中纵缝密封垫存在相互压缩后滑动的情况，纵缝密封垫易脱出管片沟槽造成密封垫角部堆积，引起管片角部防水隐患。

二、管片接缝渗漏水原因分析：
1.管片接缝大面积出现渗漏：
密封垫在设计阶段通常进行大量的试验验证，密封垫的防水能力是可以保证的。

现场出现接缝大面积渗漏，且管片张开及错位量都符合设计要求，导致这种问题出现可能是密封垫的弹性不满足要求，密封垫在压缩后其弹性较差，难以起到防水效果。

如图1.1所示。

图1.1 管片接缝大面积渗漏图示
密封垫利用多孔型弹性体压缩后孔的变形产生的内应力，使管片与管片之间起到密封止水的效果，如图1.2所示。

密封垫的产品标准中有一关键指标“压缩永久变形”，该指标直接反映了密封垫的弹性能力，“压缩永久变形”也是区分三元乙丙橡胶与再生橡胶的重要指标。

图1.2密封垫压缩密封示意
2.密封垫角部渗漏：
2.1密封垫安装粘贴质量不良：
密封垫需通过盾构管片专用粘结剂将其固定在管片沟槽中，密封垫粘贴工序非常关键，需严格控制密封垫粘贴质量。

密封垫根据管片
不同型号对应安装，安装时保证密封垫角部与管片角部对其，避免出现“塌角”“耸角”的情况，如图2.1所示。

密封垫角部安装正确密封垫角部“塌角” 密封垫角部“耸角” 图 2.1密封垫角部安装示意
2.2 管片拼装过程中密封垫受挤压拉伸变形：
密封垫的伸长率可达到350%以上，在封顶块或环向带有凹凸榫、剪力销的管片拼装时，密封垫受到纵向压缩力及横向摩擦力、拉伸力会拉伸变形，在管片角部造成“堆积”的情况，错缝拼装时易造成管片角部渗漏。

如图2.2.1~2.2.3所示。

图2.2.1管片环向设置凹凸榫图示
图2.2.2密封垫角部挤压堆积图示
2.3 管片密封垫的角部构造：
根据设计要求密封垫的截面积不得超出管片沟槽的截面积，否则会造成管片压缩到位后密封垫没法压缩，造成应力集中。

当应力达到一定程度时会对造成管片的破损。

由于传统工艺的角部有6~8cm为实心段，其角部的密封垫截面积远大于管片沟槽面积，常见的浅埋或小直径盾构隧道由于防水要求较低，设计的密封垫的压缩量较小，密封垫压缩后对整体防水影响不大。

但对于大埋深大直径的盾构隧道项目，由于抗水压要求较高其密封垫截面也相应的增加，密封高度和压缩量也大幅提高，如密封垫角部仍是实心，将会对密封垫角部防水造成影响，甚至导致管片局部破损。

如图2.3所示。

图2.3密封垫角部渗水及管片破损图示
三、管片接缝渗漏水应对措施：
3.1 密封垫质量控制：
通过实验可以得出采用优异的三元乙丙橡胶弹性密封垫，其耐久性能可以满足盾构隧道的设计使用年限要求，但目前很多厂家橡胶配方技术有限，虽然物理性能能够达标，耐久性能却难以保证；甚至有不良厂家为降低成本采用再生橡胶作为原材料，其耐久性能更是无从谈起，3~5年橡胶老化、应力松弛之后基本就失去了防水的能力。

多个城市目前通过采用密封垫实样检测密封垫的物理性能来控制密封垫的弹性，避免材料以次充好影响工程防水效果，如图3.1所
示。

图3.1密封垫实样剖片检测图示
3.2密封垫粘贴质量控制：
密封垫需严格按照粘贴固定工序要求进行粘贴，密封垫粘贴固定完成后12小时后待粘结剂完全固化后方可下井拼装使用。

目前也可通过密封垫锚固在管片中一体成型的工艺达到密封垫的固定效果，由于锚固型密封垫锚脚在混凝土管片中，在管片拼装时可以抵消密封垫的拉伸特性，锚固型密封垫固定效果由于外贴式密封垫。

如图3.2所示。

图3.2锚固式密封垫图示
3.3密封垫复合构造限制拉伸变形：
由于橡胶具有优异的弹性，其延展性及伸长率较高，但这些特性在管片拼装时反而会造成许多不利的因素。

管片拼装时特别是封顶块拼装时，橡胶不可避免的会受到拉伸方向的挤压力，纵缝密封垫特别是角部易受压脱出管片沟槽，造成角部渗漏水点及应力集中。

为限制纵缝密封垫较大的拉伸性，在密封垫的构造中植入高强度纤维可有效的限制密封垫的延展性。

如图3.3.1所示。

图3.3.1锚固式密封垫图示
为降低密封垫表面间的摩擦系数，常规做法是在密封垫表面涂抹水性润滑剂来降低摩擦系数。

但受现场施工因素的影响效果并不特别理想。

针对这种情况可借鉴汽车天窗密封条在表面镀层处理的工艺方式，密封垫生产过程中在其工作表面喷镀一层光滑涂层，可以很大程
度上降低橡胶间的摩擦系数，避免角部堆积的情况。

如图3.3.2所示。

图3.3.2密封垫工作面涂层处理图示3.4密封垫角部构造优化：
为使密封垫直条与角部压缩应力保持一致，提高角部的防水能力，并减少管片装配过程中角部堆积的情况，可以通过密封垫角部结构的特殊设计进行实现。

如图3.4所示.图3.4密封垫角部特殊构造图示3.5 密封垫拼装滑动试验验证：
封顶块管片插入式，纵缝两侧密封垫之间相互挤压、摩擦，它们之间可能会产生滑移、拉扯、错位甚至是断裂脱落的现象，所以需要进行模拟封顶块插入的试验研究，总结出纵缝拼装形式对密封垫的影响，并且采取相应措施来降低这种影响。

将密封垫安装至滑动试验平台工装中，根据封顶块楔形量调整角度及间隙，启动设备模拟封顶块插入工装情景，观察密封垫角部的拉伸变形情况，根据试验效果对密封垫进行调整。

如图3.5所示。

图3.5密封垫滑动试验平台测试图示结语：
我国的盾构隧道总的体量是全球最大，近年来盾构隧道广泛应用于轨道交通、市政公路、水工隧道、油气管道。

管片接缝防水直接影响了隧道的运营效果，随着管片直径的不断刷新及埋深的不断增加，管片接缝防水的重要性越来越凸显，应结合工程的实际应用对管片接缝密封垫系统性的梳理。