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盾构管片接缝防水材料防水耐久性实验

摘要:由于我国大规模开展地铁建设的时间不长，盾构管片接缝长期防水问题还没有引起足够的重视。现
有的盾构隧道后期维护中也逐渐出现了隧道接缝渗漏现象，严重影响工程安全。针对盾构管片接缝常用的
防水弹性密封垫材料———三元乙丙橡胶，开展了恒定压缩永久变形和老化等长期防水性能试验研究。研
究结果表明，橡胶的老化系数在0．9以上，恒定永久压缩应变小于15．4%，盾构隧道应用的弹性密
封垫防水材料具有良好的长期的防水性能。在此基础上，分析了钱塘江越江隧道冲刷后纵向回弹变形引起
的隧道环向接缝张开后的管片接缝防水性能，能够满足钱塘江最高水位时的隧道接缝防水要求。
关键词:盾构管片;接缝防水;弹性密封垫;防水耐久性

1引言
盾构隧道衬砌是在盾构机盾尾拼装而成的，是盾构隧道主要的受力结构，当省略二次衬砌时，为隧道
的唯一支撑结构。在衬砌隧道的轴向上，当各环管片间拼装缝不错开而形成纵向通缝，即为通缝接头型式，
如图1(b)所示;如果各环管片间拼装缝错开使得纵向不能形成通缝，这样环与环之间存在一定的添接
(纵向)加强作用，此时为错缝接头型式，如图1(c)所示。由众多管片接缝将预制管片组合而成的盾构
隧道，其接头的防水就成了隧道设计中至关重要的一个问题。

目前管片接头型式通常是采用如图2所示的方法。主要包括传力衬垫、弹性橡胶密封垫和遇水膨胀止
水条。传力衬垫主要是防止钢筋混凝土管片之间的碰撞顶裂，弹性橡胶密封垫和遇水膨胀止水条是主要防
水材料，有时会省略遇水膨胀止水条。
在越江盾构隧道中，通常需要穿越饱和砂层，渗透性大且存在高水压。从目前的盾构隧道实践来看，
在建设初期防水橡胶通常能够达到隧道防水标准的要求，但在长期服役过程中，已有部分隧道，例如上海

打浦路隧道管片接缝出现过渗漏［1］，但认为主要是由于隧道的纵向不均匀沉降引起的［2］。

目前的越江隧道接缝防水研究主要集中在施工期防水上，认为施工中出现渗漏现象主要是由于盾构姿

态控制不良、管片错台、管片开裂、盾尾密封刷损坏或密封油脂压力不达标等因素造成［3，4］。随着施工队
伍质量提升和有关部门对此问题越来越重视，此问题有逐渐降低的趋势。广州地铁二号线“赤岗—鹭江区间
隧道”接缝防水优良率达到93．1%，竣工后的渗水量赤-客段仅为0．0203L/m2·yd·d，客-鹭段仅为

0．0331L/m2·yd·d，远低于标准允许值(0．1L/m2·yd·d)［5］。

有一部分学者尝试从弹性密封垫的防水机理来开展研究［6～8］，认为防水性能主要是由密封材料性能、
形状、接触宽度和密封材料接触面压力所决定的，并得到经验计算公式，对于指导工程实践具有较高的指
导价值。但其研究分析也主要是针对接缝的短期防水性能开展的。
从以上的分析中，可以看出:①管片接缝防水问题是一个热点问题，也是一个急切需要进一步开展研
究工作的问题;②目前的研究工作较少涉及到管片接头长期防水的问题，这主要是由于我国大规模开展地
铁建设始于上世纪90年代，接头长期防水问题还没有得到足够的重视。因此，本文的研究主要从弹性密
封垫的老化和压缩后的永久变形来开展接缝防水材料的长期防水性能。

2盾构管片接头橡胶试验

目前盾构隧道防水条材料主要采用三元乙丙密封垫，如图2所示。其材料性质要求如表1所示［9］。

本文针对密封垫的长期性能开展研究工作，因此，主要是针对老化系数和压缩永久变形来开展的。
试验仪器:橡胶的老化试验仪器采用恒温老化烘箱，在72℃恒温下加热72h，取出后在电子万能试
验机上开展压缩试验。根据橡胶老化前后，其压缩弹性模量的变化来反映橡胶的老化程度，老化系数=老
化后橡胶变形模量/老化前变形模量。

永久压缩变形试验仪器:仪器采用图3所示的万能压缩机。将橡胶试样压缩20%，并保持24h，撤
去压力，分别记录试样回弹10min、30min、60min时的试样的高度。

3弹性密封垫耐久性试验成果分析
3．1弹性密封垫恒定压缩永久变形
通常情况下，可取30min分钟对应的压缩永久变形率作为指标参考值(压缩永久变形为老化的塑料
压缩后经过若干时间回弹后的剩余变形)。从图4中可以看出，三试样自由回弹30min时的压缩永久变
形分别为15．4%，10．8%和12．3%，均小于表1所要求的22%，符合材料变形性质要求。60min
后，其压缩永久变形基本上接近于零，即弹性密封垫有较好的弹性性能，不易发生不可回弹的塑形变形，
对接头防水具有较好的性能。

3．2弹性橡胶密封垫的老化试验后的压缩性能
从图5中可以看出，弹性密封垫老化后，大部分试样的压缩性能有一定的降低，可以通过曲线的割线
模量来评价老化系数，割线的终点取应变为0．375对应的点，此时对应着大多数盾构接缝弹性密封垫的
工作状