0 引言
伴随着深层排水、越江跨海等盾构隧道的建设与发展，盾构隧道的设计和施工要面临高水压等不利因素，这对隧道密封防水材料的使用性能提出了更高的要求。盾构隧道渗漏水的位置主要是盾尾与管片接触处、管片的接缝、注浆孔以及管片自防水等［1］，其中管片接缝防水是重点［1 － 3］。盾构隧道管片接缝防水的主要对策是使用密封防水材料。隧道建筑一般为永久性建筑，国内外设计使用寿命一般为100 年，考虑到密封防水材料性能的老化，盾构隧道接缝密封防水材料的长期防水能力需要得到保障［4 － 6］。三元乙丙橡胶弹性密封垫具有良好的耐久性能和防水性能，且其在橡胶材料中的综合性能、市场价位等都使其比较适合在地下工程中使用。因此，三元乙丙橡胶弹性密封垫被认为是整个地下工程防水体系中的主体材料［7］。
对近年来我国相关类似工程进行调研，汇总我国部分高水压盾构隧道耐水压情况，如表1 所示。陆明等［8］结合上海长江隧道工程衬砌接缝和连接通道的防水要求，针对三元乙丙橡胶弹性密封垫的长、短期防水性能进行了一系列试验研究;赵运臣等［9］模拟了施工极限装配误差，对初步设计进行了防水性能与闭合压缩力试验，并根据试验结果对密封垫进行优化，以确定最优的防水密封垫设计; 李永刚［10］以南京长江隧道(纬七路)工程为实例，利用“T”形模拟水压试验台对设计密封垫的防水能力进行模拟验证;赵明等［11］以南京纬三路过江通道工程为依托，进行了多组密封垫闭合压缩力试验及一字缝、T 字缝防水性能试验，研究出性能、结构优异的密封垫断面形式;拓勇飞等［12］确定了超高水压大直径盾构隧道管片接缝2 道防水弹性体(外侧三元乙丙橡胶密封垫、内侧遇水膨胀橡胶密封条)的布置方式，并对迎水压侧管片外环第1 道三元乙丙橡胶密封垫的防水设计进行了试验研究;吴炜枫等［13］针对埋深为40 m 的广州东濠涌试验段深层排水盾构系统，进行了防水密封垫的设计;DING Wengqi 等［14］对3 种管片接缝(即纵缝、环缝以及T 型缝)的防水能力分别进行了测试，对密封垫接触应力与耐水压值之间的关系进行了分析。
表1 我国部分高水压盾构隧道耐水压情况
较一般盾构隧道而言，上海市深层排水盾构隧道需面临以下几方面的挑战: 1) 上海深隧埋深约为60m，考虑到密封垫橡胶性能的老化，管片接缝的长期防水能力需要得到保证，根据相关研究［4］，管片接缝设计水压值需高达1． 2 MPa，远远高于普通盾构隧道的防水要求。2) 普通盾构隧道一般要求接缝在张开6mm、错位8 mm 的情况下仍能满足防水性能设计要求，而上海深隧要求接缝在张开8 mm、错位10 mm 的极限情况下仍能满足防水性能设计要求。3)较传统盾构隧道，上海深隧要求从单道三元乙丙橡胶密封垫防水变为内外双道三元乙丙橡胶密封垫防水，因此必须控制其闭合压缩力在一定范围内，以适应现有盾构的拼装能力。
本文以三元乙丙橡胶弹性密封垫作为盾构隧道管片接缝密封防水材料，考虑橡胶密封垫的长期防水能力，对不同断面形式的弹性密封垫在不同错位量、不同接缝张开量工况下的防水能力及闭合压缩力进行数值模拟研究，据此比选不同断面形式弹性密封垫方案，通过对比分析、不断优化，得到防水性能和力学性能最优的密封垫断面形式，并将其加工成试件进行防水性能试验以及闭合压缩力试验，以期为今后类似高水压盾构隧道管片接缝防水弹性密封垫的设计与研究提供参考。
1 接缝防水能力设计
1． 1 工程概况
随着我国城镇化进程的快速推进，城市下垫面的透水性能不断降低，内河调蓄功能趋于弱化，加上全球气候变化导致暴雨等极端天气频发，暴雨过程中的地面径流量快速增加，呈现出“汇流时间短、洪峰流量高、过境水量大”的特点，使流域行洪和城市排水管网承受了极大的压力。基于上述问题，在“十三五”期间，上海市在苏州河下面开展建设目前国内规模最大的雨水调蓄管道。根据上海市相关规划，上海市深层隧道调蓄工程服务范围共57． 9 km2，调蓄规模为115万m3，涉及25 个排水系统、8 个分区，25 个系统中19个为合流制系统、6 个为分流制系统，主隧道全长约15． 3 km，埋深约60 m，管径约10 m。
1． 2 防水能力指标
影响三元乙丙橡胶弹性密封垫100 年以后的压缩应力保持率的因素较为复杂，在缺乏试验的前提下参考文献［4］和文献［12］，拟采用0． 65 作为本项目压缩应力保持率。此外，国际上安全系数一般考虑为1． 2 ～1． 4，本项目安全系数拟取1． 3。按照以上因素计算防水材料的防水能力指标。
防水能力指标= (理论水压值× 安全系数) /压缩应力保持率。
上海市深层排水盾构隧道埋深约为60 m，对应的管片接缝防水密封垫的防水能力指标为(0． 6 MPa ×1． 3) /0． 65 = 1． 2 MPa，远远高于普通盾构隧道的防水要求。
考虑到管片制作、施工误差等，需要对盾构隧道管片接缝在一定张开量和错位量情况下的防水能力进行试验研究。对于普通盾构隧道，其防水能力一般要求在张开量为6 mm、错位量为8 mm 的情况下能满足接缝防水性能设计要求，而上海深隧要求接缝在张开量为8 mm、错位量为10 mm 的极限情况下仍能满足设计要求。
2 上海市高水压深层排水盾构隧道管片接缝防水性能试验
2． 1 弹性密封垫断面形式
采用有限元软件ABAQUS 对高水压盾构隧道管片接缝弹性密封垫防水性能进行数值模拟研究，根据数值模拟结果不断优化弹性密封垫断面形式的设计，选择防水性能和力学性能最优的密封垫断面形式，将其加工成试件进行试验研究。
朱洺嵚等研发了密封垫，断面形式如图1 所示，并对该弹性密封垫进行了防水性能试验，密封垫硬度采用邵尔A 硬度，为67 度。
图1 橡胶密封垫断面形式(单位: mm)
2． 2 试验方法
采用同济大学研制的可三向自动加载的高水压盾构隧道管片接缝防水性能试验系统［11］( 如图2 所示)进行试验，试验过程如图3 所示。即初始试验在错位10 mm 的情况下进行防水能力试验，试验结束卸载后，待密封垫恢复到最初状态时按上述试验方法重新加载，在无错位的情况下进行防水能力试验;初始试验结束卸载后，待密封垫恢复到最初状态时按上述试验方法重新加载，分别在错位10 mm 和无错位的情况下进行防水能力试验，即重复试验。
图2 可三向自动加载的高水压盾构隧道管片接缝防水性能试验系统
图3 管片接缝防水试验过程
2． 3 试验工况
根据实际工程防水能力设计要求，对错位量分别为0 和10 mm 情况下弹性密封垫的防水性能进行试验研究，试验工况如表2 所示。
表2 接缝防水性能试验工况表
3 弹性密封垫闭合压缩力试验
3． 1 闭合压缩力要求
与传统盾构隧道相比，上海市深层排水盾构隧道防水要求从外侧防水变为内外两侧防水，因此，适用于双道高水压盾构隧道管片接缝防水的弹性密封垫必须控制其闭合压缩力数值在一定范围内，以适应盾构的拼装能力。根据项目提供的资料，盾构提供的压缩力可达120 kN/m，由于上海市深层排水盾构隧道管片接缝采用双道弹性密封垫防水，因此，每道弹性密封垫的闭合压缩力不得超过60 kN/m。
3． 2 试验方法
依据文献［15］中压缩应力模拟试验方法，对弹性密封垫压缩性能进行测试。以规定速度压缩试样，直至压缩间隙接近0，再以相同的速度放松试样，如此反复压缩和放松试样2 次，第3 次开始进行正式试验(即初始试验)，记录每一级加载时弹性密封垫的压缩量以及垂向加载作动器的压力数据，重复上述操作放松试样至密封垫恢复到最初状态后，进行第4 次试验(即重复试验)。密封垫在压缩过程中的变化如图4 所示。
图4 密封垫断面形状在压缩过程中的变化
4 试验结果
4． 1 管片接缝防水性能试验
4． 1． 1 无错位试验
通过盾构隧道管片接缝防水性能试验，得到断面形式如图1 所示、邵尔A 硬度为67 度的橡胶密封垫在无错位情况下接缝耐水压值与张开量的关系，如图5所示。试验结果表明: 弹性密封垫的防水能力随接缝张开量的减小而增大，邵尔A 硬度为67 度、断面形式如图1 所示的三元乙丙橡胶密封垫在接缝错位量为0和张开量为8 mm 的情况下，仍能满足1． 2 MPa 的长期防水能力要求。
4． 1． 2 错位试验
通过盾构隧道管片接缝防水性能试验，得到断面形式如图1 所示、邵尔A 硬度为67 度的橡胶密封垫在错位10 mm 的情况下接缝耐水压值与张开量的关系，如图6 所示。试验结果表明: 邵尔A 硬度为67 度、断面形式如图1 所示的三元乙丙橡胶密封垫在接缝错位量为10 mm 和张开量为8 mm 的情况下，仍能满足1． 2MPa 的长期防水能力要求。
图5 无错位情况下接缝耐水压值与张开量的关系
图6 错位10 mm 情况下接缝耐水压值与张开量的关系
4． 2 弹性密封垫闭合压缩力试验
断面形式如图1 所示、邵尔A 硬度为67 度的橡胶密封垫在无错位情况下的压缩力与其压缩量之间的关系如图7 所示。试验结果表明: 在无错位情况下，橡胶密封垫在欠压2 mm(即管片接缝张开量为2 mm)时需要的压缩力约为58． 5 kN/m。
图7 无错位情况下压缩力与密封垫压缩量的关系
4． 3 闭合压缩力试验与管片接缝防水性能试验的关系
将由橡胶密封垫闭合压缩力试验得到的压缩力除以密封垫的宽度，得到橡胶密封垫接触面的平均接触应力，并将其与接缝防水性能试验结果进行对比分析，如图8 所示。结果表明: 橡胶密封垫接缝防水压力曲线和密封垫接触应力曲线变化趋势相同，在密封垫压缩量较大时，密封垫接触应力较大，同时密封垫防水能力较强。根据以往工程结果［11］( 如图9 所示) ，在一定条件下，可以认为密封垫接触应力曲线能够较好地拟合接缝防水压力曲线;而本次试验结果表明接缝防水压力曲线高于密封垫接触应力曲线。试验结果的差异表明，由于密封垫的防水能力取决于其峰值接触应力，通过对密封垫断面结构形式的优化，密封垫峰值接触应力得到提升，明显高于密封垫平均接触应力( 压缩力/密封垫宽度) ，密封垫的防水能力将有所提高。
图8 接缝耐水压值、密封垫接触应力值与接缝张开量的关系
图9 接缝耐水压值、密封垫接触应力值与接缝张开量的关系
5 结论与讨论
采用可三向自动加载的高水压盾构隧道管片接缝防水性能试验系统，对与实际工程1∶ 1的密封垫进行盾构隧道管片接缝防水性能试验以及弹性密封垫闭合压缩力试验。经过试验研究，得到以下结论与建议。
1)邵尔A 硬度为67 度时，断面形式如图1 所示的三元乙丙橡胶密封垫在接缝错位量为0 和张开量为8 mm 的情况下，满足1． 2 MPa 的长期防水能力要求;在接缝错位量为10 mm 和张开量为8 mm 的情况下，仍能满足1． 2 MPa 的长期防水能力要求。
2)弹性密封垫的防水能力与接缝张开量有关。弹性密封垫的防水能力随接缝张开量的减小而增大;弹性密封垫压缩量较大时，密封垫接触应力较大，同时密封垫防水能力较强。
3)邵尔A 硬度为67 度时，断面形式如图1 所示的三元乙丙橡胶密封垫在无错位的情况下，欠压2 mm(即管片接缝张开量为2 mm) 时需要的压缩力约为58． 5kN/m，采用其作为上海市深层排水盾构隧道内外双道耐高水压弹性密封垫，能适应盾构机的拼装能力。
4) 推荐将断面形式如图1 所示的弹性密封垫应用于新型防水形式(双道三元乙丙橡胶弹性密封垫)的高水压深层排水、越江跨海等盾构隧道管片接缝防水工程中。
5)假设实际施工过程中实现精确装配( 即管片接缝张开量为0)，则所需的闭合压缩力将超过盾构机能提供的压缩力，可考虑通过螺栓预紧等方式进行补偿，下一步将针对此问题进行深入研究。
摘自：隧道建设