0 引言

随着隧道施工装备的不断革新，以及新工艺、新技术的不断推广和应用，盾构法隧道工程向大埋深、大断面、长距离方向发展^[1]，盾构法已成为土木工程建设中至关重要的施工技术，在城市轨道交通、越江隧道、道路下沉改造中得到广泛应用。渗漏是盾构隧道最主要的病害之一^[2-5]，渗漏易加速盾构隧道衬砌结构劣化，严重威胁隧道结构的安全，因此许多学者对隧道防水进行了相关研究。

防水性能方面，肖明清等^[6]提出密封垫防水能力受接触面最大接触应力和接触面细微孔洞的水流阻力双控制；Gong等^[7]提出密封垫的防水能力与密封垫接触面平均压力存在紧密联系；Faisal等^[8]分析了在静态荷载和动态荷载下接缝防水性能的变化规律；李拼等^[9]提出密封垫与密封垫接触面上的扭曲交互能提高接触面上的有效应力占比; 张稳军等^[10]提出相同施工荷载下, 最大环缝变形为最大纵缝变形的1.5~2.0倍，环缝密封垫防水性能降低程度更大；贺创波等^[11]提出密封垫粘贴牢固能提高密封垫的防水能力；朱宏等^[12]提出，T型缝处两个L型密封垫角部刚度较大，管片压缩后密封垫与角部接触部分变形较大；郭忠等^[13]提出在密封垫角部开双孔闭合压缩力较不开孔时减小38.3%;张亚洲等^[14]提出接缝动态张开及错台对防水能力的影响等是管片接缝防水机制的研究方向。

渗漏水分析及控制方面，李岳^[15]提出渗漏水的外在表现形式主要为环缝渗漏，封顶块较其他管片渗漏明显；代显奇等^[16]统计隧道渗漏以管片接缝渗漏水居多, 占比约80%~90%；陈云尧等^[17]提出盾构隧道渗漏的主要形态是管片接缝渗漏, 且多发生在“T”型缝；龚琛杰等^[18]提出接缝渗漏水和螺栓孔渗漏水紧密相关，由隧道施工期拼装误差、运营期车辆超载和江底软硬地层不均导致的接缝张开错台产生。

目前针对隧道防水性能研究主要集中在防水影响因素及密封垫结构优化等方面，研究成果在一定程度上提高了隧道的防水能力，但是隧道渗漏依旧频发，甚至在施工期就开始渗漏，形成“十隧九漏”的现状，因此对某大直径盾构管片接头防水能力进行研究，分析施工期隧道渗漏规律，提出施工期防水控制措施，为管片防水设计及施工提供参考。

1 工程概况 1.1 工程地质情况

某盾构隧道线路总长约2 450 m，管片外径11 800 mm，内径10 800 mm，环宽2 000 mm，壁厚500 mm，隧道埋深13.2~36.9 m，盾构掘进穿越主要地层为：③6粉砂、③7层粉质黏土、③8粉细砂、④粉细砂、⑤1粉质黏土、⑤2粉细砂、⑥粉细砂，其中主要穿越粉细砂地层，占比46.9%，地质情况如图 1所示。

1.2 管片接头防水设计

隧道接头承受最大理论水压值为0.50 MPa，在管片迎土侧设置海绵挡浆条和单道三元乙丙橡胶密封垫，防水设计极限工况为密封垫张开6 mm，错位15 mm，密封垫短期防水指标为1.3 MPa，长期防水指标为0.57 MPa，密封垫断面及密封垫粘贴沟槽尺寸如图 2所示。

2 管片接头极限防水能力研究 2.1 管片接头防水能力数值分析 2.1.1 模型建立

为了研究张开量及错位量对密封垫防水能力的影响，确定密封垫极限防水能力，建立三维计算模型，密封垫几何尺寸按照实际尺寸1∶1建立，管片仅建立密封垫沟槽部分，由于密封垫压缩过程近似平面应变，模型厚度对密封垫压缩影响较小，为简化计算，模型厚度尺寸取2 mm，模型如图 3所示。

由于混凝土刚度远大于三元乙丙，因此将管片密封垫粘贴沟槽视为刚体，三元乙丙橡胶材料为超弹性材料，本构模型选择Mooney-Rivlin模型，如式(1)所示。

(1)

式中，W为应变能函数; I₁, I₂是变形张开量不变错位量。C₁₀和C₀₁为洛氏硬度，为正定常量，反映橡胶的剪切模量。橡胶密封垫硬度为66°，根据单轴拉伸试验数据曲线，拟合得出C₁₀=0.61 MPa，C₀₁=0.15 MPa。

模型计算时密封垫与沟槽粘贴牢固，上下密封垫接触面可自由活动，但不互相侵入，网格划分尺寸为0.5 mm，通过将上部密封垫向下移动模拟密封垫拼装压缩。

2.1.2 错位对密封垫防水能力影响

现场测量管片最大错位量为25 mm，远超设计极限值，为研究错位量对密封垫防水性能的影响，将密封垫压缩至张开量6 mm，错位量分别设为15，20，25 mm，压缩后密封垫间应力如图 4所示。

密封垫完全压缩时(张开0 mm错位0 mm)，两块管片沟槽间距4 mm，当张开量为6 mm时，两块管片沟槽间距为10 mm；而沟槽深度为10 mm，密封垫自身高度为20 mm，张开量为6 mm时错位部分密封垫在拼装过程中几乎没有压缩，基本没有防水能力，管片接头防水主要依靠上下密封垫重叠压缩部分。

分别提取密封垫间接触应力，绘制成曲线，如图 5所示。由于密封垫底部为梳形结构，在压缩过程中支腿支撑密封垫结构稳定，压缩后密封垫接触面应力整体呈现多峰形态，峰值基本与梳型支腿位置对应。接触应力大于设计值1.3 MPa的区域主要集中在重叠区域，未重叠部分虽然几乎没有压缩，但受弹性协同变形影响，仍存在一定的应力，从重叠区域到未重叠区域密封垫间接触应力一直减小到0。

错位量15 mm时，密封垫接触区域最大接触应力1.99 MPa，平均接触应力1.35 MPa；错位量20 mm时，最大接触应力1.63 MPa，平均接触应力1.13 MPa；错位量25 mm时，最大接触应力1.49 MPa，平均接触应力1.01 MPa。随着密封垫错位量增加，有效防水路径长度减小，密封垫最大接触应力逐渐减小，防水能力逐渐降低。密封垫张开量不变错位量增加时，未错位部分密封垫依旧存在较高的接触应力，防水能力降低幅度较小，可以满足短期防水指标，但有效防水路径减小，不利于隧道长期防水，隧道运营期渗漏风险增大。

2.1.3 张开量对密封垫防水能力影响

分别在错位量15，20，25 mm工况下压缩橡胶密封垫，提取不同张开量时密封垫间接触应力，绘制成曲线如图 6所示。

当张开量为6 mm时，未错位部分密封垫间平均接触应力为1.35 MPa，最大接触应力1.99 MPa，满足即时防水1.3 MPa的要求，随着密封垫张开量增大，接触应力急剧减小，当密封垫间张开量为11 mm时，密封垫间接触应力为0.47 MPa，小于隧道长期防水指标，施工期就可能会产生渗漏，当张开量在6~11 mm时，虽然隧道暂时未出现渗漏，但是随着橡胶密封垫老化，隧道不均匀沉降等因素影响，容易在后期出现渗漏。

随着密封垫错位量增加，密封垫间接触应力略有减小，但有效防水路径长度迅速缩短，防水可靠性降低。张开量直接影响密封垫间的接触应力，是决定管片接头防水能力的最主要影响因素，随着张开量增加，密封垫防水能力急剧降低。

2.2 管片接头密封垫防水试验

参考盾构法隧道管片用橡胶密封垫(GB 18173.4—2010)试验规程，加工混凝土试件，试件按照实际管片沟槽尺寸预留密封垫沟槽，用于开展一字型防水试验。

2.2.1 不同错位量防水试验

错位量分别设置为15，20，25 mm，将试件压缩至净张开量6 mm，打开排气阀门，加压至有水稳定排出后关闭阀门。以每次0.1 MPa的增量从0升压至设计要求的水压值，每次升压时，待压力稳定后保压不小于30 min。升压至设计要求的水压值后至少保持24 h，测试不同工况防水能力，将不同工况下防水能力绘制成表，如图 7所示。

在张开量6 mm情况下，密封垫错位量为0时，最大防水能力1.71 MPa；错开量为15 mm时，最大防水能力为1.31 MPa；而错开量为25 mm时，最大防水能力为1.1 MPa，不满足设计长期防水指标。

错位量从15 mm增加大25 mm，最大防水能力下降较小，主要是因为密封垫顶部宽度为37 mm，在错位量25 mm情况下，仍然存在12 mm重叠，重叠部分密封垫能保持较高的防水能力。理论计算与室内试验结果较为接近，虽然错位量增加时，隧道防水能力降低幅度较小，但是有效防水路径减小，防水可靠性降低，隧道渗漏风险加剧。

2.2.2 不同张开量防水试验

将试件错位量设为15，20，25 mm，开展不同张开量下防水性能试验，将耐水压值和接缝张开量关系绘制成曲线，如图 8所示。

在错位量15 mm工况下，张开量为6 mm时最大防水能力1.32 MPa；当张开量增加到10 mm，最大防水能力已经降低到0.47 MPa；不满足即时和长期防水的要求，施工期可能会出现渗漏；而张开量在6~9 mm时，防水能力大于长期防水指标，虽然暂时未出现渗漏，但是随着橡胶老化，在后期运营中易出现渗漏。

通过数值计算和相关试验，密封垫在张开量6 mm和错位量15 mm工况下，密封垫的防水能力满足设计1.3 MPa的要求；当张开量6 mm，错位量25 mm时，不满足1.3 MPa的设计防水要求，但是满足短期防水指标。张开量对密封垫防水的影响远大于错位量的影响，因此在施工中应重点加强密封垫张开量控制。

3 隧道施工期渗漏分析及控制 3.1 施工期渗漏统计

虽然隧道防水设计指标余量较大，为最大水压的2.28倍，但是由于管片预制，管片运输，密封垫粘贴，管片拼装等因素影响，隧道施工过程中仍不可避免出现了渗漏，逐环统计隧道的渗漏情况，部分统计如图 9所示。

1 225环管片共有渗漏点193处，主要分为开裂渗漏、螺栓孔渗漏、接缝渗漏等，统计情况如表 1所示。

隧道采用单道密封垫防水，当密封垫失效时，可能会导致环缝、纵缝；以及螺栓孔渗漏，而隧道防水体系未失效时，管片开裂也可能会导致渗漏，因此从管片本体渗漏和管片接缝渗漏两个方面，对隧道施工期渗漏情况进行分析。

3.2 管片本体渗漏分析及控制

管片本体缺陷时，虽然防水系统未失效，但是存在渗流通道绕过接头防水系统导致渗漏，造成管片本体渗漏主要原因有以下几点：(1)由于管片自身浇注缺陷，在管片密封垫附近存在气孔或存在贯穿裂缝；(2) 管片运输吊运过程中发生碰撞损伤；(3)模具质量差或管片浇注质量差，拼装后平整度差应力集中出现开裂；(4)盾构掘进参数差，推力过大或与轴线夹角过大，导致管片开裂。

按每百环对管片开裂渗漏情况进行统计，如图 10所示，管片开裂渗漏位置主要集中在前200环，出现开裂渗漏后随即对模具及出场管片进行检验，检查质量满足设计及规范要求，即管片预制质量满足要求。

管片从水路运至码头，再陆运到施工现场，前期管片运输保护较差，特别是海运过程中，管片间支撑方木在波浪作用下晃动掉落，管片间出现碰撞，考虑管片间碰撞损伤是管片开裂渗漏的主要原因。因此管片在出厂前加强管片防护，运输时在管片间设置柔性缓冲绳，并增加角部柔性包角，有效地减少管片碰撞损坏，在后期施工中裂缝渗漏水现象明显减少。

3.3 管片接缝渗漏规律分析及防水控制 3.3.1 隧道渗漏点位分布

将145个接缝渗漏点按时钟点位进行统计，绘制成曲线，如图 11所示。渗漏点主要集中上半圆和拱腰附近，占比77.9%。隧道底部6，7点钟渗漏点最少。

隧道渗漏点沿埋深方向从上到下急剧减小，主要原因是下部管片注浆更为密实，能形成致密的隔水层，减小管片直接承受的水压力，间接提高隧道防水能力，而隧顶同步注浆容易不饱满出现渗流通道，直接承受地层水压比下半圆注浆饱满区更大，更易出现渗漏。

隧道管片为通用型管片，施工过程中管片拼装点位主要集中在上半圆(多为11点和1点位置)，封顶块拼装过程中角部密封垫易堆积，角部易出现渗漏，加剧隧道上半圆渗漏风险。

现场对拱腰附近38个渗漏点处管片张开量和错位量进行测量，渗漏点处管片张开量基本都小于6 mm，错位量小于15 mm，但是拱腰处依旧渗漏比较严重，主要原因是管片拼装后整体呈现椭圆形，从内弧面测量管片密封垫张开量较小，但是外弧面密封垫处张开量较大，密封垫防水能力不足出现渗漏。

将管片接缝渗漏绘制曲线，如图 12所示，渗漏主要集中在500~900环，该区段主要位于江底，隧道埋深32.3~36.9 m，盾构主要穿越粉细砂厚层，地层渗透系数大，承受水压高，在防水施工质量相同条件下隧道更容易出现渗漏。

3.3.2 管片接缝渗漏规律分析

管片接头密封垫防水失效，按渗漏位置不同可分为环缝渗漏、纵缝渗漏、角部渗漏、螺栓孔渗漏。

隧道纵缝渗漏点12个，环缝渗漏点30个，环缝相比于纵缝更容易渗漏的主要原因为：(1)在地层荷载作用下，整环管片整体呈压紧趋势，有利于纵缝密封垫压紧，提高纵缝防水能力；(2)管片上浮、地层不均等影响，管片环间易发生错台，导致密封垫张开错位超限，防水能力降低。

T型缝渗漏点总计89处，占总渗漏点的46.11%，为隧道最主要的渗漏方式，角部渗漏处一般管片张开量较大，主要原因是：(1)管片拼装过程中密封垫压缩滑动，在T型缝角部产生堆积或拉伸破坏，角部密封垫难以压缩到位，造成角部防水出现薄弱点；(2)三元乙丙橡胶为超弹性材料，压缩过程中体积基本不变，密封垫角部热熔连接后硬度较大，加之T型缝处3道密封垫相互挤压作用，密封垫不易压缩到位。

由于隧道采用斜螺栓，螺栓在拧紧过程中，螺栓橡胶密封圈随螺栓一起转动，密封圈极易损坏，当接头防水失效时，水易顺着螺栓渗漏到隧道内。

3.3.3 管片接头接缝渗漏控制

针对角部密封垫堆积问题，首先改用角部空心的三元乙丙后，便于角部密封垫压缩；提高密封垫粘贴质量，保证密封垫表面干净；在管片拼装前对密封垫进行润滑，减小管片拼装过程中密封垫的拼装阻力。

合理选择管片拼装点位，尽量选择管片弯矩较小的点位，减少封顶块管片变形；严格控制管片拼装质量，保证成型隧道椭圆度，控制管片K块插入间隙，防止间隙过小造成密封垫拼装力过大出现挤堆；控制管片接头张开量和错位量，螺栓严格实行“三紧”制。

采用智能注浆泵控制浆液注入质量，并在隧顶采用地质雷达法检测管片壁厚同步注浆的密实性，对注浆质量较差位置进行二次注浆。

4 结论

(1) 张开量对密封垫压缩应力影响较大，随着张开量增加密封垫防水能力急剧减小；错位量对密封垫防水能力影响相对较小，错位量增加时密封垫有效防水路径随之减小，有效接触应力也随之减小，但重叠部分密封垫仍能维持一定应力水平，使接头保持一定的防水能力，但隧道后期渗漏风险加剧。

(2) 隧道接头渗漏主要分布在上半圆，渗漏点主要集中在角部，渗漏主要原因是管片拼装过程滑动挤压橡胶密封垫，角部密封垫易出现堆积，造成管片角部防水能力降低。

(3) 密封垫拼装后压缩状态直接决定了隧道的防水能力，管片接缝张开错位量无法反应密封垫实际压缩状态，因此应加强隧道防水施工质量控制，考虑通过润滑减阻、拼装精度控制等方面，提高管片接头防水能力。