盾構管片接縫防水材料防水耐久性實驗

1、盾構管片接縫防水材料防水耐久性實驗 摘 要:由于我國大規(guī)模開展地鐵建設的時間不長，盾構管片接縫長期防水問題還沒有引起足夠的重視?，F(xiàn)有的盾構隧道后期維護中也逐漸出現(xiàn)了隧道接縫滲漏現(xiàn)象，嚴重影響工程安全。針對盾構管片接縫常用的防水彈性密封墊材料三元乙丙橡膠，開展了恒定壓縮永久變形和老化等長期防水性能試驗研究。研究結果表明，橡膠的老化系數(shù)在 0 9 以上，恒定永久壓縮應變小于 15 4%，盾構隧道應用的彈性密封墊防水材料具有良好的長期的防水性能。在此基礎上，分析了錢塘江越江隧道沖刷后縱向回彈變形引起的隧道環(huán)向接縫張開后的管片接縫防水性能，能夠滿足錢塘江最高水位時的隧道接縫防水要求。關鍵詞:

2、 盾構管片; 接縫防水; 彈性密封墊; 防水耐久性 1 引 言      盾構隧道襯砌是在盾構機盾尾拼裝而成的，是盾構隧道主要的受力結構，當省略二次襯砌時，為隧道的唯一支撐結構。在襯砌隧道的軸向上，當各環(huán)管片間拼裝縫不錯開而形成縱向通縫，即為通縫接頭型式，如圖 1( b) 所示; 如果各環(huán)管片間拼裝縫錯開使得縱向不能形成通縫，這樣環(huán)與環(huán)之間存在一定的添接( 縱向) 加強作用，此時為錯縫接頭型式，如圖 1( c) 所示。由眾多管片接縫將預制管片組合而成的盾構隧道，其接頭的防水就成了隧道設計中至關重要的一個問題。  &

3、#160;    目前管片接頭型式通常是采用如圖2 所示的方法。主要包括傳力襯墊、彈性橡膠密封墊和遇水膨脹止水條。傳力襯墊主要是防止鋼筋混凝土管片之間的碰撞頂裂，彈性橡膠密封墊和遇水膨脹止水條是主要防水材料，有時會省略遇水膨脹止水條。      在越江盾構隧道中，通常需要穿越飽和砂層，滲透性大且存在高水壓。從目前的盾構隧道實踐來看，在建設初期防水橡膠通常能夠達到隧道防水標準的要求，但在長期服役過程中，已有部分隧道，例如上海打浦路隧道管片接縫出現(xiàn)過滲漏1，但認為 主 要 是 由 于 隧 道 的 縱 向 不 均 勻 沉

4、 降 引起的2。      目前的越江隧道接縫防水研究主要集中在施工期防水上，認為施工中出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象主要是由于盾構姿態(tài)控制不良、管片錯臺、管片開裂、盾尾密封刷損壞或密封油脂壓力不達標等因素造成3，4。隨著施工隊伍質量提升和有關部門對此問題越來越重視，此問題有逐漸降低的趨勢。廣州地鐵二號線“赤崗鷺江區(qū)間隧道”接縫防水優(yōu)良率達到93 1% ，竣工后的滲水量赤-客段僅為 0 020 3L / m2·yd·d，客-鷺段僅為 0 033 1L/m2·yd·d，遠低于標準允許值( 0 1L/m2·yd

5、83;d)5。      有一部分學者嘗試從彈性密封墊的防水機理來開展研究6 8，認為防水性能主要是由密封材料性能、形狀、接觸寬度和密封材料接觸面壓力所決定的，并得到經驗計算公式，對于指導工程實踐具有較高的指導價值。但其研究分析也主要是針對接縫的短期防水性能開展的。      從以上的分析中，可以看出: 管片接縫防水問題是一個熱點問題，也是一個急切需要進一步開展研究工作的問題; 目前的研究工作較少涉及到管片接頭長期防水的問題，這主要是由于我國大規(guī)模開展地鐵建設始于上世紀 90 年代，接頭長期防水

6、問題還沒有得到足夠的重視。因此，本文的研究主要從彈性密封墊的老化和壓縮后的永久變形來開展接縫防水材料的長期防水性能。 2 盾構管片接頭橡膠試驗      目前盾構隧道防水條材料主要采用三元乙丙密封墊，如圖 2 所示。其材料性質要求如表 1所示9。      本文針對密封墊的長期性能開展研究工作，因此，主要是針對老化系數(shù)和壓縮永久變形來開展的。      試驗儀器: 橡膠的老化試驗儀器采用恒溫老化烘箱，在72 恒溫下加熱72 h，取出后在

7、電子萬能試驗機上開展壓縮試驗。根據(jù)橡膠老化前后，其壓縮彈性模量的變化來反映橡膠的老化程度，老化系數(shù) = 老化后橡膠變形模量/老化前變形模量。       永久壓縮變形試驗儀器: 儀器采用圖 3 所示的萬能壓縮機。將橡膠試樣壓縮 20%，并保持 24 h，撤去壓力，分別記錄試樣回彈 10 min、30 min、60 min時的試樣的高度。 3 彈性密封墊耐久性試驗成果分析3 1 彈性密封墊恒定壓縮永久變形      通常情況下，可取 30 min 分鐘對應的壓縮永久變形率作為指

8、標參考值( 壓縮永久變形為老化的塑料壓縮后經過若干時間回彈后的剩余變形) 。從圖 4 中可以看出，三試樣自由回彈 30 min 時的壓縮永久變形分別為 15 4%，10 8% 和 12 3%，均小于表 1 所要求的 22%，符合材料變形性質要求。60 min 后，其壓縮永久變形基本上接近于零，即彈性密封墊有較好的彈性性能，不易發(fā)生不可回彈的塑形變形，對接頭防水具有較好的性能。 3 2 彈性橡膠密封墊的老化試驗后的壓縮性能      從圖 5 中可以看出，彈性密封墊老化后，大部分試樣的壓縮性能有一定的降低，可以通過曲線的割線模量來評價老

9、化系數(shù)，割線的終點取應變?yōu)? 375 對應的點，此時對應著大多數(shù)盾構接縫彈性密封墊的工作狀態(tài)。對應的割線模量和老化系數(shù)如表 2 所示。      從表 2 可以看出，除個別試樣存在較大的誤差外，試樣的老化系數(shù)均大于 0 9，能夠滿足表 1 中材料性質所要求的 0 85 以上。 4 老化對隧道接縫防水的影響分析      在密封墊和混凝土之間的接觸壓力 P0作用下，管片接縫防水如圖 6 所示，能夠承受的最大水壓由下式計算9，10:Pmax，w= k P0   

10、;                ( 1)      式中: 對于非膨脹彈性止水橡膠 k 一般取 1 2左右。       彈性密封墊壓縮試驗條件為無側限，而隧道接縫工作時僅能在接縫槽中發(fā)生變形，可以認為不能發(fā)生側限變形。因此需要將無側限試驗條件下獲得變形模量轉化為有側限工作條件下的變形模量，由虎克定律可得到如下計算公式: &#

11、160;       ( 2)      式中: E1為無側限時的接頭止水橡膠密封墊的壓縮變形模量; E2為有側限時的接頭止水橡膠密封墊的壓縮變形模量; 為泊松比，一般取為 0 3。      為了安全起見，根據(jù)老化后試樣變形模量最低值 E1= 1 09 MPa 來計算，得到 E2= 1 48 MPa。      接縫的接觸壓力可根據(jù)接縫彈性密封墊的壓縮率來計算，目前彈性密封墊的原始厚度

12、為 16mm，管片拼裝后，壓縮后厚度為 10 mm，壓縮量為6 mm。根據(jù)虎克定律，則接縫橡膠的接觸壓力可由下式計算:P0= E2                              ( 3)      式中: 為彈性密封墊的壓縮應變，應考慮接縫張開量計

13、算的影響。      管片接縫長期防水性能應該考慮兩個方面: 一是考慮管片接縫彈性密封墊的橡膠老化帶來變形模量的降低，導致管片與彈性密封墊的接觸壓力有所降低外，另一方面需要考慮隧道縱向的不均勻沉降帶來管片接縫的張開的不利影響，這同樣會帶來管片與彈性密封墊的接觸壓力的降低。從而導致管片接縫防水性能的降低。按地鐵隧道保護條例規(guī)定的接縫張開值: 按地鐵隧道設計要求，接縫的張開值2 mm; 接縫密封墊不漏水，且要求環(huán)縫張開量 6 mm。具體考慮兩方面對管片接縫防水的影響如表 3 所示。     

14、0; 從表 3 中可以看出，考慮接縫張開和彈性密封墊老化的影響后，即使接縫張開量達到設計要求的極限 2 0 mm 時，接縫的最大抵抗水壓還可以達到0 74 MPa，大于錢塘江最大水壓 0 3 MPa，同樣也大于盾構法隧道防水技術標準( DBJ 08-50-96)所要求的 0 6 MPa，滿足接縫防水的要求。即使接縫張開量達到 6 mm，接縫的最大抵抗水壓也可達到 0 45 MPa，遠大于錢塘江最大水壓0 3 MPa，也能夠保證接縫不發(fā)生滲漏現(xiàn)象。 5 結論      盾構隧道由于在我國大規(guī)模建設時間較短，管片接縫長期防水性能還沒有得到

15、足夠的重視。本文主要針對管片接縫的主要防水材料彈性密封墊開展老化試驗和恒定壓縮永久變形試驗，并對密封墊的耐久性進行初步分析。可以得到以下結論:      ( 1) 彈性密封墊隨著時間逐漸老化，其壓縮變形模量有一定的降低，這會降低接縫的接觸壓力，對接縫防水性能有一定的影響;      ( 2) 彈性密封墊長時間承受壓力的作用，容易產生一定的塑形壓縮變形，從而降低接縫的接觸壓力，對接縫防水性能有一定的影響;      ( 3) 目前盾構隧道常用的彈性

16、密封墊三元乙丙橡膠基本上能夠滿足盾構隧道對接縫防水長期性能的影響，可應用于錢塘江盾構越江隧道工程;      ( 4) 本文的研究工作只是初步性的，主要是針對正常施工、正常使用的隧道。沒有考慮盾構施工控制不到位導致管片錯臺，導致橡膠接觸面的減少，從而降低了管片接縫的防水性能。 參考文獻(References)1 王友辛 上海黃浦江打浦路隧道滲漏水治理J 中國建筑防水，1989，( 3) : 28-29 ( Wang YouxinControl of water leakage for Dapu Road Tunnel under Hu

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