浅谈盾构隧道管片拼装接缝的防水处理

1 工程概况及地质结构 广州地铁二号线“赤岗—鹭江区间隧道”盾构工程,其主体结构为内径5.4m的圆形钢筋混凝土管片衬砌结构,全长为4122.606m,分两个区间隧道。两个区间均为“V”字坡,赤岗至客村最大坡度为9.636‰,隧道上覆土厚度最大约14m、最小约8m;客村至鹭江最大坡度为4.14‰,隧道上覆土厚度最大约13m、最小约10m。地下水赋存方式包括第四系孔隙水和基岩裂隙水两种,混合水位一般埋深0.80~4.0m,平均埋深1.75m,隧道处最大静水压力约为1.83kg/cm2。隧道穿越地层主要是粉质粘土、全风化带、强风化带、中风化带,有七段穿过微风化带。隧道通过微风化岩层时,岩体均有夹层存在及斜面产生,施工难度极大。该项目在实施中进行了一系列的新尝试和技术革新。 2 管片衬砌结构防水施工质量控制 地下隧道工程难免遇到接缝问题,因此寻找安全、快速、经济的隧道接缝防水方法、防水材料等施工技术显得非常重要。目前国内地铁盾构隧道结构一般为采用单层预制混凝土管片拼装衬砌的圆形断面结构,其防水施工主要包括:管片衬砌结构自防水、衬砌外防水涂层、衬砌接缝防水(弹性密封垫防水、嵌缝防水)、螺栓孔防水、渗漏处理(盾尾充填注浆等)。而其中控制隧道渗漏水质量的主要施工工艺有:管片衬砌结构自防水、衬砌接缝防水、盾尾充填注浆。 2.1 管片结构防水施工要点 (1)管片混凝土自防水:防水材料采用高抗渗等级(S12)的混凝土。 (2)普遍采用的一种防水材料是弹性止水条,其耐久性和防水效果都已得到证实(图1)。 (3)管片接缝按设计要求进行嵌缝,螺栓孔采用遇水膨胀橡胶垫防水。 (4)注浆孔的防水:原则上不通过管片吊装孔注浆,以避免注浆孔漏水。 2.2 管片止水条粘贴 (1)管片表面要平滑,侧面不能有孔洞和缺边;管片和止水条应干燥,没有灰尘和油脂。 　　(2)将止水条套在管片上,检查型号及位置是否正确,并将其悬挂于管片上。 (3)用稀释液清洗止水条和管片,侧面和底面一定要清洗干净。 (4)待稀释液挥发后,开始涂胶水,胶水要100%覆盖止水条和管片的底部和侧面。先涂止水条,后涂管片,胶水用量要适宜。 (5)胶水溶剂挥发以后,将止水条装入槽内,粘结顺序为先短边后长边、从中间到角边。 (6)最后用锤击打止水条,使其与管片粘结牢固。 2.3 管片成品检漏试验 引起隧道渗漏水的原因主要是防水材质不良或违反操作规程造成的,从施工工艺看,具体可分为以下几类:①管片在制作时养护不合理,表面出现气孔和龟缩裂缝;管片在运输、拼装中受挤压、碰撞,缺边掉角;②水膨胀橡胶粘贴不牢,或下坡时过早浸水使膨胀止水效果降低;③管片拼装质量差,螺栓未拧紧,接缝张开过大;④手孔、螺栓孔、注浆孔等薄弱部位未加防水垫片,封孔施工质量差。 管片接缝防水包括弹性密封垫防水、嵌缝防水和向接缝内注入聚氨酯药液等。下面介绍可靠性高的弹性密封垫防水的各种要求。 (1)功能要求 ①短期防水要求密封材料因压缩产生的接触面应力大于设计水压力;长期防水要求接触面应力不小于设计水压力。 ②密封垫在设计水压力下允许张开值应满足下式:δ≤BD/(ρmin-0.5D)+δ0+δs 式中　δ———环缝中弹性防水密封垫在设计水压力下允许的缝张开值(mm); ρmin———隧道纵向挠曲的最小曲率半径(mm); D———衬砌外径(mm); B———管片宽度(mm); δ0———生产、施工中可能产生的环缝间隙(mm); δs———邻近建筑物引起的接缝张开值(mm)。 本工程设计最大水头为18.3m,按规范要求错缝宽度小于或等于10mm。取错缝宽度应为10mm,由止水条耐水试验结果得知:δ≈7.2mm。已知ρmin=350m,B=1.5m,D=6.0m,δ0=1mm,δs=0mm。代入上述公式计算求得:δ=26.94mm。δ≈7.2mm<26.94mm,证明完全满足功能要求。 (2)耐久性要求 包括防水功能耐久性、耐水性、耐动力疲劳性、耐干湿疲劳性、耐化学腐蚀性等。 (3)密封材料种类 一般可分为单一的、合成的及水膨胀性的材料。现多采用水膨胀橡胶,它可大大改善盾构隧道的防水性,是今后的发展方向。在设计时必须根据实际情况确定合适的膨胀倍率、膨胀时间及环境可能造成的影响。 3 管片接缝防水材料的选型 3.1 管片接缝防水材料的现状 管片接缝防水材料主要有两种:一种是以日本为代表的遇水膨胀橡胶,另一种是多孔弹性橡胶(EPDM)。遇水膨胀橡胶止水条这种材料之所以在日本应用非常广泛,主要是因这种材料首先由日本开发、价格低;另一个原因是日本盾构隧道通常采用双层衬砌,即在管片衬砌内再现浇一道混凝土衬砌,对第一道衬砌的防水质量要求并不象国内这样高。但遇水膨胀材料主要是用于日本而并不为欧美国家所接受,其主要原因是担心其耐久性。国内,广州地铁一号线及二号线其它区间隧道管片接缝防水采用了EPDM弹性止水条,上海地铁一号线采用了弹性密封垫,未见采用进口的EPDM弹性止水条做隧道管片接缝防水。两种管片接缝材料对比见表1。 3.2 管片接缝防水材料的选定 隧道工程的管片衬砌接缝的防水质量一直是个难题,根据管片设计对止水条的要求,并经过多方比选,本工程采用了德国PHOENIX公司生产的EPDM弹性止水条,其主要产品成份为三元乙丙橡胶(EP-DM),设计成截面尺寸为33mm×16mm的多孔橡胶密封圈结构形式(图2)。 4 EPDM材料试验分析 根据管片设计对止水条的要求,短期、长期防水密封材料因压缩产生的接触面压应力应大于设计水压力。通过EPDM弹性止水条材料的试验分析,反映出该止水材料防水和抗变形能力的优越性能指标如下: (1)性能试验 通过试验,EPDM弹性止水条的各项性能见表2。 (2)耐水压试验 从EPDM材料分析的试验曲线(图3)可以看出,在两条橡胶没有错开的情况下,当橡胶仅压缩7mm时,也就是接缝宽度为5mm时,能够抵抗6MPa的水压,相当于600m水头;在两条橡胶错开20mm的情况下,当橡胶压缩10mm时,也就是接缝宽度为2mm时,同样能够抵抗6MPa的水压,相当于600m水头,防水能力非常高。 5 结　语 从广州地铁二号线“赤-鹭区间盾构隧道”工程的防水质量评定(表3)可看出,盾构隧道防水工程质量合格率为100%,优良率为93.1%。管片接缝防水设计采用了性能优越的进口EPDM弹性止水条,较好地解决了地铁隧道渗漏问题,竣工实测隧道残余渗水量赤-客段仅为0.0203L/m2.d,客-鹭段仅为0.0331L/m2.d,远低于标准允许值(0.1L/m2.d)。 总体上看,EPDM弹性止水条防水效果是好的,但也存在有待解决的一些问题: (1)衬砌管片K安装时,由于摩擦力过大,容易将止水条撕开带出,造成防水效果不佳,因此管片K渗漏水问题有待改进。 (2)管片密封槽被破坏,止水条防水失效,因此施工过程中如何确保密封槽完好,也是有待进一步研究的问题。 信息来源于：中国城市轨道交通网