地铁区间盾构隧道管片嵌缝防水技术.doc

专业知识分享版摘 要：回顾了盾构隧道管片嵌缝防水在轨道交通区间隧道工程技术发展各阶段的应用情况，通过分析其在工程施工与运营实践中的利弊，论述了嵌缝止水与嵌缝导水等技术演变的过程，并结合地铁运营特点，指出了嵌缝技术当前的发展趋势。关键词：轨道交通；盾构隧道；嵌缝防水；受电弓；接触网 盾构法隧道防水的重点是衬砌接缝防水，而衬砌接缝防水的关键是接缝面防水密封材料及其设置。 盾构隧道管片防水技术已有百余年的发展史，自 20 世纪 70 年代始，管片接缝密封垫被确认为是接缝防水的主要防线，甚至被逐渐认知为唯一的防线。辅助防水中的嵌缝防水则逐渐被弱化，或用以发挥疏排水功效，或有取消的趋势，这是由于嵌缝要求发挥功效发生衍变的结果。 对于盾构隧道结构，在研讨嵌缝防水的功效时，首先必须确定嵌缝设计的理念。设计要明确嵌缝究竟应起到防水止水还是疏排水的功效，显然，只有嵌缝使所有环、纵向接缝全封闭，才能发挥防水止水功效，否则，局部、有限的嵌填只能发挥泄压、疏排的功效。其次，嵌缝防水应分清是迎水面防水还是背水面防水。例如，对于输水隧道构筑物而言，结构内面嵌缝主要是承受输水水压，而在施工阶段作为背水面材料也要承受地层中的水压，因而有双向防水的要求。但对于地铁区间盾构隧道的嵌缝而言，只要防止地层中的地下水渗入、漏入，因此总是进行背水面防水。 此外，地铁区间盾构隧道的嵌缝还有其结构构造和运营使用上的特点：仰拱管片上有道床混凝土及轨枕；拱顶位置悬有供电接触网，这就对它的嵌缝材料与工艺有特殊的要求。 现着重阐述地铁区间盾构隧道管片嵌缝密封防水的衍变过程，并试析其原因。 1早期的地铁砌块嵌缝密封防水 20 世纪上半叶，尤其是 20 世纪 30 年代前，地铁区间盾构隧道预制衬砌主要是钢、铸铁等金属砌块，大多仅在预制衬砌内侧留设的嵌缝槽采用填缝材料密封防水，而不依靠管片环、纵面设密封材料防水。这一时期，由于化学建材尤其高分子化工建材尚未诞生，故嵌缝密封材料多为与钢、铸铁管片对应的铅条、铝粉、铁粉；用混凝土砌块或金属混凝土复合砌块时，则采用相应的石棉水泥、膨胀水泥等无机材料，利用捣、压、击等方法嵌实，并适当借助材料的微胀机理密封止水。这在英国与西欧早期地铁建设中有不少工程实例。 此后，管片接缝防水进入粘结防水、塑性防水时期，因其防水效果有限，故还借助嵌缝防水作为重要的辅助防线，例如采用低黏度的聚氨酯化合物浸渍麻丝或黄麻嵌入嵌缝槽，其方式是对全部接缝充实密封。 2中期的地铁管片嵌缝密封防水本文把 20 世纪 50 年代至 90 年代看作为“中期”。这时期地铁盾构隧道衬砌越来越多地采用了钢筋混凝土管片，并逐步发展为高精度钢模制作的高精度管片，管片接缝防水的理念也从粘结防水、塑性防水发展为采用密封垫（弹性密封垫与遇水膨胀密封垫）压密防水，从环、纵面全断面防水方式转变到线状方式防水。与之对应的管片接缝嵌缝防水也有了较大的发展（尤其是日本、韩国、中国大陆、港、台等国家和地区的都市地铁），显现出多样性。其前后变化总结如下。2.1管片嵌缝功效、嵌缝范围 随着管片接缝密封垫防水功效的提高，考虑到地铁盾构隧道的特点，管片嵌缝需针对隧道进出洞口、连接通道等隧道变形、管片接缝张开变化较大的位置起重点防范。至于其他位置，管片嵌缝仅要求起排水功效，以满足拱顶无渗漏水滴落在供电接触网、仰拱道床铁轨上，且仰拱处管片接缝也无冒水的要求。换言之，进出洞口 2025 环、连接通道钢管片及前后数环需要重点防范，全封闭嵌填；其他范围只需在拱顶43位置防止滴漏，仰拱 86位置防止冒水进行局部封闭，使渗漏水引排至排水沟中。图 1 为管片嵌缝作业示意图。 从上述可知，密封材料应具有下列特性：能长期保持不透水性；能长期保持粘结力或压缩应力；在嵌填作业与运营中拱顶材料不易坠落；仰拱材料适应基面潮湿，并均能适应结构接缝少量的张、缩变形。因此，这时期的地铁盾构隧道管片嵌缝密封材料，通过嵌填密封，首先利用密封材料与嵌缝槽面粘合的原理，同时靠弹性挤密或膨胀致密的机理，达到防水与控制疏排水的目的。这时期以日本为代表的东亚地区地铁往往采用这类方式。2.2管片嵌缝密封材料 这时期的嵌缝密封材料可分为未定型与定型两类，在工程使用时，根据不同的衬砌材质、嵌缝材料进行嵌缝沟槽设计。2.2.1未定型嵌缝密封材料 顾名思义，未定型嵌缝密封材料是指非预制的、不成型的密封材料，多为建筑密封胶。 1）聚硫橡胶密封胶 聚硫密封胶系双组分制品，主剂为液态多硫聚合物，固化剂为金属氧化物，使用时将主剂和固化剂按规定比例混匀，固化反应后形成类似橡胶的高弹性密封体。由于是双组分反应型材料，又较黏稠，嵌填作业前需双组分混合，相对而言施工不太方便，也有搅拌不均之虞。因此，虽然固结体性能较好，但是施工性稍差。 2）聚氨酯密封胶 聚氨酯密封胶分双组分制品和单组分制品，前者是双组分反应固化，后者则在封闭条件下储存，用嵌缝枪注入嵌缝槽后，带有游离异氰酸根的密封胶受潮气反应固化。地铁区间隧道管片嵌缝则以单组分罐装聚氨酯密封胶为好，它以“枪”式嵌注，具有作业简便、质量稳定的优点。 3） 聚氨酯遇水膨胀腻子或聚氨酯遇水膨胀密封胶 利用材料遇水膨胀达到密封原理的嵌缝材料获得开发，体现了有限膨胀、控制膨胀的思想。 聚氨酯遇水膨胀腻子由水溶性聚氨酯预聚体和丁基橡胶聚异丁烯等经橡胶炼胶机混炼，再经挤出制成，系一种具有遇水膨胀性能的橡胶腻子。它常与工字形塑料条组合使用以控制膨胀，变三向膨胀为单向膨胀，并借助环氧胶泥或聚合物砂浆封闭构成密封体系（图 2 左）。上海地铁 1 号线及其试验段就采用了这类方式，即嵌填于工字形断面塑料条中，为遇水膨胀橡胶腻子类未定型材料（利用工字形条作为控膨材料， 限制膨胀应力单向发挥），外封氯丁胶乳水泥抗裂防水，容易操作，效果尚好。 4）单组分遇水膨胀密封胶 近 20 年来，嵌缝材料中的遇水膨胀橡胶腻子条多为遇水膨胀密封胶所替代，并摈弃了工字条，在利用有限膨胀密封原理的基础上，用少量单组分、挤出型遇水膨胀密封胶止水，再用氯丁胶乳水泥密封。这样的施工方式，减少了膨胀密封材料的用量，简化了施工工艺（图2 右）。2.2.2定型嵌缝密封材料 嵌缝件由三元乙丙合成橡胶制成（图 3），可以加工成各种尺寸，用于管片环纵缝、导水沟密封件的十字连接。施工时，将制件切成 U 形接口，用聚氨酯胶粘结在一起，使用掺有树脂的丁基水系粘合剂封涂粘结到混凝土管片嵌缝槽内。这种嵌缝件，经过试验室管片接缝嵌缝一字缝试验，证明可以承受 0.1 MPa 的水压而不渗漏。但从图 3 也可看出，十字缝处稍有错位，这种密封就会不可靠，故只能起疏导水的作用，即发挥疏导时的、不承受水压的密封，所以称为“导水沟密封件”。 德国地下交通规划研究协会试验过另一类合成橡胶嵌缝件（图4），它仅能承受很低的水压力，且要求管片的拼装精度要精确到 1 mm，同样在十字缝位置非常难以处理。在盾构隧道嵌缝工程中也只能起疏导水的作用。 图 4 中的嵌缝件采用“退拨”型硬橡胶芯材和带箭翼的密封件组合加强密封，试图对不同位置、大小有异的沟槽，通过硬质芯材击入深度的差别来调整、适应。但事实上，这种芯材虽可制成片状、且为弧形，但仍难适应接缝宽窄的变化，遇及十字、丁字缝等节点就更难解决，因此在实际工程中用得不多。上海地铁2号线区间隧道曾做过这方面的尝试（图5），利用预制密封件的齿形与芯材适应接缝的大小来满足密封性，与图4止水原理一致、外形相近（但两边齿牙为遇水膨胀橡胶类的），而击入的楔形芯材有差异（片状塑料的）。因为如上所述的原因，实际效果也不够理想。 总体而言，预制成型密封件对地铁盾构区间隧道管片嵌缝不够成功，对于拱顶、仰拱局部接缝使用更欠合适。此后，都采用了未定型材料。2.3管片嵌缝槽形式 管片嵌缝槽是设在管片内沿的槽口，通常分别设在管片的两侧，偶尔也有设在一侧的。 管片嵌缝槽的外形大致如图 6 所示，其中 2# 槽深而窄，适宜于承受背水压；1#、3# 槽两侧平行，适宜于定型密封材料；4# 槽内大外小，适合未定型密封胶，施工与运营中不易坠落。现今，作为背水面的管片嵌缝槽的构造，嵌缝槽 H/D（深宽比）宜3.0，槽深宜为2555 mm，单面槽宽以 39 mm 为妥。应该指出的是，其外形、尺寸除了要满足嵌填作业的需要外，还要有利于管片生产制作，尤其是管片钢模脱模板时不会损伤。3当前地铁管片的嵌缝密封防水 新世纪以来，随着地铁区间盾构隧道防水技术的发展，隧道渗漏水量减少，又因有拱部嵌缝材料下落的隐患，故北美、西欧的地铁率先取消了嵌缝作业。目前，东亚地区的大多数城市也取消了管片拱部嵌缝的做法。而管片环、纵缝，通过整体嵌缝作业止水的功效也受质疑，通常只在有限的部位发挥疏引作用，将渗漏水引排，以创造其他作业环境。 国内有关技术也开始有所变化，上述嵌缝的基本理念、嵌缝防水材料、施工作业方法，既有存用，也有改进。如：1）底部仅在道床混凝土 86的范围内，用快硬水泥及时嵌填，便于道床混凝土在干燥、无污泥的环境下浇筑等（仅起防止嵌缝槽内留存杂物的作用）；2）进出洞及连接通道邻近范围按变形缝处理，整条环缝360直接嵌填高模量聚氨酯密封胶，利用粘结与弹（柔）性密封原理防水，故未用膨胀类材料，更无需再用水泥封堵。 4结语 结合以上国内技术发展趋势，笔者认为下述盾构隧道管片嵌缝技术将成为今后的主流。 1） 接触网制式的地铁区间隧道拱顶部悬有机车供电接触网，机车有受电弓，一旦拱部柔性条状嵌缝材料下挂、下坠到“网”与“弓”上，会造成供电短路，危害行车安全等风险，在权衡利弊后，通常不再嵌缝。 2）管片环、纵面接缝仍必须留有嵌缝槽，除了作为渗漏水疏导、引流的备用槽外，也是接缝注浆堵水必需的封缝槽。由于现今极少采用定型嵌缝密封材料，嵌缝槽构造宜为未定型材料不易落出的外窄内宽形式，细部构造应同时满足管片制作时的脱模要求。 3）进出洞口附近 20 环左右的管片、连接通道前后数环管片等局部区段，因管片接缝变形量大，渗漏概率相对较高，可继续考虑采用环、纵缝全封闭嵌缝防水。 4）环、纵缝全封闭嵌缝防水时，宜采用