盾构隧道管片接缝的防水方式研究

盾构隧道管片接缝的防水方式研究盾构隧道管片接缝的防水方式研究 摘要 盾构隧道防水是隧道质量控制的重要内容 而管片接缝的密封工作的好坏直接影响着隧道抵抗 地下水的能力 管片的接缝防水有多道防线 本文拟对现有接缝防水方式作个归纳总结 以供参考 关键词 盾构 接缝 防水 前言 图 1 接头防水体系 由于盾构隧道是埋于地下的结构物 处于地下水的包围之中 不可避免的会受到地下水压力的作用 地下水的侵入会导致结构破坏 设备腐蚀 危害行车安全 影响外观等一系列问题 严重的甚至会影响到 地铁的运营和降低隧道的使用寿命 盾构隧道的接缝特别多 其渗水通道会远远大于其他的地下结构物 所以做好其接缝的密封工作可以很大程度上抑制地下水的侵入危害 本文拟对现行工程中所使用的管片接 缝密封方式做个总结归纳 以供查阅参考 1 弹性密封防水 弹性密封防水 应该保证 1 在设计水压下不漏水 能承受千斤顶压力 压浆压力 由拧紧螺栓引 起的预紧力以及衬砌使用阶段的截面内力 2 有相当的弹性 在承受往复压力后复原能力强 3 有足 够的粘结力 耐久性 稳定性 抗老化性及对压浆浆液的耐腐蚀性 4 施工方便 不会影响管片拼装的 精度 安装后能立即承受荷载等 1 1 接头密封条 接头密封条是在受压后形成的 粘结在接头表面上的 通常使用在无螺栓的钢筋混凝土管片衬砌之中 因为广泛使用无螺栓衬砌 接头面为凹凸圆弧面 接头密封条就尤其适用于这种接头 一般使用橡胶沥青 密封条 靠加热粘结在管片上 此外还有以硅 环氧树脂等的聚合物为材料的 1 2 非膨胀性弹性密封垫 弹性密封垫是预制的成形品 嵌置在接头面上专设的密封垫沟槽内 无论有无螺栓都可 图 3 密封材料产生的自封作用 以使用 它在地层条件恶劣 地下水压高的情况下也显现出了很好的防水效果 在欧洲 密封材料的 主体就是非膨胀合成橡胶 在我国的盾构法隧道中它也是最常用的防水形式 1 工作机理 它利用的是密封垫静态密封原理 如图 3 所示 密封垫工作状态下的材料行为类似 于高粘度液体的某些特性 它具有把压力传递到接触面的特性 橡胶密封垫受到压缩后 便产生初始接触 面应力 p0 当其受到液体侧向压力作用时 应力将重新分布 并产生附加应力 p1 自封作用 假定在 完全刚性约束条件下 可认为接触面应力近似等于 p0 p1 按照静态密封理论 则不可能渗漏 但是 盾构管片由于拼装间隙 荷载变化引起接缝开闭以及管片拼装错位 密封垫的约束条件显然不可能是完全 刚性约束 故约束条件具有不确定性 但在极端不利工况条件下 其受力状态近似于两端为刚性约束的矩 形梁受均布荷载作用 在大变形条件下两端接触面在水压作用下的应力重分布是难以确定的 2 设计技术要求 为能使密封垫完全压密 密封垫沟槽面积应该大于或者等于密封垫的断面积 为确保环面密封材料完全压密 即纵向环缝张开量为 0 千斤顶顶力要大于环缝张开量为 0 时对密封材 料的压缩力 为确保环面密封材料张开量为 0 螺栓紧固力应该大于密封材料的压缩力 从材料老化等因 素考虑 在接缝张开量为 0 时 要求材料的压缩率小于 35 密封垫的高度与密封垫沟槽深度的设计应 该考虑在 0 6mpa 水压下能满足设计要求的适应接缝张开量 密封垫的宽度通常大于 25mm 1 3 遇水膨胀橡胶密封垫 图 4 水膨胀橡胶密封垫工作机理 遇水膨胀橡胶密封垫是 80 年代开发应用的隧道衬砌接缝防水材料 与传统的橡胶止水材料相比较 施工时它所需受压程度小 只要压缩 7 即可 传统的橡胶受压型密封材料需要 35 能够消除压缩 应力引起的破坏 当接缝两侧的距离大于防水材料的弹性恢复率时 由其遇水膨胀的特点 在其膨胀范围 以内还能够起止水作用 遇水膨胀橡胶密封垫以其造价低廉 可节省 50 以上 施工简便 效率高 节省材料 大大减少了密封垫的厚度 止水能力强等优点 近年来已成为国内外隧道衬砌接缝防水中运 用最广的一种防水材料 它工作状态下的材料性能 也类似于高粘体系 具有把压力传递到其接触面的特性 装在密封槽中的 橡胶密封垫受到一定的压力时 便对初始接触面产生应力 p0 当遇水胀橡胶吸水膨胀及受到液体压力作 用时 将产生附加接触面应力 p1 如图 4 所示 这时 总接触面的应力为 p p0 p1 当 pw p0 p1 p0 p0 发生渗漏 还有一种组合应用是把遇水膨胀橡胶和普通非膨胀橡胶密封垫结合起来使用 通过嵌入或者是模压的 方式方法将水膨胀橡胶与非膨胀橡胶结合构成复合型弹性橡胶密封垫 如图 5 所示 这样 弹性橡胶密封 垫拥有了弹性止水 膨胀止水双重功效 使得弹性橡胶密封垫即使在管片之间产生较大接缝张开量 依靠 橡胶回弹无法完全止水 包括长期压缩下的密封垫应力松弛 的情况下 膨胀橡胶遇水产生体积膨胀 达到 止水的目的 这样一来 盾构隧道短期的防水靠密封垫压密解决 而长期防水依靠水膨胀橡胶的水膨胀性 尤其是限制侧向膨胀 靠高度方向的单向膨胀予以解决 图 5 复合型弹性橡胶密封垫 2 灌注密封剂 灌注密封剂就是用喷枪 泵等器具将聚氨酯或树脂类密封剂等材料 沿着管片的预留灌浆孔压注入预 留沟槽孔道里 密封剂聚合固化后 依靠它与孔壁的粘结力密封接缝 就能起到止水作用 显然 它需要 有良好的可灌性和有水存在下的固化性 与混凝土有良好的粘结力 并有良好的强度 弹性及化学稳定性 通常把它和弹性密封垫配合起来使用 作为加强防水的措施 3 嵌缝填料 在管片拼装完成以后过一段时间即进行嵌缝作业 一般需要等到隧道变形稳定以后 且最好是在枯水 期 但主要用在渗漏水的接缝和进出洞一定范围内的接缝上 它不是靠弹性压密防水 而是用嵌缝材料的 填嵌密实来达到防水目的 嵌缝填料几乎不受接头形状的限制 嵌缝沟槽位于接头的内缘 其开口有方形 的 也有喇叭形的 要根据所选用材料等具体情况确定 嵌缝填料要求具有良好的不透水性 粘结性 耐久性 延伸性 耐药性 抗老化性 收缩小 适应一 定变形的弹性 特别要能与潮湿的混凝土结合好 具有不流坠的抗下垂性 以便于在湿润状态下施工 目 前采用的嵌缝填料有环氧树脂系列 聚硫橡胶系列 聚氨酯 水泥和橡胶泡沫条 石棉化合物等 由于嵌 缝填料的独特作用 国外几乎各种管片都考虑嵌缝防水 甚至有的铸铁管片 钢管片衬砌去掉接缝密封垫 单靠嵌缝防水就能达到理想的防水效果 图 6 嵌缝形式示例 目前来讲 盾构法区间隧道管片间的嵌缝形式很多 如图 6 所示的是效果较好的一种 腻子条设置于 呈 工 字型的塑料控膨材料内 左右两条腻子条与嵌缝槽的侧面紧密相贴 嵌缝槽口以氯丁胶乳水泥砂浆封 闭 即构成一完整的嵌缝防水体系 不易受到初始缝状态的影响 基面湿润或者轻度渗漏均可作业 近年来 日本 比利时等地生产商开发出新型的嵌缝用单组分密封胶类遇水膨胀腻子产品 其主要成分 多为聚氯酪型 可在潮湿面施工 在采用嵌缝枪将其注入嵌缝槽后 腻子与空气中的潮气接触变为软橡胶般 的弹性体材料 然后用增韧型环氧胶泥或氯丁胶乳水泥砂浆封闭嵌缝槽口 若地下水沿管片接缝渗入嵌缝 槽内 腻子遇水会迅速膨胀 封闭渗水通道 从而保证嵌缝槽无渗漏 即为以水止水 由于可以采用嵌缝枪灌 注作业 此材料尤其适用于外形构造复杂 作业困难的场合 替代膨润土止水条作为施工缝防水材料 另外 特别是对于那些尺寸不规范的接缝 现场使用时仅需要根据接缝大小 用手将其搓成一定的尺寸填塞入接 缝即可 施工十分方便 但是在施工过程中 施工界面因水冲刷后的积水会导致遇水膨胀腻子条在混凝土 还未浇捣前就预先膨胀 失去了其后期的膨胀止水功能 所以如何防止遇水膨胀腻子条的预膨胀是此种材料 应用的关键 现在通常采用两种方法来达到此目的 一是腻子条表面涂刷缓膨胀剂 二是在生产制作遇水 膨胀腻子条的过程中 加入缓膨胀成分 制成具有缓膨胀功能的止水条 4 小结 管片接缝防水的设计有很多种 主要是接缝密封垫防水 灌注密封剂防水和嵌缝防水 采用 比较合理的防水方案可以取得较好的防水效果 非膨胀合成橡胶 靠弹性压密 以接触面