以成都地铁 1 号线盾构隧道管片密封垫材质选型为背景, 对非膨胀型与复合型两类密封垫的特性进行了对比, 通过水密性试验、应力松弛和蠕变试验研究了两类密封垫的防水性能。根据试验结果, 推荐成都地铁 1 号线盾构隧道采用单一非膨胀型密封垫。

1 工程概况

成都地铁 1 号线工程范围内地下水系为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。以孔隙潜水为主,主要埋藏于砂卵石地层中, 地下水位埋藏较浅, 水量丰富, 渗透系数 K=15～40 m/d, 补给来源为大气降水和地表河流、沟渠。基岩裂隙水主要赋存于泥岩风化裂隙带中, 含水层厚 20 m 左右, 渗透系数 K=0.3～1.2m/d, 裂隙水不发达, 迳流条件差, 主要为孔隙潜水补给。这样的工程地质和水文地质条件对盾构隧道防水提出了很高的要求。

尽管不同国家根据不同地质条件与不同类型的盾构管片而采用不同的防水方法, 但都公认以接头面的密封为主要防线, 目前广泛采用弹性密封防水[1￣2], 这在水压高的地层中使用, 效果更好[3]。因此弹性密封垫作为隧道的首道防水线处于十分重要的地位。

本文针对成都地铁 1 号线工程, 对其盾构隧道管片接缝密封垫的材质选型进行了研究, 并为今后相似地质与水文条件地区的工程提供参考。

2 常见密封垫材质和结构型式

按材质的不同, 盾构隧道橡胶密封垫可分为非膨胀型与遇水膨胀型两类。结构形式上橡胶密封垫可分为单一材料制品和复合型制品, 目前德国及欧洲部分国家仍使用以三元乙丙( 早期为氯丁橡胶) 为主的橡胶密封垫, 日本以遇水膨胀橡胶为主, 我国也有采用由两种材料构成的复合断面[4￣5]。

2.1 遇水膨胀橡胶密封垫

遇水膨胀橡胶(Water Swelling Rubber) 密封垫是近年来开发应用的新型防水材料( 见图 1), 它是在橡胶或弹性塑料的基础上引入吸水组分制备的新型防水止水材料, 其持点是保持了原有弹性止水材料的力学和弹性性能, 增加了吸水膨胀功能。

因吸水性树脂等膨胀材料的品种差异、膨胀后氯丁橡胶等基材的长期强度与变形性能的下降以及膨胀剂的溶出和膨胀压性能的低下等原因, 实际使用中遇水膨胀材料的性能难以达到预期效果。遇水膨胀橡胶其膨胀的方向性、膨胀材料的析出等问题, 易使其止水密封压力降低, 导致止水效果下降甚至失效。如何克服析出物多的问题, 一直是困扰研制开发者的难题。同时, 大膨胀率橡胶的耐久性同样也有待验证。

2.2 非膨胀型橡胶密封垫

非膨胀橡胶密封垫主要利用橡胶本身的弹性复原力密封止水, 以耐久性见长。在欧洲, 盾构隧道接缝防水是以非膨胀橡胶为主流, 其材质有氯丁橡胶和三元乙丙橡胶等。这些橡胶作为防水密封材料已有几十年的历史, 对其应力状态和长期耐水性已有充分的研究评价。

2.3 复合型密封垫

常见的复合型密封垫是在非膨胀橡胶密封垫表面加覆膨胀橡胶, 即在橡胶生产过程中, 非膨胀橡胶与膨胀橡胶经过相同的工艺流程, 硫化挤出成型, 这样, 复合型橡胶密封垫便拥有弹性压密止水与膨胀止水的双重功效。主要采用两种方式来达到两者之间的复合: 一种是采用特殊的弹性橡胶密封垫的构造形式, 将遇水膨胀橡胶直接嵌入非膨胀弹性橡胶密封垫表面; 另一种是以模压的形式, 将遇水膨胀橡胶与非膨胀橡胶同时硫化成型, 从而构成复合型弹性橡胶密封垫。

3 密封垫防水试验研究

考虑单一遇水膨胀橡胶的析出物及耐久性问题,不建议在成都地铁的富水条件下采用。而对于非膨胀橡胶密封垫和复合型密封垫, 将通过试验来确定哪一种更适合成都地铁的盾构密封垫材质及结构形式。

3.1 试验概况

根据管片密封垫凹槽尺寸, 并考虑成都地铁盾构隧道的地质、水文条件和设计水压力, 设计并制作了两种形式的密封条用于试验研究, 其断面如图 4 所示, (a) 为内嵌遇水膨胀橡胶条的复合型密封垫断面图, (b)为单一非膨胀橡胶密封垫断面图。这种中孔形断面有利于弹性复原力的永久保持, 对接缝张开和错位有较好的适应性, 压缩时所需顶推力也较小, 是目前世界各国盾构密封垫的常用断面形式。

密封垫防水特性的试验主要有水密性试验、蠕变与应力松弛试验、老化试验等。对于遇水膨胀密封垫,还有材质质量变化率等相关试验[6]。为进行材质及结构形式比选, 拟进行水密性和蠕变(应力松弛)试验。

3.2 水密性试验

通过对密闭成框形的弹性密封垫的一字缝、T 字缝进行水密性试验, 可模拟管片环缝、纵缝张开及错位情况下, 密封垫的短期抗水压能力。

3.2.2 试验方法及步骤

(1)不错缝试验

将试件放在涂有氯丁橡胶的模具凹槽中, 用螺栓紧固模具上下两块模板至完全密合( 管片张开量为 0mm), 然后用手动试压泵加水压, 待排净空气, 关闭排气孔阀门。加压到设计最大水压。若压力在 2 h 内不降, 则增加模具圆板之间的张开量达到 1 mm, 若压力在设计最大水压下仍能稳定 2 h 而不降, 则继续加大模具板之间的张开量到 2 mm、3 mm ( 每次增加量为1 mm)……, 直至压力达不到设计最大水压力或压力达到设计最大水压后稳定时间小于 2 h 而出现渗漏现象为止。

(2)错缝试验

① 将试件放置于凹槽中, 平移底板, 测量移动量, 拧紧模板后加水压到设计值。重复上述试验步骤。

② 保持底板不动, 然后再向垂直方向平移顶板测量移动量, 拧紧模板后加水压到设计值。重复上述试验步骤。

3.3 蠕变(应力松弛)试验

压缩蠕变(或应力松弛)试验以恒定荷载(或恒定变形) 加压于不同断面形式的弹性密封垫, 观测不同断面形式的弹性密封垫在长期恒压( 或变形) 条件下初始压缩值变化情况的差异, 试验内容见表 2。压缩蠕变及应力松弛的试验数据是反映密封垫长期防水能力的重要参数。

3.3.1 试验装置

3.3.2 试验方法及步骤

(1)压缩蠕变试验

将试件安放在侧限装置中并装到蠕变试验仪上,以一定压缩值为断面高度所对应的压力施加于试件上进行蠕变试验, 在试验中保持压力不变, 测得压缩量变化与时间关系曲线, 蠕变试验时间为 28 d。加水试验中通过加载板上的注水孔注水, 试验过程中始终保持有水状态, 观察膨胀止水条的膨胀力对蠕变的补偿作用。

(2)应力松弛试验

取一段 200 mm 长的密封垫试件, 安放在侧限装置中并装到应力松弛试验仪上进行应力松弛试验, 在试验中保持压缩量不变, 测得应力变化与时间关系曲线, 应力松弛试验时间为 28 d。加水试验中通过加载板上的注水孔注水, 试验过程中始终保持有水状态,观察膨胀止水条的膨胀力对应力松弛的补偿作用。

4 主要试验结果及结论

(1)复合型密封垫与单一非膨胀橡胶密封垫所能抵抗的水压相近

通过水密性试验发现, 接缝渗水多发生在密封垫与钢板接触面上, 而遇水膨胀橡胶条位于密封垫之间, 水渗入其中的量很小。因此遇水膨胀橡胶条仅发生微弱膨胀, 其膨胀力不足以显著提高密封垫的防水能力。

(2) 错缝时, 遇水膨胀橡胶条可能降低密封垫的防水能力

遇水膨胀橡胶通常比三元乙丙橡胶硬度小。错缝发生时, 可能导致接缝两侧密封垫的接触发生在遇水膨胀橡胶和三元乙丙橡胶之间, 使得接触应力大幅度降低。同时, 错缝时可能导致遇水膨胀橡胶脱离三元乙丙橡胶的约束而形成自由膨胀( 图 10)。由于局部膨胀不受限制, 遇水膨胀橡胶膨胀所引起的接触应力大大减小, 甚至还可能出现遇水膨胀橡胶条脱出密封垫的情况(图 11)。

(3)遇水膨胀橡胶条对蠕变(应力松弛)的补偿作用有限

在有水与无水条件下, 两种密封垫压缩蠕变试验蠕变量相差不足 1 mm。对于内嵌遇水膨胀橡胶条密封垫, 在试验过程发现漏水后, 保持有水状态 3 d 后,再加水压发现依然漏水。

鉴于上述试验结果, 推荐采用非膨胀型橡胶止水条用于成都地铁盾构管片接缝防水。