地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道管片嵌縫防水技術(shù)

地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道管片嵌縫防水技術(shù)

摘

要：回顧了盾構(gòu)隧道管片嵌縫防水在軌道交通區(qū)間隧道工程技術(shù)發(fā)展各階段的應(yīng)用情況，通過分析其在工程施工與運(yùn)營(yíng)實(shí)踐中的利弊，論述了嵌縫止水與嵌縫導(dǎo)水等技術(shù)演變的過程，并結(jié)合地鐵運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，指出了嵌縫技術(shù)當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：軌道交通；盾構(gòu)隧道；嵌縫防水；受電弓；接觸網(wǎng)

盾構(gòu)法隧道防水的重點(diǎn)是襯砌接縫防水，而襯砌接縫防水的關(guān)鍵是接縫面防水密封材料及其設(shè)置。

盾構(gòu)隧道管片防水技術(shù)已有百余年的發(fā)展史，自20世紀(jì)70年代始，管片接縫密封墊被確認(rèn)為是接縫防水的主要防線，甚至被逐漸認(rèn)知為唯一的防線。輔助防水中的嵌縫防水則逐漸被弱化，或用以發(fā)揮疏排水功效，或有取消的趨勢(shì)，這是由于嵌縫要求發(fā)揮功效發(fā)生衍變的結(jié)果。

對(duì)于盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)，在研討嵌縫防水的功效時(shí)，首先必須確定嵌縫設(shè)計(jì)的理念。設(shè)計(jì)要明確嵌縫究竟應(yīng)起到防水止水還是疏排水的功效，顯然，只有嵌縫使所有環(huán)、縱向接縫全封閉，才能發(fā)揮防水止水功效，否則，局部、有限的嵌填只能發(fā)揮泄壓、疏排的功效。其次，嵌縫防水應(yīng)分清是迎水面防水還是背水面防水。例如，對(duì)于輸水隧道構(gòu)筑物而言，結(jié)構(gòu)內(nèi)面嵌縫主要是承受輸水水壓，而在施工階段作為背水面材料也要承受地層中的水壓，因而有雙向防水的要求。但對(duì)于地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道的嵌縫而言，只要防止地層中的地下水滲入、漏入，因此總是進(jìn)行背水面防水。

此外，地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道的嵌縫還有其結(jié)構(gòu)構(gòu)造和運(yùn)營(yíng)使用上的特點(diǎn)：仰拱管片上有道床混凝土及軌枕；拱頂位置懸有供電接觸網(wǎng)，這就對(duì)它的嵌縫材料與工藝有特殊的要求。

現(xiàn)著重闡述地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道管片嵌縫密封防水的衍變過程，并試析其原因。

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早期的地鐵砌塊嵌縫密封防水

20世紀(jì)上半葉，尤其是20世紀(jì)30年代前，地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道預(yù)制襯砌主要是鋼、鑄鐵等金屬砌塊，大多僅在預(yù)制襯砌內(nèi)側(cè)留設(shè)的嵌縫槽采用填縫材料密封防水，而不依靠管片環(huán)、縱面設(shè)密封材料防水。這一時(shí)期，由于化學(xué)建材尤其高分子化工建材尚未誕生，故嵌縫密封材料多為與鋼、鑄鐵管片對(duì)應(yīng)的鉛條、鋁粉、鐵粉；用混凝土砌塊或金屬混凝土復(fù)合砌塊時(shí)，則采用相應(yīng)的石棉水泥、膨脹水泥等無機(jī)材料，利用搗、壓、擊等方法嵌實(shí)，并適當(dāng)借助材料的微脹機(jī)理密封止水。這在英國(guó)與西歐早期地鐵建設(shè)中有不少工程實(shí)例。

此后，管片接縫防水進(jìn)入粘結(jié)防水、塑性防水時(shí)期，因其防水效果有限，故還借助嵌縫防水作為重要的輔助防線，例如采用低黏度的聚氨酯化合物浸漬麻絲或黃麻嵌入嵌縫槽，其方式是對(duì)全部接縫充實(shí)密封。

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中期的地鐵管片嵌縫密封防水本文把

20世紀(jì)50年代至90年代看作為“中期”。這時(shí)期地鐵盾構(gòu)隧道襯砌越來越多地采用了鋼筋混凝土管片，并逐步發(fā)展為高精度鋼模制作的高精度管片，管片接縫防水的理念也從粘結(jié)防水、塑性防水發(fā)展為采用密封墊（彈性密封墊與遇水膨脹密封墊）壓密防水，從環(huán)、縱面全斷面防水方式轉(zhuǎn)變到線狀方式防水。與之對(duì)應(yīng)的管片接縫嵌縫防水也有了較大的發(fā)展（尤其是日本、韓國(guó)、中國(guó)大陸、港、臺(tái)等國(guó)家和地區(qū)的都市地鐵），顯現(xiàn)出多樣性。其前后變化總結(jié)如下。2.1管片嵌縫功效、嵌縫范圍

隨著管片接縫密封墊防水功效的提高，考慮到地鐵盾構(gòu)隧道的特點(diǎn)，管片嵌縫需針對(duì)隧道進(jìn)出洞口、連接通道等隧道變形、管片接縫張開變化較大的位置起重點(diǎn)防范。至于其他位置，管片嵌縫僅要求起排水功效，以滿足拱頂無滲漏水滴落在供電接觸網(wǎng)、仰拱道床鐵軌上，且仰拱處管片接縫也無冒水的要求。換言之，進(jìn)出洞口20～25環(huán)、連接通道鋼管片及前后數(shù)環(huán)需要重點(diǎn)防范，全封閉嵌填；其他范圍只需在拱頂43°位置防止滴漏，仰拱86°位置防止冒水進(jìn)行局部封閉，使?jié)B漏水引排至排水溝中。圖1為管片嵌縫作業(yè)示意圖。

從上述可知，密封材料應(yīng)具有下列特性：能長(zhǎng)期保持不透水性；能長(zhǎng)期保持粘結(jié)力或壓縮應(yīng)力；在嵌填作業(yè)與運(yùn)營(yíng)中拱頂材料不易墜落；仰拱材料適應(yīng)基面潮濕，并均能適應(yīng)結(jié)構(gòu)接縫少量的張、縮變形。因此，這時(shí)期的地鐵盾構(gòu)隧道管片嵌縫密封材料，通過嵌填密封，首先利用密封材料與嵌縫槽面粘合的原理，同時(shí)靠彈性擠密或膨脹致密的機(jī)理，達(dá)到防水與控制疏排水的目的。這時(shí)期以日本為代表的東亞地區(qū)地鐵往往采用這類方式。2.2管片嵌縫密封材料

這時(shí)期的嵌縫密封材料可分為未定型與定型兩類，在工程使用時(shí)，根據(jù)不同的襯砌材質(zhì)、嵌縫材料進(jìn)行嵌縫溝槽設(shè)計(jì)。2.2.1

未定型嵌縫密封材料

顧名思義，未定型嵌縫密封材料是指非預(yù)制的、不成型的密封材料，多為建筑密封膠。

1）聚硫橡膠密封膠

聚硫密封膠系雙組分制品，主劑為液態(tài)多硫聚合物，固化劑為金屬氧化物，使用時(shí)將主劑和固化劑按規(guī)定比例混勻，固化反應(yīng)后形成類似橡膠的高彈性密封體。由于是雙組分反應(yīng)型材料，又較黏稠，嵌填作業(yè)前需雙組分混合，相對(duì)而言施工不太方便，也有攪拌不均之虞。因此，雖然固結(jié)體性能較好，但是施工性稍差。

2）聚氨酯密封膠

聚氨酯密封膠分雙組分制品和單組分制品，前者是雙組分反應(yīng)固化，后者則在封閉條件下儲(chǔ)存，用嵌縫槍注入嵌縫槽后，帶有游離異氰酸根的密封膠受潮氣反應(yīng)固化。地鐵區(qū)間隧道管片嵌縫則以單組分罐裝聚氨酯密封膠為好，它以“槍”式嵌注，具有作業(yè)簡(jiǎn)便、質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

3）聚氨酯遇水膨脹膩?zhàn)踊蚓郯滨ビ鏊蛎浢芊饽z

利用材料遇水膨脹達(dá)到密封原理的嵌縫材料獲得開發(fā)，體現(xiàn)了有限膨脹、控制膨脹的思想。

聚氨酯遇水膨脹膩?zhàn)佑伤苄跃郯滨ヮA(yù)聚體和丁基橡膠聚異丁烯等經(jīng)橡膠煉膠機(jī)混煉，再經(jīng)擠出制成，系一種具有遇水膨脹性能的橡膠膩?zhàn)印ＫＥc工字形塑料條組合使用以控制膨脹，變?nèi)蚺蛎洖閱蜗蚺蛎洠⒔柚h(huán)氧膠泥或聚合物砂漿封閉構(gòu)成密封體系（圖2左）。上海地鐵1號(hào)線及其試驗(yàn)段就采用了這類方式，即嵌填于工字形斷面塑料條中，為遇水膨脹橡膠膩?zhàn)宇愇炊ㄐ筒牧希ɡ霉ぷ中螚l作為控膨材料，限制膨脹應(yīng)力單向發(fā)揮），外封氯丁膠乳水泥抗裂防水，容易操作，效果尚好。

4）單組分遇水膨脹密封膠

近20年來，嵌縫材料中的遇水膨脹橡膠膩?zhàn)訔l多為遇水膨脹密封膠所替代，并擯棄了工字條，在利用有限膨脹密封原理的基礎(chǔ)上，用少量單組分、擠出型遇水膨脹密封膠止水，再用氯丁膠乳水泥密封。這樣的施工方式，減少了膨脹密封材料的用量，簡(jiǎn)化了施工工藝（圖2右）。2.2.2

定型嵌縫密封材料

嵌縫件由三元乙丙合成橡膠制成（圖3），可以加工成各種尺寸，用于管片環(huán)縱縫、導(dǎo)水溝密封件的十字連接。施工時(shí)，將制件切成U形接口，用聚氨酯膠粘結(jié)在一起，使用摻有樹脂的丁基水系粘合劑封涂粘結(jié)到混凝土管片嵌縫槽內(nèi)。這種嵌縫件，經(jīng)過試驗(yàn)室管片接縫嵌縫一字縫試驗(yàn)，證明可以承受0.1MPa的水壓而不滲漏。但從圖3也可看出，十字縫處稍有錯(cuò)位，這種密封就會(huì)不可靠，故只能起疏導(dǎo)水的作用，即發(fā)揮疏導(dǎo)時(shí)的、不承受水壓的密封，所以稱為“導(dǎo)水溝密封件”。

德國(guó)地下交通規(guī)劃研究協(xié)會(huì)試驗(yàn)過另一類合成橡膠嵌縫件（圖4），它僅能承受很低的水壓力，且要求管片的拼裝精度要精確到1mm，同樣在十字縫位置非常難以處理。在盾構(gòu)隧道嵌縫工程中也只能起疏導(dǎo)水的作用。

圖4中的嵌縫件采用“退撥”型硬橡膠芯材和帶箭翼的密封件組合加強(qiáng)密封，試圖對(duì)不同位置、大小有異的溝槽，通過硬質(zhì)芯材擊入深度的差別來調(diào)整、適應(yīng)。但事實(shí)上，這種芯材雖可制成片狀、且為弧形，但仍難適應(yīng)接縫寬窄的變化，遇及十字、丁字縫等節(jié)點(diǎn)就更難解決，因此在實(shí)際工程中用得不多。上海地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道曾做過這方面的嘗試（圖5），利用預(yù)制密封件的齒形與芯材適應(yīng)接縫的大小來滿足密封性，與圖4止水原理一致、外形相近（但兩邊齒牙為遇水膨脹橡膠類的），而擊入的楔形芯材有差異（片狀塑料的）。因?yàn)槿缟纤龅脑?，?shí)際效果也不夠理想。

總體而言，預(yù)制成型密封件對(duì)地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道管片嵌縫不夠成功，對(duì)于拱頂、仰拱局部接縫使用更欠合適。此后，都采用了未定型材料。2.3

管片嵌縫槽形式

管片嵌縫槽是設(shè)在管片內(nèi)沿的槽口，通常分別設(shè)在管片的兩側(cè)，偶爾也有設(shè)在一側(cè)的。

管片嵌縫槽的外形大致如圖6所示，其中2#槽深而窄，適宜于承受背水壓；1#、3#槽兩側(cè)平行，適宜于定型密封材料；4#槽內(nèi)大外小，適合未定型密封膠，施工與運(yùn)營(yíng)中不易墜落。現(xiàn)今，作為背水面的管片嵌縫槽的構(gòu)造，嵌縫槽H/D（深寬比）宜≥3.0，槽深宜為25~55mm，單面槽寬以3~9mm為妥。應(yīng)該指出的是，其外形、尺寸除了要滿足嵌填作業(yè)的需要外，還要有利于管片生產(chǎn)制作，尤其是管片鋼模脫模板時(shí)不會(huì)損傷。3

當(dāng)前地鐵管片的嵌縫密封防水

新世紀(jì)以來，隨著地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道防水技術(shù)的發(fā)展，隧道滲漏水量減少，又因有拱部嵌縫材料下落的隱患，故北美、西歐的地鐵率先取消了嵌縫作業(yè)。目前，東亞地區(qū)的大多數(shù)城市也取消了管片拱部嵌縫的做法。而管片環(huán)、縱縫，通過整體嵌縫作業(yè)止水的功效也受質(zhì)疑，通常只在有限的部位發(fā)揮疏引作用，將滲漏水引排，以創(chuàng)造其他作業(yè)環(huán)境。

國(guó)內(nèi)有關(guān)技術(shù)也開始有所變化，上述嵌縫的基本理念、嵌縫防水材料、施工作業(yè)方法，既有存用，也有改進(jìn)。如：1）底部?jī)H在道床混凝土86°的范圍內(nèi)，用快硬水泥及時(shí)嵌填，便于道床混凝土在干燥、無污泥的環(huán)境下澆筑等（僅起防止嵌縫槽內(nèi)留存雜物的作用）；2）進(jìn)出洞及連接通道鄰近范圍按變形縫處理，整條環(huán)縫360°直接嵌填高模量聚氨酯密封膠，利用粘結(jié)與彈（柔）性密封原理防水，故未用膨脹類材料，更無需再用水泥封堵。

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結(jié)語

結(jié)合以上國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，筆者認(rèn)為下述盾構(gòu)隧道管片嵌縫技術(shù)將成為今后的主流。

1）接觸網(wǎng)制式的地鐵區(qū)間隧道拱頂部懸有機(jī)車供電接觸網(wǎng)，機(jī)車有受電弓，一旦拱部柔性條狀嵌縫材料下掛、下墜到“網(wǎng)”與“弓”上，會(huì)造成供電短路，危害行車安全等風(fēng)險(xiǎn)，在權(quán)衡利弊后，通常不再嵌縫。

2）管片環(huán)、縱面接縫仍必須留有嵌縫槽，除了作為滲漏水疏導(dǎo)、引流的備用槽外，也是接縫注漿堵水必需的封縫槽。由于現(xiàn)今極少采用定型嵌縫密封材料，嵌縫槽構(gòu)造宜為未定型材料不易落出的外窄內(nèi)寬形式，細(xì)部構(gòu)造應(yīng)同時(shí)滿足管片制作時(shí)的脫模要求。

3）進(jìn)出洞口附近20環(huán)左右的管片、連接通道前后數(shù)環(huán)管片等局部區(qū)段，因管片接縫變形量大，滲漏概率相對(duì)較高，可繼續(xù)考慮采用環(huán)、縱縫全封閉嵌縫防水。

4）環(huán)、縱縫全封閉嵌縫防水時(shí)，宜采用適當(dāng)模量的單組分聚氨酯密封膠嵌填。注意過高拉伸模量（>0.40MPa）不利于適應(yīng)變形，過低拉伸模量（<0.15MPa）不利于抵御水壓。此外，嵌縫前應(yīng)在基面涂刷密封膠底涂料，提高粘合性；也可采用單組分遇水膨脹密封膠，但應(yīng)施工限制膨脹材