地铁区间盾构隧道管片嵌缝防水技术

地铁与隧道防水　囊　地铁区间盾构隧道管片嵌缝防水技术　张　苹　（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海２００２３５）　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　文章编号：１００７—４９７Ｘ（２０１２）一１８－００２３—０５　中图分类号：Ｕ４５５．４３；ＴＵ７６１．１　１　文献标识码：Ｂ　Ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｓｅｇｍｅｎｔｓ　Ｃａｕｌｋｉｎｇ　ｏｆ　Ｍｅｔｒｏ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｚｈａｎｇ　Ｐｉｎｇ　（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｒａｉｌ　Ｔｒａｎｓｉｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２３５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｒｅｖｉｅｗｓ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｓｅｇｍｅｎｔｓ　ｃａｕｌｋｉｎｇ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｗｏｒｋｓ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ｔｒａｎｓｉｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｕｌｋｉｎｇ　ｓｅａｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｃａｕｌｋｉｎｇ　ｄｉｖｅｒｔｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｉｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｕｌｋｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉＳ　ｍａｄｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｓｕｂｗａｙｓ．　，　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒａｉｌ　ｔｒａｎｓｉｔ；ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌ；ｃａｕｌｋｉｎｇ　ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇ；ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ；ｃｏｎｔａｃｔ　ｎｅｔｗｏｒｋ　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。　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　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。　收稿日期：２０１２—０６—１９　的地下水渗入、漏人，因此总是进行背水面防水。　作者简介：张苹，女，中国土木工程学会隧道及地下工程分会防　排水专业委员会副主任委员、中国工程标准化协会防水专委会　副主任委员。联系地址：２００２３５上海中山西路１９９９号申隧设　计大厦ｌ６楼上海市隧道工程轨道交通设计研究院。　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　地铁与隧道防水　强　慧　瓣臻撼　瓣糍　瓣　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２０—２５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ｌ为管片嵌缝作　业示意图。　｛　、　缝嵌缝　缝｛　雏　翠　　ｌ∞Ｉ目一　一　１＜马　目推进方向　　ｌ《｝～　单Ｊ　出，南　纵缝嵌缝　Ｉ，　一　＼环缝嵌缝　ｌ—Ｉ　图１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　缝枪注人嵌缝槽后，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　条　胶　料塑一　，＼一＿　／　涩ｒ、＼，一　　水　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）。　地铁与隧道防水　㈣　融糍　鲻　嬲　＝　ｘ；　图２遇水膨胀腻子与控膨塑料组合（左）及　其与氯丁胶乳水泥复合（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”。　图３导水沟密封件（英国Ｊ　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导水沟密封件（德国）　地铁与隧道防水　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，　图６嵌缝槽形式　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　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　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。　（带齿形预制密封件）　芯材　图５上海地铁１号线区间试用的定型嵌缝材料　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；ｌ＃、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２５—５５　ｍｍ，单面槽宽以３￣９　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　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。　（下转第３１页）　地铁与隧道防水　人员有的放矢，将对自防水混凝土体系影响较大的因　素归纳为“人、材、机、法、环”五方面，结合工程实际对　自防水混凝土提出了较为切实可行的质量控制措施，　并将其认真落实到实际施工过程中。水果湖隧道主　体结构与防水工程验收时，市政质监站、业主、设计、　图５传统钢支撑支护体系（左）与高压旋喷搅拌　监理等各方对隧道自防水混凝土施工质量给予了高　加劲桩无内支撑支护体系（右）　度评价，认为水果湖隧道防水工程施工质量已远远高　１—２道，有效减少了隧道施工缝处的渗漏水隐患。　于设计要求的“二级防水”。　隧道采取明挖顺作法施工时，须采取一定形式的　参考文献：　围护结构确保基坑安全，目前应用较为广泛的深基坑　［１】金雁南，周双喜．地下室混凝土结构自防水及无缝施工技　围护方式有钻孔灌注桩、ＳＭＷ工法桩、地连墙等。受　术［Ｊ】．施工技术，２００７，３６（Ｓ１）：３０４—３０５．　地质条件复杂多变以及施工工艺因素影响，基坑开挖　［２】吴青叶．浅析地铁车站自防水混凝土施工关键技术【ＪＪ．施　后，其围护结构侧壁大都凹凸不平，且起伏较大，棱角　工技术，２０１１，４０（Ｓ１）：３８５—３８７．　［３】侯斌，苗威．深圳地铁罗湖站主体结构混凝土自防水措施　突出，在此基础上浇筑结构混凝土会因明显突出或凹　［Ｊ】．交通科技，２００４（３）：７４—７６．　进的变截面约束，导致结构出现收缩裂缝。　【４】张道真．地下室防水概念设计与混凝土自防水【Ｊ】．建筑技　主体结构侧墙施工前，应采取喷射细石混凝土、　术，２００２（７）：４８８—４９０．　砌砖、抹防水砂浆等找平方式，确保围护结构侧壁平　【５】王友亭，王原．如何评价钢筋混凝土结构自防水【Ｊ］．中国建　整，使基面凹凸差值小于５　ｃｍ，且没有尖锐棱角出　筑防水，１９９９（６）：９－１１．　现，尽量减少因基面凹凸不平对侧墙混凝土约束不一　【６］闫心鹏．防水混凝土施工质量控制【Ｊ】＿山西建筑，２００７（２）：　致而导致开裂的缺陷。具体找平方式，应结合工程实　２３６－２３７．　际，因地制宜确定。　［７］何泽文，骆敏，杨崇智，等．浅谈统计技术在工程质量管理　４结语　中的应用［Ｊ］．特钢技术，２００５（２）：５２—５５．　武汉水果湖隧道施工过程中，项目技术质量管理　（上接第２６页）　５）管片嵌缝作疏导、引流用时，　其嵌缝密封胶　３）进出洞口附近２０环左右的管片、连接通道前　不承受水压，可采用单组分低模量的聚氨酯密封胶及　后数环管片等局部区段，因管片接缝变形量大，渗漏　其封闭用抗裂防水砂浆；ｆｒｏ拱部可直接采用氯丁胶乳　概率相对较高，可继续考虑采用环、纵缝全封闭嵌缝　水泥等亲水性聚合物抗裂砂浆。　防水。　参考文献：　４）环、纵缝全封闭嵌缝防水时，宜采用适当模量　［１】王振信．盾构法隧道的耐久性［Ｊ］．地下工程与隧道，２００２　的单组分聚氨酯密封胶嵌填。注意过高拉伸模量（＞　（２）：４－７，５１．　０．４０　ＭＰａ）不利于适应变形，过低拉伸模量（＜０．１５　【２】朱祖熹．地下工程防水设计中的常见病——读图札记（三）　ＭＰａ）不利于抵御水压。此外，嵌缝前应在基面涂刷密　［Ｊ］．中国建筑防水，２００７（６）：３２—３５．　封胶底涂料，提高粘合性；也可采用单组分遇水膨胀　［３】刘建航，侯学渊．盾构法隧道［Ｍ】．北京：中国铁道出版社，　密封胶，但应施工限制膨胀材料予以约束。　１９９１