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盾构法隧道管片防水材料及其应用三题
上海市隧道工程轨道交通设计研究院 朱祖熹

摘 要:针对盾构法隧道日益普及,管片外涂料、盾尾油脂和管片接缝防水辅助材料等应用不断增多的趋势,详细介绍了这些材料在实际应用中的“常见病”,揭示了它们防水、防腐蚀及密封的原理与特点,重点介绍了中外典型材料的组成、性能指标、检测项目及使用功效,并指出相关材料及技术的标准化工作已势在必行。
关键词:盾构;外防水涂料;盾尾密封;盾尾油脂;传力衬垫;挡水条

近年来,深埋盾构法隧道工程日渐增多,管片接缝的主要防水材料密封垫、螺孔密封圈和嵌缝密封材料的应用日益广泛,其中,弹性密封垫的研究已较深入。相比而言,对管片外防水涂料、盾尾密封油脂、管片接缝防水辅助材料(如挡水条及传力衬垫)等的研究尚嫌不足,在此谨撰短文,试议三题。
1 管片外防水涂料的类别与技术性能
1.1 管片外防水的目的
在提高混凝土结构自防水的前提下,根据地层中侵蚀性介质及隧道埋深,对防腐蚀等要求高的隧道管片宜考虑外防水涂层。
1.2 管片外防水涂层的技术要求
1)耐盾构盾尾钢丝刷和弹簧钢片的挤压磨损;
2)在管片弧面的混凝土裂缝宽度达到0.3mm时,仍能抗0.8MPa水压;
3)耐腐蚀性和耐候性好,且无毒或低毒;
4)具有防杂散电流的功能,其体积电阻率高;
5)施工简便,冬季也能操作。
1.3 外防水涂料种类与特性
1.3.1 两类管片外防水涂层
1)环氧改性类涂料,它们能基本满足以上五项要求。涂料施工受天雨与场地的制约(为涂刷到位,需多次翻转管片)。埃及苏伊士运河隧道(艾哈迈德•哈姆迪隧道)采用环氧煤焦油类外涂层;新加坡地铁用亲水性渗透型环氧涂层;环氧——聚氨脂涂料在上海地铁1号线新闸路站、人民广场站过河段使用。新型的渗透型环氧涂料也属此类。
2)水泥基渗透结晶型防水涂料,以干粉或涂料形态,干撒或涂抹于管片背面,用以防水。在地下潮湿或渗水环境利于晶体增殖防水,也适宜雨季施工,但其封闭特性、防杂散电流的功能逊于环氧类有机涂层。委内瑞拉加拉加斯地铁、上海地铁2号线河南路站至陆家嘴站过江区间采用此类涂料。
1.3.2 几种管片外防水涂料的特性
1)水泥基结晶渗透型防水涂料的性能指标见表1。
表1 水泥基渗透结晶型性能指标及试验方法
注:指上海建科院研制的上海地铁专用混凝土渗透系数检测仪
2)焦油氯磺化聚乙烯涂料为底涂料和改性焦油环氧Ⅱ型涂料为面涂料组成的复合型涂料。其性能指标分别见表2、表3。
表2 焦油氯磺化聚乙烯涂料技术性能指标
表3 改性焦油环氧Ⅱ型涂料技术性能指标
3)以聚氨酯和环氧树脂共聚而成的新型涂料,称兼备环氧、聚氨酯双重特点。其性能指标参照表4。
表4 某聚氨酯和环氧树脂混凝土结构外防水涂料
4)Sikagard 65W管片外涂层。双组份无溶剂环氧涂层。在新加坡、英国等地早有成功的实例,是较规范的管片外涂层。单层涂刷量为300~450g/㎡;双层总用量不超过650g/㎡,其主要特性指标见表5。
表5 Sikagard 65W性能指标
5)管片用高渗透改性环氧防腐蚀涂料(KH-l)。
国内有公司在原有注浆材料的基础上,改性成管片用高渗透改性环氧防腐蚀涂料(代号KH-l),在穗、深、津腐蚀地层的地铁盾构管片上应用,其性能指标见表6、表7。
表6 KH-1物理性能
表7 KH-1耐老化、耐介质和冻融循环性能
1.3.3 关于管片外防水涂层的几点讨论
l) Sikagard 65W与KH-l都是高渗透型环氧管片外涂料,有渗透浸润入混凝土内部增加密实性及表面涂覆封闭防水层的双重功效。
2)Sikagard 65W强调管片涂刷前后混凝土渗透系数、电通量等指标的差异,而非一味强调涂层的耐酸碱性。它既是防水涂料,又是养护剂。因此,为与管片制作工艺相匹配,所有外露面全部涂刷(故涂刷中管片需腾空吊起等,较繁杂)。涂料表面张力低、浸润性好。
3)KH-l表面张力小,原用于化学灌浆料、桩头界面处理剂、防水涂料。上述指标虽多,但有不足:未体现管片工作特性;如缺少涂刷前后管片混凝土耐久性指标的比较,耐磨性、初凝时间等重要特性未见反映。
4)涂层厚度和涂刷方式的确定应在理论与实践上有可靠的依据。同样是环氧类,甚至都为渗透环氧类管片外防水涂料,它们的粘度、渗透性与设计厚度的关系都不同。若统一使用量(如500g/㎡),必须有专门的界定。
5)在国外,用作对比的、未涂涂层的管片的耐久性指标也非常低,既表明管片混凝土原材料、配合比与管片制作质量都很高,也说明比较涂料涂刷前后耐久性指标的差异必须确定好基准混凝土。
2 盾尾密封油脂性能指标与检测标准化
2.1 盾尾密封技术概述
2.1.1 盾尾密封装置与密封油脂
盾构推进中,拼装管片是在盾壳的保护下进行的,为此,在盾尾和管片外壁之间间隙中装有阻挡泥沙密封的盾尾密封装置。目前,多数的盾构都采用一道弹簧钢板与多道钢丝刷充填密封油脂的盾尾密封方式。盾尾密封油脂(下称“油脂”)有密封、防蚀和减少钢丝刷(严格说是钢丝刷与小弹簧钢片的组合)磨损的效果,并共同阻挡土层泥砂与盾尾注浆材料回流。
2.1.2 盾尾密封油脂在盾尾密封的原理
在盾构掘进前,在钢丝刷之间涂刷油脂(油脂应具有粘稠、与钢丝粘附强和阻燃等特点)。
盾构出洞后,应通过专用油脂泵往空隙中注满油脂。油脂充满于几道钢丝刷及钢丝刷之间的空腔中。此外,各注入口与各空腔对应,构成三道密封(见图1)。压入的油脂应触变性好,即压注时流动性佳,停注后粘聚、密封性好。随着掘进,油脂因沾附在管片等损耗原因需不断补充压入。
图1 盾尾密封装置及油脂使用示意图
2.2 国内外主要的盾尾密封油脂介绍
2.2.1 日本松井TALL SEALER#8000
日本松井公司的油脂应用实绩较多,如英吉利海峡隧道、丹麦大贝尔特铁路隧道、东京湾海底道路隧道等工程;上海上中路、军工路越江隧道、南京西气东输隧道工程中也应用该产品。
1)产品分类与性能。TALL SEALER#8000耐高水压;泵送性好;对混凝土管片接缝凹凸有顺应性;不侵蚀接缝密封垫;不易附着在管片混凝土表面。其分类与性能指标见表8。
表8 #8000系列产品分类与性能
2)使用方法。钢丝刷手涂抹法:钢丝刷四周要全部用手抹均;板与刷间、刷与金属网筛间都要彻底抹到根部底。泵注入法:应注意会有空气滞留而引起充填量不足。确认填满后再依次注入到最后部的钢丝刷间,直至钢丝刷四周有油脂挤出。油脂注入量调整应做到随时充分供给。
3)安全性。依日本有关产品废弃物检定方法(日本1973年“环境通告”13号文)未检出有害物质。
2.2.2 法国CONDAT公司WR89
WR89是法国CONDAT公司的油脂品牌,也是较早进入我国盾构隧道密封油脂市场的材料。
1)WR89的性能特点。WR89可确保盾尾对淡水和海水的水密性,防水、抗水冲洗、抗蠕动好;可生物降解,经测试,对水、环境没有毒害,储存稳定性良好。其性能指标见表9。
表9 WR89产品特性
注:NFT标准系法国标准,NFT60132相当于ISO 2137
2)应用实例。WR89产品已在欧洲和我国沪、宁、穗等多条国内地铁盾构隧道与水工盾构隧道施工中得到应用;现已通车的上海长江隧道也用该产品。
2.2.3 “上隧牌”盾尾密封油脂
上海隧道防水材料厂生产的“上隧牌”油脂是该厂自行开发、国内最早生产的产品。该产品曾被列入国家863计划。
1)产品特点。“上隧牌”“油脂”是以油脂为主剂,加入纤维及其他溶剂、填充剂等制得的带纤维的膏状物。它具有以下特点:在干、湿及水下等环境中,与钢板、混凝土表面均具备良好的粘附性;耐水压密封性好,可有效充填钢丝刷空隙;产品无结硬、析油等现象,据称对环境无污染。
2)“上隧牌”油脂的分类与基本性能指标见表10。
表10 “上隧牌”盾尾密封油脂主要技术指标
2.3 关于“油脂”的几点讨论
1)应注重油脂的耐水压性(又称水密性)、耐水冲性、可泵性、与金属附着力和保油性等特性的研究。此外,油脂应不侵蚀橡胶密封垫,不易附着在管片混凝土表面,以及设有难燃型的品种。
2)应强调油脂的生物降解性,使沾染在管片外壁少量的油脂对环境无毒;同时,原材料中的抗坠剂不采用石棉纤维,而以竹纤维代之。
3)就油脂的材料组成,据日本专利报道,如松井TALL SEALER#8000油脂是单组分材料,其主要原材料为:聚烯烃树脂、环烷类油脂和碳酸钙等。而CONDAT公司的WR89产品则含有羊毛脂和植物纤维。
4)应统一试验方法,如可泵送性指标,国外按NFT60139标准,为密封油脂在特定的压力和温度(1MPa,温度为25℃时)下通过一定管径毛细管时的流量,以g/min表示,而国内有用中号牛油枪的“可打出”、“可泵压性好”等表示,不统一。可见,油脂材料技术的标准化、规范化势在必行。
3 管片接缝防水辅助材料的应用误区
3.1 接缝挡水条及其形式与设置目的相悖
如图2的设计经常可见:在密封垫外侧管片倒角处环、纵缝均设3mm或2mm丁腈软木橡胶垫片(图2中3a)。显然,这是错误的。正是为了减少管片环、纵面外沿混凝土的剪损和剥落,管片环、纵面外侧设计有间隙与倒角。如图2中3b置入衬垫片,尤其是高硬度的衬垫片,把留有的间隙填实了,反而容易造成应力集中,也起不了挡水挡泥沙的作用。
图2 某跨江公路盾构隧道接缝防水图(局部)
正确的做法是设聚氨酯弹性体、膨胀橡胶挡水条或海绵挡水条,在外沿兜绕成框或成“L”形,阻挡地层与盾尾注浆的泥沙和压注的盾尾油脂流入。其中,海绵条以挡泥沙为主,而前两种膨胀材料还要求有挡水的功效。此外,挡水条的硬度不宜过大。
3.2 接缝传力衬垫设计随意而无序
图2的设计还反映在管片错缝拼装时,环缝满贴丁腈软木橡胶垫片3mm厚,用以分散集中应力。但是,在错缝拼装用环面传力衬垫用以均布应力是可取的,也大可不必用3mm厚。传力衬垫越厚,受压缩后的差值愈大,既浪费,又不利于环面平整,更加大了接缝的初始张开。为解决错缝拼装的不平整,取1~1.5mm即已足够。
同时,丁腈软木橡胶垫片,原先是应用于大直径盾构隧道纵缝,以减少与避免内外张角造成外、内侧混凝土应力集中的损裂,垫片伯桑比应小,应对混凝土面无剪切破坏。试验表明:3mm厚是较合适的(但需明确硬度指标),但其厚度与性能指标不适合用于环面传力衬垫。再生胶片、波纹氯丁胶片和中低密度的聚乙烯片等作为环面传力衬垫,在实践中证明也有效。
至于承压垫片的面积,虽然很难从理论上正确核算,但国内外实践表明,若达到环面面积的2/5~3/5,也能避免应力集中要求。全断面满粘的做法无疑弊多利少。

参考文献
[1] 朱祖熹.隧道与地铁工程中的四项防水技术新解[J].湖北工业大学学报,2009.6(增刊)88~94.
[2] 朱祖熹.盾构法隧道的盾尾防水密封与盾尾密封油脂[J].中国建筑防水,2009.7,5~8.
[3] 杜建华、彭彦彬,等.盾构掘进施工中盾构机盾尾密封更换关键技术研究[J].铁道建筑2007.3.
[4] 朱祖熹.地下工程防水设计中的常见病-读图札记(三)[J].中国建筑防水,2007.6,32~35.


(注:表格、图示内容详见会刊)

[发布日期:2010/2/1] [关闭窗口]