1. 引言
中俄东线输气管道在江苏省南通市经济技术开发区与江苏省常熟市经济技术开发区穿越长江，是中俄东线的控制性工程。管道相继穿越新江海河、常熟港海轮锚地、主航道、专用航道、白茆河及其之间区域，穿越大致呈南北向，穿越北岸竖井呈长方形，属于始发井，穿越南岸竖井呈圆形，属于接收井，穿越长度约为10.23 km，穿越水面宽度约为7.5 km。具体穿越位置及周边环境详见图1。
穿越方式为盾构隧道穿越方式，隧道工程采用盾构法施工，隧道外径7.6 m，隧道内径6.8 m，管片厚度0.4 m，环宽1.5 m，环向分块采用5 + 1，采用通用楔形环方式，错台拼装，弯螺栓连接。隧道穿越区段盾构隧道的水头高度达到74 m，最深处理论水压值约0.74 MPa，隧道内运营温度约为20℃。盾构管片接缝处采用三元乙丙弹性密封垫作为接缝防水材料，盾构机拼装力为90 kN/m。根据工程项目背景，本项目是目前国内小直径盾构隧道水压的高值，对隧道结构的防水提出了很高的要求。
Figure 1. Schematic diagram of the location and surrounding environment of crossing the Yangtze River
图1. 穿越长江位置及周边环境示意图
盾构隧道渗漏水的位置主要是盾尾与管片接触处、管片的接缝、注浆孔以及管片自身的小裂缝等，其中管片接缝防水是其重点 [1] [2] [3] [4] [5]。管片接缝的防水的主要对策是使用密封材料。本文将通过接缝防水研究，解决该项目防水难题，提出防水形式及密封垫断面形式及技术要求，并通过试验验证选取的密封结构的性能。
2. 接缝防水组合形式方案
2.1. 双道三元乙丙橡胶密封垫接缝防水方案
对于盾构隧道接缝防水，我国现在的使用趋势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，采用多孔、特殊断面弹性橡胶密封垫和遇水膨胀橡胶复合方式，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 [6] [7] [8] [9]。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。
在高水压条件下，隧道采用单道或者双道密封垫进行防水，采用单道防水时，一般采用三元乙丙橡胶密封垫作为防水措施，保证其具有较高的防水能力及耐久性能，保证在短期长期均具有防水能力。双道防水通常采用一道三元乙丙橡胶密封垫加一道遇水膨胀橡胶密封垫或者两道三元乙丙橡胶密封垫分别在管片内外侧共同防水 [10] [11] [12]。考虑到本项目盾构隧道控制段水压较高，采用内外设置两道三元乙丙橡胶密封垫的接缝防水组合方案，可以有效的增加防水的可靠性，减少漏水产生的可能性，双道密封垫防水布置形式如图2所示。
Figure 2. Waterproof layout scheme for segment joints of shield tunnel crossing Yangtze River high water pressure gas transmission pipeline
图2. 穿越长江高水压输气管道盾构隧道管片接缝防水布置方案
2.2. 双道密封垫接缝防水设计指标
出于尽量减少沟槽对混凝土管片损伤及双道密封垫装配力限值的考虑，为了保证外道密封垫在拼装力受限制下仍有较高的防水能力 [13] [14] [15]，即盾构机拼装力主要用于压缩外道密封垫，内道三元乙丙橡胶密封垫拼装力不能大。内外双道密封垫接缝防水设计指标具体如下：
2.2.1. 外道密封垫接缝防水设计指标
1) 盾构外侧理论水压值：0.74 Mpa；
2) 设计使用年限：100年，为长期性地下建筑；
3) 在100年使用过程中防水材料性能的衰减情况：环境温度按23℃计算，按照橡胶老化性能预测公式，三元乙丙橡胶100年以后的压缩应力保持率为0.59 (59%)；
4) 安全系数：国际上一般考虑为1.2~1.4，高水压一般取1.2，本项目安全系数定为1.2；
5) 外道极限工况考虑张开量6 mm，错台量15 mm。
按照以上因素计算防水材料(短期)防水能力指标：
外道(短期)防水能力指标 = (理论水压值 × 安全系数)/压缩应力保持率 = (0.74 MPa × 1.2)/0.59 = 1.5 MPa
2.2.2. 内道密封垫接缝防水设计指标
本文针对内道的防水能力，不考虑安全系数、密封垫老化等因素进行额外限制，而是要求内道密封垫能够满足一定的短期防水能力，对突破外道密封垫的渗漏水起到一定的防水与渗漏水阻渗作用，即考虑第二道密封垫作为辅助防水措施。
2.3. 内外侧沟槽与密封垫断面形式
根据项目组已有相似工程经验与前期研究，确定本项目内外两侧沟槽与密封垫断面形式如图3和图4所示，并作为后续数值模拟与试验研究的确定断面。
Figure 3. Outer waterproof combination form (unit: mm)
图3. 外道防水组合形式(单位：mm)
Figure 4. Inner waterproof combination form (unit: mm)
图4. 内道防水组合形式(单位：mm)
3. 密封垫防水能力预测数值模拟方法
3.1. 密封垫数值计算模型
本文采用有限元软件ABAQUS对密封垫的防水能力开展数值模拟分析，按照既有研究成果 [16]，数值模型中橡胶密封垫统一为EPDM材料，选取超弹性模型，应变位能模型采用Mooney-Rivlin模型，如式(1)所示。
(1)
其中，W为应变能函数，是关于变形张量不变量I1，I2的函数，C10和C01为相关的两个主要参数。本文中橡胶密封垫硬度为邵氏65度，在本文的计算中均采用相应的材料参数进行弹性密封垫的数值模拟。
数值计算时可根据不同断面及工况分别建立无错台、双边错台模型，施加竖向位移，模拟管片拼装过程中的密封垫压缩过程，图5为外道密封垫数值模拟压缩过程示意图。
(a) 无错台 
(b) 错台15 mm
Figure 5. Schematic diagram of numerical simulation compression process of outer channel gasket (unit: MPa)
图5. 外道密封垫数值模拟压缩过程示意(单位：MPa)
3.2. 数值结果分析
三元乙丙橡胶密封垫在极限工况下，即张开量与错台量均达到控制指标量时，其耐水压值达到最低值，因此在数值模拟计算时，可直接分析三元乙丙橡胶密封垫在极限工况(本文即张开6 mm、错台15 mm)下的防水能力。
三元乙丙橡胶密封垫的耐水压值与接触面之间的接触压力有很大的关系，因此出于计算精度与时间成本的综合考虑，本文通过对上下两密封垫接触面表面接触压力的分布来预测其耐水压值。
外道密封垫的表面接触应力如图6所示，在张开6 mm错台15 mm时，密封垫表面接触应力满足1.5 MPa的防水设计指标。
Figure 6. Numerical simulation results of contact pressure on the surface of outer channel gasket (hardness 65, opening 6 mm, staggered seam 15 mm)
图6. 外道密封垫表面接触压力数值模拟结果(硬度65，张开6 mm，错缝15 mm)
内道密封垫的表面接触应力如图7所示，在张开6 mm错台15 mm时，密封垫表面接触应力可以满足0.6 MPa的防水要求。
Figure 7. Numerical simulation results of contact pressure on the surface of inner seal gasket (hardness 65, opening 6 mm, staggered seam 15 mm)
图7. 内道密封垫表面接触压力数值模拟结果(硬度65，张开6 mm，错缝15 mm)
4. 密封垫防水性能试验
4.1. 密封垫防水性能试验系统
防水性能试验依托基于同济大学自主研发的三向加载设备GPJ-3900，通过浇筑与实际管片沟槽一致的混凝土构件，利用水压加载装置施加水压，开展不同张开量、错台量下的防水性能试验 [1] [9]，防水性能试验系统如图8所示。系统由主加载框架、电液伺服加载作动器、试样座、试样装配与纵向加载装置和POP-M工控PC电液伺服多通道控制器组成，通过加载系统实现不同张开量、错台量下的防水试验工况。水压加载装置通过水管连接混凝土构件上预留的注水孔，利用水压自动控制装置控制水泵施加水压，试验时通过控制水压加载系统，实现分级加载。
Figure 8. Waterproof performance test system of joint gasket of shield tunnel for gas transmission pipeline
图8. 输气管道盾构隧道接缝密封垫防水性能试验系统
4.2. 密封垫防水性能试验流程
密封垫防水性能试验流程如下：
①将防水构件下半块吊装至试件运送机的支座上，在构件沟槽内部涂抹防水胶，然后粘贴弹性密封垫；
②在防水构件上半块沟槽内涂抹防水胶并粘贴弹性密封垫，然后吊装至试件运送机上与下半块构件对准叠合，设置初始错台量；
③将试件运送机推入加载框架内，并将试件调整至合适位置放置；
④施加一定的垂向力，使弹性密封垫具有一定的初始压缩量(密封性)，保证向试件内部注入水时不会立刻发生渗漏；
⑤通过注水管道向试件内部注水，使之充满整个试件内部空间；
⑥在上半块试件出水口安装水压表并密封；
⑦加载系统通过位移控制方式使弹性密封垫压缩至设定的压缩量，通过水压加载装置逐级向内部空腔施加水压，每一级加载后稳压几分钟，同时观察密封垫渗漏情况，直到弹性密封垫发生渗漏，记录弹性密封垫的压缩量和渗漏水压力；
⑧本级试验完成后，打开阀门，卸载水压，然后继续加载使弹性密封垫达到下级压缩量，再通过注水部分加压至渗漏，如此往复得到弹性密封垫不同压缩量下的防水压力。
在密封垫防水试验技术中，为保证试验结果正确，试验密封垫需紧密粘贴在试件槽中，基于既有文献的总结，在预制完成的试件沟槽内、密封垫圈底部涂抹盾构隧道接缝密封垫专用胶水，胶水涂抹之后需晾干一定时间，然后再将密封垫粘贴至沟槽内，并通过逐次锤击及重物预压，保证密封垫与沟槽粘贴紧密，放置至少24小时，直到胶水彻底凝固后，即可将上、下混凝土构件拼装完成，吊装至试验仪器加载位置。
密封垫防水性能试验部分流程如图9所示。
(a) 试件沟槽内涂抹胶水 
(b) 构件拼装 
(c) 吊装试验构件 
(d) 密封垫发生渗漏
Figure 9. Partial flow of waterproof performance test of sealing gasket
图9. 密封垫防水性能试验部分流程
4.3. 防水试验结果分析
针对外道密封垫断面，开展了错台15 mm不同张开量工况下的防水性能试验，得到渗漏水压值与接缝张开量的关系如图10所示，根据防水性能试验结果，外道密封垫断面在错台10 mm的工况下，随着密封垫的压密，即接缝张开量的减小，密封垫的防水性能逐渐提高，在接缝张开量7.2 mm、错台量15 mm时的防水压力已经达到1.5 MPa，在接缝张开量6 mm、错台量15 mm时的防水压力已经超过1.5 MPa，满足本项目对于外道密封垫防水性能的要求。另外，数值模拟计算结果与试验数据基本一致，试验验证了数值模型的准确性。
Figure 10. Water pressure resistance curve of waterproof test under 15 mm staggered platform condition of outer road section
图10. 外道断面错台15 mm工况下防水试验耐水压曲线
针对内道密封垫断面，开展了错台15 mm不同张开量工况下的防水性能试验，得到渗漏水压值与接缝张开量的关系如图11所示，根据试验结果得到的内道密封垫断面在错台15 mm时的防水性能曲线图，随着密封垫的压密，即接缝张开量的减小，密封垫的防水性能逐渐提高，在张开量6 mm、错台量15 mm时其防水能力超过0.6 MPa。另外，数值模拟计算结果与试验数据基本一致，试验验证了数值模型的准确性。
Figure 11. Water pressure resistance curve of waterproof test under 15 mm staggered platform condition of inner channel section
图11. 内道断面错台15 mm工况下防水试验耐水压曲线
5. 结论
1) 中俄东线输气管道穿越长江段盾构工程隧道内径6.8 m，管片厚度0.4 m，隧道穿越区段最深处水压值约0.74 MPa，是目前国内中小直径盾构隧道水压的高值，确定采用双道三元乙丙橡胶密封垫作为高水压输气管道盾构隧道接缝防水组合形式。
2) 充分考虑设计使用年限、材料性能劣化、安全系数等因素，结合工程特点，确定了本项目的盾构隧道密封垫防水能力指标：外道密封垫在极限工况(张开6 mm，错台15 mm)下，防水能力达到1.5 MPa，内道密封垫能够满足一定的短期防水能力，即对突破外道密封垫的渗漏水起到一定的防水与渗漏水阻渗作用。
3) 采用ABAQUS建立三元乙丙弹性密封垫防水能力的预测数值模型，模型计算结果表明：外道和内道密封垫在极限工况下的防水能力分别达到1.5 MPa和0.6 MPa，满足项目防水设计要求。
4) 对内外侧三元乙丙弹性密封垫开展了防水性能试验，外道和内道密封垫在极限工况下的防水能力分别达到1.5 MPa和0.6 MPa，验证了数值模型的准确性，试验结果表明该防水组合形式方案达到防水能力设计指标，满足工程要求。
NOTES
*通讯作者。