近年来，盾构法施工由于其安全、高效的优势，在大直径输水、排蓄水隧道中得到了快速发展.由于这些隧道通常修建于地下水以下，防水设计在其衬砌结构设计中是一项重要而又复杂的工作^[1-2].目前国内外采用盾构法施工的输水、排蓄水隧道根据所采用的衬砌形式不同，主要分为双层衬砌隧道和单层衬砌隧道.在传统的双层衬砌的盾构隧道中，可通过在初始衬砌和二次衬砌之间设置防水薄膜来提高结构的整体防水性能，但在单层衬砌隧道中只能通过设置弹性密封垫的方法来保证隧道结构的整体防水密封性能^[3].单层衬砌虽然在整体防水、防腐等性能上弱于双层衬砌，但在经济性、施工周期等方面，单层衬砌隧道有着明显的优势^[4].随着上海青草沙过江隧道^[5]、广州深层排水隧道等单层衬砌隧道的建成，单层衬砌的使用在大直径输水、排蓄水隧道中逐渐成为一种趋势，这对于其防水设计也是一种挑战.

在单层衬砌的输水、排蓄水隧道的防水设计中，需要考虑多种因素，包括盾构弹性密封垫自身的防水性能、盾构隧道管片的拼装质量、后期的受荷变形及保养维护等因素^[6].从理论上来讲，现有的单道弹性密封垫技术可以满足衬砌结构防水要求，但从既有高水压条件盾构隧道防水方案设计来看，采用双道密封垫的设计更为普遍^[7]，包括南京长江隧道、武汉长江隧道、德国易北河第四座道路隧道等水下盾构隧道均采用双道弹性密封垫的设计方案.这主要是由于高水压条件下，隧道断面通常位于渗透性很强的粉砂地层中，一旦出现局部的渗漏现象，隧道结构的安全性能将得不到保证.因此，从减少管片衬砌结构渗漏水机率，以及确保工程与周边环境安全出发，在高水压条件下推荐采用双道防水方案.

目前，国内外学者对于弹性密封垫防水性能的研究以试验为主，并结合试验结果总结相关规律.1978年，Paul^[8]首先进行了弹性密封条的防水试验，发现密封条与管片接触面也有可能渗漏.Shalabi等^[9]进行了一系列的密封垫防水试验，对影响密封垫防水能力的闭口、荷载形式等因素进行了系统的研究.上海地铁2号线^[10]、上海长江隧道^[11]、武汉长江隧道^[12]等工程都结合实际工程中所设计的弹性密封垫形式，进行了相应的密封垫防水试验，为工程的建设提供了依据.但是，这些研究都是基于密封条是单条的情况，对于盾构隧道采用双道弹性密封垫的防水能力的试验，目前还很少有人涉及.同济大学^[13]曾提出过一种在试模中心水腔注水，由内而外依次通过两圈防水密封条的试验装置.这种装置的两道弹性密封条只能同步压缩或者张开，无法实现实际工程中盾构隧道管片接头因弯矩作用，从而出现的一道密封垫处于接缝受压区，另一道处于受拉区的状态.因此，对于盾构隧道管片采用双道弹性密封垫的防水能力的研究，仍需进一步加强.

本文结合上海苏州河段深埋排蓄水隧道(简称“深隧”)工程，利用自主设计的盾构隧道双道密封垫防水试验系统，对深隧工程所采用的弹性密封垫进行多组防水性能试验，定量分析张开量不同的两道弹性密封垫在不同工况下的防水效果，并对比分析双道弹性密封垫较单道弹性密封垫防水效果的提高程度，验证深隧工程防水设计的可靠性，为今后类似的工程提供相应的参考.

1 工程概况

作为上海市海绵城市的关键工程，上海苏州河段深埋排蓄水隧道(以下简称“深隧”)，其线路图如图 1所示，初步设计中主隧全长15 km，隧道内径为9 m，最大设计埋深达60 m，为国内最深的软土盾构隧道^[14].深隧结构设计采用单层衬砌的形式，并采用内外两道防水密封垫的防水形式.深隧建成后将采用雨季调蓄入流，当隧道充满后，启用合流泵站，抽送雨水入河的“蓄排结合”的工作模式.这种工作模式将会使深隧运行周期内受力工况复杂多变，空管、半管、有压满管等多种运行工况将会交替出现.同时，隧道内部环境恶劣，城市雨季污水一旦发生渗漏，将会对深层地下水质、土体产生不可逆的后果^[15].

2 盾构隧道双道弹性密封垫受力状态分析

由于外荷载和施工等因素的干扰，盾构隧道管片接缝不可避免地会发生张开和错台2种形式的变形.图 2展示了隧道纵缝、环缝发生张开和错台的几种典型的方式，从图中可以看到，当纵缝、环缝受弯而发生张开时，隧道接缝的2条弹性密封垫的受荷状态是不同的，当隧道接缝承受正弯矩作用时，外圈弹性密封垫被压缩密贴，而内圈的弹性密封垫张开量则不为0.同时，对于深隧隧道，不同工况作用(空管、半管和满管)会使得一些接缝处承受不同类型弯矩，内外道密封垫的张开量状态刚好相反，因此，外水内渗和内水外渗2种现象都有可能发生.从图 2中2种典型的错台现象可以发现，无论是哪种错台，内外道弹性密封垫的相对错台量都是一样的.

3 盾构隧道双道弹性密封垫防水性能测试装置设计

传统的单道防水试验装置^[16](见图 3)，主要是通过人为创造出弹性密封垫的张开与错台，采取中心加注高压水的方式，从而达到测量弹性密封垫防水能力的效果.基于前述对盾构隧道管片接缝发生张开与错台情况下两道弹性密封垫状态的分析，提出如图 4所示的能够测量两道弹性密封垫防水能力的装置.

如图 4所示为一字缝装置示意图，在传统一字缝防水试验装置的基础上，设置了内外两道弹性密封垫.试验装置上设置2套进水孔与排气孔，用于初始排出密闭腔中的空气.排气结束后，关闭2个排气口和进水口2的阀门，从中心进水口1加压注水，从而模拟高压水依次突破两道弹性密封垫的情形.通过设置两道弹性密封垫沟槽不同的高程H₁和H₂，在上、下试模密封垫压缩后，创造出一条密封垫张开量为O₁，而另外一条密封垫张开量为O₂=H₁-H₂+O₁的状态.其中，当H₁>H₂时，可模拟高压水先突破第一道张开量较大的弹性密封垫，再突破第二道张开量较小弹性密封垫；当H₁ < H₂时，则刚好相反.另外，除了可在试验过程中控制两道弹性密封垫的张开量不同之外，试验过程也可耦合相应的错位G，进行不利工况研究.本文试验假设工程拼装质量良好，初始状态下弹性密封垫密贴，受力后上述张开量较小的那道密封垫张开量值为0.

4 盾构隧道双道弹性密封垫防水性能试验 4.1 防水性能测试装置

图 5为本次试验所采用的试验装置，主要由加压装置、试验钢模和水压测量装置3部分组成.其中试验用水压机加压精度达0.02 MPa，内外腔水压传感器的测量精度也达0.01 MPa，并与计算机终端相连，可以实时对水压值进行监测.试验过程中对单道和双道密封垫的耐水压性能都进行了测试，图 6为采用本次试验装置在单道和双道密封垫防水性能测试过程中的试验步骤.

4.2 防水设计指标

根据国内外大型水下盾构隧道设计经验，在设计盾构隧道长期防水能力时，需要考虑在设计使用寿命(通常是100年)内橡胶弹性密封垫的材料老化、应力松弛等因素^[17].因此，考虑到深隧的长期防水性能，弹性密封垫的设计防水压力应为最大外水压乘以安全系数.安全系数的取值范围通常为2~3.综合考虑，深隧工程初步设计最大防水压力为1.2 MPa.

弹性密封垫张开量最大值实际由以下3部分组成：1)隧道外荷载和纵向转向圆弧段等引起的张开量δ₁；2)管片制作和实际拼装误差δ₂；3)临近建筑物施工引起的张开量δ₃.根据设计资料和相关标准，δ₁、δ₂和δ₃分别取为3、2和2 mm，实际弹性密封垫设计最大净张开量为7 mm.

盾构隧道管片错台量主要源于实际的施工误差以及长期的不均匀沉降，实际最大错台量通常取两者之和，结合深隧具体地层情况，隧道管片错台由以下几项构成^[18]：管片尺寸公差(±2 mm)，管片形位公差(±2 mm)，机械拼装精度(±3 mm)，人为、环境影响因素(±2 mm)，密封垫配合尺寸公差(±1 mm).将以上各项叠加，取最大错台量为10 mm.

结合前述分析，深隧工程所设计的双道防水密封垫体系要求在单道密封垫净张开量为7 mm，且接缝错位量为10 mm时，其耐水压能力仍能达到1.2 MPa.

4.3 弹性密封垫试样

深隧工程所设计采用的弹性密封垫方案见图 7，采用三元乙丙橡胶材料，其断面物理力学性能如表 1所示.

4.4 试验工况设计

根据深隧工程具体需要，选择不同的张开量O₁、O₂和错台量G，进行相关试验.同时，为了分析双道弹性密封垫的设计较单道设计防水能力的提高程度，利用本试验装置(去掉内圈弹性密封垫，使用垫片控制外圈弹性密封垫张开量)进行相关单道弹性密封垫防水能力测试.试验工况设计参见表 2.

5 试验结果讨论与分析 5.1 单道密封垫测试结果

盾构隧道弹性密封垫的工作机理主要是依靠密封垫压缩产生接触应力来抵抗水压，从而实现防水效果.因此，对于弹性密封垫的力学-耐水压力耦合研究是非常有必要的.在进行密封垫防水测试的同时，对弹性密封垫的力学性能进行试验和数值模拟研究(图 8).图 9为数值模拟和室内试验得到的荷载与变形关系对比曲线，图中F为装配力，s为压缩位移.从图 9可以看出，数值模拟和室内试验结果较为一致，因此数值模拟也是一种比较准确的模拟弹性密封垫变形与内力的手段.以下将结合密封垫的力学性能和防水测试结果作进一步分析.

图 10为单道密封垫的防水测试结果，图中P_w^c为相应张开量和错缝量下的密封垫耐水压力值，σ_c为密封垫接触应力，其是由试验力除以压缩面积进行等效转化得到的，O为单道密封垫张开量.测试结果表明，在3种错缝量的情况下，密封垫的耐水压能力都随着张开量的增大而减小，这与图中的接触应力随着接缝张开量的变化趋势一致.同时，在3种错缝量的情况下，耐水压-接缝张开量曲线都可以分为2个阶段，分隔点分别是图中的点A、B、C.以错缝0曲线为例，阶段Ⅰ中，张开量从10.5 mm(点A₁)变化到7 mm(点A)，接缝耐水压力缓慢增加；而阶段Ⅱ中，从7 mm(点A)变化至2.8 mm(点A₂)，耐水压力的增加速度明显加快.图 11的密封垫压缩变化过程可以解释这种两阶段的变化规律.阶段Ⅱ中，密封垫孔洞初始压缩，内部闭合孔洞面还未接触，这是一个近似弹性的过程，密封垫的接触应力的增长并不是很快；随着内部闭合孔洞面开始接触，内部的孔洞逐渐变得完全闭合，密封垫刚度越来越大，这就解释了阶段Ⅱ所出现的快速增长的接触应力和耐水压能力.

从图 10还可以看出，随着接缝错缝量的增大，密封垫的耐水压力也会相应降低，这主要是由密封垫-密封垫接触面长度的减少和偏心受压引起密封垫翘曲的双重因素导致的^[19].进一步分析发现，不同的接缝张开量下，这种作用效果的影响程度是不一样的.图 10中的垂直虚线将张开量分为3个阶段，相较于阶段Ⅰ和阶段Ⅲ，阶段Ⅱ中错缝量的变化对于密封垫耐水压能力的差异性影响要大很多，这在图 12的不同错缝量下密封垫压缩过程的有限元示意图对此作出了解释.和上述3个阶段相对应，图 12也将密封垫的压缩过程分了3个阶段.根据试验过程对渗漏位置的统计，在初始阶段Ⅰ中密封垫张开量较大时，水流通常从密封垫与沟槽的接触面间流出，而当密封垫张开量很小时(阶段Ⅲ)，渗漏通常发生在密封垫-密封垫接触面上.阶段Ⅱ作为介于两者之间中间状态，上述2种渗漏位置都有可能发生.因此，对于阶段Ⅰ来说，由于密封垫张开量较大，应力处于一个较低的水平，错缝量的变化对防水效果影响并没有很大；对于阶段Ⅲ的密封垫张开较小的状态，可以看出被错开的那部分橡胶条已经与其对面的沟槽壁接触并压密，水流从密封垫-密封垫接触面渗出的难度加大，这在一定程度上抵消了错缝带来的影响；而对于阶段Ⅱ来说，水流可能会从2个方向渗出，并且错缝带来的影响并不能被抵消，因此阶段Ⅱ的错缝量的变化对密封垫的耐水压力影响较大.

5.2 双道密封垫张开量同步变化测试结果

在实际工程中，在设置双道密封垫的情形下，比较容易出现千斤顶的顶推力不足，从而导致环缝两道密封垫出现张开量相同的情况，因此，针对这种情况，试验4和试验5分别进行了双道弹性密封垫同步张开量变化下的耐水压试验.

图 13为双道密封垫耐水压测试时程曲线，图中P_w为实时水压值，t为加压时间，对应O₁和O₂为9.5 mm、错缝量G为10 mm的工况.从图中可以看出，分级加压0.65 h后内圈密封垫开始渗漏，此时观察到外腔排气口2中有水涌出.关闭外腔排气口2，继续从内腔注水口1注水，可观察到外腔水压逐级升高，而对于内腔水压，其在初期无法保持更高的水压状态，但随着外腔水压的逐渐增大，由于压力的抵消作用，其每次下降幅度逐渐减少，逐渐可以稳定在高于先前突破内圈密封垫时的水压值之上.当外圈密封垫发生渗漏后，立即停止加压，稳定后观测内外腔水压值，将内腔水压定义为该状态下双道密封垫耐水压值，图示双道密封垫耐水压值为0.71 MPa，大于相同工况下单道密封垫耐水压值0.65 MPa.

图 14为对比张开量相同情况下的单双道密封垫的测试结果，图中O为密封垫张开量.从图中可以看出，在有错缝和无错缝的状态下，双道弹性密封垫的耐水压能力较单道都有显著的提高.图 15基于图 14的测试结果，定量统计了双道密封垫较单道密封垫耐水压能力的提高比例参数w.从图 15中可以看出，在设计张开量7 mm内，双道密封垫的设置的耐水压提高比例在9%~12%，而随着张开量的逐渐增大，该提高比例有下降的趋势，仅在5%~9%.出现这种现象的原因主要是由于内外水腔之间的流体交换并不是一个拥有完整渗流通道的“连通器”，随着内外腔水压逐渐接近，内圈橡胶密封垫初始渗漏状态时的受力状态发生了改变，外腔的水压使得内圈密封垫产生附加接触压应力，从而提高了内圈密封垫的耐水压能力，而这种提高程度在张开量较大的情形下会由于应力水平较低等因素而减小.

5.3 双道密封垫张开量不同测试结果

试验6~9分别进行了4组两道张开量不同的密封垫耐水压试验，其中试验6模拟错缝量10 mm状态下，高压水流依次突破张开量为7 mm、一道张开量为0的密封垫；试验8模拟错缝量为10 mm状态下，高压水流依次突破一道张开量为0、一道张开量为7 mm的密封垫。上述2组试验为实际工程控制工况。

图 16为试验7双道密封垫耐水压测试时程曲线，主要研究高压水先突破一道张开量较大的密封垫，继而突破另一道张开量较小的密封垫.从时程曲线中可以看出，在水流突破内圈弹性密封垫之后，继续增加水压，后续的过程可以分为2个阶段，第一阶段随着内部水压的增大，内圈密封垫尚有一定的“阻拦”作用，每级稳压后内外腔水压有一定的差值，表明此时内外水腔并不是“连通”的.而当水压继续增大之后，内部橡胶垫这种“阻拦”作用消失，内外腔形成连续的渗流通道，其水压也是同步变化，直至最终外腔密封垫也发生渗漏.

图 17为试验9的双道密封垫耐水压测试曲线，内部高压水在突破了第一道张开量较小的密封垫的同时，随即突破第二道张开量较大的密封垫，并没有出现试验7中内水腔压力值仍可继续上升的情形.

综合试验6~9，并对比单道耐水压测试的结果，可以发现当双道密封垫张开量相差较大时(本次试验为7 mm)，会导致内、外道密封垫单独承受水压能力相差较大，最终的耐水压力仅取决于张开量较小的那道密封垫的耐水压力值.

从表 3中可以发现，在设计工况下双道密封垫防水体系的耐水压能力均能达到设计要求1.2 MPa，并且试验6和试验8最终的耐水压能力均大于3.6 MPa.值得一提的是，本次试验的单道密封垫在控制工况下的耐水压力值仅为0.85 MPa，小于设计所要求的1.2 MPa，由此可看出，采用双道密封垫的设计是有必要的.

6 结论

(1) 接缝弹性密封垫耐水压能力随着张开量的减小而逐渐增大，同时其增长规律和弹性密封垫力学测试所得到的接触应力及变形规律一致，初期增长缓慢，随着压缩继续，增长速度越来越快.

(2) 弹性密封垫的耐水压能力随着错缝量的增大而减少，并且错缝量带来的这种影响在接缝张开量为3~7 mm时较大，在接缝张开量大于7 mm的的密封垫松弛状态和小于3 mm的压紧状态，这种影响则不是很大.

(3) 以设计工况7 mm为界，当两道弹性密封垫张开量均小于7 mm时，其耐水压能力较单道可提高9%~12%，当张开量均大于7 mm时，可提高5%~9%.

(4) 所采用的双道防水体系在控制最不利工况下的耐水压力满足设计所要求的1.2 MPa，双道防水体系总存在一条张开量较小的密封垫，因此不论在外荷载作用下接缝如何变形，其防水可靠性都远优于单道防水体系.