张亚洲，姚占虎，魏 驰，张习颖，赵小鹏，吴荣华，成晓青

(1.中交隧道工程局有限公司, 北京 100102；2.中交一公局集团有限公司，北京 100024)

0 引言

随着城市建设的快速推进和交通需求的增加，我国盾构法施工隧道不断朝大直径、高水压方向发展[1-6]。如：2009年建成通车的上海长江隧道，最大水压0.55 MPa[7]；2010年通车的南京长江隧道，最大水压0.65 MPa[8]；2016年通车的南京扬子江隧道，最大水压0.72 MPa[9]。在建的南京和燕路过江通道最大水压0.79 MPa[10]、江阴靖江长江隧道最大水压0.82 MPa。正在研究的琼州海峡隧道、台湾海峡隧道、马六甲海底隧道、宗谷海峡隧道、巽他海峡隧道水压高达1～3 MPa，均拟采用超大直径盾构法实施[11]。然而，当前盾构隧道的防水技术尚不足以完全解决盾构隧道施工、运营中的渗漏水问题，因此，盾构隧道的防水问题一直备受关注[12]。随着盾构隧道工程的大量建设，盾构隧道所面临的水压将越来越高，防水问题将是制约盾构隧道进一步发展的重大挑战。

目前，关于盾构隧道的防水问题多集中于管片接缝、弹性密封垫的试验研究及数值模拟。如Paul[13]、Shalabi[14]、陆明等[15]、谢宏明等[16]、丁文其等[17]结合实际工程对接缝的防水性能要求及弹性密封垫开展了接缝防水试验。向科等[18]、罗驰等[19]、孙廉威[20]、张亚洲等[21]利用有限元软件对弹性密封垫变形特性进行了数值模拟分析，并取得了大量的研究成果。然而，盾构隧道的防水问题是一个复杂的系统问题：一是防水体系繁杂，包括混凝土自防水、接缝防水、螺栓孔防水、特殊部位(如工作井与隧道连接部位)防水等多个环节；二是隧道施工、运营状态复杂多变，特别是因施工不当或隧道长期变形引起的接缝张开、管片开裂对隧道的防水影响极大。在长时间的建设、运营过程中，任何一处防水细节处理不当都会增加隧道渗漏风险，影响隧道结构安全和正常使用。高水压条件下盾构隧道防水问题需在设计阶段、施工阶段及运营阶段采取合理的措施进行系统规避。因而，有必要对当前我国盾构隧道的防水问题进行全面总结，为进一步形成全面和规范的高水压盾构隧道防水设计与施工方法提供参考。

本文基于设计、施工实践与工程调研，系统梳理了盾构隧道防水机制与防水体系、管片防水构造设计、防水施工工艺的常见问题，提出相应的技术措施，并对盾构隧道防水技术的发展方向进行展望。

1 接缝防水机制、技术标准与防水体系

1.1 接缝防水机制

盾构隧道管片接缝密封垫材料主要有三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶，目前国内以三元乙丙橡胶密封垫为主流。三元乙丙橡胶密封横截面设计为多孔结构，其外形尺寸、开孔率、有效断面面积与管片上预留的密封垫槽尺寸相匹配。当相邻管片拼装时，密封垫发生压缩变形并产生弹性恢复力，由此在相邻两密封垫间及密封垫与管片密封垫槽间产生接触应力，当水压力不足以突破接触应力时，地下水被隔绝于管片外侧，从而实现密封防水。目前，关于接缝防水机制方面主要存在以下问题。

1)密封垫的外形尺寸及孔洞布置方式对接触应力的影响具有较大的随机性。一方面，导致在选取密封垫设计断面时存在一定的盲目性，需进行大量的断面假定及数值试算工作；另一方面，也导致接缝弹性密封垫防水能力极易受生产工艺的影响，从而引起密封垫质量的不确定性。因此，利用随机参数、灵敏度分析等方法建立密封垫的外形尺寸及孔洞布置与接触应力的相关关系[22-23]，对于密封垫断面设计具有重要意义。

2)密封垫防水能力判定理论不够成熟。两侧密封垫间、密封垫与管片密封垫槽间的接触应力越大，防水能力越强，但接触应力与防水能力之间的定量关系尚未建立。目前，评价密封垫的防水能力主要以平均接触应力为依据，即当某一密封垫平均接触应力大于理论水压时即认为该密封垫具备试制条件。然而，这一依据存在一定的不足：①当水压较高时，为保证允许最大张开量下的密封垫平均接触应力，将极大增加密封垫的闭合压缩力，导致密封垫设计不合理；②接触应力在接触面上存在横向、纵向的分布不均匀性，仅用单一断面的平均接触应力进行评价，导致其与实际防水能力间存在较大差异。考虑到盾构隧道接缝防水密封垫接触应力分布不均匀性及密封垫的三维效应，采用接触面有效接触应力来评价密封垫的防水能力[24]是一种新的尝试。

3)对密封垫挤压条件下管片接缝“动态”张开及错台引起的防水能力降低关注不够。盾构隧道管片密封垫的失效方式主要是管片接缝产生较大的张开量及错台量，在当前的研究中，无论是试验研究还是数值模拟，均是在预先给定的张开量、错台量条件下研究接缝的耐水压能力或接触应力，这种工况仅适用于管片拼装时的瞬时状态。然而，隧道在施工、运营过程中，会不可避免地发生纵向、横向变形，从而引起管片相对位置发生“动态”张开、错动，这种张开、错动发生时密封垫呈挤压状态。考虑到密封垫与管片密封垫槽之间的黏接、密封垫顶面相互摩擦作用，这种“动态”错动可能会引起密封垫应力变形状态发生变化，甚至导致密封垫发生翻转、失效。因此，密封垫挤压条件下管片接缝“动态”张开及错台引起的防水能力降低有待进一步关注。

4)管片接缝微观密封机制关注不够。当前针对接缝防水研究方法中，主流的密封垫水密性能试验、数值计算大多未关注密封垫及管片表面的微观结构特征及水的黏滞阻力等因素。借鉴机械工程中橡胶密封的相关理论，从弹性密封垫、管片密封垫槽表面微观形貌着手研究，考虑流体物理力学特性，建立盾构管片间密封垫在压缩状态下的微观泄露通道模型[25-26]，揭示管片接缝微观密封机制，值得进一步探讨。

5)当前关于接缝防水研究方法不够直观。目前关于接缝防水的研究方法主要有试验研究及数值模拟，室内试验可以得到弹性密封垫在不同张开量和错台量下的最大防水压力，数值模拟可以得到弹性密封垫在不同水压下的变形特性和接触应力。然而，目前的研究大都不能直观地展示密封垫在管片挤压-水体挤压-水体渗透过程中的动态特性及接触应力变化，通过构建欧拉-拉格朗日网格法的流固耦合计算模型[21]，对接缝渗流进行动态精细化数值模拟，探讨考虑水压作用过程的密封垫防水机制是一种值得探索的研究方法。

1.2 防水技术标准

盾构隧道设计一般采用二级防水标准，因以往的隧道外水压普遍较低，大多不设置外防水涂层、二次衬砌等其他附加防水措施。但是随着近年来建设的盾构隧道水压逐渐增大，管片混凝土的自防水问题将逐渐突出。

盾构隧道埋深通常大于30 m，根据GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》[27]采用P12混凝土，相应渗透系数大约为1.29×10-9cm/s[28-29]。假定某隧道外径为14.5 m，管片厚度为600 mm，不计接缝、裂缝渗水，在无其他附加防水措施的情况下，隧道的理论渗漏水量随隧道外水头高度变化可通过达西定律近似估算，结果如图1所示。由图1可知，隧道渗水量随着隧道外水头高度呈线性变化，当隧道外水头高度达到100 m和200 m时，隧道内理论渗水量分别为0.19 L/(m2·d)和0.37 L/(m2·d)。

图1 隧道渗漏水量随隧道外水头高度变化关系

现行规范GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》[27]二级防水标准所规定的“平均渗漏量不大于0.05 L/(m2·d)”，其检测方法为“在有流动水的隧道内设集水井和贮水堰进行积水量检测”[30]。即规范所规定的渗水量仅包含留在隧道内的水量，随气流蒸发带走的水量并未计入。一般而言，自然通风可以带走隧道内壁面0.02～0.05 L/(m2·d)的渗水量，机械通风可以带走隧道内壁面0.1～0.2 L/(m2·d)的渗水量[31]。

基于此，绘制出图1中的红色阴影，其含义为：假定隧道通过自然通风带走0.05 L/(m2·d)的渗水量，则仅在隧道外水头低于54 m时，隧道内渗漏量小于0.05 L/(m2·d)，满足二级防水标准。同理，绘制出图1中的蓝色阴影，其含义为：假定隧道通过机械通风带走0.2 L/(m2·d)的渗水量，则仅在隧道外水头低于135 m时，隧道内渗漏量小于0.05 L/(m2·d)，满足二级防水标准。需要说明的是，对于强度C65以上、抗渗等级P12的管片混凝土，受制于当前普通实验设备条件，所测试的渗透系数不一定准确，因而实际渗漏量可能与理论计算值存在一定差异。

此外，当前管片检漏所采用的工艺由CJJ/T 164—2011《盾构隧道管片质量检测技术标准》[32]所规定，试验管片不承受荷载。然而实际工况下，管片承受外荷载作用，隧道拱顶内侧与拱肩外侧往往存在受力裂缝，即使裂缝控制在正常范围(如0.2 mm)，但其对管片渗漏的影响必然存在。带裂缝工作状态下管片的渗漏特性与无外力作用的管片有所不同，特别是高水压条件下更为明显。

由此可知，随着国内盾构隧道朝高水压方向发展，防水设计与规范之间将存在一定的不协调。对于盾构隧道在高水压条件下，相应的防水等级、防水标准及所采用的防水设计措施值得进一步探讨。

1)当前规范对于各级防水等级下的渗漏量沿用早期地下室及地铁隧道相关经验，水压较小，渗漏量设定较小，而高水压条件下管片自身渗漏量大，因此，各防水等级所对应的允许渗漏水量可适当调整，同时将部分“宜选”“可选”防水措施修订为“必选”，以满足相应防水等级的渗漏水量要求。

2)当水压超高(如2 MPa)时，采用“全面封堵”的设计理念可能会导致防水造价大量增加。在这种条件下，可以探索“以堵为主，以疏为辅”“以导为主，以堵为辅”的设计理念。

3)应更加重视外防水涂层、二次衬砌、接缝注入密封剂等防水措施，尤其是设置二次衬砌，通过管片与二次衬砌之间的排水措施疏排渗漏水，将成为解决超高水压条件下盾构隧道防水问题的一种可能。

4)应进一步明确高水压条件下的混凝土抗渗等级，考虑适当提高。

5)应进一步明确高水压条件下的混凝土抗渗等级、允许裂缝宽度取值、裂缝处理措施，研究混凝土裂缝对混凝土自防水的影响。

1.3 接缝设计允许张开量与错台量

接缝防水依赖于密封垫的压密作用，而接缝张开量与错台量关系到密封垫的压密程度和压密形态，因此，对盾构隧道接缝防水能力影响极大。盾构隧道防水设计时，需预先考虑盾构隧道在施工、运营期间可能发生的最大张开量、错台量，即接缝设计允许张开量、错台量。接缝密封的设计则要求接缝在达到设计允许张开量、错台量时满足设计防水能力。考虑隧道设计使用年限内弹性密封垫潜在劣化、长期应力松弛影响，盾构隧道设计防水能力通常取理论水压值的2～3倍，大直径盾构隧道一般取理论水压值的2倍。理论水压值则是取隧道线路范围内承受最大水头高度的隧道断面拱底处水压。

当前，国内不同盾构隧道管片接缝设计允许张开量、错台量及设计防水能力如表1所示。

表1 部分盾构隧道接缝设计允许张开量、错台量及设计防水能力

表1中，汕头海湾隧道位于8度地震区，考虑隧道在设计使用年限内可能遭遇强烈地震作用，因而管片接缝设计允许张开量、错台量较大，达到张开15 mm、错台10 mm[16]。

GB 50446—2017《盾构法隧道施工及验收规范》[38]规定了在拼装中和成型验收时的管片允许错台量，以公路隧道为例，管片拼装时允许环间错台为7 mm、成型验收时允许环间错台为17 mm。然而，管片拼装及成型隧道验收不能代表隧道长期运营工况，成型隧道验收允许环间错台应在设计允许张开量、错台量范围内。

一般而言，设计时考虑的接缝允许张开量、错台量应综合管片生产误差、拼装质量控制、隧道平纵曲线段以及运营阶段变形的影响等因素，然而当前国内接缝设计允许张开量、错台量多依据以往工程经验，未形成统一的计算标准和取值依据，导致不同设计单位取值差异很大。考虑到不同隧道的外界环境千差万别，越来越多的盾构隧道地处强震区，或面临下伏岩溶、上部堆载、大厚度河床冲刷等运营工况，以既有工程案例调研统计为基础，建立设计允许张开量、错台量的计算标准和取值依据十分重要。

此外，设计所考虑的允许张开量、错台量以密封垫的防水能力为依据，其量测部位理应以密封垫处或接缝外侧为准，然而工程实践中，管片拼装完成后，密封垫处或管片外侧的张开量、错台量无法测量，依据GB 50446—2017《盾构法隧道施工及验收规范》[38]仅能对管片内侧进行测量。考虑管片拼装及外荷载影响，其接缝内、外张开量和错台量实际存在较大差异，因此，如何解决这一矛盾也是当前的重点。

1.4 接缝防水体系

目前，我国盾构隧道接缝防水主要有以下4种体系，如图2所示。

1)外侧单道三元乙丙橡胶弹性密封垫(见图2(a))。如上海周家嘴路越江隧道工程[33]、上海诸光路通道工程、上海北横通道工程、上海长江隧道工程、长江西路隧道工程等。

2)外侧单道三元乙丙橡胶弹性密封垫，紧邻三元乙丙橡胶弹性密封垫设置1道遇水膨胀橡胶辅助防水密封垫(见图2(b))。如珠海兴业快线(南段)工程、上海银都路越江隧道工程、武汉长江公铁隧道工程、济南济泺路黄河隧道工程、南京长江五桥夹江隧道工程等。

3)外侧设置1道三元乙丙橡胶弹性密封垫，内侧设置1道遇水膨胀橡胶防水密封垫(见图2(c))。如南京长江隧道工程、南京扬子江隧道工程等。

4)内外双道三元乙丙橡胶弹性密封垫(见图2(d))。如苏通GIL管廊[35]、上海长江口青草沙输水隧道工程[39]等。

(a)外侧单道三元乙丙橡胶弹性密封垫

以图2(c)和图2(d)为代表的防水体系被认为是双道防水体系，在行业内已达成共识，但对于如图2(b)所示的防水体系能否被称为双道防水体系，在业界存在较大争议。理论上，紧邻三元乙丙橡胶弹性密封垫的遇水膨胀橡胶防水条具有一定的辅助防水功能，但管片防水槽口下部退台设计的初衷是为了避免混凝土接缝面开裂，非预留遇水膨胀橡胶防水条粘贴空间，并且该种设计不能适应运营期内、外侧张开量的变化，因而，如图2(b)所示的防水体系不应称为双道防水体系。

以图2(c)和图2(d)为代表的双道防水体系的主要优势有：1)有利于管片拼装时均匀受力、平稳闭合。将内外双道密封垫看作压缩弹簧，管片闭合时密封垫先接触，拼装时较单道防水的管片更平稳。2)当接缝发生渗漏时，可在2道密封垫之间的腔体内注入止水材料进行堵漏。3)适用于有内水压的隧道。4)避免外侧弹性密封垫受气相或隧道内污水侵蚀影响。5)能适应运营期内、外侧张角的变化。6)增加防水可靠性。

其不利之处在于：1)当外侧发生渗漏时，渗漏水沿着环纵缝窜流，难以准确判断外侧渗漏点位置。2)当外侧发生渗漏后，将在内、外道密封垫的腔体间形成渗透压力，增加螺栓孔渗漏的可能性。3)增加管片的闭合压缩力，纵缝螺栓紧固相对困难。

上海地区广泛采用如图2(a)所示的单道防水体系，其他城市的超大直径盾构隧道多采用如图2(b)和图2(c)所示的防水体系。上海黄浦江江面宽度普遍小于700 m，且水深、冲刷深度均相对较小，做为越江隧道发源最早、数量最多的地区，上海的越江隧道设计埋深较小，承受的水压相对较小，因而，单道防水形式在上海地区应用广泛。上海周家嘴路越江隧道为避让码头桩基而采取深埋措施，最大水压0.6 MPa，是目前上海建成的最高水压盾构隧道工程[29]。随着城市的发展，上海规划中的超大直径盾构隧道(如崇明西长江隧道)也逐渐朝着超高水压方向发展，双道防水体系将可能得到更多的应用。

当前盾构隧道工程中有部分案例采用外侧双道三元乙丙橡胶密封防水体系，如在建的江阴靖江长江隧道，其接缝防水设计如图3(a)所示。这种形式的接缝防水设计能将地下水隔离在管片中心线以外的区域，大大降低螺栓孔渗漏的可能性，相比传统的双道防水，其失去了部分优势，且可能会带来一定的困难，如：1)管片外侧闭合压缩力过大(120～140 kN)，导致拼装平稳性差，管片外沿发生剪切破坏、内沿接触碎裂的可能性增大，如图3(d)所示。2)螺栓受力理论上是内外双道防水(见图3(b))、单道防水(见图3(c))的2倍，因此，螺栓紧固相对较难，且螺栓手孔处易开裂。3)密封垫槽范围较大，螺栓中线以外受压区面积较小，管片外侧抗弯区存在一定的削弱，对管片接缝的抗弯刚度有一定影响。4)不能适应运营期内、外侧张角的变化。基于此，该种设计对施工控制提出了更高的要求，有待在工程实践中进一步验证和总结。外侧双道防水及接缝防水体系拼装力学模型如图3所示。

(a)外侧双道密封构造

2 管片防水构造设计

2.1 挡砂条

挡砂条设置如图4所示。目前，我国盾构隧道中应用的挡砂条主要有遇水膨胀橡胶挡砂条与海绵橡胶挡砂条2种型式，如表2所示。遇水膨胀橡胶挡砂条(见图4(a))采用L形设计，遇水膨胀橡胶挡砂条始终位于管片已拼好的一侧，避免挡砂条暴露于迎千斤顶侧，能有效降低挡砂条在下一管片拼装前因遇水产生预先膨胀的负面效应[34]，如图4(c)所示。管片构造与挡砂条的设计相匹配(见图5)，遇水膨胀橡胶挡砂条张贴部位预留的管片沟槽设计为L形而不是绕管片1周。海绵橡胶条(见图4(b))不发生遇水膨胀，采用框形设计，管片构造相对简单。

(a)遇水膨胀橡胶挡砂条断面设置 (b)海绵橡胶挡砂条断面设置

表2 挡砂条设置型式

图5 遇水膨胀橡胶挡砂条处预留端部包角沟槽(单位: mm)

当前采用2种型式挡砂条的工程应用案例均较多。因挡砂条的设计理念存在差异，尚未形成统一的标准，容易引起一些难以预料的问题。如采用框形遇水膨胀橡胶挡砂条替代L形遇水膨胀橡胶挡砂条，因橡胶条厚度与管片预留槽口不匹配，将导致管片不闭合、初始渗漏量大等问题。

2.2 遇水膨胀橡胶辅助防水条

遇水膨胀橡胶辅助防水条的设置如图6所示。目前遇水膨胀橡胶辅助防水条均采用框形设计，如图6(a)所示，管片拼装时迎千斤顶面一侧的遇水膨胀橡胶辅助防水条暴露在外。盾构下坡推进时，隧道拱底部位易发生积水现象(见图7)，容易引起遇水膨胀橡胶辅助防水条预先膨胀，加上拱底部位泥沙沾染影响，接缝防水施工质量不易保证。

(a)框形 (b)L形

图7 拱底积水

因此，结合L形挡砂条的工程经验，将遇水膨胀橡胶辅助防水条设计为L形(见图6(b))，对管片生产模具、管片细部构造及防水材料管理的复杂性增加有限。虽然目前未见有该种设计，但仍是一种可能的合理化措施。

2.3 传力衬垫

我国盾构隧道发展早期，由于接缝面退缩设计不足，且拼装工艺不成熟，导致管片破损现象多发，10 m级盾构隧道在环、纵缝均设置丁腈软木橡胶传力衬垫(见图8)。当前管片拼装工艺较为成熟，接缝构造设计得到改善，因此取消了纵缝传力衬垫，仅在环缝设置传力衬垫[42]。

(a)纵缝张贴 (b)环缝张贴

环缝设置传力衬垫能有效减少因错缝拼装时环面不平整引起的应力集中和管片破损，但由此引起的接缝摩擦力下降将导致螺栓承受剪力增大，对管片抗浮不利。若取消环缝传力衬垫，接缝面混凝土直接接触，摩擦力较大，对抗浮有利，但拼装过程中管片易开裂、破损。考虑到未来盾构隧道管片拼装工艺的持续进步，建议对于设置内外双道防水密封垫的管片取消环缝传力衬垫；对于设置单道防水密封垫的管片，应设置环缝传力衬垫，但在抗浮不利情况下应取消。

2.4 二次注浆孔

目前，管片构造设计中关于二次注浆孔及其预埋件引起的防水问题考虑不足，尤其是二次注浆孔端部混凝土预留厚度无明确标准。典型盾构隧道二次注浆孔端部预留混凝土厚度统计见表3。

表3 典型盾构隧道二次注浆孔端部预留混凝土厚度统计

由表3可知，目前国内盾构隧道二次注浆孔端部混凝土厚度为40～200 mm，差异较大。若端部预留混凝土厚度过大，将导致启用二次注浆孔时钻孔不便，易引起外侧混凝土及外防水涂层损伤。若端部预留混凝土厚度过薄，其阻水效果较差，考虑到管片受力时弯矩引起的管片外侧裂缝，能够起到有效阻水作用的混凝土厚度十分有限。

因此，端部预留混凝土厚度应与施工工艺、周边环境及其他相关要求相匹配。对于需要经常启用二次注浆孔的隧道，如盾构下穿密集建(构)筑物时，二次注浆孔端部预留混凝土宜薄，便于钻孔注浆，但不能小于80 mm；对于不常启用二次注浆孔的隧道，如周边环境较空旷、对沉降控制要求不高，二次注浆孔端部预留混凝土宜厚，确保端部混凝土防水，建议≥100 mm。可根据情况对同一隧道不同区段的管片二次注浆孔端部厚度采取针对性的设计手段。

2.5 螺栓孔防水

目前螺栓孔防水通常采用强度相对较低的遇水膨胀弹性体密封圈，施工时将套有密封圈的螺杆穿入螺栓孔拧紧施工。施工过程中螺杆的扭转、挤压和摩擦作用极易对密封圈造成破坏，从而导致其失去防水能力，形成渗漏通道。可在管片接触端面螺孔周围布设1圈密封垫槽，张贴环形密封垫(见图9)，利用环形密封垫与管片间的接触应力防水。这种设计能够在不对防水体系大幅度改变的情况下实现螺栓孔的密封。

(a)正视图 (b)剖面图

3 防水施工工艺

3.1 防水材料及质量

目前国内防水密封材料主要有2种：一种是多孔型三元乙丙橡胶弹性密封垫，另一种是遇水膨胀橡胶密封垫。多孔型三元乙丙橡胶弹性密封垫起源于欧洲，通过密封的弹性压密实现止水。虽然多孔型三元乙丙橡胶弹性密封垫存在长期应力松弛现象，但其在设计年限内的应力松弛率能够通过阿累尼乌斯公式结合快速老化试验验证，在国内也有充分的设计、制造和施工经验，是国内主流的防水密封材料。遇水膨胀橡胶密封垫起源于日本，材料接触到水后产生膨胀，主要通过膨胀力来止水。因其中的高分子吸水材料易在水中溶解析出，利用阿累尼乌斯公式判断耐久性缺乏适用性，国内厂商生产的遇水膨胀橡胶其耐久性也没有得到充分的实际验证，因此，国内主要用于辅助防水。

当前市场上的防水材料主要存在以下情况：1)部分厂家在原料中掺加再生胶、二次再生胶，以次充好，导致隧道施工及运营期间发生密封垫破碎、断裂等问题[2]。2)橡胶生产过程中调配不佳，导致成品的硬度控制不好，随温度变化大，冬季施工时硬度过高，从而影响粘贴和管片拼装。3)密封垫框尺寸误差，造成“松肩”“蹋肩”“过拉”问题。因此，应加强材料的生产监督与进场检验，完善和贯彻密封垫的招标要求，密封垫需经试套后才能批量生产。

3.2 防水施工过程与工艺

防水施工过程中常见的问题有：1)密封条粘贴时发生偏移、鼓起、缺口现象；2)槽口清理不干净，孔眼未修补；3)雨中粘贴，防雨不当；4)传力衬垫歪斜、鼓起；5)F块未涂刷减摩剂；6)吊运过程中材料损坏；7)当管片推进油缸采用单缸时，撑靴易发生旋转，由于摩擦作用导致防水条拉出失效。对于此类问题，设计中应充分考虑施工的便利性；施工中应提升管理水平与工人素质，采取措施保证施工质量。如在单撑靴油缸处设置防转动导轨，能够保证撑靴的稳定性，降低防水条拉出失效的可能。

3.3 密封垫角部堆积、渗漏

封顶块拼装时产生的角部堆积、渗漏问题一直是盾构隧道防水施工质量的顽疾，如图10所示。主要原因有：1)封顶块插入时，封顶块张贴的密封垫与邻接块的密封垫发生较大的挤压作用，在过大的摩擦力作用下导致角部推出。2)密封垫角部孔洞实心，无法压缩闭合，导致封顶块处T字缝产生先天张开量。3)密封垫角部产生气囊效应，管片难以闭合。4)密封垫堆积导致角部应力集中，混凝土碎裂、渗水。

(a)角部密封垫挤出

行业内从产品材料、施工工艺和防水设计等方面围绕这个问题做了大量的工作。

1)产品上。早期采用角模压制拐角预制件+直条胶件热接成框，生产的防水密封垫拐角为实心材料，如图11所示。目前采用直条状胶件45°斜接，角部密封垫孔、槽间完全或部分相通，减少了“肉瘤”效应，如图12所示。国外厂商从外面钻孔打通，减小角部应力集中，削弱角部气囊效应，具有一定的效果，如图13所示。

(a)密封垫实心拐角拼接图 (b)密封垫实心拐角处横断面

(a)拐角空心密封垫45°斜接图 (b)拐角空心密封垫内展图

图13 拐角处钻孔缓解气囊效应的防水密封垫[2]

2)施工上。密封垫表面涂抹减摩剂。

3)设计上。在角部加贴未硫化丁基橡胶腻子薄片，但当前某些用法值得商榷：一是当前许多大直径盾构隧道采用如图2(b)所示的接缝防水构造，腻子薄片覆盖了内侧遇水膨胀条(如图14所示)，影响其膨胀性的同时对混凝土包角覆盖不够，不能很好地将角部缝隙挤密填平、补齐防水；二是管片4个角部均张贴腻子薄片，导致拼装后纵横缝均存在2层腻子薄片，厚度过大，对防水不利[42]。应采用对角张贴的方式，确保在纵横缝位置有且仅有1层腻子薄片。腻子薄片布置如图15所示。

图14 未硫化丁基橡胶腻子薄片张贴实例

图15 腻子薄片布置图[42]

3.4 嵌缝施工

盾构隧道管片的内侧嵌缝通过弹性挤密及填实塞密作用与接缝一同构成“疏水槽道”，具有引流和疏排的作用，能够防止隧道顶部滴水，避免对吊顶设备、铁轨或路面的正常使用造成影响；同时，能够防止隧道底部积水，确保拱底防水施工质量，减少隧道长期纵向沉降。其能够承受的最大水压仅为0.1～0.2 MPa，因此，不能依赖其防水和止水效果。

目前工程实施过程中常见的问题为管片接缝堵漏未完成即进行嵌缝作业，意图依赖嵌缝实现堵水。由于流入接缝的水短期未建立压力，嵌缝具备一定的阻挡“无压水”短期效果。然而随着渗漏的发展，地下水必然会在接缝中建立压力，渗漏将不可避免。此外，嵌缝一旦在接缝堵漏完成前施作，将会引起渗漏水窜流，导致外侧渗漏点位难以判断，影响堵漏作业。

实际上，当管片刚脱出盾尾时，地层压力未作用于管片，管片所承受的轴力较小，接缝挤压力不足；同时，管片受同步注浆浆液、千斤顶推力作用尚处于不稳定状态，此时接缝渗水是可能的，然而这种渗漏大多随时间发展、盾构推进而好转。

因此，笔者认为：1)因定形嵌缝材料具有一定的自适应变形能力，在堵漏工作结束后即可实施。未定形嵌缝材料须在管片堵漏完成、无明显渗水的情况下，且在千斤顶顶力影响范围之外施工，确保嵌缝材料与管片黏结可靠。2)由于盾构后配套台车长度有限，千斤顶影响范围之外的台车长度较短，可能导致来不及进行堵漏及嵌缝作业，因此，对施工管理提出了较高的要求。

4 结论与展望

1)当前关于管片接缝防水的机制尚未厘清，有待在以下几方面进一步开展工作：①考虑随机性的弹性密封垫截面选取和设计方法；②考虑接触应力横、纵向分布不均条件下，密封垫防水能力定量评价方法；③密封垫挤压条件下管片接缝“动态”张开及错台与密封垫防水能力的关系；④密封垫防水微观机制研究；⑤高水压条件下带裂缝工作混凝土的防水机制。

2)当前的隧道防水技术标准已不适应高水压盾构隧道的发展，新的统一技术标准亟待建立：①随着盾构隧道水压越来越高，应对各防水等级相应的允许渗漏水量进行适当调整，或将部分“宜选”防水措施调整为“应选”；②在超高水压条件下，可以探索“以堵为主，以疏为辅”“以导为主，以堵为辅”的理念；③应进一步明确高水压条件下的混凝土抗渗等级、管片检漏标准及防水材料的检验标准；④亟待建立设计允许张开量、错台量的计算标准和取值依据。

3)防水设计是守好地下水最重要的一道关：①应在理解原防水体系优缺点的基础上，对防水体系进行改进和创新，并对可能带来的新问题进行充分研究；②应更加重视外防水涂层、二次衬砌、接缝注入密封剂等防水措施，尤其是设置二次衬砌，通过管片与二次衬砌之间的排水措施疏排渗漏水，将成为解决未来超高水压条件下盾构隧道防水问题的一种可能；③近年来应用较多的半封闭弧形内衬，经济性较好，能够有效提升管片防水能力和隧道形象；④遇水膨胀辅助防水条、二次注浆孔防水等构造设计应当充分考虑施工的合理性。

4)盾构隧道渗漏水问题与防水施工质量密切相关。从管片钢模制作、管片预制生产，到防水材料检验、进场、施作，再到管片拼装成型、堵漏、嵌缝，工艺冗杂、施工周期长，防水工程施工质量不确定性因素过多。当前我国盾构隧道施工现场管理水平相对较低，工人素质参差不齐，施工过程较为粗放，不利于盾构隧道高水压的发展。因此，高水平施工管理队伍的建设与高素质产业化工人的培育是未来大盾构行业的重要任务。

5)盾构隧道防水新材料、新工艺的开发和引入是未来的发展趋势。如：①开发具备高防渗性能的防水涂材及自防水混凝土材料；②采用新型管片型式，如钢壳-混凝土复合管片，以弥补混凝土高水压下抗渗性能的不足；③选用新型防水密封垫型式，如锚固式防水密封垫，其腿部嵌固于管片，能够有效阻断密封垫底部渗水通道，避免粘贴不牢引起的密封垫脱落，解决管片拼装过程中引起密封垫的推挤、堆积问题，但是存在管片制作工艺要求高、密封垫破损难修复、锚脚处混凝土易开裂等问题；④新型管片连接与拼装方式，日本广泛应用的“插销”“滑销”快速接头，拼装精度高，接缝张开量、错台量小，成型隧道质量好，在上海地铁18号线得到成功应用，如何进一步解决相关技术问题，从而在超大直径盾构隧道中进一步推广应用十分重要。

6)随着各地基础设施的广泛建设，盾构隧道遭遇软土、岩溶、断层、膨胀土、超浅覆土、高烈度地震区、超小半径曲线等复杂地质条件或工况将越来越多，给盾构隧道的防水技术带来了巨大挑战。此外，大多数越江隧道面临运营期上覆河床的冲淤问题，对隧道的纵向变形影响很大，成为威胁越江隧道防水系统的重要因素。因此，如何在隧道运营期进行渗漏水的智能监测与综合防治十分重要。结合现有的隧道工程，提出隧道渗漏水病害评价指标，结合传感、实时监控及在线监测技术，构建盾构隧道渗漏水病害分级预警综合评价方法，针对运营期不同渗漏类型，建立相应的快速响应机制及综合治理方案，采用智能算法实现大直径盾构隧道运营期渗漏水智能养护决策，是今后的重要任务。

致谢

本文撰写过程中查阅了大量文献、规范、专著、图纸、新闻报道等，并进行了多项工程实例调研，在此一并致谢。特别向朱祖熹先生表达感谢与敬意，先生关于盾构隧道防水方面的论文著述对本文的影响颇深，在论文写作过程中亦十分有幸得到先生的指导。