一種新型盾構(gòu)始發(fā)洞門(mén)密封的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

（中鐵工程裝備集團(tuán)技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450000）

盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)施工中的重要工序，同時(shí)也是重大風(fēng)險(xiǎn)源。盾構(gòu)始發(fā)階段，洞門(mén)可能會(huì)發(fā)生涌沙、透水、坍塌等風(fēng)險(xiǎn)，為此選擇有效的洞門(mén)密封結(jié)構(gòu)對(duì)盾構(gòu)始發(fā)至關(guān)重要。本文結(jié)合阿聯(lián)酋迪拜深排洪隧道項(xiàng)目施工過(guò)程中采用的一種新型洞門(mén)密封結(jié)構(gòu)，探討此洞門(mén)密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工序，為今后國(guó)內(nèi)同類(lèi)工程提供參考。

1 工程概述

阿聯(lián)酋迪拜深排洪主隧道項(xiàng)目處于迪拜JEBEL ALI 海岸區(qū)域，是2020 年世界博覽會(huì)場(chǎng)館配套市政工程。隧道全長(zhǎng)約為10.5km,管片內(nèi)徑為10m,埋深40～50m，隧道傾斜角為0.05%，包含5 個(gè)豎井，井口直徑為約21m，區(qū)間地質(zhì)主要由砂巖和泥巖組成。奧地利PORR 與比利時(shí)BESIX 聯(lián)合體作為項(xiàng)目承包商負(fù)責(zé)施工，采用中鐵裝備制造的兩臺(tái)?11.03m 的土壓平衡盾構(gòu),其中TBM1 在豎井CS-5 始發(fā)向豎井CS-3 方向掘進(jìn)，到達(dá)后拆機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)再始發(fā)由CS5 向TPS 方向掘進(jìn)；TBM2 在豎井CS-4 始發(fā)經(jīng)過(guò)DS-3 向豎井CS-3 掘進(jìn)。

豎井CS-4在施工過(guò)程中在接近40m深度時(shí)，豎井底部發(fā)生突水。水量約為70～80m3/h，給原本計(jì)劃采用新奧斯法施工的盾構(gòu)始發(fā)隧道施工造成極大的困擾和風(fēng)險(xiǎn)。為降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)同時(shí)加快施工進(jìn)度，聯(lián)合體上報(bào)迪拜市政廳進(jìn)行施工設(shè)計(jì)變更，取消原有80m 盾構(gòu)始發(fā)隧道，TBM2 采用分體始發(fā)完成整個(gè)隧道掘進(jìn)任務(wù)。但盾構(gòu)分體始發(fā)同樣面臨突水造成的風(fēng)險(xiǎn)，并且豎井深而井口直徑小、渣土倒運(yùn)、管片倒運(yùn)等工序時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致盾構(gòu)施工進(jìn)度緩慢。在盾構(gòu)分體始發(fā)施工速度緩慢的情況下，如何在始發(fā)階段有效控制大量的突水造成的風(fēng)險(xiǎn)，洞門(mén)密封起著決定性作用。

2 洞門(mén)密封

2.1 傳統(tǒng)洞門(mén)密封形式及分析

1）簾幕橡膠法 簾幕橡膠法是采用厚鋼板制作的翻板和簾幕橡膠板組合而成的一種盾構(gòu)始發(fā)臨時(shí)防水裝置（圖1）。在洞門(mén)鋼環(huán)外側(cè)懸掛簾布橡膠板安裝圓環(huán)板及翻板或鋼環(huán)內(nèi)側(cè)加焊洞門(mén)鋼絲刷。盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程中，簾幕板和盾體及管片外側(cè)接觸形成密封腔，阻止水土流失，此方法使用方便，價(jià)格低廉，在國(guó)內(nèi)普遍使用。

2）止?jié){袋法 止?jié){袋密封技術(shù)，原理是盾構(gòu)始發(fā)前將止?jié){袋安裝鋼環(huán)內(nèi)側(cè)，待盾體全部進(jìn)洞后灌入早強(qiáng)砂漿，使得止?jié){袋膨脹填充鋼環(huán)與管片間隙達(dá)到密封效果（圖2）。止?jié){袋法有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、密封和承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在歐洲市場(chǎng)普遍采用的洞門(mén)密封方法。

3）適應(yīng)性分析 根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙可知，洞門(mén)鋼環(huán)與盾體外側(cè)半徑方向間隙為165mm;尾盾外側(cè)與管片外側(cè)半徑方向間隙為150mm，洞門(mén)鋼環(huán)與管片外側(cè)半徑方向間隙為315mm。因突水量大而且水壓力高，在刀盤(pán)破土之前，必須保證洞門(mén)鋼環(huán)和盾體之間良好的密封性，因此單純的止?jié){袋法已不適應(yīng)。

圖1 簾幕橡膠法

圖2 止?jié){袋法

若采用簾幕橡膠法，簾幕板在尾盾外側(cè)與管片外側(cè)過(guò)渡的過(guò)程中，可能因盾構(gòu)姿態(tài)不正等導(dǎo)致密封不嚴(yán)，并且TBM 分體始發(fā)工序時(shí)間長(zhǎng)，施工進(jìn)速度緩慢，若不能有效密封洞門(mén)，可能導(dǎo)致出現(xiàn)涌水溜渣的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，為此必須選擇既能起到密封洞門(mén)與盾體間隙，又能密封洞門(mén)與管片間隙，并且能有效克服推進(jìn)速度緩慢情況下能夠平穩(wěn)過(guò)的一種洞門(mén)密封結(jié)構(gòu)。

2.2 新型洞門(mén)密封

該密封結(jié)構(gòu)由3 道橡膠唇形密封和止?jié){袋組成（圖3）。唇形密封作為尾盾未完全脫離洞門(mén)前，盾構(gòu)在向前推進(jìn)過(guò)程中洞門(mén)鋼環(huán)與盾體外側(cè)的動(dòng)態(tài)密封裝置。兩道道密封之間設(shè)有油脂注入口，可以向密封腔內(nèi)注入油脂形成一定的壓力，從而抵消前部的水土壓力。合理設(shè)置密封之間的間距，確保唇形密封在尾盾外側(cè)與管片外側(cè)過(guò)渡時(shí)，為止?jié){袋留有足夠的作業(yè)時(shí)間。止?jié){袋密封作為尾盾脫離唇形密封后，洞門(mén)鋼環(huán)與管片外側(cè)的靜態(tài)密封裝置。通過(guò)鋼環(huán)預(yù)留砂漿注入口，向袋內(nèi)注入一定配合比的砂漿，使其膨脹建立一定的壓力緊貼管片外側(cè)。待砂漿完全凝固后，利用盾構(gòu)同步注漿來(lái)封堵洞門(mén)，止?jié){袋及閘門(mén)板配合起到密封作用。

圖3 新型洞門(mén)密封結(jié)構(gòu)圖

1）唇形密封 選擇依據(jù)：刀盤(pán)半徑R5 525mm，前盾半徑R5 510mm，中盾半徑R5 505mm，尾盾半徑?5 500mm,前盾和尾盾半徑差為10mm,唇形密封必須一定范圍內(nèi)的有效區(qū)間才能在前盾、中盾、尾盾位置均有良好的密封性。參數(shù)介紹：唇形密封唇口自由狀態(tài)下半徑R5 415mm,工作區(qū)間為90mm(±45mm),有效區(qū)間為90mm（圖4）,使得前盾、中盾、尾盾半徑均處于有效的工作區(qū)間范圍內(nèi)。

圖4 唇形密封關(guān)鍵尺寸

2）止?jié){袋 選擇依據(jù)：洞門(mén)鋼環(huán)和尾盾外側(cè)間隙165m，與尾盾外側(cè)與管片間隙150mm，共計(jì)315mm，同步注漿要最大為6bar。依據(jù)廠家提供的抗壓與內(nèi)襯間隙圖，選擇?800mm滿(mǎn)足要求。

3 施工工序

3.1 洞門(mén)密封安裝

1）密封鋼環(huán)地面拼裝 因洞門(mén)鋼環(huán)為分4 塊到貨，為保障洞門(mén)鋼環(huán)的安裝質(zhì)量需要在地面進(jìn)行拼裝焊接并校準(zhǔn)圓度及水平度。

2）唇形密封安裝 采用M12×190 的10.9級(jí)螺栓固定安裝，利用10mm 的鋼板作為壓條將密封壓實(shí)固定在密封槽中，3 道密封采用由下到上依次安裝，按力矩要求將螺栓固定好，注意打磨平鋼環(huán)接茬位置的焊縫（圖5）。

3）止?jié){袋安裝 安裝時(shí)應(yīng)先固定頂部沿著兩側(cè)向底部安裝，完成后用在止?jié){袋上鋪蓋2mm 的薄鋼板作為防護(hù)板對(duì)止?jié){袋進(jìn)行保護(hù)，防止在被盾體推進(jìn)過(guò)程中摩擦造成損壞（圖6）。

4）其他事項(xiàng) 閘門(mén)板安裝固定并處于打開(kāi)狀態(tài)，并將止?jié){袋位置注漿閥門(mén)安裝到位，注漿設(shè)備和管路連接完成。唇形密封的油脂注入接口清理干凈，并將管路、油脂泵連接好。

圖5 唇形密封安裝

圖6 止?jié){袋安裝

3.2 盾體密封

合理的選擇始發(fā)架和洞門(mén)鋼環(huán)之間的距離，確保在組裝過(guò)程中主機(jī)的重心不在洞門(mén)鋼環(huán)上。將盾體外側(cè)的焊接割疤，修正打磨平整，并在唇形密封上涂抹的潤(rùn)滑油脂，避免盾體對(duì)唇形密封造成損傷。

前盾切口環(huán)進(jìn)入第1 道唇形密封位置，開(kāi)啟油脂泵向第1 道和第2 道唇密封腔注入盾尾油脂，根據(jù)理論注入量，對(duì)密封間隙進(jìn)行填充。

刀盤(pán)破洞門(mén)向推進(jìn)過(guò)程中，觀察唇形密封和盾體之間的泄露情況，并通過(guò)調(diào)整油脂注入量來(lái)控制密封腔的壓力，確保與刀盤(pán)前水土壓力平衡。

3.3 管片密封階段

盾構(gòu)向前推進(jìn)，尾盾尾部位置脫離止?jié){袋后，通過(guò)地面注漿設(shè)備向止?jié){袋內(nèi)灌入一定配比的砂漿，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)砂漿配備比例為水灰比0.5，其中灰由25%的水泥和75%粉煤灰調(diào)制砂漿。注漿工序如下：①注漿前檢查：將防護(hù)板取出，并檢查管片空隙之間是否清潔；②注漿系統(tǒng)調(diào)試：推進(jìn)使用廠家推薦的螺桿泵，壓力不高于6bar；③注漿順序：從底部開(kāi)始，作業(yè)對(duì)稱(chēng)注入，每個(gè)注入孔分多次間歇注入，并觀察注入壓力；④注漿結(jié)果檢驗(yàn)：當(dāng)各個(gè)孔的注入壓力均到達(dá)6bar，檢查止?jié){袋是否完全充滿(mǎn)，對(duì)存在褶皺的部位用光滑的工具將其舒展，并注意不要造成損壞；⑤下放閘門(mén)板：當(dāng)止?jié){袋全部充實(shí)后，下放閘門(mén)板，并將螺栓緊固好(圖7)。

3.4 洞門(mén)封堵階段

圖7 止?jié){袋封堵洞門(mén)

止?jié){袋內(nèi)的砂漿凝固后，盾構(gòu)繼續(xù)向前推進(jìn)1 環(huán)時(shí)，開(kāi)啟盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)，來(lái)封堵洞門(mén)檢驗(yàn)洞門(mén)密封效果。同步注漿壓力控制不高于6bar,控制每環(huán)注漿量在20m3。

在實(shí)際應(yīng)用中，同步注漿實(shí)際注入量和理論注入量相近，洞門(mén)密封完好，未發(fā)生涌水等現(xiàn)象，地面未發(fā)生沉降。唇形密封效果良好，盾體和洞門(mén)之間未發(fā)生泄露，止?jié){袋密封效果同樣取得良好的密封效果。

4 結(jié)論

本文以迪拜深排洪隧道項(xiàng)目為背景，富水地層分體始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)分析、洞門(mén)密封的選擇、施工工序闡述了新型組合洞門(mén)密封成功應(yīng)用，得出以下相關(guān)結(jié)論。

1）對(duì)富水量大的盾構(gòu)始發(fā)洞門(mén)封采用唇形密封和止?jié){袋的組合方式能夠有效地克服突水、涌水帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

2）唇形密封和止?jié){袋合成的組合洞門(mén)密封，可以提前工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單快捷等特點(diǎn)，可以為項(xiàng)目節(jié)約工期。