高水壓大直徑過(guò)江隧道盾尾滲漏防治研究

陳馳，楊平

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037)

越江跨海交通隧道工程中，盾構(gòu)機(jī)處于高水壓地層中，盾尾滲漏防治與控制是一個(gè)施工難點(diǎn)。無(wú)論土壓平衡盾構(gòu)機(jī)或泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，在長(zhǎng)距離連續(xù)掘進(jìn)中，由于種種原因，盾構(gòu)機(jī)尾部可能出現(xiàn)不同程度的滲水、滲泥漿等現(xiàn)象，如果盾尾漏漿嚴(yán)重，將導(dǎo)致切口水壓下降，刀盤(pán)前方土體失穩(wěn)，并且隧道內(nèi)將大量淤積泥漿，若抽排不及時(shí)，將造成盾構(gòu)機(jī)被淹沒(méi)。因此，如何防治與控制盾尾滲漏問(wèn)題是盾構(gòu)隧道施工中的一個(gè)關(guān)鍵課題。

部分學(xué)者研究了盾尾滲漏主要是由于盾尾刷安裝不科學(xué)、管片組裝不當(dāng)、背填注漿不利、盾尾密封脂量和壓力不足、盾構(gòu)施工工藝不到位、盾尾刷損壞等原因造成的[1-6]。例如王志成[7]提出了大直徑盾構(gòu)組裝連接的縫隙也會(huì)導(dǎo)致盾尾滲漏；顧解楨[8]研究了承壓含水層中預(yù)防盾尾滲漏油脂管路及壓注技術(shù)的改進(jìn)。前人對(duì)盾尾滲漏原因做了詳細(xì)的分析，但針對(duì)每一原因而需采取的預(yù)防措施研究較少，各施工參數(shù)不明確，也未形成系統(tǒng)的防治技術(shù)，需加強(qiáng)高水壓大直徑過(guò)江隧道盾尾滲漏與預(yù)防技術(shù)的研究。

盾尾一旦因盾尾刷磨損而發(fā)生滲漏，需及時(shí)密封盾尾止水，進(jìn)而更換盾尾刷。目前越江跨海隧道工程盾尾刷更換止水方案主要有化學(xué)注漿止水和凍結(jié)法止水[9-13]。高水壓下普通注漿法適用性很差，改進(jìn)后采用預(yù)制特殊管片的化學(xué)注漿法有成功應(yīng)用的案例[14-15]。凍結(jié)止水是目前應(yīng)用最廣泛的盾尾刷更換止水方案，按凍結(jié)管布置方式可分為預(yù)制管片凍結(jié)止水[16]、管片上直接打孔凍結(jié)止水[8,17-19]、盾構(gòu)機(jī)尾部的凍結(jié)系統(tǒng)凍結(jié)止水[20]及環(huán)形凍結(jié)加固止水[21]。各種方案的施工方法與特點(diǎn)各不相同，前人未系統(tǒng)地對(duì)比研究，需視地層條件、工期、經(jīng)濟(jì)性等因素合理選用。

為預(yù)防盾尾滲漏，本研究系統(tǒng)分析了盾尾滲漏的原因，并針對(duì)每一原因給出了具體防治技術(shù)工藝與參數(shù)，為高水壓大直徑隧道工程盾尾防滲提供參考依據(jù)；為研究盾尾滲漏后如何密封止水以更換盾尾刷，經(jīng)對(duì)比研究推薦液氮凍結(jié)止水法，列出了不同液氮輸送方式及凍結(jié)管布置方式的優(yōu)缺點(diǎn)，可供不同工程條件的凍結(jié)方案設(shè)計(jì)參考。

1 盾尾滲漏原因分析

1.1 盾尾密封脂的缺失

盾尾密封脂是盾尾密封的重要組成部分，如盾尾密封脂的選取、涂抹和注入不當(dāng)將導(dǎo)致盾尾密封不足，盾尾極易出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。選取密封脂時(shí)應(yīng)首先保證泵送性能良好，應(yīng)采用高黏度、高稠度、非下墜的盾尾密封脂，密封脂的涂抹是盾尾密封的重要環(huán)節(jié)，涂抹不到位或涂抹后的穩(wěn)定性得不到保證均會(huì)造成盾尾密封質(zhì)量的下降。

盾尾密封脂注入系統(tǒng)的控制模式有壓力控制、行程控制和壓力行程控制3種模式，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程情況和施工條件選取，但都應(yīng)保證在盾構(gòu)掘進(jìn)前開(kāi)啟盾尾密封脂泵，避免影響盾尾密封效果。

1.2 同步注漿控制不當(dāng)

同步注漿是在盾尾間隙形成的同時(shí)立即注漿，使?jié){液及時(shí)填充盾尾間隙，飽滿和均勻的砂漿則會(huì)形成對(duì)盾尾的第一道保護(hù)，若控制不當(dāng)，會(huì)降低盾尾抗?jié)B性能。

1.2.1 漿液的選擇

漿液選擇或配比不當(dāng)造成滲漏的原因有：

1)漿液和易性差易離析滲透到地層中、凝結(jié)收縮量大、雙液漿過(guò)早初凝或混合不充分而流失等原因?qū)е聺{液未能有效填充盾尾間隙。

2)漿液流動(dòng)性太好，導(dǎo)致管片最重要的頂部無(wú)漿液填充。

3)坍落度過(guò)低、泵送性差，易發(fā)生堵管現(xiàn)象，并導(dǎo)致注漿量不足；坍落度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致初凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，砂漿強(qiáng)度偏低。兩種情況均會(huì)造成盾尾從管片脫離后管片的錯(cuò)臺(tái)。

1.2.2 注漿方式的選擇

當(dāng)采用同步注漿時(shí)，可選取通過(guò)盾尾注漿孔注漿和通過(guò)管片注漿孔注漿兩種方式。2種注漿方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)工程情況和施工條件具體確定。

表1 2種注漿方式的比較Table 1 Comparisons between two grouting ways

1.2.3 注漿壓力和注漿量控制

注漿量過(guò)大可能擊穿盾尾，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致盾尾從管片脫離后管片錯(cuò)臺(tái)，進(jìn)而導(dǎo)致盾尾刷磨損引起盾尾滲漏。同理，注漿壓力過(guò)大，可能會(huì)擊穿盾尾，過(guò)小則不能讓飽滿和均勻的砂漿形成對(duì)盾尾的第一道保護(hù)，從而造成盾尾滲漏。因此，需要嚴(yán)格控制這兩個(gè)參數(shù)。

1.3 盾構(gòu)施工控制不當(dāng)

盾構(gòu)施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，如果施工過(guò)程中任一個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)控制沒(méi)有實(shí)施到位，就極易對(duì)盾尾產(chǎn)生不利影響，埋下安全隱患。

1.3.1 管片原因

在施工過(guò)程中管片變形、管片錯(cuò)臺(tái)和管片破裂均易造成盾尾滲漏。由于過(guò)江隧道中心埋深很大，填充在管片外環(huán)面縱向縫隙中的盾尾密封脂可能會(huì)無(wú)法承受逐漸上升的泥水或砂漿壓力，從而被擊穿。管片澆筑和安裝施工過(guò)程是否精細(xì)也是盾尾滲漏的影響因素，大直徑過(guò)江隧道盾構(gòu)施工中，應(yīng)控制管片錯(cuò)臺(tái)量在5 mm以內(nèi)，以防造成管片滲漏。

1.3.2 盾構(gòu)機(jī)體原因

大直徑盾構(gòu)機(jī)盾體部分由較多盾體塊現(xiàn)場(chǎng)拼裝而成，相鄰盾體塊之間、盾體塊和主軸承之間的連接法蘭面不能完全密貼，也會(huì)致使開(kāi)挖艙的泥漿通過(guò)間隙涌入到盾體的后部。

另外，盾尾刷的整體耐壓能力不足、選型不當(dāng)或工作狀態(tài)不良也會(huì)降低盾尾密封質(zhì)量。

1.3.3 掘進(jìn)施工原因

高水壓大直徑過(guò)江隧道工程若采用泥水盾構(gòu)機(jī)，因?yàn)槟嗨畟}(cāng)與盾尾是連通的，所以掘進(jìn)過(guò)程中泥水倉(cāng)各參數(shù)的合理設(shè)定對(duì)預(yù)防盾尾滲漏極為重要。如管理不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)下列情況導(dǎo)致盾尾滲漏：

1)開(kāi)挖面泥水壓力設(shè)定值過(guò)高或切削下來(lái)的巖塊堵塞排泥管道時(shí)，盾尾刷抗壓能力不足會(huì)被擊穿。

2)泥水質(zhì)量不高，造成盾構(gòu)在高比重、低黏度的情況下推進(jìn)，泥漿很容易后竄至盾尾。需對(duì)泥水指標(biāo)如黏度、比重等進(jìn)行控制。

3)掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)向軸線某一側(cè)偏離或糾偏過(guò)急(大直徑盾構(gòu)沒(méi)有盾尾鉸接裝置)時(shí)，盾尾間隙大的一側(cè)容易被外部的泥水或砂漿擊穿，盾尾間隙小的一側(cè)管片會(huì)嚴(yán)重地拉擦尾密封刷，一段時(shí)間后更易被擊穿，導(dǎo)致滲漏。停止掘進(jìn)時(shí)，土艙內(nèi)的泥水壓力導(dǎo)致盾尾后退，造成盾尾刷刷毛反卷，密封性能下降，嚴(yán)重影響盾尾密封性能。

綜上所述，目前在高水壓大直徑過(guò)江盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，管片的施工及拼裝工藝已較為完善，而盾尾密封脂的選取及注入管理、同步注漿管理、盾構(gòu)機(jī)體的選型及掘進(jìn)過(guò)程管理仍需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行精細(xì)控制。

2 高水壓盾尾滲漏防治技術(shù)與措施

以南京地鐵10號(hào)線過(guò)江隧道為工程背景，系統(tǒng)討論高水壓盾尾滲漏防治技術(shù)與措施，以供類似高水壓大直徑過(guò)江隧道工程參考。

2.1 工程概況

南京地鐵10號(hào)線在江心洲站與濱江大道站中間風(fēng)井區(qū)間穿越長(zhǎng)江，是國(guó)內(nèi)首條單洞雙向大直徑盾構(gòu)過(guò)江地鐵隧道，隧道外徑11.2 m。采用的“穿越號(hào)”泥水平衡盾構(gòu)機(jī)由德國(guó)海瑞克公司制造，型號(hào)為S-668，刀盤(pán)直徑11.64 m。區(qū)間全長(zhǎng)3 600 m，盾構(gòu)主要穿越地層為：②-3d3-4層：粉砂、細(xì)砂，層厚1.5～16.2 m，含水率23.3%，重度19.5 kN/m3；②-4d1-2層：粉砂、細(xì)砂，層厚1.9～19.7 m，含水率24.5%，重度19.4 kN/m3；②-4b3-4層：粉質(zhì)黏土，含水率32.7%，重度18.2 kN/m3；④-4e1層：卵石、圓礫、礫砂，層厚1.20～15.35 m；④-4b2-3：粉質(zhì)黏土，含水率31.4%，重度19.0 kN/m3；④-4d1層：中砂、粗砂，層厚2.5～16.5 m，含水率22.1%，重度19.8 kN/m3。如此長(zhǎng)距離、高水壓、地質(zhì)情況復(fù)雜的盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)盾尾刷的磨耗非常嚴(yán)重，必須加強(qiáng)對(duì)盾尾刷的保護(hù)，采取合理的盾尾滲漏防治技術(shù)與措施。

選取盾構(gòu)頂進(jìn)路線中點(diǎn)附近里程DK13+056.500 處一區(qū)間排水泵房所在位置作橫斷面圖，其地層分布如圖1所示。

圖1 地層分布示意圖Fig. 1 Schematic diagram of stratum distribution

2.2 盾尾密封脂的選取、涂抹及注入管理

2.2.1 密封脂的選取

南京地鐵10號(hào)線過(guò)江隧道采用CONDAT優(yōu)質(zhì)WR89盾尾專用密封脂，具有良好特性：防水、抗蠕動(dòng)，易泵送，可生物降解，適合作為高水壓大直徑過(guò)江隧道工程的盾尾密封脂。

2.2.2 密封脂的涂抹

密封脂須涂抹到位并保證涂抹后的穩(wěn)定性，具體措施如下：在管片拼裝前對(duì)盾尾刷手工多次逐步加厚涂抹密封脂，涂抹時(shí)分開(kāi)鋼板、鋼絲和鋼絲網(wǎng)，并在整道尾刷的根部涂抹盡可能多的密封脂。

2.2.3 密封脂的注入管理

注脂量需根據(jù)掘進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)整，盾構(gòu)始發(fā)期間適當(dāng)加大注脂量。南京地鐵10號(hào)線過(guò)江隧道密封脂注入模式采用由油缸伸長(zhǎng)量控制，自掘進(jìn)施工到隧道最低點(diǎn)以來(lái)油缸伸長(zhǎng)量設(shè)置為220 mm，前、中、后三道密封脂注入點(diǎn)的注入間隔依次是5，3和1 s，實(shí)踐證明這一設(shè)置合理。若切口壓力、注漿壓力加大，則相應(yīng)減少油缸伸長(zhǎng)量或縮短盾尾密封脂注入間隔，反之則進(jìn)行相反的設(shè)置。結(jié)合實(shí)際的盾尾密封脂注入數(shù)據(jù)，給出幾組盾尾密封脂注入量與切口壓力的關(guān)系如表2所示。

每班手動(dòng)補(bǔ)充1次密封脂，停機(jī)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行，補(bǔ)注5～10 min，或補(bǔ)注至第3道尾刷壓力達(dá)到高出水壓力100～200 kPa。每環(huán)推進(jìn)時(shí)觀察盾尾情況，少許清水滲漏屬正常現(xiàn)象，但一旦出現(xiàn)須加注盾尾密封脂。

表2 盾尾密封脂注入量參考值Table 2 Reference values of shield tail sealing grease injection

2.3 同步注漿管理

2.3.1 合理選擇漿液

為了順利地進(jìn)行同步注漿，南京地鐵10號(hào)線過(guò)江隧道工程同步注漿采用單液漿，每立方米漿液材料及配比為：黃沙1 250 kg，水350～450 L，水泥80 kg，添加劑5～8 kg。漿液的塌落度控制在100～120 mm，早期強(qiáng)度應(yīng)約等于原狀土，28 d長(zhǎng)期強(qiáng)度：土層1.0～2.0 MPa，巖石3.0～4.0 MPa。具體情況可以根據(jù)地面沉降量進(jìn)行調(diào)整。

2.3.2 漿液注入管理

由于壓入襯砌背面的漿液發(fā)生收縮，實(shí)際注漿量往往超過(guò)脫出盾尾的管片與土體間出現(xiàn)的理論“建筑空隙”體積，所以采用較為有效的同步注漿法，通過(guò)管片注漿孔注漿。隧道施工使用的同步注漿攪拌設(shè)備，全部由計(jì)算機(jī)編制程序控制，采用6點(diǎn)注漿，以保證管片外側(cè)注漿均勻。

同步注漿量要與掘進(jìn)速度成正比，與實(shí)際情況相結(jié)合，以保護(hù)盾尾不滲漏為優(yōu)先條件，避免某時(shí)間段內(nèi)局部注漿量過(guò)大，造成注漿壓力突增，發(fā)現(xiàn)注漿壓力突增時(shí)應(yīng)立即停止注漿，查明原因后減少壓力劇增點(diǎn)位的注漿量。

注漿過(guò)程中以注漿量為參考，用注漿壓力控制。注漿壓力控制在1 MPa內(nèi)，不應(yīng)超過(guò)該處外部泥水壓力，且不可超過(guò)盾尾密封脂的壓力，這樣可以有效地防止?jié){液進(jìn)入盾尾刷，還可以防止盾尾被擊穿引發(fā)滲漏。及時(shí)做注漿壓力-注漿量-時(shí)間曲線，分析注漿效果，指導(dǎo)注漿。

2.4 盾構(gòu)施工控制

2.4.1 管片的預(yù)制和安裝

管片預(yù)制時(shí)提高管片外弧面的光滑、平整度并在拼裝管片前檢測(cè)，符合要求的才可以拼裝；在管片上增加一條縱縫密封條；安裝管片和同步注漿時(shí)應(yīng)仔細(xì)檢查，防止異物進(jìn)入密封刷中。

2.4.2 盾構(gòu)機(jī)體密封

南京地鐵10號(hào)線過(guò)江隧道工程在盾構(gòu)機(jī)相鄰盾體塊之間、盾體塊和主軸承之間的連接法蘭面部位加工了油脂通道，注入密封油脂封堵空腔，采取上述措施后再未發(fā)現(xiàn)這些連接部位滲漏泥漿。

盾尾選型，鋼板束與注漿管的位置應(yīng)合理安排，以真正起到有效的止?jié){作用，采用盾尾刷和一道鋼板束，增加了最前段一道盾尾保護(hù)的彈性和強(qiáng)度，提高其保壓效果。同時(shí)將此鋼板設(shè)置為反翹，在注漿孔處開(kāi)口，使?jié){液順利注入，有效防止?jié){液反串。

南京地鐵10號(hào)線過(guò)江隧道工程實(shí)際盾尾結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，由四道密封刷和一道鋼板刷組成盾尾密封系統(tǒng)。

圖2 盾尾密封系統(tǒng)Fig. 2 Shield tail seal system

2.4.3 掘進(jìn)施工控制

1)盾構(gòu)始發(fā)。

洞圈預(yù)埋鋼板上安置一個(gè)按照實(shí)測(cè)盾構(gòu)外形制造的箱體結(jié)構(gòu)，在此箱體內(nèi)安裝2道止水簾布橡膠圈和鉸鏈板，并在預(yù)埋洞圈上安裝2道鋼絲刷涂滿盾尾密封脂，以增強(qiáng)止水效果。

2)泥水壓力控制。

當(dāng)高水壓大直徑過(guò)江隧道工程選用泥水盾構(gòu)機(jī)時(shí)，需嚴(yán)格控制泥水壓力。本工程以自然狀態(tài)下盾構(gòu)機(jī)頭部2/3高度處的壓力作為土壓，保證切口水壓比土壓高0.01～0.02 MPa，以此保持平衡，同時(shí)應(yīng)避免排泥管道和土倉(cāng)發(fā)生堵塞。通過(guò)氣平衡系統(tǒng)控制切口水壓，切口水壓波動(dòng)可以控制在-0.01～0.01 MPa以內(nèi)。

推進(jìn)過(guò)程中，保持泥水室水壓穩(wěn)定，每次調(diào)高水壓后需進(jìn)行試推進(jìn)，確定盾尾無(wú)泥水逸漏后方可正式調(diào)高泥水壓力，進(jìn)行正常推進(jìn)。

在管道發(fā)生堵塞或者泥水泵發(fā)生跳停時(shí)，應(yīng)立即暫停掘進(jìn)，通過(guò)旁路調(diào)節(jié)把壓力卸掉，相應(yīng)地逐步降低或者升高氣泡倉(cāng)壓力。開(kāi)挖面水壓恢復(fù)正常后才能開(kāi)始掘進(jìn)。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)泥水環(huán)流系統(tǒng)管道及泥漿泵的維護(hù)保養(yǎng)，確保掘進(jìn)中泥漿泵工作正常。

3)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制。

盾構(gòu)姿態(tài)控制是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，要求油缸伸長(zhǎng)量、盾尾間隙、注漿量等相結(jié)合。嚴(yán)格控制管片拼裝時(shí)的千斤頂伸縮量，避免盾構(gòu)產(chǎn)生后退。在保證盾構(gòu)機(jī)沿設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)同時(shí)，及時(shí)根據(jù)VMT測(cè)量結(jié)果并結(jié)合人工測(cè)量，掌握盾尾間隙變化趨勢(shì)，利用注漿量、油缸伸長(zhǎng)量、管片轉(zhuǎn)向等調(diào)節(jié)盾尾間隙，確保盾尾間隙均勻且大于45 mm。在盾構(gòu)姿態(tài)較差時(shí)加大測(cè)量頻率，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果緩慢糾偏，杜絕短距離內(nèi)大幅度糾偏造成盾構(gòu)姿態(tài)突變，進(jìn)而損壞盾尾刷。

3 盾尾刷更換止水方案

當(dāng)盾尾刷磨損失去正常密封能力時(shí)，需要對(duì)部分盾尾刷進(jìn)行更換。與常規(guī)環(huán)境更換盾尾刷不同，過(guò)江隧道多處于高壓富水地層中，更換盾尾刷前需對(duì)地層止水加固，防止地下水涌入盾構(gòu)尾部。

盾尾刷更換止水方案主要有旋噴法、化學(xué)注漿止水和凍結(jié)法止水。旋噴法在承壓水中養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，有潛在不能成樁的危險(xiǎn)，高水壓過(guò)江隧道不采用。常規(guī)化學(xué)注漿法對(duì)地層要求高，需視地層條件進(jìn)行改進(jìn)才可使用。凍結(jié)法止水按凍結(jié)法制冷介質(zhì)可分為鹽水凍結(jié)止水和液氮凍結(jié)止水，按凍結(jié)管排布形式分為預(yù)制凍結(jié)管片凍結(jié)止水、管片上直接打孔凍結(jié)止水、盾構(gòu)機(jī)尾部的凍結(jié)系統(tǒng)凍結(jié)止水和環(huán)形凍結(jié)加固止水。

3.1 止水方案比選

化學(xué)注漿止水、鹽水凍結(jié)止水和液氮凍結(jié)止水方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

表3 不同止水方案優(yōu)缺點(diǎn)Table 3 Advantages and disadvantages of different schemes for stopping water

經(jīng)比較，雖然化學(xué)注漿止水工期短，耗資低，但止水性差，盡管改進(jìn)后的預(yù)制特殊管片注漿法彌補(bǔ)了常規(guī)注漿法的一些缺陷，但至今在高水壓、強(qiáng)滲透地層中成功應(yīng)用的工程實(shí)例極少，缺乏可靠的施工經(jīng)驗(yàn)、參數(shù)，有待進(jìn)一步研究。為保證高水壓大直徑過(guò)江隧道更換盾尾刷前盾尾止水的可靠性，應(yīng)選擇人工凍結(jié)法止水。以南京地鐵10號(hào)線過(guò)江隧道工程為例，參考已有研究成果[13]，鹽水凍結(jié)及液氮凍結(jié)經(jīng)濟(jì)性比較如下：

盾尾刷更換采用鹽水凍結(jié)止水時(shí)，管片內(nèi)凍結(jié)管長(zhǎng)度為69.08 m，集配液圈長(zhǎng)度初步定為50 m，則凍結(jié)管總長(zhǎng)度為119.08 m，凍結(jié)時(shí)間為69 d。根據(jù)凍結(jié)制冷人工、材料消耗，凍結(jié)設(shè)備制作、安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)等項(xiàng)目，對(duì)鹽水凍結(jié)法做初步概算，費(fèi)用約為73萬(wàn)元，其中凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用最高，約為60萬(wàn)元。

盾尾刷更換采用液氮凍結(jié)止水時(shí)，液氮消耗量參照杭州慶春路過(guò)江隧道盾尾刷更換液氮用量，凍結(jié)時(shí)間為20 d，取每小時(shí)1.3 t，總用量為624 t。根據(jù)液氮充放、槽車使用、凍結(jié)設(shè)備制作、安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)等項(xiàng)目，對(duì)液氮凍結(jié)法做初步概算，費(fèi)用約為148萬(wàn)元，其中液氮充放費(fèi)用最高，約為94萬(wàn)元。

由以上分析可知，液氮凍結(jié)費(fèi)用約為鹽水凍結(jié)的2倍，而鹽水凍結(jié)時(shí)間約為液氮凍結(jié)的3.5倍，從性價(jià)比及縮短工期方面考慮，高水壓大直徑過(guò)江隧道盾尾刷更換工程中，液氮凍結(jié)止水方案更優(yōu)。

3.2 液氮凍結(jié)止水

3.2.1 液氮輸送方式

采用液氮凍結(jié)止水時(shí)，對(duì)于大盾構(gòu)隧道輸送液氮的方式有液氮供用槽車長(zhǎng)距離輸送液氮及盾尾刷更換處直接使用液氮罐兩種，其優(yōu)缺點(diǎn)比較如表4所示。

表4 不同液氮輸送方式優(yōu)缺點(diǎn)Table 4 Advantages and disadvantages of different liquid nitrogen transport modes

3.2.2 凍結(jié)管布置方式

采用液氮凍結(jié)止水時(shí)，按凍結(jié)管的布置方式可分為預(yù)制管片凍結(jié)止水、管片上直接打孔凍結(jié)止水、盾構(gòu)機(jī)尾部的凍結(jié)系統(tǒng)凍結(jié)止水和環(huán)形凍結(jié)加固止水。

1)預(yù)制凍結(jié)管片凍結(jié)止水。

預(yù)制凍結(jié)管片凍結(jié)止水是利用盾構(gòu)殼體尾端預(yù)留的一個(gè)環(huán)形凍結(jié)管，與預(yù)制的一環(huán)特殊管片，兩者同時(shí)作用以形成凍土帷幕的施工工藝。每塊特殊管片中預(yù)埋π形的矩形截面凍結(jié)管，如圖3所示。該管片的技術(shù)特點(diǎn)在于管片拼裝后可通過(guò)軟管連接相鄰管片內(nèi)的凍結(jié)管以構(gòu)成環(huán)形整體凍結(jié)管，設(shè)置“盲管”增加了每根凍結(jié)管在管片內(nèi)環(huán)向的長(zhǎng)度，避免在管片連接處形成凍土帷幕的薄弱點(diǎn)，無(wú)需在管片上打孔導(dǎo)致管片耐久性下降。

圖3 特殊管片中凍結(jié)管的埋設(shè)Fig. 3 Freezing pipes embedded in special segments

2)管片上直接打孔凍結(jié)止水。

管片上直接打孔凍結(jié)止水是在需要凍結(jié)處的管片上，沿圓周以半徑方向放射狀向隧道外打孔穿透管片布設(shè)凍結(jié)管，將低溫鹽水或液氮輸入其中進(jìn)行凍結(jié),形成環(huán)狀凍土帷幕的施工工藝，目前技術(shù)成熟、安全可靠，可應(yīng)對(duì)突發(fā)性事故，但因凍結(jié)孔的施作對(duì)管片耐久性有一定影響，一般凍結(jié)管及測(cè)溫孔布置如圖4所示。

圖4 凍結(jié)孔及測(cè)溫孔布置圖Fig. 4 Layout diagram of freezing holes and temperature measuring holes

3)盾構(gòu)機(jī)尾部的凍結(jié)系統(tǒng)凍結(jié)止水。

盾構(gòu)機(jī)尾部的凍結(jié)系統(tǒng)由南京林業(yè)大學(xué)發(fā)明[19]，在盾構(gòu)機(jī)尾部直接置入凍結(jié)管形成凍結(jié)系統(tǒng)，包括液氮管路和凍結(jié)管，如圖5所示(凍結(jié)管設(shè)于盾構(gòu)殼體外側(cè))。當(dāng)盾尾發(fā)生滲漏，盾尾刷磨損嚴(yán)重需要更換時(shí)，停止盾構(gòu)推進(jìn)，供氮設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，通過(guò)液氮分配器使管路中液氮進(jìn)行循環(huán)，使盾尾土體凍結(jié)形成止水的凍結(jié)帷幕。該工法特點(diǎn)在于在盾尾預(yù)設(shè)凍結(jié)系統(tǒng)，無(wú)需在管片上打孔布設(shè)凍結(jié)管，也不需要制作特殊的凍結(jié)管片，不影響管片耐久性，且凍結(jié)止水操作便捷，工期短，應(yīng)對(duì)突發(fā)性事故最及時(shí)，但增加了盾構(gòu)機(jī)的建造難度。

圖5 盾構(gòu)機(jī)尾部的凍結(jié)系統(tǒng)Fig. 5 The freezing system at the tail of shield machine

4)環(huán)形凍結(jié)加固止水。

環(huán)形凍結(jié)加固止水結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，由中鐵時(shí)代建筑設(shè)計(jì)院有限公司發(fā)明[20]，利用專門(mén)施工設(shè)備，在需要更換盾尾刷位置的盾殼后土體中埋設(shè)1～2根凍結(jié)管，然后采用人工凍結(jié)方式使環(huán)形凍結(jié)管周圍土體形成臨時(shí)的環(huán)形凍土帷幕加固止水結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)保護(hù)下進(jìn)行盾尾刷更換。該工法可應(yīng)對(duì)突發(fā)性事故，打孔形式靈活多樣，特點(diǎn)在于取代了沿著管片打孔布設(shè)一周凍結(jié)管的方法，只需在管片上布設(shè)1～2個(gè)凍結(jié)孔，對(duì)管片的結(jié)構(gòu)耐久性造成的影響較小。

圖6 環(huán)形凍結(jié)加固止水結(jié)構(gòu)Fig. 6 Reinforcement and water-stop structure of ring-shaped freezing

采用液氮凍結(jié)止水時(shí)，不同凍結(jié)管布置方式優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件如表5所示。

表5 不同凍結(jié)管布置方式優(yōu)缺點(diǎn)Table 5 Advantages and disadvantages of different arrangements of freezing pipes

4 結(jié) 論

1)盾尾密封脂的缺失、同步注漿控制不當(dāng)、盾構(gòu)施工控制不當(dāng)是高水壓大直徑過(guò)江隧道盾尾滲漏的主要原因。

2)高水壓大直徑過(guò)江隧道盾尾密封脂可選用WR89，采用由油缸伸長(zhǎng)量控制注入模式，當(dāng)切口壓力、注漿壓力加大，應(yīng)減少油缸伸長(zhǎng)量或縮短盾尾密封脂注入間隔。停機(jī)狀態(tài)需手動(dòng)補(bǔ)注密封脂5～10 min或補(bǔ)注至第3道盾尾刷壓力達(dá)到高出水壓力100～200 kPa。

3)高水壓大直徑過(guò)江隧道同步注漿宜采用單液漿，本研究提出的配比可供參考。通過(guò)管片注漿孔同步注漿，參考注漿量，用注漿壓力控制，不應(yīng)超過(guò)盾尾密封脂的壓力，不宜大于1 MPa。

4)高水壓大直徑過(guò)江隧道盾構(gòu)機(jī)體連接縫隙處需加注密封脂防滲漏。盾尾刷應(yīng)按搭接順序安裝，合理安排鋼板束及注漿管。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中需嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，嚴(yán)禁盾構(gòu)機(jī)后退，確保盾尾間隙均勻且大于45 mm。

5)因盾尾刷磨損盾尾發(fā)生滲漏時(shí)，需要及時(shí)止水對(duì)盾尾刷進(jìn)行更換。針對(duì)南京地鐵10號(hào)線過(guò)江隧道工程特點(diǎn)，盾尾刷更換前應(yīng)采用液氮凍結(jié)止水，在管片上直接打孔凍結(jié)，在盾尾刷更換處直接使用液氮罐供冷。