大直徑泥水平衡盾構(gòu)套筒接收洞門密封系統(tǒng)研究

沈爾卜，何 源

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，武漢 430074；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430074；3.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430074；4.中交二航局第三工程有限公司，鎮(zhèn)江 212000)

現(xiàn)代都市多沿河流口岸興建，中心城區(qū)爆炸式發(fā)展和外拓使城市土地價格激增、人口擁擠、老城區(qū)升級改造困難，沿河兩岸發(fā)展嚴重不均衡使得過江隧道需求日益增多，大直徑泥水平衡盾構(gòu)因其平衡原理適宜穿越透水砂層、密集敏感建構(gòu)筑物和上方水體不斷被采用，在盾構(gòu)施工中對洞門密封處理是不可或缺的環(huán)節(jié)，對盾構(gòu)能否順利接收起著至關(guān)重要的作用[1]?，F(xiàn)有的常規(guī)密封法有折頁翻板和簾布橡膠結(jié)構(gòu)形式的密封裝置[2]，但在實際使用過程中，密封裝置往往無法完全與盾殼緊密貼合。因此，不可避免會出現(xiàn)漏漿，當涌水水量較大或時間較長時，極易引發(fā)重大安全事故[3,4]。

以孟加拉卡納普里河底隧道工程大直徑泥水平衡盾構(gòu)套筒內(nèi)接收洞門密封全過程施工實例為基礎(chǔ)，研究了洞門密封系統(tǒng)設(shè)計方法、洞門密封材料和施工方法，總結(jié)有效的洞門密封措施，避免常規(guī)水下接收、干接收和套筒輔助接收時洞門處注漿超量且無法有效快速封堵問題，對接收洞門進行快速有效的封堵，為類似工程的接收方法和密封材料研究提供借鑒。

1 工程概況

孟加拉卡納普里河底隧道項目位于孟加拉國吉大港市入?？冢軜?gòu)接收工作井端頭地層為受河水水力沖刷形成交錯砂層，砂土層透水系數(shù)較高，含水層中地下水豐富，水壓較高。隧道采用開挖直徑12.16 m氣墊式泥水加壓平衡盾構(gòu)機掘進施工，盾構(gòu)機總長13.58 m，襯砌管片外徑11.8 m，內(nèi)徑10.8 m，環(huán)寬2 m，采用5+2+1錯縫拼裝成環(huán)。考慮隧道所處的強透水地層環(huán)境，盾構(gòu)始發(fā)和接收均采用大直徑鋼套筒輔助，確保盾構(gòu)進出洞施工安全。

2 密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 端頭加固及降水設(shè)計

工作井端頭采用φ1 200@900三重管高壓旋噴樁加固，加固范圍為41 791 mm(寬)×15 000 mm(長)×24 900 mm(深)。根據(jù)總涌水量和單井出水量，共設(shè)計14口井，其中雙洞中間靠近圍護結(jié)構(gòu)單井作為“看門井”，觀測接收時洞門附近水位并對洞門封堵進行泄壓處置。

2.2 端頭加固補充

端頭加固高壓旋噴樁在工作井開挖前完成，在端頭井土方開挖卸荷后，加固體與工作井圍護結(jié)構(gòu)間已出現(xiàn)富水空間，盾構(gòu)接收洞門封閉時易產(chǎn)生突水涌砂風險，需進行鉆注一體機注漿帷幕補充加固，填充加固體與圍護結(jié)構(gòu)空間，封閉兩側(cè)及下部竄水路徑。先使用鉆注一體機進行掃孔鉆進，成孔后后退注漿，注漿采用單液漿從洞門中心向兩側(cè)注漿填充趕水，洞門范圍內(nèi)開設(shè)探孔，安裝球閥后泄水，直至水泥漿流出，圍護結(jié)構(gòu)與加固體陰角注漿封閉。

2.3 洞門鋼環(huán)、套筒延長鋼環(huán)和洞門處管片設(shè)計

1)洞門鋼環(huán)預留注漿孔 工作井結(jié)構(gòu)施工前，對洞門鋼環(huán)進行預埋與處置。洞門鋼環(huán)采用地面拼圓后分塊安裝，鋼環(huán)每30°設(shè)置預留注漿孔共計12處，施工時注意孔道保護和球閥螺紋保護，孔道內(nèi)預先壓住黃油后采用軟布包裹。

2)延長鋼環(huán)預留注漿孔 鋼套筒與預埋鋼環(huán)間采用延長鋼環(huán)過渡連接，延長鋼環(huán)與套筒結(jié)構(gòu)采用法蘭螺栓夾遇水膨脹止水膠條連接密封，與預埋洞門鋼環(huán)采用水密焊連接，延長鋼環(huán)每15°預留注漿孔球閥，提前預打黃油填充。

3)特殊管片設(shè)置 加固體及洞口處管片采用環(huán)設(shè)計，預留拉結(jié)裝置預埋鋼板和增設(shè)注漿孔，拼裝前檢查注漿孔確保有效。

3 盾構(gòu)套筒接收洞門密封系統(tǒng)處置

3.1 大直徑泥水盾構(gòu)套筒接收洞門密封系統(tǒng)處置方法

盾構(gòu)刀盤掘進至圍護結(jié)構(gòu)立即停機降水疏干和減壓，套筒內(nèi)鑿除洞門至迎土側(cè)玻璃纖維筋，清理套筒內(nèi)落渣后填砂注水平衡地層壓力。以洞門處為0環(huán)，超拼環(huán)為+1環(huán)為例對盾構(gòu)接收時洞門密封系統(tǒng)進行說明。

1)洞門內(nèi)管片壁后注漿 盾構(gòu)掘進拼裝-6環(huán)時，套筒內(nèi)泥漿充填管片壁后與加固土層間隙，加固體地層具有一定強度，收斂性較差，地層壓縮空間有限。盾構(gòu)掘進拼裝-5環(huán)時，對-6環(huán)進行雙液漿補充，快速封閉管片與加固體間隙。此時盾構(gòu)機刀盤停止轉(zhuǎn)動在套筒內(nèi)爬升，加大泥水循環(huán)流量排出剩余洞門砼、玻璃纖維筋和套筒內(nèi)填砂，直至盾尾0環(huán)脫出。

2)洞口處注漿密封措施 洞口處0環(huán)管片壁后與洞門間隙較大，且與套筒內(nèi)泥漿相通，常規(guī)注漿將迅速在套筒內(nèi)逸散，無法密封洞門。盾構(gòu)掘進拼裝0環(huán)時，啟動同步注漿、預埋鋼環(huán)應(yīng)急封閉和延長鋼環(huán)阻水注漿系統(tǒng)完成洞口密封。

盾構(gòu)掘進0環(huán)且未推出盾構(gòu)時，利用延長鋼環(huán)注入聚氨酯水泥漿，延長鋼環(huán)整圈均布24注漿孔，采用聚氨酯水泥砂漿抗水分散性和膨化能力形成第一道阻水屏障。掘進同步注漿仍采用抗水分散型漿液，同步注漿上、中、下采用5∶3∶2比例注入，注入壓力小于延長鋼環(huán)內(nèi)注漿壓力。

在完成0環(huán)拼裝，進行+1超拼環(huán)掘進拼裝時，同步注入改良水泥漿，此時在延長鋼環(huán)預留孔注入聚氨酯發(fā)泡封閉外部來水，對0環(huán)管片進行雙液漿和單液漿間歇注入的二次補償注漿。將洞門處發(fā)泡聚氨酯環(huán)箍、聚氨酯水泥漿向前方擠壓，洞門處先注入雙液漿形成骨架，再注入水泥漿進行填充，完成洞門環(huán)的最終封堵。延長鋼環(huán)內(nèi)注入聚氨酯環(huán)箍時，適當降低聯(lián)通管路液位減少套筒內(nèi)壓，并通過定期排水觀測有無聚氨酯飄出，當聚氨酯飄出時啟動預埋鋼環(huán)預留注漿孔，進行環(huán)箍補充。

3.2 密封注漿材料的試驗與配比

孟加拉卡納普里河底隧道左線接收，洞門密封施工選用三類無機高分子復合材料，構(gòu)筑多層止水結(jié)構(gòu)，確保盾構(gòu)機左線接收過程安全穩(wěn)定。

1)抗水分散型高性能水硬性漿液 抗水分散型高性能水硬性漿液，簡稱Ⅰ型漿，Ⅰ漿主要用于洞門處的同步注漿和鋼套筒內(nèi)部的第二層防水結(jié)構(gòu)，其具備微膨脹性、高抗水分散性及固結(jié)體積穩(wěn)定性，其在項目原有漿液配比的基礎(chǔ)上，通過降低水灰比，提高砂率，復摻CP-K復合型抗水分散劑配制而成。CP-K復合型抗水分散劑由高分子交聯(lián)材料、微膨脹劑、可分散膠粉和聚羧酸減水劑復配而成，摻量為膠凝材料的1%～4%，抗水分散劑對漿液性能指標的影響見表1。

表1 抗水分散劑對漿液性能的影響

從表1中可看出，原始配比泌水率較高，且在水中強度損失大，水陸強度比低。隨抗水分散劑摻量增加，水陸強度比逐漸增大，當摻量為4%時，水陸強度比最大，1 d強度比為88.6%，7 d強度比為93.4%；在加入抗水分散劑后，漿液在水中的穩(wěn)定性增強，當摻量達到3%以上時，漿液基本沒有逸散到水中，抗水分散劑對于抑制泌水現(xiàn)象、降低收縮率作用顯著，在摻量為2%～4%時，漿液固結(jié)后有微膨脹效果，泌水率也控制在可接受范圍內(nèi)?？顾稚┑募尤雽τ跐{液的流動度有不利影響，可添加一定量的聚羧酸減水劑，減少對流動度的不利影響。綜上，抗水分散劑的最佳摻量為3%。

2)水性聚氨酯砂漿 水性聚氨酯砂漿，以下簡稱Ⅱ漿，Ⅱ漿主要用于構(gòu)筑鋼護筒內(nèi)的第一道止水結(jié)構(gòu)，其需具備比Ⅰ漿更加優(yōu)秀的抗水分散能力，直接抵抗水力剪切，并在塑性狀態(tài)下膨脹，填充鋼護筒間隙。水性聚氨酯和水迅速反應(yīng)，漿液流動性逐漸喪失，直至形成膠結(jié)體。通過調(diào)整固化劑摻量控制砂漿的固化時間，同時復配外加劑對砂漿工作性能進行調(diào)節(jié)，以滿足施工要求。因此，Ⅱ漿注入工藝宜參照雙液漿施工工藝，砂漿和水性聚氨酯漿液分別注入，在管路中混合均勻。砂漿配比見表2。

表2 砂漿配比 /(kg·m-3)

聚氨酯對漿液性能的影響見圖1，添加聚氨酯后，漿液抗水分散性能改善顯著，塑性狀態(tài)下，漿液體積微膨脹，其中3和4號配比效果更為明顯，3 d和14 d水陸強度比均超過90%，塑性狀態(tài)下的體積膨脹率分別為4.9%和5.6%。采用實驗室“倒杯法”測試雙液漿膠凝時間，以匹配雙液漿注漿工藝[5]，最終選定3號配比配制砂漿。

3)水泥-水玻璃雙液漿 水泥-水玻璃雙液漿能夠快速凝結(jié)，但固結(jié)體密實性欠缺，耐久性不足，與Ⅰ漿交替注入，充當?shù)诙乐顾Y(jié)構(gòu)的骨架結(jié)構(gòu)，漿液配比見表3。

表3 水泥-水玻璃雙液漿配比

3.3 洞門立焊封閉

超拼1環(huán)拼裝完成且盾構(gòu)機爬升至指定位置后，逐步降低套筒內(nèi)液位，每降低2 m觀測6 h，液位無波動后繼續(xù)降低至排空。如液位出現(xiàn)波動立即補充洞門注漿至液位降低穩(wěn)定。割除延長鋼環(huán)后進行立焊封堵，割除1塊立焊封堵一塊，由下至上對稱依次封閉。

4 結(jié) 語

以孟加拉卡納普里河底隧道項目大直徑泥水平衡盾構(gòu)套筒內(nèi)接收洞門密封全過程施工實例為基礎(chǔ)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料開發(fā)及施工工藝著手，確保洞門密封措施環(huán)環(huán)相扣，便捷有效；建立了合理的注漿密封梯隊，構(gòu)筑多層止水結(jié)構(gòu)，并根據(jù)材料特點研究了配套施工工藝，形成了洞門密封的有效方法；該方法解決了常規(guī)水下接收、干接收和套筒輔助接收時洞門處注漿超量且無法有效快速封堵問題，實現(xiàn)了洞門與管片間封堵密實可靠的功能需求，具有良好的應(yīng)用前景。