臨海富水砂層盾尾刷更換聚氨酯環(huán)試驗(yàn)研究

羅利平，趙 健，孫 恒，黃新淼

（1.中交二航局成都建設(shè)工程有限公司，四川 成都 610218； 2.中交（南京）建設(shè)有限公司，江蘇 南京 211899；3.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

盾尾刷是盾構(gòu)機(jī)與管片之間的密封裝置，正常工作時(shí)其內(nèi)部充滿(mǎn)油脂，可有效防止地下水、同步砂漿等涌入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)，是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的“生命線(xiàn)”［1］。但由于掘進(jìn)距離過(guò)長(zhǎng)、油脂孔布置不合理、油脂品質(zhì)過(guò)低、日常管控不到位等原因，易導(dǎo)致盾尾密封失效而出現(xiàn)漏漿、涌水涌砂等事故［2-3］。為保證后續(xù)施工安全，此時(shí)往往需要停機(jī)進(jìn)行盾尾刷更換。

目前常用的盾尾刷更換方法包括注漿法和冷凍法兩類(lèi)［4］。冷凍法顧名思義是將隧道周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的土體凍結(jié)形成均勻的凍結(jié)帷幕，達(dá)到隔水目的。其優(yōu)點(diǎn)是地層適應(yīng)性強(qiáng)，凍結(jié)體形成后止水效果好，風(fēng)險(xiǎn)程度低。缺點(diǎn)是專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，需要專(zhuān)業(yè)設(shè)備和隊(duì)伍施工，所耗費(fèi)成本高，工期較長(zhǎng)。這類(lèi)工法在南京緯三路過(guò)江通道［5］、慶春路過(guò)江隧道［6］等工程中均有成功應(yīng)用。注漿法則是通過(guò)管片壁后注漿的方式形成穩(wěn)定的止水環(huán)箍，達(dá)到隔水目的。其缺點(diǎn)是地層適應(yīng)性低，不確定因素較多，主要適用于地下水不發(fā)育的粘性土層或巖層。優(yōu)點(diǎn)在于其操作原理簡(jiǎn)單，不需要專(zhuān)業(yè)設(shè)備和隊(duì)伍，耗費(fèi)成本低，工期較短，因此其工程應(yīng)用廣泛，在高壓滲透性地層中［1-3］也有過(guò)少數(shù)成功案例。注漿法更換盾尾刷能否形成封閉且穩(wěn)定的止水環(huán)是成敗關(guān)鍵。止水環(huán)包括聚氨酯環(huán)和漿液環(huán)，目前關(guān)于管片壁后注漿的相關(guān)研究較多［1-17］，但卻鮮有關(guān)于聚氨酯環(huán)所用材料性能及壁后注酯的系統(tǒng)性研究。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有研究不足，以福州地鐵濱?？炀€(xiàn)第3 標(biāo)段大數(shù)據(jù)站—濱海新城站區(qū)間（簡(jiǎn)稱(chēng)大—濱區(qū)間）注漿法更換盾尾刷實(shí)例為研究對(duì)象，在正式施工前采集原位地下水進(jìn)行了一系列聚氨酯室內(nèi)試驗(yàn)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)注入?yún)?shù)提供相應(yīng)理論支撐，幫助項(xiàng)目成功在臨海富水砂層中完成盾尾刷更換。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論可為后續(xù)工程提供參考。

1 工程概況

1.1 地層概況

大—濱區(qū)間穿越地層主要為〈2-4-5〉（含泥）粉細(xì)砂、〈2-4-2〉粉質(zhì)粘土，以及少量的〈2-2-1〉粉細(xì)砂和〈2-4-4〉（泥質(zhì)）粉細(xì)砂。停機(jī)點(diǎn)覆土厚度為14 m，地層為上部〈2-2-1〉粉細(xì)砂、中部〈2-4-4〉（泥質(zhì)）粉細(xì)砂、下部〈2-4-5〉（含泥）粉細(xì)砂，中部理論水土壓為0.24 MPa，地層滲透系數(shù)為12 m/d，屬于全斷面強(qiáng)透水層，具體見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)斷面圖Fig.1 Geological section

1.2 地下水

區(qū)間隧道主要受孔隙性潛水的影響，其補(bǔ)給主要靠大氣降水，地表水以及地下水層間補(bǔ)給，以徑流、補(bǔ)充地下水及蒸發(fā)方式排泄。區(qū)間隧道距離海邊較近，海水入侵造成地下水鹽化現(xiàn)象明顯，海水的含鹽量約2.42%，地下水的含鹽量約1.91%，淡水的含鹽量約0.08%，地下水的含鹽量約是淡水的24 倍。

1.3 止水環(huán)方案

止水環(huán)施作的思路為：盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至預(yù)定位置后停機(jī)。首先對(duì)中盾徑向孔和脫出盾尾第一環(huán)管片預(yù)留孔進(jìn)行聚氨酯注入，防止二次注漿包裹盾體、侵入盾尾，形成第一道“防線(xiàn)”；然后對(duì)脫出盾尾后4 環(huán)管片進(jìn)行二次注漿，具體見(jiàn)圖2。

圖2 止水環(huán)示意Fig.2 Diagram of water stop ring

2 聚氨酯試驗(yàn)

2.1 材料基本性能

現(xiàn)場(chǎng)所使用的聚氨酯灌漿材料包括兩類(lèi)，親水型聚氨酯（編號(hào)A-607）和疏水型聚氨酯（編號(hào)A-608）。兩類(lèi)材料靜置狀態(tài)下的外觀見(jiàn)圖3。親水型呈淡黃色，疏水型呈深褐色。

圖3 聚氨酯外觀對(duì)比Fig.3 Comparison of polyurethane appearance

（1）材料密度：利用波美比重計(jì)測(cè)量?jī)深?lèi)材料密度，測(cè)得親水型聚氨酯為1.09 g/cm3，疏水型聚氨酯為1.21 g/cm3，兩者密度相差約11%。

（2）材料粘度：利用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量?jī)深?lèi)材料粘度，測(cè)得親水型聚氨酯為337 mPa·s，疏水型聚氨酯為861 mPa·s，疏水型原液的粘度約是親水型原液的2.5 倍。表明疏水型原液內(nèi)摩擦力大于親水型原液內(nèi)摩擦力，在聚氨酯進(jìn)行注入泵送時(shí)，粘度越大則在相同泵送壓力下難度越大。

2.2 初凝時(shí)間

用天平各稱(chēng)取兩種原液（20±0.1）g 于500 mL燒杯中，加入100 mL 原位地下水，記錄該時(shí)間為t1，并迅速攪拌均勻（約10 s）后靜止，得到乳濁液。之后用玻璃棒不斷觀察乳濁液變化。當(dāng)玻璃棒離開(kāi)液面出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象時(shí)，視該試樣已凝膠化，記錄該時(shí)間為t2。試樣的初凝時(shí)間即為t=t2-t1。

在相同條件下，親水型聚氨酯出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象時(shí)，時(shí)間為21 s，完全成為凝膠體的時(shí)間為35 s，具體見(jiàn)圖4。

圖4 親水型聚氨酯凝固Fig.4 Solidification of hydrophilic polyurethane

疏水型聚氨酯未出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象，且在527 s 時(shí)固結(jié)，但固結(jié)強(qiáng)度偏小，存在空洞、氣泡、殘留水等；在經(jīng)過(guò)840 s 時(shí)固結(jié)體整體強(qiáng)度達(dá)到較大范圍，手指按壓較為困難。具體見(jiàn)圖5。

圖5 疏水型聚氨酯凝固Fig.5 Solidification of hydrophobic polyurethane

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：

（1）親水型聚氨酯遇水?dāng)嚢韬竽z時(shí)間較短，且燒杯內(nèi)無(wú)殘余水殘留，水與聚氨酯反應(yīng)完全，反應(yīng)完全后的固結(jié)體整體密實(shí)度較高，質(zhì)地均勻。

（2）疏水型聚氨酯在遇水?dāng)嚢韬缶郯滨ヮw粒液逐漸向上反應(yīng)生成類(lèi)似于鐘乳石樣的柱狀固結(jié)體，且反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)發(fā)熱、氣體等現(xiàn)象。在疏水型聚氨酯灌漿材料反應(yīng)完全后聚氨酯固結(jié)體內(nèi)出現(xiàn)較多的空洞、氣泡等，且部分空洞內(nèi)還殘留未完全反應(yīng)的水。

（3）疏水型聚氨酯的凝固時(shí)間約是親水型聚氨酯的15 倍。

2.3 發(fā)泡倍率及固結(jié)體強(qiáng)度

2.3.1 發(fā)泡率

針對(duì)于親水型聚氨酯，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，用天平稱(chēng)取試樣（50±0.1）g 于帶刻度的500 mL 干燥容器中，計(jì)算試樣體積數(shù)V1。加入100 mL 水，并迅速攪拌均勻（約10 s）。待發(fā)泡結(jié)束后，再加水至500 mL 刻度，記錄第二次加水的體積數(shù)V2。則試樣的遇水自由發(fā)泡率S=（500-V1-V2）×100/V1。本次實(shí)驗(yàn)中第二次加水體積V2=270 mL，則可得親水型聚氨酯灌漿材料的發(fā)泡率約為402%。

針對(duì)于疏水型聚氨酯，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，用天平稱(chēng)取試樣（25±0.1）g 于帶刻度的1000 mL 干燥容器中，計(jì)算試樣體積數(shù)V1。攪拌均勻（約30 s），再加入（1～2）mL 水，并迅速攪拌均勻至乳白色時(shí)停止攪拌（約10 s）。待停止發(fā)泡后，再加水至1000 mL 刻度，記錄第二次加水的體積數(shù)V2。則試樣的遇水自由發(fā)泡率S=（1000-V1-V2）×100/V1。本次實(shí)驗(yàn)中第二次加水體積V2=550 mL，則可得疏水型聚氨酯灌漿材料的發(fā)泡率為2078%。

由上述可知，疏水型聚氨酯遇水發(fā)泡率明顯高于親水型聚氨酯，兩者相差約5 倍左右。

將親水型聚氨酯和疏水型聚氨酯按照5∶1 的用量配比進(jìn)行試驗(yàn)，為保證親水型聚氨酯與疏水型聚氨酯反應(yīng)完全，可將水的用量適當(dāng)加大。試驗(yàn)過(guò)程為先在燒杯中注入200 mL 水，然后注入50 mL 親水型聚氨酯，充分?jǐn)嚢韬笤僮⑷?0 mL 的疏水型聚氨酯。充分反應(yīng)后，分別記錄10 min、24 h 后的狀態(tài)，見(jiàn)圖6。從圖6 可以看出，兩者混合后形成的固結(jié)體均勻，無(wú)空洞，未出現(xiàn)明顯的分散顆粒等分離體，水體整體保持清澈狀態(tài)，水體表面無(wú)浮渣等分離物。

圖6 混合后的固結(jié)體狀態(tài)Fig.6 Consolidated state after mixing

2.3.2 固結(jié)體強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)上訴反應(yīng)后的兩種聚氨酯固結(jié)體進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，切取同樣大小的圓餅狀固結(jié)體，具體見(jiàn)圖7。親水型聚氨酯固結(jié)體手指按壓易碎，整體呈現(xiàn)果凍狀凝膠體，無(wú)強(qiáng)度；疏水型聚氨酯固結(jié)體手指按壓困難，整體呈現(xiàn)泡沫狀硬膠體狀態(tài)，強(qiáng)度較高。

圖7 聚氨酯固結(jié)體強(qiáng)度判斷Fig.7 Strength judgment of polyurethane consolidated body

2.4 含鹽量影響

為了模擬聚氨酯注入到地層后的反應(yīng)情況，將兩類(lèi)聚氨酯分別與含砂地下水、含砂淡水、地下水調(diào)配的膨潤(rùn)土漿液和淡水調(diào)配的膨潤(rùn)土漿液進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。具體試驗(yàn)參數(shù)及反應(yīng)狀態(tài)見(jiàn)表1 和表2。

表1 聚氨酯與含砂淡水及地下水反應(yīng)試驗(yàn)Table 1 Reaction test of polyurethane with sand?bearing fresh water and sand?bearing groundwater

表2 聚氨酯與不同配比漿液反應(yīng)試驗(yàn)Table 2 Reaction test of polyurethane with different proportions of slurry

通過(guò)分析表1 和表2 中的試驗(yàn)結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

（1）聚氨酯與水反應(yīng)的開(kāi)始時(shí)間以及各階段成型狀態(tài)與水的類(lèi)型無(wú)明顯關(guān)聯(lián)；

（2）地層中含砂量的多少直接影響疏水型聚氨酯10 min 的強(qiáng)度，但最終成型強(qiáng)度不受影響；

（3）親水型聚氨酯的開(kāi)始反應(yīng)時(shí)間受水量影響較小，疏水型聚氨酯的開(kāi)始反應(yīng)時(shí)間受水量影響較大，水含量越多，開(kāi)始反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)；

（4）無(wú)論是泥漿環(huán)境還是含砂地層環(huán)境中，親水型聚氨酯的膨脹和發(fā)泡效果受外界影響較小，疏水型聚氨酯的發(fā)泡效果和底部有無(wú)余水受外界影響較大，但24 h 成型狀態(tài)的強(qiáng)度不受影響；

（5）將膨潤(rùn)土環(huán)境與與含砂地層環(huán)境進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，可以看出在相同含量下，含砂地層環(huán)境的開(kāi)始反應(yīng)時(shí)間明顯縮短，說(shuō)明粒徑偏大的砂粒相比于膨潤(rùn)土粉粒，有助于縮短聚氨酯的反應(yīng)時(shí)間。

3 工程應(yīng)用

3.1 注入理念

按照上述試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際聚氨酯注入建議為：

（1）親水型聚氨酯與水反應(yīng)形成的固結(jié)體整體密實(shí)度較高，質(zhì)地均勻，但強(qiáng)度不高，容易被地下水沖散；疏水型聚氨酯與水反應(yīng)形成的固結(jié)體存在空洞，氣泡及殘留水等，但整體強(qiáng)度較高，在地下水沖蝕下不易破壞，因此實(shí)際注入可考慮兩者同時(shí)使用，以形成強(qiáng)度較高且穩(wěn)定的外殼。

（2）親水型聚氨酯與水的反應(yīng)時(shí)間較短，開(kāi)始反應(yīng)時(shí)間受水量影響較?。皇杷途郯滨ヅc水的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，開(kāi)始反應(yīng)時(shí)間受水量影響較大?？紤]到全斷面富水砂層中地下水含量較大，可先注入親水型聚氨酯與地下水反應(yīng)，吸收大部分地下水后，再注入疏水型聚氨酯，將剩余地下水完全反應(yīng)。

（3）考慮疏水型聚氨酯遇水發(fā)泡率高于親水型聚氨酯約5 倍，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注入時(shí)，單孔可按照親水型：疏水型=5∶1 的用量進(jìn)行控制。

3.2 施工工藝

（1）止水環(huán)施工總體流程：先施工聚氨酯環(huán)，再施工漿液環(huán)，最后進(jìn)行止水效果檢測(cè)，達(dá)標(biāo)后即可進(jìn)行盾尾刷更換。

（2）聚氨酯環(huán)施工流程：先對(duì)中盾12 個(gè)徑向孔注入聚氨酯，注入點(diǎn)位由下至上依次注入；單孔按照先注親水型聚氨酯10～15 桶，后注疏水性聚氨酯2～3 桶進(jìn)行用量控制。中盾注入完畢后，隨即對(duì)脫出盾尾第一環(huán)管片19 個(gè)預(yù)留孔注入聚氨酯，注入順序和注入方式與中盾類(lèi)似。

（3）漿液環(huán)施工流程：待聚氨酯環(huán)施工完畢后，隨即對(duì)脫出盾尾后4 環(huán)管片開(kāi)孔進(jìn)行二次注漿。注入點(diǎn)位由下至上、由后至前依次注入，單環(huán)成環(huán)后再進(jìn)行下一環(huán)注入。漿液類(lèi)型為水泥-水玻璃雙液漿，其中水灰比0.8∶1，水泥漿與水玻璃體積比1∶1，初凝時(shí)間控制在45～60 s。

（4）止水效果檢測(cè)：待聚氨酯環(huán)和漿液環(huán)均施工完畢后，用電鉆由下至上打穿脫出盾尾第一環(huán)管片19 個(gè)預(yù)留孔進(jìn)行止水效果檢測(cè)，當(dāng)所有孔位檢測(cè)均無(wú)水滲漏后，說(shuō)明止水效果良好，可以進(jìn)行盾尾刷更換，若打開(kāi)孔位有明顯滲漏水，則重新補(bǔ)做止水環(huán)。

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

按照聚氨酯注入理念，大—濱區(qū)間對(duì)中盾12 個(gè)徑向孔和脫出盾尾第一環(huán)管片19 個(gè)預(yù)留孔共計(jì)31個(gè)孔位進(jìn)行了聚氨酯注入。聚氨酯環(huán)施工完畢后，隨機(jī)選取了8 個(gè)孔位進(jìn)行取芯檢查，深度為打穿至地層20 cm，觀察20 cm 范圍內(nèi)各部分占比，具體如圖8 所示。

圖8 取心檢查結(jié)果Fig.8 Core inspection results

從圖8 可知，所形成的聚氨酯環(huán)約50%為親水型聚氨酯固結(jié)體，主要賦存于環(huán)內(nèi)側(cè)，并夾雜少量砂；約1/2 為疏水型聚氨酯固結(jié)體，主要賦存于環(huán)外側(cè)，夾砂現(xiàn)象明顯。取芯檢查期間孔內(nèi)無(wú)滲漏水現(xiàn)象，表明所形成的聚氨酯環(huán)包裹體外徑超過(guò)20 cm，包裹范圍較大，且質(zhì)量較穩(wěn)定，可滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)要求。

4 結(jié)論與建議

（1）在全斷面富水砂層中采用注漿法更換盾尾刷，需要根據(jù)盾尾刷更換點(diǎn)的地層特性、地下水情況、現(xiàn)場(chǎng)物資材料等開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，可為后續(xù)止水環(huán)施作提供技術(shù)保障。

（2）親水型聚氨酯與地下水反應(yīng)迅速且完全，形成的固結(jié)體整體密實(shí)且均勻，但發(fā)泡率不高，且強(qiáng)度較低，在地下水流動(dòng)過(guò)快的情況下存在被沖散的可能性；疏水型聚氨酯與地下水反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)且不完全，形成的固結(jié)體有較多的空洞、氣泡以及殘留水，但發(fā)泡率較高，且強(qiáng)度較高，在地下水沖蝕下不易破壞，疏水型聚氨酯遇水發(fā)泡率高于親水型聚氨酯約5 倍。

（3）地下水的含鹽量對(duì)于聚氨酯的反應(yīng)時(shí)間及成型狀態(tài)影響可忽略不計(jì)，親水型聚氨酯受地層變量影響較小，疏水性型聚氨酯受地層變量影響較大。

（4）在實(shí)際注入過(guò)程中，根據(jù)兩種聚氨酯的特性，可考慮兩者同時(shí)使用，單孔可先注親水型聚氨酯，后注疏水型聚氨酯，并按照親水型：疏水型=5∶1的用量控制。