大直徑泥水平衡盾構套筒接收洞門密封系統研究

沈爾卜，何 源

(1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，武漢 430074；2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，武漢 430074；3.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，武漢 430074；4.中交二航局第三工程有限公司，鎮江 212000)

現代都市多沿河流口岸興建，中心城區爆炸式發展和外拓使城市土地價格激增、人口擁擠、老城區升級改造困難，沿河兩岸發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因其平衡原理適宜穿越透水砂層、密集敏感建構筑物和上方水體不斷被采用，在盾構施工中對洞門密封處理是不可或缺的環節，對盾構能否順利接收起著至關重要的作用[1]?，F有的常規密封法有折頁翻板和簾布橡膠結構形式的密封裝置[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，不可避免會出現漏漿，當涌水水量較大或時間較長時，極易引發重大安全事故[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套筒內接收洞門密封全過程施工實例為基礎，研究了洞門密封系統設計方法、洞門密封材料和施工方法，總結有效的洞門密封措施，避免常規水下接收、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?？?，盾構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機掘進施工，盾構機總長13.58 m，襯砌管片外徑11.8 m，內徑10.8 m，環寬2 m，采用5+2+1錯縫拼裝成環?？紤]隧道所處的強透水地層環境，盾構始發和接收均采用大直徑鋼套筒輔助，確保盾構進出洞施工安全。

2 密封系統結構設計

2.1 端頭加固及降水設計

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)。根據總涌水量和單井出水量，共設計14口井，其中雙洞中間靠近圍護結構單井作為“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構間已出現富水空間，盾構接收洞門封閉時易產生突水涌砂風險，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構空間，封閉兩側及下部竄水路徑。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注漿填充趕水，洞門范圍內開設探孔，安裝球閥后泄水，直至水泥漿流出，圍護結構與加固體陰角注漿封閉。

2.3 洞門鋼環、套筒延長鋼環和洞門處管片設計

1)洞門鋼環預留注漿孔 工作井結構施工前，對洞門鋼環進行預埋與處置。洞門鋼環采用地面拼圓后分塊安裝，鋼環每30°設置預留注漿孔共計12處，施工時注意孔道保護和球閥螺紋保護，孔道內預先壓住黃油后采用軟布包裹。

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

3)特殊管片設置 加固體及洞口處管片采用環設計，預留拉結裝置預埋鋼板和增設注漿孔，拼裝前檢查注漿孔確保有效。

3 盾構套筒接收洞門密封系統處置

3.1 大直徑泥水盾構套筒接收洞門密封系統處置方法

盾構刀盤掘進至圍護結構立即停機降水疏干和減壓，套筒內鑿除洞門至迎土側玻璃纖維筋，清理套筒內落渣后填砂注水平衡地層壓力。以洞門處為0環，超拼環為+1環為例對盾構接收時洞門密封系統進行說明。

1)洞門內管片壁后注漿 盾構掘進拼裝-6環時，套筒內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。盾構掘進拼裝-5環時，對-6環進行雙液漿補充，快速封閉管片與加固體間隙。此時盾構機刀盤停止轉動在套筒內爬升，加大泥水循環流量排出剩余洞門砼、玻璃纖維筋和套筒內填砂，直至盾尾0環脫出。

2)洞口處注漿密封措施 洞口處0環管片壁后與洞門間隙較大，且與套筒內泥漿相通，常規注漿將迅速在套筒內逸散，無法密封洞門。盾構掘進拼裝0環時，啟動同步注漿、預埋鋼環應急封閉和延長鋼環阻水注漿系統完成洞口密封。

盾構掘進0環且未推出盾構時，利用延長鋼環注入聚氨酯水泥漿，延長鋼環整圈均布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內注漿壓力。

在完成0環拼裝，進行+1超拼環掘進拼裝時，同步注入改良水泥漿，此時在延長鋼環預留孔注入聚氨酯發泡封閉外部來水，對0環管片進行雙液漿和單液漿間歇注入的二次補償注漿。將洞門處發泡聚氨酯環箍、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，完成洞門環的最終封堵。延長鋼環內注入聚氨酯環箍時，適當降低聯通管路液位減少套筒內壓，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預留注漿孔，進行環箍補充。

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，構筑多層止水結構，確保盾構機左線接收過程安全穩定。

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部的第二層防水結構，其具備微膨脹性、高抗水分散性及固結體積穩定性，其在項目原有漿液配比的基礎上，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象、降低收縮率作用顯著，在摻量為2%～4%時，漿液固結后有微膨脹效果，泌水率也控制在可接受范圍內?？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漿主要用于構筑鋼護筒內的第一道止水結構，其需具備比Ⅰ漿更加優秀的抗水分散能力，直接抵抗水力剪切，并在塑性狀態下膨脹，填充鋼護筒間隙。水性聚氨酯和水迅速反應，漿液流動性逐漸喪失，直至形成膠結體。通過調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節，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，但固結體密實性欠缺，耐久性不足，與Ⅰ漿交替注入，充當第二道止水結構的骨架結構，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環拼裝完成且盾構機爬升至指定位置后，逐步降低套筒內液位，每降低2 m觀測6 h，液位無波動后繼續降低至排空。如液位出現波動立即補充洞門注漿至液位降低穩定。割除延長鋼環后進行立焊封堵，割除1塊立焊封堵一塊，由下至上對稱依次封閉。

4 結 語

以孟加拉卡納普里河底隧道項目大直徑泥水平衡盾構套筒內接收洞門密封全過程施工實例為基礎，從結構設計、材料開發及施工工藝著手，確保洞門密封措施環環相扣，便捷有效；建立了合理的注漿密封梯隊，構筑多層止水結構，并根據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，實現了洞門與管片間封堵密實可靠的功能需求，具有良好的應用前景。