湛江灣跨海盾構(gòu)隧道工程管片安裝工藝探索

馮中慶

摘 要：結(jié)合目前正在施工的跨海盾構(gòu)隧道工程，針對在盾構(gòu)掘進過程中拼裝管片產(chǎn)生的崩角現(xiàn)象進行研究，探索如何在技術(shù)層面上確保盾構(gòu)管片在拼裝過程中的完整性。

關(guān)鍵詞：跨海盾構(gòu)隧道；盾構(gòu)管片；崩角

1 工程概況

1.1 地層與隧道線路情況

湛江灣跨海盾構(gòu)隧道工程是鑒江供水樞紐工程的一部分，位于湛江灣最窄處，隧道長2750m，由東海島盾構(gòu)工作井始發(fā)，橫穿海底，到達南三島盾構(gòu)工作井解體吊出，隧道地下埋深17～22m，水下埋深21m～38m，掘進地層主要為中細砂層、砂礫粘土層、全斷面粘土層，地層透水性較大，與海水直接連通。隧道最大埋深60米，最大坡度達4.417%。東海島側(cè)布置有始發(fā)井，內(nèi)徑16.5m，井深28.5m；南山島布置有接收井，內(nèi)徑16.0m，井深47m。

1.2 盾構(gòu)機基本情況

本工程采用一臺三菱技術(shù)、羅賓斯生產(chǎn)組裝的？準6280mm泥水平衡盾構(gòu)機單線掘進，盾構(gòu)掘進主要推進動力單元由環(huán)形等距布置的20根千斤頂提供。盾尾設(shè)計有效長度3285mm，盾尾間隙30mm；盾尾與管片間采用四道盾尾刷（注入油脂）環(huán)形密封。

1.3 管片設(shè)計

隧道管片內(nèi)徑5.1m、外徑6.0m，環(huán)寬1.5m，厚度450mm，最大楔形量38mm，管片強度等級C55，抗?jié)B等級P12。每環(huán)管片由一個封頂快F、兩個鄰接塊L1、L2，三個標準塊B1、B2、B3組成，22根直螺栓連接。管片環(huán)縫設(shè)置有凹凸鍵槽，縱縫設(shè)置有Ф50定位棒，長650mm。管片環(huán)縱縫設(shè)計寬度2mm，接縫采用內(nèi)外側(cè)兩道三元乙丙密封墊壓縮止水。

2 管片安裝工序和設(shè)計要求

2.1 管片構(gòu)造設(shè)計

（1）工程結(jié)構(gòu)的安全等級按一級考慮；（2）盾構(gòu)隧道建筑物設(shè)計基準期為100年；（3）結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度；（4）混凝土允許裂縫開展，鋼筋混凝土管片的裂縫Wmax為迎土面0.1mm，背土面為0.15mm；（5）結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)施工期不小于1.05；運營階段不小于1.10；（6）盾構(gòu)法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)防火等級為一級；（7）盾構(gòu)法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)防水等級為二級。

2.2 管片制作要求

（1）管片制作應(yīng)符合《鋼筋混凝土施工及驗收規(guī)范》、《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》及《地下防水工程質(zhì)量驗收規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。（2）管片生產(chǎn)前，應(yīng)對鋼模誤差進行檢測，若不合標準需進行校正。在管片生產(chǎn)過程中，也應(yīng)按相關(guān)規(guī)定對模具進行中檢和維修保養(yǎng)。（3）為保證管片的防水、拼裝及結(jié)構(gòu)受力需要，襯砌制作及拼裝須達到一定的精度。單塊管片制作允許誤差寬度±1.0mm，弧長、弦長±1.0，厚度+3.0，-1.0mm，工廠每生產(chǎn)100環(huán)管片應(yīng)抽檢三環(huán)作水平拼裝檢驗，三環(huán)水平拼裝允許誤差環(huán)縫間隙2.0mm，縱縫間隙2.0mm，成環(huán)后內(nèi)徑±2.0mm，成環(huán)后外徑±2.0mm，環(huán)、縱向螺栓孔全部穿進D孔-d螺<2.0mm。（4）管片脫模后，應(yīng)在管片縱縫面易見位置印制代表生產(chǎn)日期、制造編號及管片分塊號等不易被抹掉的標記。（5）管片表面應(yīng)密實、光潔、平整、邊棱完整無缺損；在貯存和運送過程中應(yīng)對管片采取有效的保護措施；管片拼裝前，應(yīng)嚴格檢查，確保密封墊溝槽及平面轉(zhuǎn)角處沒有剝落缺損。（6）由于工程防水要求嚴格，有缺損的管片不得使用。凡修復(fù)管片須逐一檢驗合格后方可使用。

2.3 管片防水

2.3.1 混凝土采用添加高爐礦渣的抗海水腐蝕混凝土，具體配合比根據(jù)試驗確定。

2.3.2 本區(qū)間為地下海水環(huán)境，管片混凝土摻入抗海水腐蝕添加劑。

2.3.3 跨海盾構(gòu)管片外壁和內(nèi)壁均進行涂料防護。管片外壁涂料為兩層，底層為環(huán)氧密封底漆（1道高壓無氣噴涂50μm），加面層重防腐蝕涂料（2道高壓無氣噴涂200μm）。管片外壁包括管片背面和四個管片側(cè)面（環(huán)、縱縫面）。管片內(nèi)壁涂料為兩層，底層為環(huán)氧密封底漆（1道高壓無氣噴涂50μm），加面層環(huán)氧云鐵防銹漆（2道高壓無氣噴涂160μm）。涂防腐防水材料前，需對混凝土結(jié)構(gòu)表面進行清潔，可用電動鋼絲刷打磨，以高壓淡水清除疏松的混凝土、附著物和泥漿等。涂裝前混凝土應(yīng)充分干燥，含水率<8%。涂裝工作應(yīng)在溫度10～40℃下進行，相對濕度85%以下。每道涂裝后應(yīng)檢查涂膜外觀質(zhì)量，不足處予以補涂。檢驗合格后出廠。

2.3.4 電量指標<800庫侖（56天齡期）。檢測批次不少于三次，測定方法按《抗海水腐蝕混凝土應(yīng)用技術(shù)導則》DB44/T 566-2008中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

2.3.5 每立方米混凝土中各類材料的總堿含量（等效NaOH當量）不得大于3.0kg。每立方米混凝土中外加劑的總堿量（Na2O當量）不得大于1kg。

2.3.6 按有關(guān)規(guī)定嚴格控制混凝土中Cl-的含量，最大Cl-含量≤0.015%，不應(yīng)使用氯鹽做外加劑，外加劑中氯離子含量不應(yīng)大于外加劑干重的0.2%。

2.3.7 膠凝材料不小于410kg/m3，水膠比不得大于0.33。

2.3.8 防水混凝土的水、砂、石應(yīng)符合《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》第4.1.8條、第4.1.9條的相關(guān)規(guī)定。

2.3.9 管片蒸氣養(yǎng)護的最高溫度應(yīng)不超過60℃。泵送混凝土入泵時的塌落度宜在120±20mm，總塌落度損失不大于60mm，入模溫度以溫差控制，混凝土的表面溫度與大氣溫度的差值不得大于20℃?；炷恋谋砻鏈囟扰c中心溫度的差值不得大于20℃?；炷两禍厮俣葢?yīng)低于3℃/d。非泵送混凝土的塌落度應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范。

2.4 接縫防水

2.4.1 管片采用高精度管模制作，以確保管片環(huán)的拼裝精度。

2.4.2 管片生產(chǎn)中可采用人工振搗，但須確?；炷撩軐?，以滿足抗?jié)B等級的要求。

2.4.3 管片在生產(chǎn)、運送、拼裝過程中出現(xiàn)的大麻點、大缺角應(yīng)用聚合物快凝水泥修補完好。

2.4.4 盾構(gòu)機千斤頂?shù)牟贾瞄g距、施工中頂推力應(yīng)盡量均勻，管片在拼裝過程中的環(huán)面應(yīng)盡量平整，且在管片背千斤頂面粘貼軟木襯墊，通過以上措施盡量減少因施工荷載產(chǎn)生的裂縫。

2.4.5 管片在使用期間應(yīng)滿足強度、抗裂要求，最大裂縫寬度外側(cè)不大于0.1mm，內(nèi)側(cè)0.15mm，且不得有貫穿裂縫。

2.4.6 為保證管片接縫拼裝準確，管片環(huán)縫設(shè)置了凹凸卡隼，管片縱縫設(shè)置了安裝定位棒。為確保接縫兩側(cè)密封墊接觸寬度，管片環(huán)縫錯騍量不大于10mm，錯臺率不大于10%。

2.4.7 本工程采用內(nèi)外兩道管片接縫防水。接縫防水采用在密封墊溝槽內(nèi)設(shè)置三元乙丙橡膠密封墊，通過被壓縮擠密能實現(xiàn)防水。擠壓后密封墊的設(shè)計壓縮變形量為28%。彈性密封墊的構(gòu)造形式經(jīng)試驗確定，要求在張量為8mm（相對壓密后）時能抵抗0.7MPa的水壓。

2.4.8 管片密封墊應(yīng)滿足在設(shè)計水壓和接縫最大張開值下不滲漏的要求，密封墊溝槽的截面積應(yīng)不大于等于密封墊的截面積，當環(huán)縫張開量為8mm時，密封墊可完全壓入儲于密封墊溝槽內(nèi)。其關(guān)系符合下式規(guī)定：

A0=1～1.5A

式中：A-密封墊溝槽截面積；A0-密封墊截面積

2.4.9 本隧道設(shè)計使用年限為100年，且隧道位于海底，水壓高，要滿足100年的使用壽命，對防水材料的耐久性要求如下：

2.4.10 將70℃、72h下三元乙丙橡膠拉伸強度、延伸率的變化率，以及壓縮永久變形量等材質(zhì)特性通過阿累尼烏斯公式推斷百年的應(yīng)力松弛量，控制應(yīng)力松弛量≤25%。

2.4.11 以遇水膨脹橡膠及聚氨酯膨脹止水條長期浸泡水的樹脂析出率（180天2%），與反復(fù)干濕循環(huán)下拉伸強度、延伸率、膨脹率的變化率（100次）認定其耐久性。由于彈性橡膠密封墊外側(cè)設(shè)有聚氨酯膨脹止水條作為首道防線，使接縫主要防水線的彈性橡膠密封墊的耐久性獲得了加強。

2.4.12 對嵌縫密封膠（聚氨酯類、聚硫類），以在酸、堿液中浸泡后物理性能的變化率來控制其滿足耐久性的要求。

2.4.13 嵌縫范圍：管片接縫處嵌縫材料采用雙組份聚硫密封膠。

2.4.14 為了確保足夠的接縫受力面，嵌縫不用被襯材料。

2.4.15 嵌縫作業(yè)必須在盾構(gòu)千斤頂影響范圍外及隧道穩(wěn)定后進行。

2.4.16 管片在使用期間用做注漿的吊裝孔應(yīng)用微膨脹水泥封堵。

2.4.17 手孔采用遇水膨脹橡膠圈止水，并用EVA微膨脹水泥砂漿封孔。

3 盾構(gòu)管片接縫

3.1 各環(huán)彈性密封墊應(yīng)在工廠加工成菱角分明的框型橡膠圈。

3.2 封頂快兩側(cè)的橡膠墊在拼裝前需在基面涂抹潤滑劑，封頂塊、鄰接塊縱縫彈性密封墊內(nèi)需設(shè)置尼龍繩，以限制插入時橡膠條的延伸。

3.3 在管片密封墊溝槽內(nèi)涂刷單組份氯丁-酚醛粘結(jié)劑。涂刷前，管片表面應(yīng)干燥，涂刷時粘結(jié)劑應(yīng)均勻，密封墊溝槽內(nèi)應(yīng)滿涂。

3.4 粘結(jié)劑涂刷后，涼置一段時間，待手指接觸不粘時，再將加工好的框型橡膠圈套入密封墊溝槽。

3.5 密封墊（框型橡膠圈）粘貼后，管片四個角部的密封墊不得出現(xiàn)聳肩、塌肩現(xiàn)象，整個密封墊表面應(yīng)在同一平面上，嚴禁歪斜、扭曲。

3.6 管片在粘貼裝設(shè)密封墊12h內(nèi)，不得送井下拼裝。

3.7 封頂塊兩側(cè)的密封墊在拼裝前涂表面潤滑劑，以減少封頂塊插入時密封墊間的摩擦力，潤滑劑為水性涂抹劑。

3.8 縫間軟木襯墊材料為丁倩軟木橡膠。軟木襯墊的尺寸根據(jù)管片分塊大小及螺栓孔位置確定。

3.9 在軟木襯墊與管片背千斤頂面對應(yīng)粘貼處分別涂刷單組份氯丁-酚醛粘結(jié)劑。涂刷前，軟木襯墊及管片表面應(yīng)干燥，涂刷時粘結(jié)劑應(yīng)均勻。

3.10 粘結(jié)劑涂刷后，涼置一段時間，待手指接觸不粘時，再將軟木襯墊與管片對粘。

3.11 管片設(shè)置有定位棒，安裝后不得出現(xiàn)脫膠、翹邊、歪斜等現(xiàn)象。

3.12 螺孔防水：管片肋腔的螺孔應(yīng)放置錐形倒角的螺孔密封圈溝槽。螺孔密封圈的外形應(yīng)與溝槽相匹配，并有利于壓密止水或膨脹止水。在滿足止水的要求下，其斷面宜小。螺栓密封圈應(yīng)是合成橡膠，水膨脹橡膠制品。

4 管片安裝中出現(xiàn)的問題及對策

在盾構(gòu)管片安裝至10環(huán)以后，出現(xiàn)了比較集中的管片崩角現(xiàn)象，嚴重威脅到整個隧道的質(zhì)量和安全。崩角情況長度在80～120mm，寬度40～60mm，厚度20～35mm范圍，呈現(xiàn)三角形狀，崩角部位無規(guī)律性，最小間隔2環(huán)，最大間隔14環(huán)，破壞厚度在外部表層20～35mm范圍轉(zhuǎn)角處，原因分析，橡膠止水帶在生產(chǎn)過程中為增大轉(zhuǎn)角處拉力直徑增大5～8mm，造成受力不均勻現(xiàn)象，局部應(yīng)力集中，通過研究分析，決定通過增加管片之間的橡膠墊片的數(shù)量來解決管片崩角的問題，經(jīng)過實踐，在以后的管片安裝過程中再也沒有出現(xiàn)管片崩角的現(xiàn)象，問題得到了很好的解決。

通過增加管片之間的橡膠墊片之所以能夠很好的解決管片崩角的現(xiàn)象，主要有：（1）增加管片之間的橡膠墊片只是對隧道的直徑產(chǎn)生了微小的增大效果，對整個隧道的安全不構(gòu)成威脅；同時保證止水效果。（2）增加管片之間的橡膠墊片的數(shù)量，緩解了隧道掘進過程中產(chǎn)生的作用力對管片的壓力，局部應(yīng)力集中得到釋放，從而避免了崩角現(xiàn)象的產(chǎn)生。

5 結(jié)束語

通過以上的分析，在隧道掘進過程中產(chǎn)生的管片崩角現(xiàn)象，通過增加管片之間的橡膠墊片膨脹系數(shù)應(yīng)力集中得到可以很好的解決?？蛐拖鹉z圈的制造在生產(chǎn)磨具的工藝值得進一步改進探索。

參考文獻

[1]鋼筋混凝土施工及驗收規(guī)范[S].

[2]盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范[S].

[3]地下防水工程質(zhì)量驗收規(guī)范[S].