大直徑盾構(gòu)隧道管片滲漏水預防和治理

杜在松（上海建通工程建設有限公司，上海 200233）

0 引言

盾構(gòu)隧道管片滲漏水、裂紋是工程質(zhì)量通病，在施工過程中很難避免。由于工程的各自特點，其產(chǎn)生滲漏的原因大不相同，尤其是直徑約為 15 m 的大直徑盾構(gòu)工程，其滲漏情況更加突出，也更難預防。某在建工程從一開始就逐步采取了多種預防措施，最終探索出防治管片滲漏、裂紋的方法和措施，確保了后續(xù)盾構(gòu)掘進的施工質(zhì)量和工期。

1 工程設計概況

某大直徑盾構(gòu)隧道穿越長江水域，隧道盾構(gòu)段全長約為 1 200 m，采用一臺開挖直徑為 15.5 m 的泥水平衡盾構(gòu)機進行掘進施工。江底段最小覆土厚度為 13 m，最小曲線半徑為 2 500 m，最大縱坡為 3‰。

管片外徑為 15.1 m、厚度為 650 mm、環(huán)寬為 2 m，管片混凝土強度等級為 C60。1 環(huán)共 10 塊管片：7 塊標準塊＋2 塊鄰接塊＋1 塊封頂塊。錯縫拼裝，楔形量為 53 mm。

管片接縫防水共三道，由外至內(nèi)依次為多孔型彈性橡膠密封墊、遇水膨脹密封墊和內(nèi)側(cè)嵌縫。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

隧道工程所穿越的地層復雜多變，具有多種地質(zhì)形態(tài)，且分布不均。盾構(gòu)隧道主要穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細砂、粉質(zhì)黏土地層，前 100 m 為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾雜少量粉細砂地層，后 1 100 m 幾乎全為粉細砂地層，并夾雜少許粉質(zhì)黏土地層。

施工場地所在區(qū)域氣候濕潤、雨量充沛、降水時間長，長江等地表水體與地下水的水力聯(lián)系較好。根據(jù)含水層的巖性、埋藏條件和地下水賦存條件、水力特征，地下水可分為松散巖類孔隙潛水、松散巖類孔隙承壓水和碎屑巖類孔隙-裂隙水。

3 施工過程中出現(xiàn)的管片滲漏水情況

右線盾構(gòu)隧道穿過始發(fā)端頭加固區(qū)之后，即開始出現(xiàn)管片滲漏現(xiàn)象。滲漏點主要集中在隧道上半部分 9 點到 3 點部位，連續(xù)出現(xiàn)或者間斷幾環(huán)出現(xiàn)，個別滲漏點處管片還存在裂紋。裂紋位置有一定的規(guī)律：絕大部分的裂紋出現(xiàn)在千斤頂環(huán)面上，且在螺栓孔附近，走向與隧道軸線方向一致。滲漏出現(xiàn)的時間基本上在管片脫出盾尾后就開始滲漏或者脫出盾尾 2 h～3 h 后出現(xiàn)滲漏。研究表明，滲漏水類型主要包括管片接縫滲水（環(huán)縫滲水居多、縱縫滲水較少）（見圖1）、管片縱向裂紋滲水及少量不規(guī)則裂紋滲水（見圖1）和管片螺栓孔滲水（見圖 2）。

圖1 接縫和裂紋滲漏

圖2 螺栓孔滲漏

4 管片滲漏水預防措施

4.1 前期管片滲漏預防措施及效果

盾構(gòu)隧道管片滲漏水是盾構(gòu)施工過程中的普遍現(xiàn)象。像直徑約為 15 m 的大直徑盾構(gòu)隧道工況與一般地鐵盾構(gòu)隧道差別很大，若沿用小直徑盾構(gòu)施工滲漏水預防措施，則效果不太明顯。在本工程前期滲漏水治理過程中，除了調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)、優(yōu)化掘進參數(shù)、加強同步注漿、提高管片拼裝質(zhì)量和粘貼防水材料以外，還采取了多種針對性措施，具體如下。

（1）原設計封頂塊兩側(cè)的密封墊在拼裝前涂刷減阻劑，以減小封頂塊插入時的摩阻力。改進工藝后，對所有管片兩側(cè)密封墊涂刷減阻劑。

（2）調(diào)整環(huán)面?zhèn)髁σr墊的厚度。原設計傳力襯墊厚度為 2 mm，根據(jù)三維測量得出拼裝后的環(huán)面凹凸、錯臺情況，調(diào)整傳力襯墊厚度，力求環(huán)面逐步趨于平整，并使環(huán)面法線與隧道軸線平行。根據(jù)具體情況，統(tǒng)一調(diào)整全環(huán)面或者調(diào)整上下半環(huán)。

（3）取消凸榫。初步分析認為，管片凸凹榫限制了管片上浮，可能造成凹榫處管片破裂，于是將凸榫切除。

（4）安裝角部空心的密封墊。有一部分滲漏發(fā)生在管片角部，分析認為，可能是角部防水材料堆積造成角部管片破裂所致。為此，將密封墊角部由實心改為空心，并降低材料硬度。

（5）管片外弧面涂刷水泥基滲透結(jié)晶防水涂料，以消除因管片預制存在外弧面裂紋而引起的滲漏。

（6）在管片迎千斤頂環(huán)面上粘貼雙層碳纖維布，避免管片在盾構(gòu)推進過程中發(fā)生破裂。

（7）調(diào)整同步注漿漿液性能指標，凝結(jié)時間由原來的12 h 調(diào)整為 8 h，盡量縮短漿液凝結(jié)時間以抑制管片上浮。

（8）盾構(gòu)掘進過程中，在盾殼外注入“克泥效”，以減小注漿漿液外跑通道，提高同步注漿壓力。

在施工過程中，以上措施或單個使用，或幾個同時使用，但都只是起到改善滲漏水、減少滲漏點的作用，沒有從根本上解決管片滲漏水和裂紋的問題。

4.2 后期管片滲漏水預防措施及效果

（1）優(yōu)化管片接觸面設計，提高管片抗開裂能力。在管片接觸面上設置傳力面，當盾構(gòu)掘進時，確保管片應力遠離邊角并均勻傳遞。

（2）提高預制管片的尺寸精度，避免尺寸偏差引起應力集中。采用激光掃描三維測量技術(shù)，精確測量預制管片的幾何尺寸，發(fā)現(xiàn)用常規(guī)測量手段難以發(fā)現(xiàn)的且超出設計要求的尺寸偏差，隨即將問題追溯到管片模板的加工質(zhì)量，并對模板尺寸誤差進行調(diào)整。

（3）嚴格控制盾構(gòu)機姿態(tài)。為使預防管片滲漏水和裂紋達到良好的效果，盾構(gòu)機坡度偏差不能太大，應控制在 4 mm/m 范圍之內(nèi)。

（4）進行二次注漿（雙液漿）。二次注漿對抑制管片上浮和滲漏具有明顯效果。

總之，在盾構(gòu)掘進過程中，前后采取了十幾種預防管片滲漏的措施。這是一個探索和檢驗的過程。采用上述后期4種管片滲漏水預防措施后，隧道管片滲漏水現(xiàn)象明顯減少，且大部分滲漏點能隨著盾構(gòu)推進而自動干枯。

5 管片滲漏原因分析

一般來講，隧道管片滲漏有以下幾種原因。

（1）管片自身質(zhì)量缺陷。安裝密封墊的凹槽部位的混凝土表面出現(xiàn)氣泡、收縮裂紋等缺陷，水會繞過密封墊滲漏進隧道。

（2）拼裝過程中管片密封墊損壞，造成滲漏水。

（3）盾構(gòu)掘進推力不足，易導致管片接縫不嚴，致使管片滲漏，如在盾構(gòu)接收階段。

（4）管片出現(xiàn)裂紋，引起滲漏。

根據(jù)本工程盾構(gòu)隧道滲漏情況及采取的多種預防措施效果分析，筆者認為，管片裂紋是造成滲漏的主要原因。管片裂紋包括管片外弧面邊角部非貫穿裂紋和隧道內(nèi)可以看得見的貫徹裂紋。裂紋的產(chǎn)生主要是管片上浮和盾構(gòu)掘進推力所致。

經(jīng)過計算，每環(huán)管片在地下泥漿介質(zhì)中浮力可以達到3.92×106N（400 t），在管片脫出盾尾后受到推力的向上分力約為 1.96×106N（200 t），引起管片上升。

盾構(gòu)機軸線與隧道軸線都有一定的夾角，當盾構(gòu)機坡度偏差較大時，頂推千斤頂作用力方向與隧道軸線方向夾角增大，意味著盾構(gòu)掘進時約 9.8×107N（10 000 t）的推力將在垂直于隧道軸線方向上產(chǎn)生很大的分力，同時這個分力又加劇了管片上浮的趨勢。

在管片上浮力和盾構(gòu)掘進推力的綜合作用下，在管片應力集中的地方極易引起破裂，或者加大原有細小的收縮裂紋，從而引起滲漏。環(huán)面螺絲孔部位是薄弱部位，且受螺栓限制容易開裂。因此，大部分滲漏集中在隧道上半部分 9 點至 3 點部位，絕大多數(shù)裂紋在螺栓孔附近，并且裂紋方向與隧道軸線方向一致。

6 滲漏封堵措施及效果

盾構(gòu)管片滲漏封堵要充分考慮結(jié)構(gòu)的耐久性。為此，本工程采用了改性環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠對滲漏點進行灌注和粘接。針對管片的接縫滲漏、裂紋滲漏和螺栓孔滲漏，分別采取不同的堵漏作業(yè)方法。滲漏處理順序為：先處理管片接縫的滲水部位，其次處理管片結(jié)構(gòu)裂紋滲水，最后處理螺栓孔滲漏水。

6.1 管片接縫滲漏水處理

管片接縫滲漏水處理方案如下：首先在滲漏點兩側(cè)各延伸 50 cm～100 cm 后對接縫進行封閉，然后在封閉空間內(nèi)灌注改性彈性環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠和填塞密封膠（見圖 3）。施工步驟如下：打設隔離柱，封閉接縫表面并安裝注漿嘴，灌注環(huán)氧材料。

圖3 管片接縫處理平面示意圖

6.1.1 打設隔離柱

（1）查找漏水點位置。通過觀察初步確定滲漏點位置、漏水范圍。

（2）設置隔離柱孔。找到漏水點部位后，在其兩端延伸至 50 cm～100 cm 處鉆孔設立隔離柱；孔徑不易過大，以 φ14 mm 為宜，以免破壞管片混凝土保護層；嚴格控制孔深，以免鉆破管片密封墊。

（3）隔離柱孔內(nèi)填塞隔離體。采用擠壓后退式注膠工藝，在隔離柱孔內(nèi)使用膠槍灌注環(huán)氧改性聚硫密封膠，形成彈性隔離體。

6.1.2 封閉接縫表面并安裝注漿嘴

（1）封堵管片拼縫、安裝注漿孔。使用快速封堵材料（如硫鋁酸鹽微膨脹快干水泥）將兩個隔離柱之間的管片接縫進行封閉，然后用 φ14 mm 鉆頭鉆孔，鉆孔深度在 30 cm～35 cm 之間，孔間距在 15 cm～30 cm 之間，安裝注漿嘴。

（2）觀察封堵范圍以外是否還有滲水，若沒有滲水，則開始下一步注漿工藝；若還有滲水，則按照以上方法增加隔離柱以擴大封閉范圍。

6.1.3 灌注環(huán)氧材料

（1）對靠近隔離柱的注漿嘴進行預注漿，以確保隔離柱封閉效果。

（2）對已安裝好的注漿嘴用改性環(huán)氧樹脂類材料進行化學注漿，灌漿壓力控制在 0.3 MPa～0.5 MPa 之間，最高不得超過 1.0 MPa。

（3）按照從低到高順序進行環(huán)縫注漿，當壓力達到 0.5 MPa 時，穩(wěn)壓 1 min～2 min，待進漿量低于 0.05 L，開始灌注下一個注漿孔；30 min 后按照原順序進行二次補灌。

（4）二次注漿完成后，再次觀察接縫處的滲水情況，若封堵范圍以外出現(xiàn)滲水，則延長隔離柱，重復上述步驟。

6.2 管片裂紋滲漏水處理；

管片裂紋滲漏水處理方案與一般結(jié)構(gòu)混凝土裂紋滲漏水封堵方案基本一致。首先進行裂紋表面封堵，然后鉆孔注漿，注漿材料為改性環(huán)氧樹脂類材料。

6.2.1 裂紋表面封堵

（1）探明裂紋的滲漏水范圍、裂紋走向及長度（見圖 4）。

圖4 裂紋滲水鉆孔平面示意圖

（2）觀察裂紋是否與拼接縫相交。若相交，則先按照接縫滲水處理方案處理相交處的接縫（封堵范圍為相交處上下各 50 cm～100 cm）；若未相交，則開始裂紋處理。

（3）用快干水泥對裂紋部位表面直接進行臨時封堵。

6.2.2 鉆孔注漿

（1）根據(jù)裂紋長度，在裂紋兩側(cè)沿縫方向鉆孔，孔離裂紋 15 cm～20 cm，斜向裂紋方向鉆孔，角度控制在 60° 左右，鉆孔間距為 15 cm～20 cm。

（2）注漿孔分深孔和淺孔（見圖 4），每側(cè)兩種孔間隔布置；淺孔深度為 20 cm～30 cm，與縫相交叉；深孔深度為 40 cm～50 cm，與縫相交叉；鉆孔完成后，安裝注漿嘴。

6.2.3 灌注環(huán)氧材料

采用淺孔和深孔復合注漿工法進行注漿，按照從低向高、從一側(cè)向另一側(cè)的順序灌漿；先灌淺孔，待淺孔灌漿材料初凝后（時間為 30 min～60 min），再灌深孔，或者同時灌注淺孔，待 30 min 后再灌注深孔。壓力控制在 0.8 MPa～1.0 MPa，當壓力達到 1.0 MPa 時，穩(wěn)壓 1 min～2 min，待進漿量低于 0.02 L，開始灌注下一個注漿孔。第一遍注漿完成 30 min 后，按照原順序，開始二次補充灌漿。依次按照原順序進行三次灌漿。

6.3 盾構(gòu)管片螺栓孔滲漏水處理

螺栓孔滲漏水主要是水從管片接縫流入螺栓孔所致，應采取以下處理方案。

（1）對相連兩環(huán)管片螺栓孔中間對應接縫的上下各 50 cm～100 cm 范圍，按照接縫處理工藝進行處理。

（2）沿螺栓前進方向劃線，然后對垂直于管片內(nèi)表面方向鉆孔，即將接觸到螺栓后立即停止鉆孔。從螺栓首孔到最近鉆孔的距離為 10 cm～15 cm。

（3）采用快干水泥封閉螺帽根部。

（4）灌注環(huán)氧材料，其方法與管片裂紋堵漏方法相同。

6.4 堵漏效果

采用上述方法，由專業(yè)隊伍對管片滲漏進行封堵，絕大部分漏水能夠一次性堵住，極少數(shù)滲水處經(jīng)過二次封堵不再滲漏，取得良好的堵漏效果。

7 結(jié)語

針對某在建工程盾構(gòu)隧道在施工過程中出現(xiàn)的滲漏水現(xiàn)象，工程項目部多次組織專家召開咨詢論證會，采取了一系列預防滲漏的技術(shù)措施，并且不斷驗證、總結(jié)和探索，最終找到了應對大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工預防管片滲漏水問題的措施和方法。工程實踐表明，此管片滲漏治理方法效果良好，值得借鑒。