富水地層盾構(gòu)到達(dá)洞門(mén)密封技術(shù)研究

栗尚明

(1.中國(guó)鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司 四川成都 610000；2.中鐵建昆侖地鐵投資建設(shè)管理有限公司 四川成都 610000）

1 前言

在富水粉砂復(fù)合地質(zhì)條件下，若端頭加固質(zhì)量存在缺陷極易發(fā)生洞門(mén)涌水涌砂，從而直接影響盾構(gòu)的正常到達(dá)接收[1-2]。目前，在國(guó)內(nèi)若因地質(zhì)條件或地面條件限制無(wú)法進(jìn)行水泥攪拌樁端頭加固時(shí)，往往采用水平冷凍加固的方法[3]，但因加固體的長(zhǎng)度限制以及地下水流動(dòng)等因素，盾構(gòu)的到達(dá)接收仍然存在較大風(fēng)險(xiǎn)，為解決盾構(gòu)到達(dá)洞門(mén)的涌水問(wèn)題，在盾構(gòu)施工中對(duì)于洞門(mén)密封處理便是不可或缺的環(huán)節(jié)，對(duì)盾構(gòu)能否順利接收起著至關(guān)重要的作用[4-5]。

現(xiàn)有常規(guī)洞門(mén)密封法采用折頁(yè)翻板和簾布橡膠結(jié)構(gòu)形式的密封裝置[6]，但在實(shí)際使用過(guò)程中，由于簾布橡膠與盾殼之間往往無(wú)法完全緊密貼合，在盾構(gòu)機(jī)達(dá)到掘進(jìn)時(shí)，也不可避免地存在漏漿現(xiàn)象，當(dāng)涌水較大或時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，易引發(fā)重大安全事故[7-9]。針對(duì)華東地區(qū)典型的富水砂層，盾構(gòu)進(jìn)洞時(shí)易發(fā)生涌水涌砂的高風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合某市地鐵盾構(gòu)接收，創(chuàng)新研究了盾構(gòu)到達(dá)洞門(mén)密封接收技術(shù)。

2 工程概況

某市地鐵4號(hào)線一期工程，盾構(gòu)區(qū)間為地下雙線單圓盾構(gòu)隧道，隧道雙線總長(zhǎng)2 323.305 m，隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片厚350 mm，隧道埋深7.5～23 m。

盾構(gòu)區(qū)間在復(fù)興路站盾構(gòu)出洞位置所處地層為③5砂質(zhì)粉土夾粉砂、③6粉砂、16-1碎石夾黏土地層中；其中③5砂質(zhì)粉土夾粉砂、③6粉砂滲透性好，強(qiáng)度低，易坍塌，盾構(gòu)出洞時(shí)有涌砂冒水風(fēng)險(xiǎn)。隧道頂部埋深10.5～23 m，盾構(gòu)掘進(jìn)范圍將遇③6粉砂、③7-1砂質(zhì)粉土、⑥1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、(16）夾含碎石粉質(zhì)黏土、(21）1全風(fēng)化安山玢巖、(21）2強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖及(21）3-1中風(fēng)化上段安山玢巖，總體均勻性較差。盾構(gòu)穿越粉土、砂土層時(shí)，在水動(dòng)力和盾構(gòu)欠壓掘進(jìn)，易發(fā)生管涌和流砂；黏土層具有高含水量、高壓縮性和低強(qiáng)度的特點(diǎn)，易發(fā)生觸變和流變；碎石土層均一性差，阻力大；安山玢巖含有大量黏性土，黏性大，具有一定膨脹性。

3 洞門(mén)組合密封技術(shù)原理

在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)洞門(mén)前，在洞門(mén)環(huán)上安裝環(huán)狀剛性密封構(gòu)件，該密封構(gòu)件其內(nèi)環(huán)小于盾構(gòu)機(jī)盾體外徑，在組成環(huán)狀剛性密封構(gòu)件的兩道環(huán)形鋼板靠近內(nèi)環(huán)設(shè)有徑向切割縫，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)盾體從環(huán)狀剛性密封構(gòu)件出穿過(guò)時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)的外力作用下環(huán)形鋼板有切割縫的部分外翻，并通過(guò)兩鋼板之間的海綿壓縮后形成第一道密封，盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)前進(jìn)，通過(guò)外置洞門(mén)時(shí)，拉緊連接環(huán)狀柔性密封構(gòu)件簾布?jí)喊宓匿摻z繩，盾構(gòu)機(jī)的盾體外殼與橡膠簾布緊密接觸，又形成第二道密封；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的盾尾尾部端面距離外置洞門(mén)環(huán)外部剩余30～50 cm時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)盾尾與外置洞門(mén)環(huán)之間焊接環(huán)形密封鋼板進(jìn)行第三道密封；在第三道密封完成之后，采用同步注漿與雙液漿組合，將管片外部間隙充分注漿密實(shí)，待漿液凝結(jié)后，拆掉第三道密封件，盾構(gòu)機(jī)推出外置洞門(mén)。

4 洞門(mén)密封關(guān)鍵技術(shù)

4.1 準(zhǔn)備工作

(1）盾構(gòu)到達(dá)洞門(mén)前，在洞門(mén)處預(yù)埋洞門(mén)環(huán)[10]。預(yù)埋洞門(mén)環(huán)的筒狀環(huán)體預(yù)埋在盾構(gòu)達(dá)到洞口的內(nèi)環(huán)面，其外環(huán)板預(yù)埋在洞口的外端面，形成截面為橫向L型的鋼環(huán)支撐結(jié)構(gòu)。

(2）在盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)洞門(mén)冷凍體杯底前，提前進(jìn)行洞門(mén)破除，要求洞門(mén)破除至完全暴露出內(nèi)層鋼筋。

4.2 環(huán)狀柔性密封構(gòu)件安裝和洞門(mén)環(huán)外置技術(shù)

盾構(gòu)到達(dá)前，在洞門(mén)外預(yù)埋洞門(mén)環(huán)的外環(huán)板上安裝環(huán)狀柔性密封構(gòu)件和外置洞門(mén)環(huán)。具體安裝過(guò)程:在預(yù)埋洞門(mén)環(huán)的外環(huán)板上安裝螺桿，將環(huán)形橡膠簾布通過(guò)自己的螺栓孔掛在預(yù)埋洞門(mén)環(huán)上安裝的螺桿上，然后將外置洞門(mén)環(huán)的多塊弧形鋼板沿著預(yù)埋洞門(mén)環(huán)的外環(huán)板固定壓住環(huán)形橡膠簾布，并在外置洞門(mén)環(huán)的內(nèi)側(cè)擋板上預(yù)留螺栓孔，每壓住一塊外置洞門(mén)環(huán)，在預(yù)埋洞門(mén)環(huán)的內(nèi)側(cè)擋板上的螺栓孔內(nèi)安裝螺桿，在外置洞門(mén)環(huán)內(nèi)側(cè)擋板外安裝多塊簾布?jí)喊?，每塊簾布?jí)喊迨怯晒潭ò搴突顒?dòng)板鉸鏈而成，在簾布?jí)喊宓墓潭ò迳祥_(kāi)設(shè)有螺栓孔，并通過(guò)螺桿將簾布?jí)喊宓墓潭ò搴屯庵枚撮T(mén)環(huán)一起固定壓住環(huán)形簾布，依次安裝環(huán)形外置洞門(mén)環(huán)的每塊弧形板，安裝好后的弧形鋼板組成一個(gè)完整的洞門(mén)環(huán)，多塊簾布?jí)喊逡步M成一個(gè)環(huán)形，將外置洞門(mén)環(huán)與簾布一起壓緊，最后將多塊簾布?jí)喊宓幕顒?dòng)板通過(guò)鋼絲繩連為一體；在外置洞門(mén)環(huán)的環(huán)面上設(shè)置兩個(gè)長(zhǎng)孔，拉住簾布?jí)喊宓匿摻z繩可通過(guò)其中穿出外置洞門(mén)環(huán)外部，然后通過(guò)手拉葫蘆可對(duì)簾布?jí)喊謇o。預(yù)埋洞門(mén)環(huán)、環(huán)狀柔性密封構(gòu)件和外置洞門(mén)環(huán)位置關(guān)系示意圖見(jiàn)圖1，實(shí)際效果見(jiàn)圖2。

圖1 預(yù)埋洞門(mén)環(huán)、環(huán)狀柔性密封構(gòu)件和外置洞門(mén)環(huán)位置示意

4.3 同步注漿與雙液漿組合注漿技術(shù)

圖2 預(yù)埋洞門(mén)環(huán)、環(huán)狀柔性密封構(gòu)件和外置洞門(mén)環(huán)位置施工

盾構(gòu)機(jī)從抵達(dá)冷凍體停機(jī)位前5環(huán)時(shí)開(kāi)始，至抵達(dá)停機(jī)位，采用同步單液注漿與雙液漿結(jié)合，共同形成管片壁后注漿體系。雙液漿注入采用在盾尾后的倒數(shù)第5環(huán)管片上半圓進(jìn)行雙液注漿，調(diào)整雙液漿的凝結(jié)時(shí)間為60 s。在盾構(gòu)抵達(dá)冷凍體停機(jī)位后，仍繼續(xù)進(jìn)行同步注漿至達(dá)到注漿壓力控制值。同時(shí)，在盾尾后的倒數(shù)第4環(huán)管片的上半圓位置進(jìn)行雙液注漿，調(diào)整雙液漿的凝結(jié)時(shí)間為30 s；同時(shí)，對(duì)冷凍體進(jìn)行拔除冷凍管的作業(yè)。在盾構(gòu)抵達(dá)停機(jī)位后至再次推進(jìn)前，利用冷凍拔管時(shí)間，雙液漿封閉成環(huán)，同步注漿注至飽滿。

盾構(gòu)機(jī)同步注漿采用新型自拌惰性漿液，漿液稠度為150，凝結(jié)時(shí)間為13 h。自拌惰性漿液與傳統(tǒng)水泥砂漿漿液[11-12]配合比見(jiàn)表1。

表1 注漿材料配合比對(duì)比 kg/m3

4.4 安裝環(huán)狀剛性密封件的上部2/3圓

在冷凍管全部拔出后，盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)掘進(jìn)，在盾尾后倒數(shù)第4環(huán)管片的上半圓位置進(jìn)行雙液注漿，雙液漿凝結(jié)時(shí)間為30 s，盡可能使雙液漿與冷凍體凍結(jié)壁快速形成封閉環(huán)；土倉(cāng)內(nèi)始終保持0.3～0.5 bar的土壓，有利于盾尾注漿密實(shí)；直至刀盤(pán)抵達(dá)洞門(mén)鋼筋混凝土保護(hù)層，在抵達(dá)保護(hù)層后，繼續(xù)進(jìn)行同步注漿及雙液注漿，雙液注漿需成環(huán)，同步注漿盡可能飽滿。與此同時(shí)，在預(yù)埋洞門(mén)環(huán)上安裝鋼板和海綿組合而成的環(huán)狀剛性密封件(見(jiàn)圖3），先安裝環(huán)狀剛性密封件的上部2/3圓，剛性密封件采用2道厚度為0.5 cm的弧形鋼板，直接將鋼板焊接在預(yù)埋洞門(mén)環(huán)上，兩鋼板之間填充150 mm×150 mm的海綿條。

圖3 安裝環(huán)狀剛性密封件的上部2/3圓

4.5 三道密封技術(shù)

(1）第一道密封

刀盤(pán)空轉(zhuǎn)，螺旋機(jī)出空土倉(cāng)內(nèi)土體，而后繼續(xù)推進(jìn)破除洞門(mén)，在刀盤(pán)破除洞門(mén)后，清理完渣土，接著安裝下方1/3的剛性密封件的鋼板和海綿組合(見(jiàn)圖4）。下部分的剛性密封件安裝與上部分安裝過(guò)程一樣，安裝好的剛性密封件形成一個(gè)完整的環(huán)形。為確保盾構(gòu)機(jī)能夠順利通過(guò)，且保證其密封效果，在剛性密封件的環(huán)形鋼板靠近內(nèi)圈10 cm的位置開(kāi)設(shè)有徑向切割縫，在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)，切割縫張開(kāi)，環(huán)形鋼板外翻，外翻后的環(huán)形鋼板的與盾構(gòu)機(jī)外表面貼合，此時(shí)海綿便會(huì)緊貼盾構(gòu)機(jī)外壁，形成第一道密封。

圖4 安裝環(huán)狀剛性密封件的下部1/3圓

(2）第二道密封

盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)前進(jìn)，在盾構(gòu)機(jī)的盾體通過(guò)外置洞門(mén)環(huán)時(shí)，通過(guò)手拉葫蘆拉緊鋼絲繩，使簾布?jí)喊逑騼?nèi)緊壓在環(huán)形橡膠簾布上，盾構(gòu)機(jī)盾體通過(guò)給環(huán)形橡膠簾布一個(gè)向外的推力，在兩個(gè)力的作用下環(huán)形橡膠簾布緊貼在盾構(gòu)機(jī)的盾體外壁，形成第二道密封(見(jiàn)圖5）。

(3）第三道密封

在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入洞門(mén)，且盾尾尾端距離外置洞門(mén)外部剩余30～50 cm時(shí)(依據(jù)最后一環(huán)管片的行程確定），采用多塊弧形鋼板將盾尾與外置洞門(mén)環(huán)外側(cè)擋板焊接為整體，多塊弧形鋼板之間也密封焊接，組成完整環(huán)形密封鋼板，形成第三道密封(見(jiàn)圖6）。

圖5 第二道密封

圖6 第三道密封

在環(huán)形密封鋼板焊接完成后，采用同步注漿與雙液漿組合，將管片外部充分注漿密實(shí)，待漿液凝結(jié)后，割除弧形鋼板，將盾構(gòu)機(jī)推出外置洞門(mén)。

4.6 預(yù)留泄水閥

在施工過(guò)程中，在外置洞門(mén)環(huán)的外板面預(yù)留多個(gè)泄水閥(見(jiàn)圖7），在焊接第三道密封過(guò)程中，有流水時(shí)，通過(guò)泄水閥進(jìn)行引流，在焊接完成后，關(guān)閉泄水閥。

圖7 預(yù)留泄水閥

5 三道密封質(zhì)量保證措施

(1）第一道環(huán)形密封鋼板:嚴(yán)格控制鋼材質(zhì)量，且每一構(gòu)配件加工完成后，首先應(yīng)對(duì)尺寸、厚度等進(jìn)行人工量測(cè)，是否符合現(xiàn)場(chǎng)條件要求。對(duì)洞門(mén)預(yù)埋鋼環(huán)內(nèi)側(cè)進(jìn)行檢查，確保焊接內(nèi)置環(huán)形密封鋼板位置無(wú)雜物，貼合度良好；環(huán)形密封鋼板各部位焊縫，須嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行焊接，確保焊接質(zhì)量。

(2）第二道密封橡膠簾布和折頁(yè)板:使用前對(duì)橡膠簾布和折頁(yè)板進(jìn)行檢查，確保橡膠簾布質(zhì)量良好，無(wú)破損，折頁(yè)板彎折良好，無(wú)變形。對(duì)洞門(mén)預(yù)埋鋼環(huán)外側(cè)預(yù)留螺栓孔進(jìn)行檢查，確?？變?nèi)無(wú)雜物，絲口良好，損壞的絲孔安裝螺栓時(shí)需要焊接加固，并注重焊接質(zhì)量。嚴(yán)格控制簾布和折頁(yè)板安裝質(zhì)量，折頁(yè)板塊與塊之間需要用鋼筋搭連焊接為整體，防止進(jìn)洞過(guò)程中，某塊折頁(yè)板脫落，造成橡膠簾布脹開(kāi)失效。

(3）第三道密封外置洞門(mén)環(huán)和環(huán)形密封鋼板:外置洞門(mén)鋼環(huán)制作需按照盾構(gòu)機(jī)盾尾直徑加工，環(huán)形加工精度需保證預(yù)留焊接空間，安裝需注重每一塊的質(zhì)量，避免變形，塊與塊之間貼合不緊密，當(dāng)貼合不緊密時(shí)需要焊接為整體。

6 結(jié)束語(yǔ)

該技術(shù)成功應(yīng)用于盾構(gòu)接收洞門(mén)密封施工中，實(shí)際盾構(gòu)機(jī)出洞后，未發(fā)生涌水涌砂險(xiǎn)情，且洞門(mén)封堵二次注漿只用2 d便完成，大大提高了施工效率，在經(jīng)濟(jì)效益可觀的情況下也提高了施工質(zhì)量，確保了施工安全，降低了地面塌方的風(fēng)險(xiǎn)，綜合效益明顯。該技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:(1）采用三道密封，密封可靠性強(qiáng)，可確保盾體與洞門(mén)之間的密封效果，且整個(gè)密封結(jié)構(gòu)的施工方法簡(jiǎn)單、成本較低，并可以完全將漿液密封，密封效果好，整個(gè)施工過(guò)程安全易行，出洞時(shí)有效降低了事故風(fēng)險(xiǎn)，未發(fā)生涌水涌砂險(xiǎn)情。(2）封堵時(shí)洞門(mén)外未漏雙液漿，有效地節(jié)省了注漿材料和勞動(dòng)力成本。(3）封堵洞門(mén)快速、安全、高效，盾構(gòu)機(jī)在頂進(jìn)洞后，在合適位置焊接第三道密封外弧形鋼板，當(dāng)?shù)谌烂芊饣⌒武摪逭w焊接完成時(shí)，洞門(mén)形成完全密閉空間，可大大降低洞門(mén)滲漏水風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工質(zhì)量。(4）在外置洞門(mén)環(huán)的外板面預(yù)留多個(gè)泄水閥，在第三道密封焊接過(guò)程中，有流水時(shí)，通過(guò)泄水閥進(jìn)行引流，保證洞內(nèi)水流隨時(shí)排走，降低滲漏水風(fēng)險(xiǎn)。(5）采用新型自拌惰性漿液，具有良好的穩(wěn)定性、抗稀釋性和適當(dāng)?shù)某跄龝r(shí)間，且固結(jié)體積收縮小、泌水率小，能有效實(shí)現(xiàn)重復(fù)充填，管片壁后注漿飽滿；對(duì)易形成滲流通道的巖土分界面依據(jù)土倉(cāng)水量進(jìn)行重點(diǎn)雙液注漿，即可快速實(shí)現(xiàn)水流封堵效果，不需整環(huán)施作止水環(huán)，施工速度快，施工成本較低。