湛江湾跨海盾构隧道工程管片安装工艺探索

冯中庆

摘 要：结合目前正在施工的跨海盾构隧道工程，针对在盾构掘进过程中拼装管片产生的崩角现象进行研究，探索如何在技术层面上确保盾构管片在拼装过程中的完整性。

关键词：跨海盾构隧道；盾构管片；崩角

1 工程概况

1.1 地层与隧道线路情况

湛江湾跨海盾构隧道工程是鉴江供水枢纽工程的一部分，位于湛江湾最窄处，隧道长2750m，由东海岛盾构工作井始发，横穿海底，到达南三岛盾构工作井解体吊出，隧道地下埋深17～22m，水下埋深21m～38m，掘进地层主要为中细砂层、砂砾粘土层、全断面粘土层，地层透水性较大，与海水直接连通。隧道最大埋深60米，最大坡度达4.417%。东海岛侧布置有始发井，内径16.5m，井深28.5m；南山岛布置有接收井，内径16.0m，井深47m。

1.2 盾构机基本情况

本工程采用一台三菱技术、罗宾斯生产组装的？准6280mm泥水平衡盾构机单线掘进，盾构掘进主要推进动力单元由环形等距布置的20根千斤顶提供。盾尾设计有效长度3285mm，盾尾间隙30mm；盾尾与管片间采用四道盾尾刷（注入油脂）环形密封。

1.3 管片设计

隧道管片内径5.1m、外径6.0m，环宽1.5m，厚度450mm，最大楔形量38mm，管片强度等级C55，抗渗等级P12。每环管片由一个封顶快F、两个邻接块L1、L2，三个标准块B1、B2、B3组成，22根直螺栓连接。管片环缝设置有凹凸键槽，纵缝设置有Ф50定位棒，长650mm。管片环纵缝设计宽度2mm，接缝采用内外侧两道三元乙丙密封垫压缩止水。

2 管片安装工序和设计要求

2.1 管片构造设计

（1）工程结构的安全等级按一级考虑；（2）盾构隧道建筑物设计基准期为100年；（3）结构抗震设防烈度为7度；（4）混凝土允许裂缝开展，钢筋混凝土管片的裂缝Wmax为迎土面0.1mm，背土面为0.15mm；（5）结构抗浮安全系数施工期不小于1.05；运营阶段不小于1.10；（6）盾构法区间隧道结构防火等级为一级；（7）盾构法区间隧道结构防水等级为二级。

2.2 管片制作要求

（1）管片制作应符合《钢筋混凝土施工及验收规范》、《盾构法隧道施工与验收规范》及《地下防水工程质量验收规范》的有关规定。（2）管片生产前，应对钢模误差进行检测，若不合标准需进行校正。在管片生产过程中，也应按相关规定对模具进行中检和维修保养。（3）为保证管片的防水、拼装及结构受力需要，衬砌制作及拼装须达到一定的精度。单块管片制作允许误差宽度±1.0mm，弧长、弦长±1.0，厚度+3.0，-1.0mm，工厂每生产100环管片应抽检三环作水平拼装检验，三环水平拼装允许误差环缝间隙2.0mm，纵缝间隙2.0mm，成环后内径±2.0mm，成环后外径±2.0mm，环、纵向螺栓孔全部穿进D孔-d螺<2.0mm。（4）管片脱模后，应在管片纵缝面易见位置印制代表生产日期、制造编号及管片分块号等不易被抹掉的标记。（5）管片表面应密实、光洁、平整、边棱完整无缺损；在贮存和运送过程中应对管片采取有效的保护措施；管片拼装前，应严格检查，确保密封垫沟槽及平面转角处没有剥落缺损。（6）由于工程防水要求严格，有缺损的管片不得使用。凡修复管片须逐一检验合格后方可使用。

2.3 管片防水

2.3.1 混凝土采用添加高炉矿渣的抗海水腐蚀混凝土，具体配合比根据试验确定。

2.3.2 本区间为地下海水环境，管片混凝土掺入抗海水腐蚀添加剂。

2.3.3 跨海盾构管片外壁和内壁均进行涂料防护。管片外壁涂料为两层，底层为环氧密封底漆（1道高压无气喷涂50μm），加面层重防腐蚀涂料（2道高压无气喷涂200μm）。管片外壁包括管片背面和四个管片侧面（环、纵缝面）。管片内壁涂料为两层，底层为环氧密封底漆（1道高压无气喷涂50μm），加面层环氧云铁防锈漆（2道高压无气喷涂160μm）。涂防腐防水材料前，需对混凝土结构表面进行清洁，可用电动钢丝刷打磨，以高压淡水清除疏松的混凝土、附着物和泥浆等。涂装前混凝土应充分干燥，含水率<8%。涂装工作应在温度10～40℃下进行，相对湿度85%以下。每道涂装后应检查涂膜外观质量，不足处予以补涂。检验合格后出厂。

2.3.4 电量指标<800库仑（56天龄期）。检测批次不少于三次，测定方法按《抗海水腐蚀混凝土应用技术导则》DB44/T 566-2008中的有关规定执行。

2.3.5 每立方米混凝土中各类材料的总碱含量（等效NaOH当量）不得大于3.0kg。每立方米混凝土中外加剂的总碱量（Na2O当量）不得大于1kg。

2.3.6 按有关规定严格控制混凝土中Cl-的含量，最大Cl-含量≤0.015%，不应使用氯盐做外加剂，外加剂中氯离子含量不应大于外加剂干重的0.2%。

2.3.7 胶凝材料不小于410kg/m3，水胶比不得大于0.33。

2.3.8 防水混凝土的水、砂、石应符合《地下工程防水技术规范》第4.1.8条、第4.1.9条的相关规定。

2.3.9 管片蒸气养护的最高温度应不超过60℃。泵送混凝土入泵时的塌落度宜在120±20mm，总塌落度损失不大于60mm，入模温度以温差控制，混凝土的表面温度与大气温度的差值不得大于20℃。混凝土的表面温度与中心温度的差值不得大于20℃。混凝土降温速度应低于3℃/d。非泵送混凝土的塌落度应满足相应规范。

2.4 接缝防水

2.4.1 管片采用高精度管模制作，以确保管片环的拼装精度。

2.4.2 管片生产中可采用人工振捣，但须确保混凝土密实，以满足抗渗等级的要求。

2.4.3 管片在生产、运送、拼装过程中出现的大麻点、大缺角应用聚合物快凝水泥修补完好。

2.4.4 盾构机千斤顶的布置间距、施工中顶推力应尽量均匀，管片在拼装过程中的环面应尽量平整，且在管片背千斤顶面粘贴软木衬垫，通过以上措施尽量减少因施工荷载产生的裂缝。

2.4.5 管片在使用期间应满足强度、抗裂要求，最大裂缝宽度外侧不大于0.1mm，内侧0.15mm，且不得有贯穿裂缝。

2.4.6 为保证管片接缝拼装准确，管片环缝设置了凹凸卡隼，管片纵缝设置了安装定位棒。为确保接缝两侧密封垫接触宽度，管片环缝错骒量不大于10mm，错台率不大于10%。

2.4.7 本工程采用内外两道管片接缝防水。接缝防水采用在密封垫沟槽内设置三元乙丙橡胶密封垫，通过被压缩挤密能实现防水。挤压后密封垫的设计压缩变形量为28%。弹性密封垫的构造形式经试验确定，要求在张量为8mm（相对压密后）时能抵抗0.7MPa的水压。

2.4.8 管片密封垫应满足在设计水压和接缝最大张开值下不渗漏的要求，密封垫沟槽的截面积应不大于等于密封垫的截面积，当环缝张开量为8mm时，密封垫可完全压入储于密封垫沟槽内。其关系符合下式规定：

A0=1～1.5A

式中：A-密封垫沟槽截面积；A0-密封垫截面积

2.4.9 本隧道设计使用年限为100年，且隧道位于海底，水压高，要满足100年的使用寿命，对防水材料的耐久性要求如下：

2.4.10 将70℃、72h下三元乙丙橡胶拉伸强度、延伸率的变化率，以及压缩永久变形量等材质特性通过阿累尼乌斯公式推断百年的应力松弛量，控制应力松弛量≤25%。

2.4.11 以遇水膨胀橡胶及聚氨酯膨胀止水条长期浸泡水的树脂析出率（180天2%），与反复干湿循环下拉伸强度、延伸率、膨胀率的变化率（100次）认定其耐久性。由于弹性橡胶密封垫外侧设有聚氨酯膨胀止水条作为首道防线，使接缝主要防水线的弹性橡胶密封垫的耐久性获得了加强。

2.4.12 对嵌缝密封胶（聚氨酯类、聚硫类），以在酸、碱液中浸泡后物理性能的变化率来控制其满足耐久性的要求。

2.4.13 嵌缝范围：管片接缝处嵌缝材料采用双组份聚硫密封胶。

2.4.14 为了确保足够的接缝受力面，嵌缝不用被衬材料。

2.4.15 嵌缝作业必须在盾构千斤顶影响范围外及隧道稳定后进行。

2.4.16 管片在使用期间用做注浆的吊装孔应用微膨胀水泥封堵。

2.4.17 手孔采用遇水膨胀橡胶圈止水，并用EVA微膨胀水泥砂浆封孔。

3 盾构管片接缝

3.1 各环弹性密封垫应在工厂加工成菱角分明的框型橡胶圈。

3.2 封顶快两侧的橡胶垫在拼装前需在基面涂抹润滑剂，封顶块、邻接块纵缝弹性密封垫内需设置尼龙绳，以限制插入时橡胶条的延伸。

3.3 在管片密封垫沟槽内涂刷单组份氯丁-酚醛粘结剂。涂刷前，管片表面应干燥，涂刷时粘结剂应均匀，密封垫沟槽内应满涂。

3.4 粘结剂涂刷后，凉置一段时间，待手指接触不粘时，再将加工好的框型橡胶圈套入密封垫沟槽。

3.5 密封垫（框型橡胶圈）粘贴后，管片四个角部的密封垫不得出现耸肩、塌肩现象，整个密封垫表面应在同一平面上，严禁歪斜、扭曲。

3.6 管片在粘贴装设密封垫12h内，不得送井下拼装。

3.7 封顶块两侧的密封垫在拼装前涂表面润滑剂，以减少封顶块插入时密封垫间的摩擦力，润滑剂为水性涂抹剂。

3.8 缝间软木衬垫材料为丁倩软木橡胶。软木衬垫的尺寸根据管片分块大小及螺栓孔位置确定。

3.9 在软木衬垫与管片背千斤顶面对应粘贴处分别涂刷单组份氯丁-酚醛粘结剂。涂刷前，软木衬垫及管片表面应干燥，涂刷时粘结剂应均匀。

3.10 粘结剂涂刷后，凉置一段时间，待手指接触不粘时，再将软木衬垫与管片对粘。

3.11 管片设置有定位棒，安装后不得出现脱胶、翘边、歪斜等现象。

3.12 螺孔防水：管片肋腔的螺孔应放置锥形倒角的螺孔密封圈沟槽。螺孔密封圈的外形应与沟槽相匹配，并有利于压密止水或膨胀止水。在满足止水的要求下，其断面宜小。螺栓密封圈应是合成橡胶，水膨胀橡胶制品。

4 管片安装中出现的问题及对策

在盾构管片安装至10环以后，出现了比较集中的管片崩角现象，严重威胁到整个隧道的质量和安全。崩角情况长度在80～120mm，宽度40～60mm，厚度20～35mm范围，呈现三角形状，崩角部位无规律性，最小间隔2环，最大间隔14环，破坏厚度在外部表层20～35mm范围转角处，原因分析，橡胶止水带在生产过程中为增大转角处拉力直径增大5～8mm，造成受力不均匀现象，局部应力集中，通过研究分析，决定通过增加管片之间的橡胶垫片的数量来解决管片崩角的问题，经过实践，在以后的管片安装过程中再也没有出现管片崩角的现象，问题得到了很好的解决。

通过增加管片之间的橡胶垫片之所以能够很好的解决管片崩角的现象，主要有：（1）增加管片之间的橡胶垫片只是对隧道的直径产生了微小的增大效果，对整个隧道的安全不构成威胁；同时保证止水效果。（2）增加管片之间的橡胶垫片的数量，缓解了隧道掘进过程中产生的作用力对管片的压力，局部应力集中得到释放，从而避免了崩角现象的产生。

5 结束语

通过以上的分析，在隧道掘进过程中产生的管片崩角现象，通过增加管片之间的橡胶垫片膨胀系数应力集中得到可以很好的解决。框型橡胶圈的制造在生产磨具的工艺值得进一步改进探索。

参考文献

[1]钢筋混凝土施工及验收规范[S].

[2]盾构法隧道施工与验收规范[S].

[3]地下防水工程质量验收规范[S].