高水压大直径过江隧道盾尾渗漏防治研究

2021-02-03陈驰杨平

林业工程学报 2021年1期

陈驰，杨平

(南京林业大学土木工程学院，南京 210037)

越江跨海交通隧道工程中，盾构机处于高水压地层中，盾尾渗漏防治与控制是一个施工难点。无论土压平衡盾构机或泥水平衡盾构机，在长距离连续掘进中，由于种种原因，盾构机尾部可能出现不同程度的渗水、渗泥浆等现象，如果盾尾漏浆严重，将导致切口水压下降，刀盘前方土体失稳，并且隧道内将大量淤积泥浆，若抽排不及时，将造成盾构机被淹没。因此，如何防治与控制盾尾渗漏问题是盾构隧道施工中的一个关键课题。

部分学者研究了盾尾渗漏主要是由于盾尾刷安装不科学、管片组装不当、背填注浆不利、盾尾密封脂量和压力不足、盾构施工工艺不到位、盾尾刷损坏等原因造成的[1-6]。例如王志成[7]提出了大直径盾构组装连接的缝隙也会导致盾尾渗漏；顾解桢[8]研究了承压含水层中预防盾尾渗漏油脂管路及压注技术的改进。前人对盾尾渗漏原因做了详细的分析，但针对每一原因而需采取的预防措施研究较少，各施工参数不明确，也未形成系统的防治技术，需加强高水压大直径过江隧道盾尾渗漏与预防技术的研究。

盾尾一旦因盾尾刷磨损而发生渗漏，需及时密封盾尾止水，进而更换盾尾刷。目前越江跨海隧道工程盾尾刷更换止水方案主要有化学注浆止水和冻结法止水[9-13]。高水压下普通注浆法适用性很差，改进后采用预制特殊管片的化学注浆法有成功应用的案例[14-15]。冻结止水是目前应用最广泛的盾尾刷更换止水方案，按冻结管布置方式可分为预制管片冻结止水[16]、管片上直接打孔冻结止水[8,17-19]、盾构机尾部的冻结系统冻结止水[20]及环形冻结加固止水[21]。各种方案的施工方法与特点各不相同，前人未系统地对比研究，需视地层条件、工期、经济性等因素合理选用。

为预防盾尾渗漏，本研究系统分析了盾尾渗漏的原因，并针对每一原因给出了具体防治技术工艺与参数，为高水压大直径隧道工程盾尾防渗提供参考依据；为研究盾尾渗漏后如何密封止水以更换盾尾刷，经对比研究推荐液氮冻结止水法，列出了不同液氮输送方式及冻结管布置方式的优缺点，可供不同工程条件的冻结方案设计参考。

1 盾尾渗漏原因分析

1.1 盾尾密封脂的缺失

盾尾密封脂是盾尾密封的重要组成部分，如盾尾密封脂的选取、涂抹和注入不当将导致盾尾密封不足，盾尾极易出现渗漏现象。选取密封脂时应首先保证泵送性能良好，应采用高黏度、高稠度、非下坠的盾尾密封脂，密封脂的涂抹是盾尾密封的重要环节，涂抹不到位或涂抹后的稳定性得不到保证均会造成盾尾密封质量的下降。

盾尾密封脂注入系统的控制模式有压力控制、行程控制和压力行程控制3种模式，可根据现场工程情况和施工条件选取，但都应保证在盾构掘进前开启盾尾密封脂泵，避免影响盾尾密封效果。

1.2 同步注浆控制不当

同步注浆是在盾尾间隙形成的同时立即注浆，使浆液及时填充盾尾间隙，饱满和均匀的砂浆则会形成对盾尾的第一道保护，若控制不当，会降低盾尾抗渗性能。

1.2.1 浆液的选择

浆液选择或配比不当造成渗漏的原因有：

1)浆液和易性差易离析渗透到地层中、凝结收缩量大、双液浆过早初凝或混合不充分而流失等原因导致浆液未能有效填充盾尾间隙。

2)浆液流动性太好，导致管片最重要的顶部无浆液填充。

3)坍落度过低、泵送性差，易发生堵管现象，并导致注浆量不足；坍落度过高，会导致初凝时间过长，砂浆强度偏低。两种情况均会造成盾尾从管片脱离后管片的错台。

1.2.2 注浆方式的选择

当采用同步注浆时，可选取通过盾尾注浆孔注浆和通过管片注浆孔注浆两种方式。2种注浆方式的优缺点如表1所示，施工时应根据工程情况和施工条件具体确定。

表1 2种注浆方式的比较Table 1 Comparisons between two grouting ways

1.2.3 注浆压力和注浆量控制

注浆量过大可能击穿盾尾，过小会导致盾尾从管片脱离后管片错台，进而导致盾尾刷磨损引起盾尾渗漏。同理，注浆压力过大，可能会击穿盾尾，过小则不能让饱满和均匀的砂浆形成对盾尾的第一道保护，从而造成盾尾渗漏。因此，需要严格控制这两个参数。

1.3 盾构施工控制不当

盾构施工是一个动态的过程，如果施工过程中任一个环节的细节控制没有实施到位，就极易对盾尾产生不利影响，埋下安全隐患。

1.3.1 管片原因

在施工过程中管片变形、管片错台和管片破裂均易造成盾尾渗漏。由于过江隧道中心埋深很大，填充在管片外环面纵向缝隙中的盾尾密封脂可能会无法承受逐渐上升的泥水或砂浆压力，从而被击穿。管片浇筑和安装施工过程是否精细也是盾尾渗漏的影响因素，大直径过江隧道盾构施工中，应控制管片错台量在5 mm以内，以防造成管片渗漏。

1.3.2 盾构机体原因

大直径盾构机盾体部分由较多盾体块现场拼装而成，相邻盾体块之间、盾体块和主轴承之间的连接法兰面不能完全密贴，也会致使开挖舱的泥浆通过间隙涌入到盾体的后部。

另外，盾尾刷的整体耐压能力不足、选型不当或工作状态不良也会降低盾尾密封质量。

1.3.3 掘进施工原因

高水压大直径过江隧道工程若采用泥水盾构机，因为泥水仓与盾尾是连通的，所以掘进过程中泥水仓各参数的合理设定对预防盾尾渗漏极为重要。如管理不当，则会出现下列情况导致盾尾渗漏：

1)开挖面泥水压力设定值过高或切削下来的岩块堵塞排泥管道时，盾尾刷抗压能力不足会被击穿。

2)泥水质量不高，造成盾构在高比重、低黏度的情况下推进，泥浆很容易后窜至盾尾。需对泥水指标如黏度、比重等进行控制。

3)掘进过程中盾构机姿态向轴线某一侧偏离或纠偏过急(大直径盾构没有盾尾铰接装置)时，盾尾间隙大的一侧容易被外部的泥水或砂浆击穿，盾尾间隙小的一侧管片会严重地拉擦尾密封刷，一段时间后更易被击穿，导致渗漏。停止掘进时，土舱内的泥水压力导致盾尾后退，造成盾尾刷刷毛反卷，密封性能下降，严重影响盾尾密封性能。

综上所述，目前在高水压大直径过江盾构隧道施工过程中，管片的施工及拼装工艺已较为完善，而盾尾密封脂的选取及注入管理、同步注浆管理、盾构机体的选型及掘进过程管理仍需根据现场实际情况进行精细控制。

2 高水压盾尾渗漏防治技术与措施

以南京地铁10号线过江隧道为工程背景，系统讨论高水压盾尾渗漏防治技术与措施，以供类似高水压大直径过江隧道工程参考。

2.1 工程概况

南京地铁10号线在江心洲站与滨江大道站中间风井区间穿越长江，是国内首条单洞双向大直径盾构过江地铁隧道，隧道外径11.2 m。采用的“穿越号”泥水平衡盾构机由德国海瑞克公司制造，型号为S-668，刀盘直径11.64 m。区间全长3 600 m，盾构主要穿越地层为：②-3d3-4层：粉砂、细砂，层厚1.5～16.2 m，含水率23.3%，重度19.5 kN/m3；②-4d1-2层：粉砂、细砂，层厚1.9～19.7 m，含水率24.5%，重度19.4 kN/m3；②-4b3-4层：粉质黏土，含水率32.7%，重度18.2 kN/m3；④-4e1层：卵石、圆砾、砾砂，层厚1.20～15.35 m；④-4b2-3：粉质黏土，含水率31.4%，重度19.0 kN/m3；④-4d1层：中砂、粗砂，层厚2.5～16.5 m，含水率22.1%，重度19.8 kN/m3。如此长距离、高水压、地质情况复杂的盾构掘进施工对盾尾刷的磨耗非常严重，必须加强对盾尾刷的保护，采取合理的盾尾渗漏防治技术与措施。

选取盾构顶进路线中点附近里程DK13+056.500 处一区间排水泵房所在位置作横断面图，其地层分布如图1所示。

图1 地层分布示意图Fig. 1 Schematic diagram of stratum distribution

2.2 盾尾密封脂的选取、涂抹及注入管理

2.2.1 密封脂的选取

南京地铁10号线过江隧道采用CONDAT优质WR89盾尾专用密封脂，具有良好特性：防水、抗蠕动，易泵送，可生物降解，适合作为高水压大直径过江隧道工程的盾尾密封脂。

2.2.2 密封脂的涂抹

密封脂须涂抹到位并保证涂抹后的稳定性，具体措施如下：在管片拼装前对盾尾刷手工多次逐步加厚涂抹密封脂，涂抹时分开钢板、钢丝和钢丝网，并在整道尾刷的根部涂抹尽可能多的密封脂。

2.2.3 密封脂的注入管理

注脂量需根据掘进速度进行调整，盾构始发期间适当加大注脂量。南京地铁10号线过江隧道密封脂注入模式采用由油缸伸长量控制，自掘进施工到隧道最低点以来油缸伸长量设置为220 mm，前、中、后三道密封脂注入点的注入间隔依次是5，3和1 s，实践证明这一设置合理。若切口压力、注浆压力加大，则相应减少油缸伸长量或缩短盾尾密封脂注入间隔，反之则进行相反的设置。结合实际的盾尾密封脂注入数据，给出几组盾尾密封脂注入量与切口压力的关系如表2所示。

每班手动补充1次密封脂，停机状态时进行，补注5～10 min，或补注至第3道尾刷压力达到高出水压力100～200 kPa。每环推进时观察盾尾情况，少许清水渗漏属正常现象，但一旦出现须加注盾尾密封脂。

表2 盾尾密封脂注入量参考值Table 2 Reference values of shield tail sealing grease injection

2.3 同步注浆管理

2.3.1 合理选择浆液

为了顺利地进行同步注浆，南京地铁10号线过江隧道工程同步注浆采用单液浆，每立方米浆液材料及配比为：黄沙1 250 kg，水350～450 L，水泥80 kg，添加剂5～8 kg。浆液的塌落度控制在100～120 mm，早期强度应约等于原状土，28 d长期强度：土层1.0～2.0 MPa，岩石3.0～4.0 MPa。具体情况可以根据地面沉降量进行调整。

2.3.2 浆液注入管理

由于压入衬砌背面的浆液发生收缩，实际注浆量往往超过脱出盾尾的管片与土体间出现的理论“建筑空隙”体积，所以采用较为有效的同步注浆法，通过管片注浆孔注浆。隧道施工使用的同步注浆搅拌设备，全部由计算机编制程序控制，采用6点注浆，以保证管片外侧注浆均匀。

同步注浆量要与掘进速度成正比，与实际情况相结合，以保护盾尾不渗漏为优先条件，避免某时间段内局部注浆量过大，造成注浆压力突增，发现注浆压力突增时应立即停止注浆，查明原因后减少压力剧增点位的注浆量。

注浆过程中以注浆量为参考，用注浆压力控制。注浆压力控制在1 MPa内，不应超过该处外部泥水压力，且不可超过盾尾密封脂的压力，这样可以有效地防止浆液进入盾尾刷，还可以防止盾尾被击穿引发渗漏。及时做注浆压力-注浆量-时间曲线，分析注浆效果，指导注浆。

2.4 盾构施工控制

2.4.1 管片的预制和安装

管片预制时提高管片外弧面的光滑、平整度并在拼装管片前检测，符合要求的才可以拼装；在管片上增加一条纵缝密封条；安装管片和同步注浆时应仔细检查，防止异物进入密封刷中。

2.4.2 盾构机体密封

南京地铁10号线过江隧道工程在盾构机相邻盾体块之间、盾体块和主轴承之间的连接法兰面部位加工了油脂通道，注入密封油脂封堵空腔，采取上述措施后再未发现这些连接部位渗漏泥浆。

盾尾选型，钢板束与注浆管的位置应合理安排，以真正起到有效的止浆作用，采用盾尾刷和一道钢板束，增加了最前段一道盾尾保护的弹性和强度，提高其保压效果。同时将此钢板设置为反翘，在注浆孔处开口，使浆液顺利注入，有效防止浆液反串。

南京地铁10号线过江隧道工程实际盾尾结构见图2，由四道密封刷和一道钢板刷组成盾尾密封系统。

图2 盾尾密封系统Fig. 2 Shield tail seal system

2.4.3 掘进施工控制

1)盾构始发。

洞圈预埋钢板上安置一个按照实测盾构外形制造的箱体结构，在此箱体内安装2道止水帘布橡胶圈和铰链板，并在预埋洞圈上安装2道钢丝刷涂满盾尾密封脂，以增强止水效果。

2)泥水压力控制。

当高水压大直径过江隧道工程选用泥水盾构机时，需严格控制泥水压力。本工程以自然状态下盾构机头部2/3高度处的压力作为土压，保证切口水压比土压高0.01～0.02 MPa，以此保持平衡，同时应避免排泥管道和土仓发生堵塞。通过气平衡系统控制切口水压，切口水压波动可以控制在-0.01～0.01 MPa以内。

推进过程中，保持泥水室水压稳定，每次调高水压后需进行试推进，确定盾尾无泥水逸漏后方可正式调高泥水压力，进行正常推进。

在管道发生堵塞或者泥水泵发生跳停时，应立即暂停掘进，通过旁路调节把压力卸掉，相应地逐步降低或者升高气泡仓压力。开挖面水压恢复正常后才能开始掘进。同时应加强泥水环流系统管道及泥浆泵的维护保养，确保掘进中泥浆泵工作正常。

3)盾构掘进姿态控制。

盾构姿态控制是个动态的过程，要求油缸伸长量、盾尾间隙、注浆量等相结合。严格控制管片拼装时的千斤顶伸缩量，避免盾构产生后退。在保证盾构机沿设计轴线掘进同时，及时根据VMT测量结果并结合人工测量，掌握盾尾间隙变化趋势，利用注浆量、油缸伸长量、管片转向等调节盾尾间隙，确保盾尾间隙均匀且大于45 mm。在盾构姿态较差时加大测量频率，并根据测量结果缓慢纠偏，杜绝短距离内大幅度纠偏造成盾构姿态突变，进而损坏盾尾刷。

3 盾尾刷更换止水方案

当盾尾刷磨损失去正常密封能力时，需要对部分盾尾刷进行更换。与常规环境更换盾尾刷不同，过江隧道多处于高压富水地层中，更换盾尾刷前需对地层止水加固，防止地下水涌入盾构尾部。

盾尾刷更换止水方案主要有旋喷法、化学注浆止水和冻结法止水。旋喷法在承压水中养护时间延长，有潜在不能成桩的危险，高水压过江隧道不采用。常规化学注浆法对地层要求高，需视地层条件进行改进才可使用。冻结法止水按冻结法制冷介质可分为盐水冻结止水和液氮冻结止水，按冻结管排布形式分为预制冻结管片冻结止水、管片上直接打孔冻结止水、盾构机尾部的冻结系统冻结止水和环形冻结加固止水。

3.1 止水方案比选

化学注浆止水、盐水冻结止水和液氮冻结止水方案的优缺点如表3所示。

表3 不同止水方案优缺点Table 3 Advantages and disadvantages of different schemes for stopping water

经比较，虽然化学注浆止水工期短，耗资低，但止水性差，尽管改进后的预制特殊管片注浆法弥补了常规注浆法的一些缺陷，但至今在高水压、强渗透地层中成功应用的工程实例极少，缺乏可靠的施工经验、参数，有待进一步研究。为保证高水压大直径过江隧道更换盾尾刷前盾尾止水的可靠性，应选择人工冻结法止水。以南京地铁10号线过江隧道工程为例，参考已有研究成果[13]，盐水冻结及液氮冻结经济性比较如下：

盾尾刷更换采用盐水冻结止水时，管片内冻结管长度为69.08 m，集配液圈长度初步定为50 m，则冻结管总长度为119.08 m，冻结时间为69 d。根据冻结制冷人工、材料消耗，冻结设备制作、安装及运转等项目，对盐水冻结法做初步概算，费用约为73万元，其中冻结运转费用最高，约为60万元。

盾尾刷更换采用液氮冻结止水时，液氮消耗量参照杭州庆春路过江隧道盾尾刷更换液氮用量，冻结时间为20 d，取每小时1.3 t，总用量为624 t。根据液氮充放、槽车使用、冻结设备制作、安装及运转等项目，对液氮冻结法做初步概算，费用约为148万元，其中液氮充放费用最高，约为94万元。

由以上分析可知，液氮冻结费用约为盐水冻结的2倍，而盐水冻结时间约为液氮冻结的3.5倍，从性价比及缩短工期方面考虑，高水压大直径过江隧道盾尾刷更换工程中，液氮冻结止水方案更优。

3.2 液氮冻结止水

3.2.1 液氮输送方式

采用液氮冻结止水时，对于大盾构隧道输送液氮的方式有液氮供用槽车长距离输送液氮及盾尾刷更换处直接使用液氮罐两种，其优缺点比较如表4所示。

表4 不同液氮输送方式优缺点Table 4 Advantages and disadvantages of different liquid nitrogen transport modes

3.2.2 冻结管布置方式

采用液氮冻结止水时，按冻结管的布置方式可分为预制管片冻结止水、管片上直接打孔冻结止水、盾构机尾部的冻结系统冻结止水和环形冻结加固止水。

1)预制冻结管片冻结止水。

预制冻结管片冻结止水是利用盾构壳体尾端预留的一个环形冻结管，与预制的一环特殊管片，两者同时作用以形成冻土帷幕的施工工艺。每块特殊管片中预埋π形的矩形截面冻结管，如图3所示。该管片的技术特点在于管片拼装后可通过软管连接相邻管片内的冻结管以构成环形整体冻结管，设置“盲管”增加了每根冻结管在管片内环向的长度，避免在管片连接处形成冻土帷幕的薄弱点，无需在管片上打孔导致管片耐久性下降。

图3 特殊管片中冻结管的埋设Fig. 3 Freezing pipes embedded in special segments

2)管片上直接打孔冻结止水。

管片上直接打孔冻结止水是在需要冻结处的管片上，沿圆周以半径方向放射状向隧道外打孔穿透管片布设冻结管，将低温盐水或液氮输入其中进行冻结,形成环状冻土帷幕的施工工艺，目前技术成熟、安全可靠，可应对突发性事故，但因冻结孔的施作对管片耐久性有一定影响，一般冻结管及测温孔布置如图4所示。

图4 冻结孔及测温孔布置图Fig. 4 Layout diagram of freezing holes and temperature measuring holes

3)盾构机尾部的冻结系统冻结止水。

盾构机尾部的冻结系统由南京林业大学发明[19]，在盾构机尾部直接置入冻结管形成冻结系统，包括液氮管路和冻结管，如图5所示(冻结管设于盾构壳体外侧)。当盾尾发生渗漏，盾尾刷磨损严重需要更换时，停止盾构推进，供氮设备进场，通过液氮分配器使管路中液氮进行循环，使盾尾土体冻结形成止水的冻结帷幕。该工法特点在于在盾尾预设冻结系统，无需在管片上打孔布设冻结管，也不需要制作特殊的冻结管片，不影响管片耐久性，且冻结止水操作便捷，工期短，应对突发性事故最及时，但增加了盾构机的建造难度。

图5 盾构机尾部的冻结系统Fig. 5 The freezing system at the tail of shield machine

4)环形冻结加固止水。

环形冻结加固止水结构见图6，由中铁时代建筑设计院有限公司发明[20]，利用专门施工设备，在需要更换盾尾刷位置的盾壳后土体中埋设1～2根冻结管，然后采用人工冻结方式使环形冻结管周围土体形成临时的环形冻土帷幕加固止水结构，在该结构保护下进行盾尾刷更换。该工法可应对突发性事故，打孔形式灵活多样，特点在于取代了沿着管片打孔布设一周冻结管的方法，只需在管片上布设1～2个冻结孔，对管片的结构耐久性造成的影响较小。