湛江灣跨海盾構隧道工程管片安裝工藝探索

馮中慶

摘 要：結合目前正在施工的跨海盾構隧道工程，針對在盾構掘進過程中拼裝管片產生的崩角現象進行研究，探索如何在技術層面上確保盾構管片在拼裝過程中的完整性。

關鍵詞：跨海盾構隧道；盾構管片；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，由東海島盾構工作井始發，橫穿海底，到達南三島盾構工作井解體吊出，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%。東海島側布置有始發井，內徑16.5m，井深28.5m；南山島布置有接收井，內徑16.0m，井深47m。

1.2 盾構機基本情況

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

1.3 管片設計

隧道管片內徑5.1m、外徑6.0m，環寬1.5m，厚度450mm，最大楔形量38mm，管片強度等級C55，抗滲等級P12。每環管片由一個封頂快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。管片環縫設置有凹凸鍵槽，縱縫設置有Ф50定位棒，長650mm。管片環縱縫設計寬度2mm，接縫采用內外側兩道三元乙丙密封墊壓縮止水。

2 管片安裝工序和設計要求

2.1 管片構造設計

（1）工程結構的安全等級按一級考慮；（2）盾構隧道建筑物設計基準期為100年；（3）結構抗震設防烈度為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）結構抗浮安全系數施工期不小于1.05；運營階段不小于1.10；（6）盾構法區間隧道結構防火等級為一級；（7）盾構法區間隧道結構防水等級為二級。

2.2 管片制作要求

（1）管片制作應符合《鋼筋混凝土施工及驗收規范》、《盾構法隧道施工與驗收規范》及《地下防水工程質量驗收規范》的有關規定。（2）管片生產前，應對鋼模誤差進行檢測，若不合標準需進行校正。在管片生產過程中，也應按相關規定對模具進行中檢和維修保養。（3）為保證管片的防水、拼裝及結構受力需要，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100環管片應抽檢三環作水平拼裝檢驗，三環水平拼裝允許誤差環縫間隙2.0mm，縱縫間隙2.0mm，成環后內徑±2.0mm，成環后外徑±2.0mm，環、縱向螺栓孔全部穿進D孔-d螺<2.0mm。（4）管片脫模后，應在管片縱縫面易見位置印制代表生產日期、制造編號及管片分塊號等不易被抹掉的標記。（5）管片表面應密實、光潔、平整、邊棱完整無缺損；在貯存和運送過程中應對管片采取有效的保護措施；管片拼裝前，應嚴格檢查，確保密封墊溝槽及平面轉角處沒有剝落缺損。（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，具體配合比根據試驗確定。

2.3.2 本區間為地下海水環境，管片混凝土摻入抗海水腐蝕添加劑。

2.3.3 跨海盾構管片外壁和內壁均進行涂料防護。管片外壁涂料為兩層，底層為環氧密封底漆（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面（環、縱縫面）。管片內壁涂料為兩層，底層為環氧密封底漆（1道高壓無氣噴涂50μm），加面層環氧云鐵防銹漆（2道高壓無氣噴涂160μm）。涂防腐防水材料前，需對混凝土結構表面進行清潔，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。涂裝前混凝土應充分干燥，含水率<8%。涂裝工作應在溫度10～40℃下進行，相對濕度85%以下。每道涂裝后應檢查涂膜外觀質量，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用技術導則》DB44/T 566-2008中的有關規定執行。

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 按有關規定嚴格控制混凝土中Cl-的含量，最大Cl-含量≤0.015%，不應使用氯鹽做外加劑，外加劑中氯離子含量不應大于外加劑干重的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、石應符合《地下工程防水技術規范》第4.1.8條、第4.1.9條的相關規定。

2.3.9 管片蒸氣養護的最高溫度應不超過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℃。混凝土的表面溫度與中心溫度的差值不得大于20℃。混凝土降溫速度應低于3℃/d。非泵送混凝土的塌落度應滿足相應規范。

2.4 接縫防水

2.4.1 管片采用高精度管模制作，以確保管片環的拼裝精度。

2.4.2 管片生產中可采用人工振搗，但須確保混凝土密實，以滿足抗滲等級的要求。

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

2.4.4 盾構機千斤頂的布置間距、施工中頂推力應盡量均勻，管片在拼裝過程中的環面應盡量平整，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生的裂縫。

2.4.5 管片在使用期間應滿足強度、抗裂要求，最大裂縫寬度外側不大于0.1mm，內側0.15mm，且不得有貫穿裂縫。

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

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

2.4.8 管片密封墊應滿足在設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不大于等于密封墊的截面積，當環縫張開量為8mm時，密封墊可完全壓入儲于密封墊溝槽內。其關系符合下式規定：

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特性通過阿累尼烏斯公式推斷百年的應力松弛量，控制應力松弛量≤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%），與反復干濕循環下拉伸強度、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設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 嵌縫作業必須在盾構千斤頂影響范圍外及隧道穩定后進行。

2.4.16 管片在使用期間用做注漿的吊裝孔應用微膨脹水泥封堵。

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 盾構管片接縫

3.1 各環彈性密封墊應在工廠加工成菱角分明的框型橡膠圈。

3.2 封頂快兩側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需設置尼龍繩，以限制插入時橡膠條的延伸。

3.3 在管片密封墊溝槽內涂刷單組份氯丁-酚醛粘結劑。涂刷前，管片表面應干燥，涂刷時粘結劑應均勻，密封墊溝槽內應滿涂。

3.4 粘結劑涂刷后，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聳肩、塌肩現象，整個密封墊表面應在同一平面上，嚴禁歪斜、扭曲。

3.6 管片在粘貼裝設密封墊12h內，不得送井下拼裝。

3.7 封頂塊兩側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粘貼處分別涂刷單組份氯丁-酚醛粘結劑。涂刷前，軟木襯墊及管片表面應干燥，涂刷時粘結劑應均勻。

3.10 粘結劑涂刷后，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 管片設置有定位棒，安裝后不得出現脫膠、翹邊、歪斜等現象。

3.12 螺孔防水：管片肋腔的螺孔應放置錐形倒角的螺孔密封圈溝槽。螺孔密封圈的外形應與溝槽相匹配，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。螺栓密封圈應是合成橡膠，水膨脹橡膠制品。

4 管片安裝中出現的問題及對策

在盾構管片安裝至10環以后，出現了比較集中的管片崩角現象，嚴重威脅到整個隧道的質量和安全。崩角情況長度在80～120mm，寬度40～60mm，厚度20～35mm范圍，呈現三角形狀，崩角部位無規律性，最小間隔2環，最大間隔14環，破壞厚度在外部表層20～35mm范圍轉角處，原因分析，橡膠止水帶在生產過程中為增大轉角處拉力直徑增大5～8mm，造成受力不均勻現象，局部應力集中，通過研究分析，決定通過增加管片之間的橡膠墊片的數量來解決管片崩角的問題，經過實踐，在以后的管片安裝過程中再也沒有出現管片崩角的現象，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生了微小的增大效果，對整個隧道的安全不構成威脅；同時保證止水效果。（2）增加管片之間的橡膠墊片的數量，緩解了隧道掘進過程中產生的作用力對管片的壓力，局部應力集中得到釋放，從而避免了崩角現象的產生。

5 結束語

通過以上的分析，在隧道掘進過程中產生的管片崩角現象，通過增加管片之間的橡膠墊片膨脹系數應力集中得到可以很好的解決。框型橡膠圈的制造在生產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范[S].

[2]盾構法隧道施工與驗收規范[S].

[3]地下防水工程質量驗收規范[S].