一種新型盾構始發洞門密封的設計和應用

（中鐵工程裝備集團技術服務有限公司，河南 鄭州 450000）

盾構始發是盾構施工中的重要工序，同時也是重大風險源。盾構始發階段，洞門可能會發生涌沙、透水、坍塌等風險，為此選擇有效的洞門密封結構對盾構始發至關重要。本文結合阿聯酋迪拜深排洪隧道項目施工過程中采用的一種新型洞門密封結構，探討此洞門密封結構特點及工序，為今后國內同類工程提供參考。

1 工程概述

阿聯酋迪拜深排洪主隧道項目處于迪拜JEBEL ALI 海岸區域，是2020 年世界博覽會場館配套市政工程。隧道全長約為10.5km,管片內徑為10m,埋深40～50m，隧道傾斜角為0.05%，包含5 個豎井，井口直徑為約21m，區間地質主要由砂巖和泥巖組成。奧地利PORR 與比利時BESIX 聯合體作為項目承包商負責施工，采用中鐵裝備制造的兩臺?11.03m 的土壓平衡盾構,其中TBM1 在豎井CS-5 始發向豎井CS-3 方向掘進，到達后拆機轉場再始發由CS5 向TPS 方向掘進；TBM2 在豎井CS-4 始發經過DS-3 向豎井CS-3 掘進。

豎井CS-4在施工過程中在接近40m深度時，豎井底部發生突水。水量約為70～80m3/h，給原本計劃采用新奧斯法施工的盾構始發隧道施工造成極大的困擾和風險。為降低風險等級同時加快施工進度，聯合體上報迪拜市政廳進行施工設計變更，取消原有80m 盾構始發隧道，TBM2 采用分體始發完成整個隧道掘進任務。但盾構分體始發同樣面臨突水造成的風險，并且豎井深而井口直徑小、渣土倒運、管片倒運等工序時間長，導致盾構施工進度緩慢。在盾構分體始發施工速度緩慢的情況下，如何在始發階段有效控制大量的突水造成的風險，洞門密封起著決定性作用。

2 洞門密封

2.1 傳統洞門密封形式及分析

1）簾幕橡膠法 簾幕橡膠法是采用厚鋼板制作的翻板和簾幕橡膠板組合而成的一種盾構始發臨時防水裝置（圖1）。在洞門鋼環外側懸掛簾布橡膠板安裝圓環板及翻板或鋼環內側加焊洞門鋼絲刷。盾構始發過程中，簾幕板和盾體及管片外側接觸形成密封腔，阻止水土流失，此方法使用方便，價格低廉，在國內普遍使用。

2）止漿袋法 止漿袋密封技術，原理是盾構始發前將止漿袋安裝鋼環內側，待盾體全部進洞后灌入早強砂漿，使得止漿袋膨脹填充鋼環與管片間隙達到密封效果（圖2）。止漿袋法有結構簡單、安裝方便、密封和承載能力強等優點，在歐洲市場普遍采用的洞門密封方法。

3）適應性分析 根據設計圖紙可知，洞門鋼環與盾體外側半徑方向間隙為165mm;尾盾外側與管片外側半徑方向間隙為150mm，洞門鋼環與管片外側半徑方向間隙為315mm。因突水量大而且水壓力高，在刀盤破土之前，必須保證洞門鋼環和盾體之間良好的密封性，因此單純的止漿袋法已不適應。

圖1 簾幕橡膠法

圖2 止漿袋法

若采用簾幕橡膠法，簾幕板在尾盾外側與管片外側過渡的過程中，可能因盾構姿態不正等導致密封不嚴，并且TBM 分體始發工序時間長，施工進速度緩慢，若不能有效密封洞門，可能導致出現涌水溜渣的風險發生，為此必須選擇既能起到密封洞門與盾體間隙，又能密封洞門與管片間隙，并且能有效克服推進速度緩慢情況下能夠平穩過的一種洞門密封結構。

2.2 新型洞門密封

該密封結構由3 道橡膠唇形密封和止漿袋組成（圖3）。唇形密封作為尾盾未完全脫離洞門前，盾構在向前推進過程中洞門鋼環與盾體外側的動態密封裝置。兩道道密封之間設有油脂注入口，可以向密封腔內注入油脂形成一定的壓力，從而抵消前部的水土壓力。合理設置密封之間的間距，確保唇形密封在尾盾外側與管片外側過渡時，為止漿袋留有足夠的作業時間。止漿袋密封作為尾盾脫離唇形密封后，洞門鋼環與管片外側的靜態密封裝置。通過鋼環預留砂漿注入口，向袋內注入一定配合比的砂漿，使其膨脹建立一定的壓力緊貼管片外側。待砂漿完全凝固后，利用盾構同步注漿來封堵洞門，止漿袋及閘門板配合起到密封作用。

圖3 新型洞門密封結構圖

1）唇形密封 選擇依據：刀盤半徑R5 525mm，前盾半徑R5 510mm，中盾半徑R5 505mm，尾盾半徑?5 500mm,前盾和尾盾半徑差為10mm,唇形密封必須一定范圍內的有效區間才能在前盾、中盾、尾盾位置均有良好的密封性。參數介紹：唇形密封唇口自由狀態下半徑R5 415mm,工作區間為90mm(±45mm),有效區間為90mm（圖4）,使得前盾、中盾、尾盾半徑均處于有效的工作區間范圍內。

圖4 唇形密封關鍵尺寸

2）止漿袋 選擇依據：洞門鋼環和尾盾外側間隙165m，與尾盾外側與管片間隙150mm，共計315mm，同步注漿要最大為6bar。依據廠家提供的抗壓與內襯間隙圖，選擇?800mm滿足要求。

3 施工工序

3.1 洞門密封安裝

1）密封鋼環地面拼裝 因洞門鋼環為分4 塊到貨，為保障洞門鋼環的安裝質量需要在地面進行拼裝焊接并校準圓度及水平度。

2）唇形密封安裝 采用M12×190 的10.9級螺栓固定安裝，利用10mm 的鋼板作為壓條將密封壓實固定在密封槽中，3 道密封采用由下到上依次安裝，按力矩要求將螺栓固定好，注意打磨平鋼環接茬位置的焊縫（圖5）。

3）止漿袋安裝 安裝時應先固定頂部沿著兩側向底部安裝，完成后用在止漿袋上鋪蓋2mm 的薄鋼板作為防護板對止漿袋進行保護，防止在被盾體推進過程中摩擦造成損壞（圖6）。

4）其他事項 閘門板安裝固定并處于打開狀態，并將止漿袋位置注漿閥門安裝到位，注漿設備和管路連接完成。唇形密封的油脂注入接口清理干凈，并將管路、油脂泵連接好。

圖5 唇形密封安裝

圖6 止漿袋安裝

3.2 盾體密封

合理的選擇始發架和洞門鋼環之間的距離，確保在組裝過程中主機的重心不在洞門鋼環上。將盾體外側的焊接割疤，修正打磨平整，并在唇形密封上涂抹的潤滑油脂，避免盾體對唇形密封造成損傷。

前盾切口環進入第1 道唇形密封位置，開啟油脂泵向第1 道和第2 道唇密封腔注入盾尾油脂，根據理論注入量，對密封間隙進行填充。

刀盤破洞門向推進過程中，觀察唇形密封和盾體之間的泄露情況，并通過調整油脂注入量來控制密封腔的壓力，確保與刀盤前水土壓力平衡。

3.3 管片密封階段

盾構向前推進，尾盾尾部位置脫離止漿袋后，通過地面注漿設備向止漿袋內灌入一定配比的砂漿，根據以往經驗砂漿配備比例為水灰比0.5，其中灰由25%的水泥和75%粉煤灰調制砂漿。注漿工序如下：①注漿前檢查：將防護板取出，并檢查管片空隙之間是否清潔；②注漿系統調試：推進使用廠家推薦的螺桿泵，壓力不高于6bar；③注漿順序：從底部開始，作業對稱注入，每個注入孔分多次間歇注入，并觀察注入壓力；④注漿結果檢驗：當各個孔的注入壓力均到達6bar，檢查止漿袋是否完全充滿，對存在褶皺的部位用光滑的工具將其舒展，并注意不要造成損壞；⑤下放閘門板：當止漿袋全部充實后，下放閘門板，并將螺栓緊固好(圖7)。

3.4 洞門封堵階段

圖7 止漿袋封堵洞門

止漿袋內的砂漿凝固后，盾構繼續向前推進1 環時，開啟盾構同步注漿系統，來封堵洞門檢驗洞門密封效果。同步注漿壓力控制不高于6bar,控制每環注漿量在20m3。

在實際應用中，同步注漿實際注入量和理論注入量相近，洞門密封完好，未發生涌水等現象，地面未發生沉降。唇形密封效果良好，盾體和洞門之間未發生泄露，止漿袋密封效果同樣取得良好的密封效果。

4 結論

本文以迪拜深排洪隧道項目為背景，富水地層分體始發風險分析、洞門密封的選擇、施工工序闡述了新型組合洞門密封成功應用，得出以下相關結論。

1）對富水量大的盾構始發洞門封采用唇形密封和止漿袋的組合方式能夠有效地克服突水、涌水帶來的風險。

2）唇形密封和止漿袋合成的組合洞門密封，可以提前工廠預制，現場安裝簡單快捷等特點，可以為項目節約工期。