高水壓大直徑過江隧道盾尾滲漏防治研究

陳馳，楊平

(南京林業大學土木工程學院，南京 210037)

越江跨海交通隧道工程中，盾構機處于高水壓地層中，盾尾滲漏防治與控制是一個施工難點。無論土壓平衡盾構機或泥水平衡盾構機，在長距離連續掘進中，由于種種原因，盾構機尾部可能出現不同程度的滲水、滲泥漿等現象，如果盾尾漏漿嚴重，將導致切口水壓下降，刀盤前方土體失穩，并且隧道內將大量淤積泥漿，若抽排不及時，將造成盾構機被淹沒。因此，如何防治與控制盾尾滲漏問題是盾構隧道施工中的一個關鍵課題。

部分學者研究了盾尾滲漏主要是由于盾尾刷安裝不科學、管片組裝不當、背填注漿不利、盾尾密封脂量和壓力不足、盾構施工工藝不到位、盾尾刷損壞等原因造成的[1-6]。例如王志成[7]提出了大直徑盾構組裝連接的縫隙也會導致盾尾滲漏；顧解楨[8]研究了承壓含水層中預防盾尾滲漏油脂管路及壓注技術的改進。前人對盾尾滲漏原因做了詳細的分析，但針對每一原因而需采取的預防措施研究較少，各施工參數不明確，也未形成系統的防治技術，需加強高水壓大直徑過江隧道盾尾滲漏與預防技術的研究。

盾尾一旦因盾尾刷磨損而發生滲漏，需及時密封盾尾止水，進而更換盾尾刷。目前越江跨海隧道工程盾尾刷更換止水方案主要有化學注漿止水和凍結法止水[9-13]。高水壓下普通注漿法適用性很差，改進后采用預制特殊管片的化學注漿法有成功應用的案例[14-15]。凍結止水是目前應用最廣泛的盾尾刷更換止水方案，按凍結管布置方式可分為預制管片凍結止水[16]、管片上直接打孔凍結止水[8,17-19]、盾構機尾部的凍結系統凍結止水[20]及環形凍結加固止水[21]。各種方案的施工方法與特點各不相同，前人未系統地對比研究，需視地層條件、工期、經濟性等因素合理選用。

為預防盾尾滲漏，本研究系統分析了盾尾滲漏的原因，并針對每一原因給出了具體防治技術工藝與參數，為高水壓大直徑隧道工程盾尾防滲提供參考依據；為研究盾尾滲漏后如何密封止水以更換盾尾刷，經對比研究推薦液氮凍結止水法，列出了不同液氮輸送方式及凍結管布置方式的優缺點，可供不同工程條件的凍結方案設計參考。

1 盾尾滲漏原因分析

1.1 盾尾密封脂的缺失

盾尾密封脂是盾尾密封的重要組成部分，如盾尾密封脂的選取、涂抹和注入不當將導致盾尾密封不足，盾尾極易出現滲漏現象。選取密封脂時應首先保證泵送性能良好，應采用高黏度、高稠度、非下墜的盾尾密封脂，密封脂的涂抹是盾尾密封的重要環節，涂抹不到位或涂抹后的穩定性得不到保證均會造成盾尾密封質量的下降。

盾尾密封脂注入系統的控制模式有壓力控制、行程控制和壓力行程控制3種模式，可根據現場工程情況和施工條件選取，但都應保證在盾構掘進前開啟盾尾密封脂泵，避免影響盾尾密封效果。

1.2 同步注漿控制不當

同步注漿是在盾尾間隙形成的同時立即注漿，使漿液及時填充盾尾間隙，飽滿和均勻的砂漿則會形成對盾尾的第一道保護，若控制不當，會降低盾尾抗滲性能。

1.2.1 漿液的選擇

漿液選擇或配比不當造成滲漏的原因有：

1)漿液和易性差易離析滲透到地層中、凝結收縮量大、雙液漿過早初凝或混合不充分而流失等原因導致漿液未能有效填充盾尾間隙。

2)漿液流動性太好，導致管片最重要的頂部無漿液填充。

3)坍落度過低、泵送性差，易發生堵管現象，并導致注漿量不足；坍落度過高，會導致初凝時間過長，砂漿強度偏低。兩種情況均會造成盾尾從管片脫離后管片的錯臺。

1.2.2 注漿方式的選擇

當采用同步注漿時，可選取通過盾尾注漿孔注漿和通過管片注漿孔注漿兩種方式。2種注漿方式的優缺點如表1所示，施工時應根據工程情況和施工條件具體確定。

表1 2種注漿方式的比較Table 1 Comparisons between two grouting ways

1.2.3 注漿壓力和注漿量控制

注漿量過大可能擊穿盾尾，過小會導致盾尾從管片脫離后管片錯臺，進而導致盾尾刷磨損引起盾尾滲漏。同理，注漿壓力過大，可能會擊穿盾尾，過小則不能讓飽滿和均勻的砂漿形成對盾尾的第一道保護，從而造成盾尾滲漏。因此，需要嚴格控制這兩個參數。

1.3 盾構施工控制不當

盾構施工是一個動態的過程，如果施工過程中任一個環節的細節控制沒有實施到位，就極易對盾尾產生不利影響，埋下安全隱患。

1.3.1 管片原因

在施工過程中管片變形、管片錯臺和管片破裂均易造成盾尾滲漏。由于過江隧道中心埋深很大，填充在管片外環面縱向縫隙中的盾尾密封脂可能會無法承受逐漸上升的泥水或砂漿壓力，從而被擊穿。管片澆筑和安裝施工過程是否精細也是盾尾滲漏的影響因素，大直徑過江隧道盾構施工中，應控制管片錯臺量在5 mm以內，以防造成管片滲漏。

1.3.2 盾構機體原因

大直徑盾構機盾體部分由較多盾體塊現場拼裝而成，相鄰盾體塊之間、盾體塊和主軸承之間的連接法蘭面不能完全密貼，也會致使開挖艙的泥漿通過間隙涌入到盾體的后部。

另外，盾尾刷的整體耐壓能力不足、選型不當或工作狀態不良也會降低盾尾密封質量。

1.3.3 掘進施工原因

高水壓大直徑過江隧道工程若采用泥水盾構機，因為泥水倉與盾尾是連通的，所以掘進過程中泥水倉各參數的合理設定對預防盾尾滲漏極為重要。如管理不當，則會出現下列情況導致盾尾滲漏：

1)開挖面泥水壓力設定值過高或切削下來的巖塊堵塞排泥管道時，盾尾刷抗壓能力不足會被擊穿。

2)泥水質量不高，造成盾構在高比重、低黏度的情況下推進，泥漿很容易后竄至盾尾。需對泥水指標如黏度、比重等進行控制。

3)掘進過程中盾構機姿態向軸線某一側偏離或糾偏過急(大直徑盾構沒有盾尾鉸接裝置)時，盾尾間隙大的一側容易被外部的泥水或砂漿擊穿，盾尾間隙小的一側管片會嚴重地拉擦尾密封刷，一段時間后更易被擊穿，導致滲漏。停止掘進時，土艙內的泥水壓力導致盾尾后退，造成盾尾刷刷毛反卷，密封性能下降，嚴重影響盾尾密封性能。

綜上所述，目前在高水壓大直徑過江盾構隧道施工過程中，管片的施工及拼裝工藝已較為完善，而盾尾密封脂的選取及注入管理、同步注漿管理、盾構機體的選型及掘進過程管理仍需根據現場實際情況進行精細控制。

2 高水壓盾尾滲漏防治技術與措施

以南京地鐵10號線過江隧道為工程背景，系統討論高水壓盾尾滲漏防治技術與措施，以供類似高水壓大直徑過江隧道工程參考。

2.1 工程概況

南京地鐵10號線在江心洲站與濱江大道站中間風井區間穿越長江，是國內首條單洞雙向大直徑盾構過江地鐵隧道，隧道外徑11.2 m。采用的“穿越號”泥水平衡盾構機由德國海瑞克公司制造，型號為S-668，刀盤直徑11.64 m。區間全長3 600 m，盾構主要穿越地層為：②-3d3-4層：粉砂、細砂，層厚1.5～16.2 m，含水率23.3%，重度19.5 kN/m3；②-4d1-2層：粉砂、細砂，層厚1.9～19.7 m，含水率24.5%，重度19.4 kN/m3；②-4b3-4層：粉質黏土，含水率32.7%，重度18.2 kN/m3；④-4e1層：卵石、圓礫、礫砂，層厚1.20～15.35 m；④-4b2-3：粉質黏土，含水率31.4%，重度19.0 kN/m3；④-4d1層：中砂、粗砂，層厚2.5～16.5 m，含水率22.1%，重度19.8 kN/m3。如此長距離、高水壓、地質情況復雜的盾構掘進施工對盾尾刷的磨耗非常嚴重，必須加強對盾尾刷的保護，采取合理的盾尾滲漏防治技術與措施。

選取盾構頂進路線中點附近里程DK13+056.500 處一區間排水泵房所在位置作橫斷面圖，其地層分布如圖1所示。

圖1 地層分布示意圖Fig. 1 Schematic diagram of stratum distribution

2.2 盾尾密封脂的選取、涂抹及注入管理

2.2.1 密封脂的選取

南京地鐵10號線過江隧道采用CONDAT優質WR89盾尾專用密封脂，具有良好特性：防水、抗蠕動，易泵送，可生物降解，適合作為高水壓大直徑過江隧道工程的盾尾密封脂。

2.2.2 密封脂的涂抹

密封脂須涂抹到位并保證涂抹后的穩定性，具體措施如下：在管片拼裝前對盾尾刷手工多次逐步加厚涂抹密封脂，涂抹時分開鋼板、鋼絲和鋼絲網，并在整道尾刷的根部涂抹盡可能多的密封脂。

2.2.3 密封脂的注入管理

注脂量需根據掘進速度進行調整，盾構始發期間適當加大注脂量。南京地鐵10號線過江隧道密封脂注入模式采用由油缸伸長量控制，自掘進施工到隧道最低點以來油缸伸長量設置為220 mm，前、中、后三道密封脂注入點的注入間隔依次是5，3和1 s，實踐證明這一設置合理。若切口壓力、注漿壓力加大，則相應減少油缸伸長量或縮短盾尾密封脂注入間隔，反之則進行相反的設置。結合實際的盾尾密封脂注入數據，給出幾組盾尾密封脂注入量與切口壓力的關系如表2所示。

每班手動補充1次密封脂，停機狀態時進行，補注5～10 min，或補注至第3道尾刷壓力達到高出水壓力100～200 kPa。每環推進時觀察盾尾情況，少許清水滲漏屬正常現象，但一旦出現須加注盾尾密封脂。

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

2.3 同步注漿管理

2.3.1 合理選擇漿液

為了順利地進行同步注漿，南京地鐵10號線過江隧道工程同步注漿采用單液漿，每立方米漿液材料及配比為：黃沙1 250 kg，水350～450 L，水泥80 kg，添加劑5～8 kg。漿液的塌落度控制在100～120 mm，早期強度應約等于原狀土，28 d長期強度：土層1.0～2.0 MPa，巖石3.0～4.0 MPa。具體情況可以根據地面沉降量進行調整。

2.3.2 漿液注入管理

由于壓入襯砌背面的漿液發生收縮，實際注漿量往往超過脫出盾尾的管片與土體間出現的理論“建筑空隙”體積，所以采用較為有效的同步注漿法，通過管片注漿孔注漿。隧道施工使用的同步注漿攪拌設備，全部由計算機編制程序控制，采用6點注漿，以保證管片外側注漿均勻。

同步注漿量要與掘進速度成正比，與實際情況相結合，以保護盾尾不滲漏為優先條件，避免某時間段內局部注漿量過大，造成注漿壓力突增，發現注漿壓力突增時應立即停止注漿，查明原因后減少壓力劇增點位的注漿量。

注漿過程中以注漿量為參考，用注漿壓力控制。注漿壓力控制在1 MPa內，不應超過該處外部泥水壓力，且不可超過盾尾密封脂的壓力，這樣可以有效地防止漿液進入盾尾刷，還可以防止盾尾被擊穿引發滲漏。及時做注漿壓力-注漿量-時間曲線，分析注漿效果，指導注漿。

2.4 盾構施工控制

2.4.1 管片的預制和安裝

管片預制時提高管片外弧面的光滑、平整度并在拼裝管片前檢測，符合要求的才可以拼裝；在管片上增加一條縱縫密封條；安裝管片和同步注漿時應仔細檢查，防止異物進入密封刷中。

2.4.2 盾構機體密封

南京地鐵10號線過江隧道工程在盾構機相鄰盾體塊之間、盾體塊和主軸承之間的連接法蘭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發現這些連接部位滲漏泥漿。

盾尾選型，鋼板束與注漿管的位置應合理安排，以真正起到有效的止漿作用，采用盾尾刷和一道鋼板束，增加了最前段一道盾尾保護的彈性和強度，提高其保壓效果。同時將此鋼板設置為反翹，在注漿孔處開口，使漿液順利注入，有效防止漿液反串。

南京地鐵10號線過江隧道工程實際盾尾結構見圖2，由四道密封刷和一道鋼板刷組成盾尾密封系統。

圖2 盾尾密封系統Fig. 2 Shield tail seal system

2.4.3 掘進施工控制

1)盾構始發。

洞圈預埋鋼板上安置一個按照實測盾構外形制造的箱體結構，在此箱體內安裝2道止水簾布橡膠圈和鉸鏈板，并在預埋洞圈上安裝2道鋼絲刷涂滿盾尾密封脂，以增強止水效果。

2)泥水壓力控制。

當高水壓大直徑過江隧道工程選用泥水盾構機時，需嚴格控制泥水壓力。本工程以自然狀態下盾構機頭部2/3高度處的壓力作為土壓，保證切口水壓比土壓高0.01～0.02 MPa，以此保持平衡，同時應避免排泥管道和土倉發生堵塞。通過氣平衡系統控制切口水壓，切口水壓波動可以控制在-0.01～0.01 MPa以內。

推進過程中，保持泥水室水壓穩定，每次調高水壓后需進行試推進，確定盾尾無泥水逸漏后方可正式調高泥水壓力，進行正常推進。

在管道發生堵塞或者泥水泵發生跳停時，應立即暫停掘進，通過旁路調節把壓力卸掉，相應地逐步降低或者升高氣泡倉壓力。開挖面水壓恢復正常后才能開始掘進。同時應加強泥水環流系統管道及泥漿泵的維護保養，確保掘進中泥漿泵工作正常。

3)盾構掘進姿態控制。

盾構姿態控制是個動態的過程，要求油缸伸長量、盾尾間隙、注漿量等相結合。嚴格控制管片拼裝時的千斤頂伸縮量，避免盾構產生后退。在保證盾構機沿設計軸線掘進同時，及時根據VMT測量結果并結合人工測量，掌握盾尾間隙變化趨勢，利用注漿量、油缸伸長量、管片轉向等調節盾尾間隙，確保盾尾間隙均勻且大于45 mm。在盾構姿態較差時加大測量頻率，并根據測量結果緩慢糾偏，杜絕短距離內大幅度糾偏造成盾構姿態突變，進而損壞盾尾刷。

3 盾尾刷更換止水方案

當盾尾刷磨損失去正常密封能力時，需要對部分盾尾刷進行更換。與常規環境更換盾尾刷不同，過江隧道多處于高壓富水地層中，更換盾尾刷前需對地層止水加固，防止地下水涌入盾構尾部。

盾尾刷更換止水方案主要有旋噴法、化學注漿止水和凍結法止水。旋噴法在承壓水中養護時間延長，有潛在不能成樁的危險，高水壓過江隧道不采用。常規化學注漿法對地層要求高，需視地層條件進行改進才可使用。凍結法止水按凍結法制冷介質可分為鹽水凍結止水和液氮凍結止水，按凍結管排布形式分為預制凍結管片凍結止水、管片上直接打孔凍結止水、盾構機尾部的凍結系統凍結止水和環形凍結加固止水。

3.1 止水方案比選

化學注漿止水、鹽水凍結止水和液氮凍結止水方案的優缺點如表3所示。

表3 不同止水方案優缺點Table 3 Advantages and disadvantages of different schemes for stopping water

經比較，雖然化學注漿止水工期短，耗資低，但止水性差，盡管改進后的預制特殊管片注漿法彌補了常規注漿法的一些缺陷，但至今在高水壓、強滲透地層中成功應用的工程實例極少，缺乏可靠的施工經驗、參數，有待進一步研究。為保證高水壓大直徑過江隧道更換盾尾刷前盾尾止水的可靠性，應選擇人工凍結法止水。以南京地鐵10號線過江隧道工程為例，參考已有研究成果[13]，鹽水凍結及液氮凍結經濟性比較如下：

盾尾刷更換采用鹽水凍結止水時，管片內凍結管長度為69.08 m，集配液圈長度初步定為50 m，則凍結管總長度為119.08 m，凍結時間為69 d。根據凍結制冷人工、材料消耗，凍結設備制作、安裝及運轉等項目，對鹽水凍結法做初步概算，費用約為73萬元，其中凍結運轉費用最高，約為60萬元。

盾尾刷更換采用液氮凍結止水時，液氮消耗量參照杭州慶春路過江隧道盾尾刷更換液氮用量，凍結時間為20 d，取每小時1.3 t，總用量為624 t。根據液氮充放、槽車使用、凍結設備制作、安裝及運轉等項目，對液氮凍結法做初步概算，費用約為148萬元，其中液氮充放費用最高，約為94萬元。

由以上分析可知，液氮凍結費用約為鹽水凍結的2倍，而鹽水凍結時間約為液氮凍結的3.5倍，從性價比及縮短工期方面考慮，高水壓大直徑過江隧道盾尾刷更換工程中，液氮凍結止水方案更優。

3.2 液氮凍結止水

3.2.1 液氮輸送方式

采用液氮凍結止水時，對于大盾構隧道輸送液氮的方式有液氮供用槽車長距離輸送液氮及盾尾刷更換處直接使用液氮罐兩種，其優缺點比較如表4所示。

表4 不同液氮輸送方式優缺點Table 4 Advantages and disadvantages of different liquid nitrogen transport modes

3.2.2 凍結管布置方式

采用液氮凍結止水時，按凍結管的布置方式可分為預制管片凍結止水、管片上直接打孔凍結止水、盾構機尾部的凍結系統凍結止水和環形凍結加固止水。

1)預制凍結管片凍結止水。

預制凍結管片凍結止水是利用盾構殼體尾端預留的一個環形凍結管，與預制的一環特殊管片，兩者同時作用以形成凍土帷幕的施工工藝。每塊特殊管片中預埋π形的矩形截面凍結管，如圖3所示。該管片的技術特點在于管片拼裝后可通過軟管連接相鄰管片內的凍結管以構成環形整體凍結管，設置“盲管”增加了每根凍結管在管片內環向的長度，避免在管片連接處形成凍土帷幕的薄弱點，無需在管片上打孔導致管片耐久性下降。

圖3 特殊管片中凍結管的埋設Fig. 3 Freezing pipes embedded in special segments

2)管片上直接打孔凍結止水。

管片上直接打孔凍結止水是在需要凍結處的管片上，沿圓周以半徑方向放射狀向隧道外打孔穿透管片布設凍結管，將低溫鹽水或液氮輸入其中進行凍結,形成環狀凍土帷幕的施工工藝，目前技術成熟、安全可靠，可應對突發性事故，但因凍結孔的施作對管片耐久性有一定影響，一般凍結管及測溫孔布置如圖4所示。

圖4 凍結孔及測溫孔布置圖Fig. 4 Layout diagram of freezing holes and temperature measuring holes

3)盾構機尾部的凍結系統凍結止水。

盾構機尾部的凍結系統由南京林業大學發明[19]，在盾構機尾部直接置入凍結管形成凍結系統，包括液氮管路和凍結管，如圖5所示(凍結管設于盾構殼體外側)。當盾尾發生滲漏，盾尾刷磨損嚴重需要更換時，停止盾構推進，供氮設備進場，通過液氮分配器使管路中液氮進行循環，使盾尾土體凍結形成止水的凍結帷幕。該工法特點在于在盾尾預設凍結系統，無需在管片上打孔布設凍結管，也不需要制作特殊的凍結管片，不影響管片耐久性，且凍結止水操作便捷，工期短，應對突發性事故最及時，但增加了盾構機的建造難度。

圖5 盾構機尾部的凍結系統Fig. 5 The freezing system at the tail of shield machine

4)環形凍結加固止水。

環形凍結加固止水結構見圖6，由中鐵時代建筑設計院有限公司發明[20]，利用專門施工設備，在需要更換盾尾刷位置的盾殼后土體中埋設1～2根凍結管，然后采用人工凍結方式使環形凍結管周圍土體形成臨時的環形凍土帷幕加固止水結構，在該結構保護下進行盾尾刷更換。該工法可應對突發性事故，打孔形式靈活多樣，特點在于取代了沿著管片打孔布設一周凍結管的方法，只需在管片上布設1～2個凍結孔，對管片的結構耐久性造成的影響較小。

圖6 環形凍結加固止水結構Fig. 6 Reinforcement and water-stop structure of ring-shaped freezing

采用液氮凍結止水時，不同凍結管布置方式優缺點及適用條件如表5所示。

表5 不同凍結管布置方式優缺點Table 5 Advantages and disadvantages of different arrangements of freezing pipes

4 結 論

1)盾尾密封脂的缺失、同步注漿控制不當、盾構施工控制不當是高水壓大直徑過江隧道盾尾滲漏的主要原因。

2)高水壓大直徑過江隧道盾尾密封脂可選用WR89，采用由油缸伸長量控制注入模式，當切口壓力、注漿壓力加大，應減少油缸伸長量或縮短盾尾密封脂注入間隔。停機狀態需手動補注密封脂5～10 min或補注至第3道盾尾刷壓力達到高出水壓力100～200 kPa。

3)高水壓大直徑過江隧道同步注漿宜采用單液漿，本研究提出的配比可供參考。通過管片注漿孔同步注漿，參考注漿量，用注漿壓力控制，不應超過盾尾密封脂的壓力，不宜大于1 MPa。

4)高水壓大直徑過江隧道盾構機體連接縫隙處需加注密封脂防滲漏。盾尾刷應按搭接順序安裝，合理安排鋼板束及注漿管。盾構掘進過程中需嚴格控制盾構姿態，嚴禁盾構機后退，確保盾尾間隙均勻且大于45 mm。

5)因盾尾刷磨損盾尾發生滲漏時，需要及時止水對盾尾刷進行更換。針對南京地鐵10號線過江隧道工程特點，盾尾刷更換前應采用液氮凍結止水，在管片上直接打孔凍結，在盾尾刷更換處直接使用液氮罐供冷。