大直徑（φ8840mm）盾構(gòu)負(fù)環(huán)管片吊裝孔封堵再利用施工技術(shù)

段宇

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，山西太原 030024）

1 工程概況

滁寧城際鐵路二期工程地下段盾構(gòu)區(qū)間隧道采用大直徑盾構(gòu)施工技術(shù)。隧道管片外徑φ8500mm，內(nèi)徑φ7700mm，單環(huán)管片由4 塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2 塊相鄰塊、1 塊封頂塊組成。盾構(gòu)機(jī)采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，開(kāi)挖直徑φ8840mm。隨著我國(guó)地下工程的快速發(fā)展，探索研究大直徑盾構(gòu)施工技術(shù)有著重要意義。

大直徑盾構(gòu)隧道負(fù)環(huán)管片因受吊裝孔洞影響，而無(wú)法重復(fù)利用的問(wèn)題是近幾年來(lái)在大盾構(gòu)隧道工程中的常見(jiàn)問(wèn)題。大直徑盾構(gòu)隧道在施工過(guò)程中，需要先安裝反力架及負(fù)環(huán)管片，用來(lái)提供盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)的反推作用力。盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)到一定距離后，當(dāng)盾構(gòu)千斤頂推力全部由拼裝完成的管片與其周?chē)貙拥哪Σ亮?lái)平衡時(shí)，則需要將負(fù)環(huán)管片進(jìn)行拆除（見(jiàn)圖1）。對(duì)于大直徑盾構(gòu)來(lái)說(shuō)，單塊管片最重可達(dá)到7t，受管片質(zhì)量影響，通常無(wú)法預(yù)埋吊點(diǎn)安裝支撐，導(dǎo)致吊裝十分困難，負(fù)環(huán)拆卸施工風(fēng)險(xiǎn)大，因此需要對(duì)負(fù)環(huán)管片進(jìn)行鉆孔，以為吊裝提供著力孔洞。由于孔洞均位于吸盤(pán)吸附區(qū)域，使得盾構(gòu)機(jī)吸盤(pán)在吸起管片時(shí)會(huì)造成漏氣，吸盤(pán)真空度無(wú)法滿(mǎn)足要求，因此負(fù)環(huán)管片無(wú)法進(jìn)行重復(fù)利用，造成一定浪費(fèi)。解決這一問(wèn)題的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是采用特定材料對(duì)吊裝孔洞進(jìn)行封堵，以使真空吸盤(pán)拼裝機(jī)能夠吸附上管片。

圖1 負(fù)環(huán)管片拆除施工現(xiàn)場(chǎng)

2 修補(bǔ)材料

2.1 盾構(gòu)負(fù)環(huán)管片修補(bǔ)材料

根據(jù)材料特性，選取便于封堵吊裝孔洞的材料填充在吊裝孔洞內(nèi)，起到密封堵孔的效果，從而使拼裝機(jī)的真空吸盤(pán)與管片貼合密實(shí)，以達(dá)到管片循環(huán)利用的目的。負(fù)環(huán)管片吊裝孔開(kāi)孔情況如圖2 所示。孔洞直徑φ10cm，深度與管片厚度一致，t=40cm。施工采用的堵孔修復(fù)材料主要由微膨脹水泥砂漿和環(huán)氧樹(shù)脂砂漿組成。

圖2 負(fù)環(huán)吊裝孔示意圖

2.2 微膨脹水泥砂漿

微膨脹水泥砂漿就是在水泥砂漿里加入了一定量的膨脹劑，是一種功能性砂漿。按膨脹組成或膨脹產(chǎn)物來(lái)分主要有硫鋁酸鈣類(lèi)、氧化鈣類(lèi)、氧化鎂類(lèi)、氧化鐵類(lèi)、發(fā)泡類(lèi)五種，目前市場(chǎng)上用得較多的是硫鋁酸鈣類(lèi)。硫鋁酸鈣類(lèi)膨脹劑通過(guò)與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（見(jiàn)表1），生成水化硫鋁酸鈣，即鈣礬石（俗稱(chēng)水泥桿菌），固體體積可增大近3 倍[1]，起到補(bǔ)償水泥砂漿收縮的作用，具有早強(qiáng)、高強(qiáng)的特點(diǎn)，其3d 強(qiáng)度相當(dāng)于同標(biāo)號(hào)硅酸鹽水泥砂漿的28d 強(qiáng)度，適用管片的快速修補(bǔ)。

表1 鈣礬石形成過(guò)程

2.3 環(huán)氧樹(shù)脂砂漿

環(huán)氧樹(shù)脂是一類(lèi)在分子鏈結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)或更多環(huán)氧基團(tuán)的脂肪族、芳族鏈的低分子預(yù)聚物統(tǒng)稱(chēng)。預(yù)聚物的分子鏈的長(zhǎng)度較低，分子量不大，但由于環(huán)氧基團(tuán)的特殊化學(xué)性質(zhì)，能與含有活潑氫的物質(zhì)（如羧酸、胺類(lèi)、部分酚類(lèi)等）發(fā)生開(kāi)環(huán)固化反應(yīng)。如果將多元胺與環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行反應(yīng)，則分子鏈上的環(huán)氧基團(tuán)與多元胺通過(guò)連續(xù)開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)使整條分子鏈不斷增長(zhǎng)，最終形成具有三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)聚合物鏈，這就是環(huán)氧樹(shù)脂的固化過(guò)程。由于環(huán)氧樹(shù)脂固化后具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且分子鏈中含有剛性的苯環(huán)以及羥基、醚鍵等極性結(jié)構(gòu)，因此環(huán)氧樹(shù)脂是一種熱固性樹(shù)脂，具有優(yōu)良的耐熱性、機(jī)械性能、電絕緣性、耐化學(xué)性和黏結(jié)性，應(yīng)用十分廣泛[2]。

在常溫和高堿度環(huán)境下，環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧基團(tuán)的開(kāi)環(huán)固化反應(yīng)就可以進(jìn)行。環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧基團(tuán)不與水泥成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是水泥基材料可用的改性劑。由于環(huán)氧樹(shù)脂難溶于水但易溶于有機(jī)溶劑，故傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂多是有機(jī)溶劑。但隨著以水溶液為分散介質(zhì)的環(huán)保水性環(huán)氧樹(shù)脂被研發(fā)應(yīng)用，水性環(huán)氧樹(shù)脂用作水泥基材料改性劑對(duì)水泥漿液的性質(zhì)沒(méi)有影響，環(huán)氧樹(shù)脂以微粒、液珠、膠體的形式在水溶液中均勻分散，且水自身就是水泥漿水化反應(yīng)的參與者。水性環(huán)氧樹(shù)脂改性砂漿是砂漿中加入水性環(huán)氧樹(shù)脂，水泥漿水化反應(yīng)時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂同步固化。環(huán)氧樹(shù)脂還能提高新拌水泥漿體的耐腐蝕性、黏結(jié)性、流動(dòng)性，可顯著降低水泥砂漿的收縮率，被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固和修復(fù)中，還能用作混凝土外部涂層，起到防水、抗?jié)B、防腐蝕的作用。

3 堵孔修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

現(xiàn)場(chǎng)選用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿（無(wú)水泥）、微膨脹水泥砂漿和環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如圖3、圖4、圖5 所示。試驗(yàn)中環(huán)氧樹(shù)脂砂漿（無(wú)水泥）配比為環(huán)氧∶砂∶乙二胺∶二丁酯=1∶4∶0.08∶0.17；微膨脹水泥砂漿的配比為微膨脹水泥∶細(xì)砂∶水=1∶3.1∶0.4；環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿的配比為環(huán)氧∶水泥∶砂∶乙二胺∶二丁酯=1∶1.6∶3.2∶0.1∶0.15。預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明，24h 后微膨脹水泥砂漿形成較高的初期強(qiáng)度，環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿的氣密性和黏結(jié)性能最好，而環(huán)氧樹(shù)脂砂漿（無(wú)水泥）的強(qiáng)度還未形成。

圖3 環(huán)氧樹(shù)脂砂漿

圖4 微膨脹水泥砂漿

圖5 環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

綜合預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)兼顧微膨脹水泥強(qiáng)度發(fā)揮的快速性和環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿的氣密性。負(fù)環(huán)堵孔修復(fù)材料采用由微膨脹水泥砂漿和環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，吊裝孔孔洞下層采用微膨脹水泥砂漿填充，水泥砂漿快速凝結(jié)硬化后與孔洞下部空間緊密黏結(jié)，同時(shí)產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)黏結(jié)強(qiáng)度；吊裝孔孔洞上層采用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿填充，環(huán)氧砂漿具備優(yōu)良的黏結(jié)強(qiáng)度和抗?jié)B性能，能夠與孔洞周邊混凝土形成很好的黏結(jié)，在達(dá)到強(qiáng)度后能夠確保孔洞修復(fù)的密封效果，其結(jié)果型式如圖6 所示。其中，微膨脹水泥砂漿由微膨脹水泥、細(xì)砂、水組成，其中各組分質(zhì)量占比為：微膨脹水泥20%～25%、細(xì)砂62%～72%、水8%～15%。環(huán)氧樹(shù)脂砂漿由環(huán)氧樹(shù)脂、水泥、細(xì)砂、乙二胺、鄰苯二甲酸二丁酯組成，其中各組分質(zhì)量占比為：水泥25%～30%、細(xì)砂50%～60%、環(huán)氧樹(shù)脂12%～15%、乙二胺1%～3%、鄰苯二甲酸二丁酯占2%～4%。

圖6 孔洞填充修復(fù)材料示意圖

4 負(fù)環(huán)管片封堵技術(shù)

4.1 負(fù)環(huán)管片修復(fù)流程

盾構(gòu)隧道負(fù)環(huán)管片再利用堵孔修復(fù)材料由環(huán)氧樹(shù)脂砂漿與微膨脹水泥砂漿兩種材料組成，其中環(huán)氧樹(shù)脂砂漿包含環(huán)氧樹(shù)脂、水泥、細(xì)砂、乙二胺、鄰苯二甲酸二丁酯，各組分質(zhì)量占比為：環(huán)氧樹(shù)脂砂漿13.8%、水泥27.4%、細(xì)砂54.4%、乙二胺1.8%、鄰苯二甲酸二丁酯2.8%。微膨脹水泥砂漿包含微膨脹水泥、細(xì)砂、水，各組分質(zhì)量占比為：微膨脹水泥22.5%、細(xì)砂67.5%、水10.0%。堵孔修復(fù)材料修復(fù)盾構(gòu)隧道負(fù)環(huán)管片的具體過(guò)程如下：

步驟一，清理盾構(gòu)隧道負(fù)環(huán)管片吊裝孔洞內(nèi)雜物，在孔洞下方用鋼架搭建支撐，木模板封住孔洞下表面，防止孔洞修復(fù)澆筑過(guò)程中漿液漏出。步驟二，按照微膨脹水泥砂漿的各組分質(zhì)量占比，將2.25kg 微膨脹水泥、6.75kg 細(xì)砂、1.00kg 水依次放入灰桶中拌和均勻，制成微膨脹水泥砂漿，然后向孔洞內(nèi)澆筑微膨脹水泥砂漿，澆筑過(guò)程中插搗密實(shí)，控制澆筑高度為孔洞高度的3/4。步驟三，按照環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的各組分質(zhì)量占比，將1.37kg 水泥、2.72kg 細(xì)砂、0.69kg環(huán)氧樹(shù)脂、0.09kg 乙二胺、0.14kg 鄰苯二甲酸二丁酯依次放入灰桶中攪拌均勻，制成環(huán)氧樹(shù)脂砂漿；待微膨脹水泥砂漿初凝硬化后，向孔洞內(nèi)澆筑環(huán)氧樹(shù)脂砂漿，澆筑過(guò)程中插搗密實(shí)，填充滿(mǎn)孔洞并抹面光滑，孔洞整體修復(fù)完畢，覆蓋塑料薄膜保養(yǎng)24 小時(shí)。負(fù)環(huán)管片吊裝孔現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)情況如圖7、圖8、圖9、圖10 所示。

圖7 制拌微膨脹水泥砂漿

圖8 制拌環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿

圖9 吊裝孔洞修復(fù)前

圖10 吊裝孔洞修復(fù)后

4.2 負(fù)環(huán)管片修復(fù)效果

通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)吸附試驗(yàn)，吊運(yùn)上述已修補(bǔ)管片至盾構(gòu)機(jī)內(nèi)管片拼裝區(qū)域，真空吸盤(pán)吸附已修補(bǔ)管片，吸盤(pán)壓力表上讀數(shù)30min 內(nèi)無(wú)明顯變化，吸附效果良好。現(xiàn)場(chǎng)吸附試驗(yàn)表明該堵孔修復(fù)材料滿(mǎn)足吸盤(pán)對(duì)于管片氣密性的要求，該堵孔修復(fù)施工技術(shù)可以保證負(fù)環(huán)管片的再次重復(fù)拼裝利用。

5 結(jié)語(yǔ)

負(fù)環(huán)管片修復(fù)技術(shù)解決了大直徑盾構(gòu)隧道負(fù)環(huán)管片因受吊裝孔洞影響而無(wú)法重復(fù)利用的問(wèn)題，滿(mǎn)足管片使用功能的條件下，減少了盾構(gòu)管片預(yù)制數(shù)量，在保障施工質(zhì)量的前提下降低了工程施工成本，節(jié)約了砂石骨料等社會(huì)資源。為類(lèi)似工程盾構(gòu)出洞負(fù)環(huán)管片利用提供經(jīng)驗(yàn)，對(duì)負(fù)環(huán)管片吊裝孔修復(fù)提供操作參考。