富水地层盾构到达洞门密封技术研究

栗尚明

(1.中国铁建昆仑投资集团有限公司 四川成都 610000；2.中铁建昆仑地铁投资建设管理有限公司 四川成都 610000）

1 前言

在富水粉砂复合地质条件下，若端头加固质量存在缺陷极易发生洞门涌水涌砂，从而直接影响盾构的正常到达接收[1-2]。目前，在国内若因地质条件或地面条件限制无法进行水泥搅拌桩端头加固时，往往采用水平冷冻加固的方法[3]，但因加固体的长度限制以及地下水流动等因素，盾构的到达接收仍然存在较大风险，为解决盾构到达洞门的涌水问题，在盾构施工中对于洞门密封处理便是不可或缺的环节，对盾构能否顺利接收起着至关重要的作用[4-5]。

现有常规洞门密封法采用折页翻板和帘布橡胶结构形式的密封装置[6]，但在实际使用过程中，由于帘布橡胶与盾壳之间往往无法完全紧密贴合，在盾构机达到掘进时，也不可避免地存在漏浆现象，当涌水较大或时间较长时，易引发重大安全事故[7-9]。针对华东地区典型的富水砂层，盾构进洞时易发生涌水涌砂的高风险，结合某市地铁盾构接收，创新研究了盾构到达洞门密封接收技术。

2 工程概况

某市地铁4号线一期工程，盾构区间为地下双线单圆盾构隧道，隧道双线总长2 323.305 m，隧道外径6.2 m，内径5.5 m，管片厚350 mm，隧道埋深7.5～23 m。

盾构区间在复兴路站盾构出洞位置所处地层为③5砂质粉土夹粉砂、③6粉砂、16-1碎石夹黏土地层中；其中③5砂质粉土夹粉砂、③6粉砂渗透性好，强度低，易坍塌，盾构出洞时有涌砂冒水风险。隧道顶部埋深10.5～23 m，盾构掘进范围将遇③6粉砂、③7-1砂质粉土、⑥1淤泥质粉质黏土、(16）夹含碎石粉质黏土、(21）1全风化安山玢岩、(21）2强风化安山玢岩及(21）3-1中风化上段安山玢岩，总体均匀性较差。盾构穿越粉土、砂土层时，在水动力和盾构欠压掘进，易发生管涌和流砂；黏土层具有高含水量、高压缩性和低强度的特点，易发生触变和流变；碎石土层均一性差，阻力大；安山玢岩含有大量黏性土，黏性大，具有一定膨胀性。

3 洞门组合密封技术原理

在盾构机推进洞门前，在洞门环上安装环状刚性密封构件，该密封构件其内环小于盾构机盾体外径，在组成环状刚性密封构件的两道环形钢板靠近内环设有径向切割缝，当盾构机盾体从环状刚性密封构件出穿过时，在盾构机的外力作用下环形钢板有切割缝的部分外翻，并通过两钢板之间的海绵压缩后形成第一道密封，盾构机继续前进，通过外置洞门时，拉紧连接环状柔性密封构件帘布压板的钢丝绳，盾构机的盾体外壳与橡胶帘布紧密接触，又形成第二道密封；当盾构机的盾尾尾部端面距离外置洞门环外部剩余30～50 cm时，在盾构机盾尾与外置洞门环之间焊接环形密封钢板进行第三道密封；在第三道密封完成之后，采用同步注浆与双液浆组合，将管片外部间隙充分注浆密实，待浆液凝结后，拆掉第三道密封件，盾构机推出外置洞门。

4 洞门密封关键技术

4.1 准备工作

(1）盾构到达洞门前，在洞门处预埋洞门环[10]。预埋洞门环的筒状环体预埋在盾构达到洞口的内环面，其外环板预埋在洞口的外端面，形成截面为横向L型的钢环支撑结构。

(2）在盾构机抵达洞门冷冻体杯底前，提前进行洞门破除，要求洞门破除至完全暴露出内层钢筋。

4.2 环状柔性密封构件安装和洞门环外置技术

盾构到达前，在洞门外预埋洞门环的外环板上安装环状柔性密封构件和外置洞门环。具体安装过程:在预埋洞门环的外环板上安装螺杆，将环形橡胶帘布通过自己的螺栓孔挂在预埋洞门环上安装的螺杆上，然后将外置洞门环的多块弧形钢板沿着预埋洞门环的外环板固定压住环形橡胶帘布，并在外置洞门环的内侧挡板上预留螺栓孔，每压住一块外置洞门环，在预埋洞门环的内侧挡板上的螺栓孔内安装螺杆，在外置洞门环内侧挡板外安装多块帘布压板，每块帘布压板是由固定板和活动板铰链而成，在帘布压板的固定板上开设有螺栓孔，并通过螺杆将帘布压板的固定板和外置洞门环一起固定压住环形帘布，依次安装环形外置洞门环的每块弧形板，安装好后的弧形钢板组成一个完整的洞门环，多块帘布压板也组成一个环形，将外置洞门环与帘布一起压紧，最后将多块帘布压板的活动板通过钢丝绳连为一体；在外置洞门环的环面上设置两个长孔，拉住帘布压板的钢丝绳可通过其中穿出外置洞门环外部，然后通过手拉葫芦可对帘布压板拉紧。预埋洞门环、环状柔性密封构件和外置洞门环位置关系示意图见图1，实际效果见图2。

图1 预埋洞门环、环状柔性密封构件和外置洞门环位置示意

4.3 同步注浆与双液浆组合注浆技术

图2 预埋洞门环、环状柔性密封构件和外置洞门环位置施工

盾构机从抵达冷冻体停机位前5环时开始，至抵达停机位，采用同步单液注浆与双液浆结合，共同形成管片壁后注浆体系。双液浆注入采用在盾尾后的倒数第5环管片上半圆进行双液注浆，调整双液浆的凝结时间为60 s。在盾构抵达冷冻体停机位后，仍继续进行同步注浆至达到注浆压力控制值。同时，在盾尾后的倒数第4环管片的上半圆位置进行双液注浆，调整双液浆的凝结时间为30 s；同时，对冷冻体进行拔除冷冻管的作业。在盾构抵达停机位后至再次推进前，利用冷冻拔管时间，双液浆封闭成环，同步注浆注至饱满。

盾构机同步注浆采用新型自拌惰性浆液，浆液稠度为150，凝结时间为13 h。自拌惰性浆液与传统水泥砂浆浆液[11-12]配合比见表1。

表1 注浆材料配合比对比 kg/m3

4.4 安装环状刚性密封件的上部2/3圆

在冷冻管全部拔出后，盾构机恢复掘进，在盾尾后倒数第4环管片的上半圆位置进行双液注浆，双液浆凝结时间为30 s，尽可能使双液浆与冷冻体冻结壁快速形成封闭环；土仓内始终保持0.3～0.5 bar的土压，有利于盾尾注浆密实；直至刀盘抵达洞门钢筋混凝土保护层，在抵达保护层后，继续进行同步注浆及双液注浆，双液注浆需成环，同步注浆尽可能饱满。与此同时，在预埋洞门环上安装钢板和海绵组合而成的环状刚性密封件(见图3），先安装环状刚性密封件的上部2/3圆，刚性密封件采用2道厚度为0.5 cm的弧形钢板，直接将钢板焊接在预埋洞门环上，两钢板之间填充150 mm×150 mm的海绵条。

图3 安装环状刚性密封件的上部2/3圆

4.5 三道密封技术

(1）第一道密封

刀盘空转，螺旋机出空土仓内土体，而后继续推进破除洞门，在刀盘破除洞门后，清理完渣土，接着安装下方1/3的刚性密封件的钢板和海绵组合(见图4）。下部分的刚性密封件安装与上部分安装过程一样，安装好的刚性密封件形成一个完整的环形。为确保盾构机能够顺利通过，且保证其密封效果，在刚性密封件的环形钢板靠近内圈10 cm的位置开设有径向切割缝，在盾构机通过时，切割缝张开，环形钢板外翻，外翻后的环形钢板的与盾构机外表面贴合，此时海绵便会紧贴盾构机外壁，形成第一道密封。

图4 安装环状刚性密封件的下部1/3圆

(2）第二道密封

盾构机继续前进，在盾构机的盾体通过外置洞门环时，通过手拉葫芦拉紧钢丝绳，使帘布压板向内紧压在环形橡胶帘布上，盾构机盾体通过给环形橡胶帘布一个向外的推力，在两个力的作用下环形橡胶帘布紧贴在盾构机的盾体外壁，形成第二道密封(见图5）。

(3）第三道密封

在盾构机进入洞门，且盾尾尾端距离外置洞门外部剩余30～50 cm时(依据最后一环管片的行程确定），采用多块弧形钢板将盾尾与外置洞门环外侧挡板焊接为整体，多块弧形钢板之间也密封焊接，组成完整环形密封钢板，形成第三道密封(见图6）。

图5 第二道密封

图6 第三道密封

在环形密封钢板焊接完成后，采用同步注浆与双液浆组合，将管片外部充分注浆密实，待浆液凝结后，割除弧形钢板，将盾构机推出外置洞门。

4.6 预留泄水阀

在施工过程中，在外置洞门环的外板面预留多个泄水阀(见图7），在焊接第三道密封过程中，有流水时，通过泄水阀进行引流，在焊接完成后，关闭泄水阀。

图7 预留泄水阀

5 三道密封质量保证措施

(1）第一道环形密封钢板:严格控制钢材质量，且每一构配件加工完成后，首先应对尺寸、厚度等进行人工量测，是否符合现场条件要求。对洞门预埋钢环内侧进行检查，确保焊接内置环形密封钢板位置无杂物，贴合度良好；环形密封钢板各部位焊缝，须严格按照规范要求进行焊接，确保焊接质量。

(2）第二道密封橡胶帘布和折页板:使用前对橡胶帘布和折页板进行检查，确保橡胶帘布质量良好，无破损，折页板弯折良好，无变形。对洞门预埋钢环外侧预留螺栓孔进行检查，确保孔内无杂物，丝口良好，损坏的丝孔安装螺栓时需要焊接加固，并注重焊接质量。严格控制帘布和折页板安装质量，折页板块与块之间需要用钢筋搭连焊接为整体，防止进洞过程中，某块折页板脱落，造成橡胶帘布胀开失效。

(3）第三道密封外置洞门环和环形密封钢板:外置洞门钢环制作需按照盾构机盾尾直径加工，环形加工精度需保证预留焊接空间，安装需注重每一块的质量，避免变形，块与块之间贴合不紧密，当贴合不紧密时需要焊接为整体。

6 结束语

该技术成功应用于盾构接收洞门密封施工中，实际盾构机出洞后，未发生涌水涌砂险情，且洞门封堵二次注浆只用2 d便完成，大大提高了施工效率，在经济效益可观的情况下也提高了施工质量，确保了施工安全，降低了地面塌方的风险，综合效益明显。该技术优势主要体现在:(1）采用三道密封，密封可靠性强，可确保盾体与洞门之间的密封效果，且整个密封结构的施工方法简单、成本较低，并可以完全将浆液密封，密封效果好，整个施工过程安全易行，出洞时有效降低了事故风险，未发生涌水涌砂险情。(2）封堵时洞门外未漏双液浆，有效地节省了注浆材料和劳动力成本。(3）封堵洞门快速、安全、高效，盾构机在顶进洞后，在合适位置焊接第三道密封外弧形钢板，当第三道密封弧形钢板整体焊接完成时，洞门形成完全密闭空间，可大大降低洞门渗漏水风险，提高了施工质量。(4）在外置洞门环的外板面预留多个泄水阀，在第三道密封焊接过程中，有流水时，通过泄水阀进行引流，保证洞内水流随时排走，降低渗漏水风险。(5）采用新型自拌惰性浆液，具有良好的稳定性、抗稀释性和适当的初凝时间，且固结体积收缩小、泌水率小，能有效实现重复充填，管片壁后注浆饱满；对易形成渗流通道的岩土分界面依据土仓水量进行重点双液注浆，即可快速实现水流封堵效果，不需整环施作止水环，施工速度快，施工成本较低。