大直径泥水盾构隧道渗漏水防治措施

大直径泥水盾构隧道渗漏水防治措施

黄 凯

上海隧道工程有限公司 上海 200232

摘要：盾构法隧道的渗漏水病害一直是关注的重难点。随着城市规模的扩张及城市基础设施建设的迅速发展，大直径的盾构法隧道已成为公路隧道建设发展的需要。大直径盾构隧道施工工艺复杂，成型隧道质量控制难度大。本文从大直径泥水盾构的施工角度分析影响隧道渗漏水的因素，包括管片自防水、接缝防水构造、掘进参数、拼装质量和注浆工艺等方面，总结出适应工程实践的针对性防治措施，为大直径泥水盾构的隧道渗漏水防治提供经验参考。

关键词：盾构隧道；大直径；渗漏水；影响因素；防治措施

Leakage prevention measures of Large diameter

slurry shield tunnel

Huang Kai¹

(1. Shanghai Tunnel Engineering Co., Ltd, Shanghai 200232, China)

Abstract: The leakage disease of shield tunnel has always been an important problem. With the expansion of city scale and the rapid development of the urban infrastructure construction, large diameter tunnel shield method has become the needs of the development of highway tunnel construction. Large diameter shield tunnel construction technology is complex, forming quality control of tunnel is difficult. In this paper, the factors affecting the seepage of tunnel water shield are analyzed from the construction Angle of large-diameter mud shield, including self-waterproofing of pipe slice, joint waterproof structure, tunneling parameters, assembly quality and grouting technology, etc., and the corresponding prevention measures adapted to the engineering practice are summarized to provide experience reference for the prevention of seepage water shield tunnel of large-diameter mud shield.

Keywords: shield tunnel; large diameter; water leakage; influencing factors; prevention measures

1引言

随着城市地铁隧道、越江跨海交通隧道、水利水电隧道、市政公用隧道的陆续建设，盾构法隧道工程技术已经得到了广泛的应用和长足的发展，而且超大直径盾构隧道（外径D≧12m）的修建在近年来明显增多。盾构法隧道的管片拼缝（纵缝、环缝）多，防水难度大[1]。因此，隧道的防水设计和施工一直是关注的重难点，渗漏水病害也会对成型隧道的质量控制造成很大的影响。

近年来，越来越多的专家学者对盾构隧道的渗漏水病害的机理分析及整治做了大量研究和经验总结。何喆卿[2]对盾构隧道渗漏情况进行了定性的解释及分类；张兴旷 [3]从掘进参数的主观角度和客观环境及材料角度两个方面综合分析隧道渗漏水原因，阐述了目前较为常见的防治措施；邵业勤[4]从泥水盾构掘进参数，如油压分配、掘进速度、同步注浆材料及配比等方面提出了施工过程中盾构隧道渗漏水的掘进控制措施；陈森森[5]从二次注浆工艺角度，提出了整治地铁隧道渗漏水的有效措施；门燕青，李虎等[6]对盾构隧道管片环缝的渗漏水机理进行研究，提出纵向应力松弛对环间渗漏水有较大影响，可通过复紧管片螺栓得到大幅度改善。不同于地铁盾构隧道，大直径盾构的掘进参数控制和大断面的管片拼装质量控制的难度均有所提高，大断面管片的受力状态也更为复杂，隧道渗漏水的影响因素也更为多样化。

本文对大直径泥水盾构的渗漏水原因进行分析，结合工程案例，提出适应工程实践的渗漏水防治措施。

2大直径泥水盾构渗漏水原因分析

大直径泥水盾构施工过程中，引起管片渗漏水的原因是多样化的，而且每个原因之间又是动态关联的。管片的自防水性能、接缝防水构造设计，地层的物理力学特性和水文条件，盾构掘进参数、拼装质量和注浆材料等都有可能对管片渗漏水产生影响。

图1 盾构隧道渗漏水病害

2.1管片自防水

盾构法隧道管片自身需要具有抗渗性能，也是成型隧道防水的根本性措施。大直径盾构隧道一般采用抗渗等级≧P12的混凝土。在管片生产过程中，原材料质量不合格，配合比设计不合理，浇筑振捣不密实，养护不充分会造成严重的质量缺陷，主要表现形式为：蜂窝、麻面、气泡及裂缝。管片预留凹槽处，即防水材料粘贴处出现类似质量缺陷，则防水材料不能发挥其作用，对渗漏水控制极为不利。

图2 管片质量缺陷

2.2管片接缝防水构造设计

盾构法隧道管片接缝多，接缝的防水设计和施工质量对于成型隧道的渗漏水控制和防治起着关键性的作用。主要以三元乙丙止水橡胶带为主，结合遇水膨胀橡胶条和橡胶挡砂条等多道防线的综合防水构造形式，在管片张开和错缝一定情况下，能长期抵抗一定设计压力的水压。

图3 接缝防水构造形式

防水材料制作过程中，粘贴不牢固，会造成拼装后的管片防水材料遇水后不能完全填充管片间隙，导致防水性能失效；雨天防护不及时，会造成遇水膨胀条过早膨胀脱落，导致隧道渗漏水现象严重。

图4 防水材料粘贴不牢固

2.3地层及水文条件

地层变化对隧道渗水有一定影响。在富水地层，尤其是承压水层掘进时，土体应力释放后需要一定时间进行应力重新分布。由于地层渗透性大，补水速度快，当管片错缝或张开量较大，注浆量填充不饱满时，防水材料性能没有完全发挥或部分失效，会出现渗漏水现象。

2.4盾构掘进参数

大直径泥水盾构掘进时，切口泥水压力的设定、掘进速度、盾构姿态的控制与隧道的渗漏水都有着动态的联系。切口压力设定过高、掘进速度过快、盾构姿态不佳，会直接导致脱出盾尾的管片出现较大的错台，从而影响接缝处防水材料的性能引发渗漏水。

2.5管片拼装质量

管片拼装过程中的质量控制也是防止渗水的关键。拼装过程中，大断面的管片拼装精度控制难度大，止水带也易拉出，造成角部堆积，影响防水性能。脱出盾尾的管片在受到地层应力的约束后收敛，纵环向螺栓会有松动，纵向应力松弛[7]，管片错台也可能会表现出增大趋势，若不进行控制，则会引起严重的渗漏水现象。

（a）止水带角部堆积 （b）螺栓松动

图5 管片拼装质量

2.6同步注浆

盾构法隧道的工艺理念中，同步浆液有着填充建筑间隙以控制地层变形、提高隧道抗渗性和确保管片早期稳定的作用。因此，同步浆液的配比和材料的选择不合理会降低成型隧道抗渗性和管片的早期稳定性，从而引起隧道上浮过大，错台明显；注浆点位和注浆量的分配不均匀，会造成大断面内注浆量和注浆压力的偏差较大，引起隧道上浮和明显的错台，增大了出现渗漏的风险。

图6 同步浆液材料配比试验

3.渗漏水防治措施

3.1加强管片自防水

（1）控制管片预制质量

①严格控制进场的原材料质量, 试验确定合理的配合比。加强对混凝土拌制质量检测。

②采用定期检测与快速检测相结合检测方法, 确保管片钢模精度。钢筋骨架制作必须在符合精度要求的专用胎模上加工成型，严格控制焊接质量。

③浇捣时分层摊铺混凝土，振捣采用高频振动棒，以保证振动棒的有效振动频率，并做到快插慢拔。

④使用为大直径管片特点专门设计和制造的吊具，确保管片成品在脱模、驳运过程中不会损伤。

（2）外防水涂料

目前，在管片外弧面涂刷防水涂料也是一种常见的防治措施，特别是在富水地层下，对渗漏水防治有较好的效果。常用的防水涂料为水泥基渗透结晶型防水涂料。

图7 外弧面涂刷防水涂料

3.2加强接缝防水构造

（1）防水材料

接缝防水构造遵循多道防治的原则，根据地层情况，覆土埋深，隧道防水等级等因素综合考虑布置三元乙丙橡胶止水带、遇水膨胀条和挡砂条。在高水压、高渗透性地层中，可考虑布设2道三元乙丙橡胶，遇水膨胀条可采用快速膨胀的形式。

对于防水材料的粘贴质量也需要严格把控。防水材料粘贴前，为保证粘结力必须用钢丝刷、毛刷等专门工具对管片专设的防水槽及管片的端面进行污物和浮尘清理。在干净、干燥的管片防水槽内均匀涂刷粘接剂1～2遍，同时在防水橡胶密封垫内面也均匀涂刷粘接剂1遍，涂刷必须均匀，无遗漏。

待粘接剂初干后，制作人员将密封垫放入槽内进行粘贴，其程序：先两端面，后环面，中间逐渐向两端延伸，粘贴必须四角平整服贴，不可突起或蹋下。然后用木锤击之，使其粘贴充分，避免浮贴，以防止在下井吊运和拼装时密封垫错位失落，造成拼装困难和防水失效。

图8 防水材料粘贴质量控制

（2）加强嵌缝

在特殊地层，如高渗透性、高水压地层下，为进一步提高隧道防水质量，可以对隧道嵌缝施工进行加强，如采用遇水膨胀腻子密封胶、PE泡沫条和聚合物水泥砂浆的综合型式，既保证了材料的可填充性，又可起到接缝引流的效果。

3.3盾构掘进参数控制

大直径泥水盾构掘进控制重点是切口水压、泥水指标和盾构姿态三个部分。切口水压力设定应根据理论值和沉降情况进行调整，不宜波动太大，尽可能减少正面土体的扰动。在切口土压正确设定的前提下，应严格控制各区域油压，同时控制千斤顶的行程，错缝拼装的管片还需通过管片选型合理纠偏，做到勤纠、少纠，控制盾构机姿态符合设计轴线。高质量的泥水是大直径泥水盾构掘进时正面稳定的关键控制指标。盾构正常推进时，泥水比重的范围应在1.20～1.25，下限为1.20，上限根据施工的特殊要求而定，粘度不低于20s。

3.4管片拼装质量控制

管片拼装过程中的质量控制是防止渗漏水的关键。拼装前根据盾构姿态、管片超前量、盾尾间隙等数据合理选型。拼装过程中及时清理盾尾处的垃圾和杂物，精确定位第一块管片，做到接缝密贴，环面平整。为防止纵缝止水带角部拉出，每块管片拼装前，特别是封顶块插入前，对纵缝处的止水带涂抹润滑剂，减小摩擦。

每环管片成环后立即拧紧；在推进下一环时，在推进顶力的作用下，复紧纵向斜螺栓；当成环管片推出车架后，必须再次复紧纵、环向斜螺栓。

（a）止水带角部质量 （b）螺栓复紧

图9 管片拼装质量把控

3.5同步注浆管理

大直径隧道的同步注浆工艺与隧道渗漏水有着密切的关联。同步注浆的材料和配比选取需要考虑：1）良好的充填性能；2）具备抵抗地下水稀释的性能，硬化后，体积的缩小量小、止水性好；3）良好的长期稳定性、流动性及适当的初凝时间。同时，压注过程中，浆液尽可能均匀分布，有利于注浆压力控制和隧道上浮控制，有效防治隧道渗漏水。大直径泥水盾构同步注浆点位可选取6点注浆法、10点注浆法等，注浆充填系数根据覆土厚度、地层情况确定，一般控制在1.2~1.8。各点位的注浆压力是主控指标，应与相应位置的土压力对应，考虑管阻等因素，比土压力略高0.15~0.3MPa。

4.工程实例

某地下工程隧道外径14.5m，内径13.3m，环宽2m，采用大直径泥水气压平衡盾构施工。隧道从130环开始断面内砂质粉土、粉砂层的占比明显增多，250环开始处于全断面粉砂层。根据前期地质勘查报告显示，砂质粉土、粉砂层为承压水层，渗透系数分别为4.0×10^-4、7.0×10^-4。在富水地层中，200环~375环管片渗漏严重。对盾构掘进参数、接缝防水构造、拼装质量等方面进行分析，发现管片椭圆度控制不佳，错台过大导致渗漏水严重。

图10 管片大面积渗水

图11 盾构掘进参数分析曲线

图12 管片拼装质量分析曲线

5结论

（1）影响盾构隧道渗漏水的因素是综合性的，而管片自防水和接缝防水质量是导致渗漏水的直接原因。施工过程中要严格管理管片浇筑质量和防水材料粘贴质量。

（2）大直径泥水盾构隧道的掘进参数、管片拼装质量和注浆工艺，对接缝防水质量有着较大的影响。盾构掘进过程中，控制盾构姿态、泥水指标和切口压力有利于渗漏水的防治。成环管片椭圆度的有效控制对渗漏水有着良好的防治效果。同步注浆材料的配比、材料和注浆压力对成型管片的上浮、错台有着重要影响，对同步注浆工艺严格把控，能有效控制渗漏水。

（3）特殊地层，如高渗透性，高水压地层的施工需要进行提高警惕，在该段地层施工时，提前进行纠偏，调整盾构姿态及掘进参数和管片拼装质量来控制隧道上浮和错台，使接缝防水材料发挥最佳作用，从而有效防止盾构隧道渗漏水。

参考文献：

[1] 黄平. 盾构隧道的防水处理[J]. 铁道建筑技术,2011 (S1):96-101.

[2]何喆卿. 盾构隧道病害标准化检查方法应用研究[J]. 城市建筑,2019,16 (5):197-198.

[3]张兴旷. 盾构隧道防水技术研究[J]. 中国建筑防水,2018 (16):12-15.

[4]邵业勤. 泥水盾构隧道渗漏机理与防治措施 [J]. 建筑机械化,2014 (6):63-65.

[5]陈森森. 盾构隧道渗漏水整治综合技术[J]. 隧道/地下工程, 2019 (12):101-105.

[6]门燕青,李虎,周建国,肖明清,龚彦峰,廖少明. 考虑盾构隧道纵向应力松弛的环缝渗漏水计算分析[J]. 土木工程学报,2019,52(S1):99-104.