0 引言
自 1971 年我国第一条盾构法隧道———上海打浦路隧道建成以来,盾构隧道建设蓬勃发展,在公路、铁路、轨道交通、电力管廊、热力管道、油气管道、输排水管道等领域均有广泛应用。 近年来,国内的盾构隧道建设逐渐向高水压、大埋深方向发展。 据统计[1] ,我国已有 20 余条已建和在建的盾构隧道最大水头高度超过 50 m。 其中,已建成通车的南京定淮门隧道最高水压为 0. 72 MPa、 南京和燕路隧道最高水压为0. 79 MPa,建设中的江阴靖江长江隧道最高水压为0. 82 MPa、青岛胶州湾第二海底隧道盾构段最高水压为 0. 96 MPa、 深江铁路珠江口隧道最高水压为1. 06 MPa,而规划中的琼州海峡隧道、渤海海峡隧道、台湾海峡隧道将面临更高的水压环境。 因此,盾构隧道的防水安全是工程建设期和运营期安全的重要保
证[2-6] 。盾构隧道由预制管片拼装而成,接缝多、防水路径长,因此众多学者将管片接缝防水作为盾构隧道防水研究的重点。 接缝防水安全问题并非孤立存在,而是与整个盾构隧道构造体系息息相关[7] 。 例如: 管片制作过程中模具的精度直接影响管片成品质量,而管片
成品端面的平整度又直接影响管片的拼装质量,从而对接缝防水造成影响。 总体上,盾构隧道防水是一个复杂的系统[8] ,包括管片自防水、接缝防水、预留孔洞防水、特殊部位防水等多个环节,任一环节发生渗漏都会对施工期或运营期的隧道造成影响。 董云德[9] 早在 1996 年就总结了盾构隧道防水的关键要素,即高精度钢模和管片、有效可靠的接缝防水材料及合理的施工工艺(控制椭圆度、环面平整度、注浆等)。 近 30 年来,盾构工程技术经历了跨越式发展,除沿着既有脉络对盾构隧道防水体系的关键点追本溯源外,还需梳理激光测量、拼装装备等新兴技术的现状,全面把握盾构隧道高质量防水体系的发展。
结合盾构隧道工程的实际应用,本文从管片制造技术、接缝防水技术以及盾构隧道施工技术等多个维度,系统梳理并探讨盾构隧道防水体系的历史演进过程。 在此基础上,分析当前防水体系存在的问题与挑战,以期为盾构隧道技术的发展提供借鉴和参考。
1 管片制造技术
钢筋混凝土管片作为盾构隧道施工中的关键环节,其成型质量对盾构的掘进精度、管片组装的质量以及最终隧道结构的力学性能、防水安全、耐久性等均产生直接且重大的影响[10] 。 而管片成型质量的首要影响因素是管片钢模。
1. 1 管片钢模
1. 1. 1 国内钢模发展历史
国外对盾构隧道管片钢模的研究和应用较早,法国、日本等国家已实现了专业化和规模化生产。 自 20世纪 60 年代,我国也开始了盾构隧道管片钢模的研制。 1965 年,上海建设打浦路隧道时采用整环钢模、钢板分隔、立式浇筑的方法制作盾构隧道管片。 20 世纪 70 年代,上海地铁试验段期间研究了拼装式管片钢模,模具宽度精度达到了± 0. 5 mm。 1980—2000 年,尽管国产钢模在国内地铁、道路、排水等众多领域的盾构隧道工程中得到应用,但也暴露出了钢模制造工艺复杂,加工周期长,使用、维护、保养工作量大等问题[11] 。 此后,进口钢模成为国内市场的主流,日本和欧洲的产品占据了较大的市场份额。 2000 年后,为了适应隧道建设的飞速发展,国内钢模制造企业与来自法国、日本、美国的国际顶尖钢模制造企业深度合作,获得了宝贵的技术与经验。 历经 20 余载的演进与革新,国内的盾构管片钢模制造技术已跻身国际先进行列,并在国内一系列重大工程中得到应用,如表 1 所示。
当前,我国的管片模具行业不仅在设计与检测技术等领域实现了突破,更通过集成先进的附属机器人作业装置(如图 1 所示),构建了独具特色的设计体系。 这一创新模式不仅保障了管片模具在制造过程中的高精度,还极大地提升了其最终产品的性能表现。
1. 1. 2 钢模精度
成型管片精度作为盾构隧道拼装质量的基石,直接关联着隧道的防水效能、结构稳固性及整体使用性能,其精度的核心在于钢模的制造精度。 不同模具设计与制造工艺会导致管片钢模精度产生差异[12] 。 因此,确保模具的精度对于提升管片成品的质量至关重要。
图 1 青岛胶州湾第二海底隧道钢模及附属机器人
尽管我国在 20 世纪 60 年代就开始建造盾构隧道,但对钢筋混凝土管片钢模精度标准的认识相对较晚。 上海地铁 1 号线于 1990 年正式动工,为保证管片宽度允许误差小于 0. 5 mm,规定钢模宽度的制作误差在-0. 4~ +0. 2 mm [13]。 北京城建集团有限责任公司主编的 GB/ T 50229—1999《地下铁道工程施工及验收规范》 [14]结合了国外标准和国内当时的技术水平,在钢模 宽度误差指标的基础上增加了钢模弧、弦长误差指标,规定钢筋混凝土管片钢模宽度、弧长、弦长允许偏差均为±0. 4 mm,这也是我国第一项在国标层面关于管片钢模 允 许偏差的规定。后续的 GB 50108—2001、GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》[15-16]等国家标准均沿用了这一项指标。 2008 年发布的 GB 50446— 2008《盾构法隧道施工与验收规范》[17] 在上述钢模宽度、弧长、弦长指标的基础上,增加了内腔高度允许偏差(-1~ +2 mm)。 上海隧道工程有限公司引入日本都筑混凝土工业株式会社的管片钢模制造技术并进行改进,制作的大盾构(直径大于 11 m)管片钢模宽度误差可达到±0. 35 mm。 然而,最新的 GB 50446—2017《盾构法隧道施工及验收规范》[18]取消了管片钢模精度这一指标。 经过对长期生产实践的深入分析与国内外钢筋混凝土管片厂家的广泛调研,GB 50446—2017《盾构法隧道施工及验收规范》 编制组达成共识[19] ,认为原GB 50446—2008 中关于模具允许偏差的严格规定在实际操作中显得过于苛刻。 实际情况显示,尽管新生产的模具在使用初期能够达到既定的精度标准,但随着生产的开展,模具的允许偏差往往会超出规范限值。然而,这并不妨碍其生产的钢筋混凝土管片在尺寸上符合设计和验收标准。
近年来,随着钢筋混凝土管片生产技术的显著进步和模具制造厂家技术实力与经验的双重提升,模具的加工与组装精度已能得到有效控制。 规范中设定模具允许偏差的初衷,核心在于保障管片的生产精度,而当前环境下,只要确保管片成品尺寸偏差达标,便无需对模具精度设置过高的硬性要求。 进一步考虑到不同钢筋混凝土管片生产单位的技术管理水平参差不齐,规范编制组在修订后的 GB 50446—2017《盾构法隧道施工及验收规范》 中,取消了针对模具允许偏差的具体规定,转而倡导各生产单位依据自身技术实力与管理水平,灵活控制模具精度与允许偏差,将工作重心聚焦于确保管片成品质量的最终达标,以此作为衡量生产合规性的关键标准。 钢筋混凝土管片钢模验收标准比较如表 2 所示。
高精度钢模是确保高精度管片制作的基础。 在过去的 20 多年间,伴随着我国工业化进程的加速与水平的持续提升,规范中对钢模精度的要求及标准也随之不断升级。 在此期间,三维激光扫描等新技术手段也被引入并应用于钢模精度的控制过程中,为盾构隧道管片的高品质生产提供了坚实的技术保障。
1. 2 管片制作
1. 2. 1 管片制作方法的发展
我国的钢筋混凝土管片制作经历了整体立式浇筑法(打浦路隧道)、固定台座法、通窑流水传送法、独立窑流水传送法到现今的智能管控生产等多个阶段[22] 。生产方式也由过去的人工为主发展到现今管片制造车间中的 RFID 处理体系、AGV 智能重载搬运体系、自动养护温度梯度控制体系、自动布料振捣体系、桁架脱模吊装体系、机器人联动系统、智能清理机器人、智能喷涂机器人、智能收面机器人(如图 2 所示)、3D 智能检测系统、钢筋笼自动监测系统等智能化系统和装备。
管片制作方法的发展有助于提升成型管片质量、创新生产工艺、提高管片生产效率。 未来盾构隧道管片生产将朝着高精度、智能化方向发展。
图 2 智能收面机器人
1. 2. 2 管片精度
无论采用何种智能化的先进技术,管片制作的最终目标都是生产出质量合格的钢筋混凝土管片,都需对产品的质量严格控制。 我国在 20 世纪 80 年代的标准规范中对盾构隧道管片制作提出了要 求: GBJ108—87《地下工程防水技术规范》规定管片制作的尺寸精度不应大于±1. 5 mm。 而同年代的《日本土木学会隧道标准规范(盾构篇)》要求混凝土管片尺寸精度为±1 mm,标准高于我国规范。 之后随着工程经验的积累和技术的进步,国内规范也提高了标准,达到了日本规范中要求的精度水平,各指标如表 3 和表 4 所示。
由表 3 和表 4 可以看出,尽管各规范对于管片检测的项目略有差异,但执行的标准指标是基本一致的。
由此可见,行业内对管片精度的标准具有统一的认知。然而,实际工程中对成型管片和水平拼装的量测工作大多依赖人工操作,并且采用的测量手段(如钢尺等)相对原始,这导致测量结果不可避免地存在一定的误差。 因此,对管片质量的真实状况难以把握。
激光追踪仪是一种较为先进的测量手段,只需将支架放稳、激光发射器对准要测量的管片部位,即可开始测量。 测量时,操作人员手持激光接收器,发射器会射出激光至接收器并实时锁定跟踪。 操作人员将接收器在管片表面滑动,即可测得表面的几何数据(如图 3所示)。 这种装置能够检测得到管片内外弧长、平整 度等传统测量方法难以直接获取的指标,但数据获取效率不高且仍需人工操作,接收器操作人员的失误也会造成测量误差。 而三维激光扫描技术则是高精度、高效率测量的首选,该技术的信号发射、接收原理与激光追踪仪类似,但不用人工辅助就可以高效、全方位地得到目标的几何坐标信息,目前测量最高精度可达0. 03 mm。 这项技术在管片制作精度测量、水平拼装测量方面取得了很好的效果,同时也开始应用于成型隧道检测[26-27] ,如图 4 所示。确保盾构隧道管片制作的高精度,是减少管片拼装接缝张开与错台现象,从而保障管片接缝防水性能的首要条件。 在未来的管片生产中,全流程引入智能机器人参与管片制作,并在生产过程中运用高精度检测与控制技术,将极大提升管片结构的制作精度与成型质量。 这一举措可为后续的管片拼装工作做良好铺垫。
图 3 激光追踪仪测量示意图
图 4 三维激光扫描自动配准图[27]
在隧道防水体系构建中,除外观尺寸精度外,管片裂缝控制同样是关键技术环节。 针对盾构隧道渗漏水成因分析,吴怀娜等[28]对上海市 14 条越江道路隧道的渗漏水情况进行了调研,发现渗漏通道不仅存在于管片接缝、螺栓孔、注浆孔等薄弱部位,管片本体裂缝也构成了渗漏路径。 多项针对北京、上海、广州、深圳等城市轨道交通盾构隧道的渗漏统计研究[29-31] 显示,管片裂缝渗漏在区间隧道病害中普遍存在。 基于此工程实践共识,管片生产需在混凝土制备全流程实施精准控制: 通过优化配合比设计提升材料抗裂性能;采用分层浇筑与高频振捣密实工艺消除内部缺陷; 严格执行蒸汽养护制度,最大限度降低成型管片裂缝生成风险。
2 接缝防水技术
管片接缝是盾构隧道最主要的防水位置,防水材料和防水形式的选择是防水体系能否成功的关键,工程人员对防水体系和防水评价标准的理解程度也关系到盾构隧道能否实现不渗不漏高品质建设。
2. 1 接缝防水材料
目前,我国盾构隧道管片接缝防水材料最常用的是遇水膨胀橡胶、三元乙丙橡胶及 2 种材料的复合密封垫,如图 5 所示。 日本在盾构隧道工程建设中较早采用遇水膨胀橡胶作为接缝防水材料。 初始阶段日本认为遇水膨胀橡胶的膨胀率越大,止水效果越好,采用了体积膨胀率为 10~12 倍的材料。 然而,按照吸水性树脂等的不同,膨胀材料的种类是有差别的。 膨胀率较大的遇水膨胀橡胶材料中,膨胀剂常会在水中溶出,造成橡胶的膨胀压力特性下降,从而影响盾构管片接缝的防水效果。 在后来的工程中,多采用膨胀率为 3 ~ 4 倍的遇水膨胀橡胶材料,取得了较好的防水效果[32] 。
图 5 接缝防水橡胶密封垫
然而,遇水膨胀橡胶的性质较为复杂,遇水膨胀后的状态难以确定,尤其缺乏材料应力松弛和长期耐久性的评价标准。 因此,我国的盾构隧道工程中多将遇水膨胀橡胶作为辅助防水措施。 尽管近年来上海地铁采用快速接头的盾构隧道工程中,环缝和纵缝设置内外双道遇水膨胀橡胶密封垫作为接缝防水材料,但遇水膨胀橡胶的耐久性评价方法和评价标准仍需通过大量研究建立,防水耐久性能也需要工程实践验证。
在欧洲的盾构隧道修建历程中,三元乙丙橡胶密封垫较早应用于管片接缝防水。 最初采用的是实心橡胶材料,因体积较大且拼装时接触应力较大,常造成管片接缝端部损坏。 英国在 1983 年修建谢菲尔德隧道时,使用了开设孔眼的橡胶密封垫,较好地控制了接触面应力,这种形式的橡胶密封垫被称为谢菲尔德型。以此为基础,工程技术人员根据工程的具体需求设计了多种断面型式的橡胶密封垫[33] 。 表 5 列举了我国盾构隧道工程中采用的典型接缝防水橡胶密封垫。尽管三元乙丙橡胶密封垫形式多样,但其材料耐久性评价方法较为明确。 王树清等[34] 基于橡胶静态密封原理和交联橡胶统计理论,提出了采用应力松弛加速试验评价不同材料的耐久性,这种评价方法一直沿用至今。
通过硫化挤出成型工艺,三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶结合成复合橡胶密封垫。 这种密封垫不仅拥有压密止水的功能,还兼具遇水膨胀止水的特性,确保在管片接缝张开的情况下膨胀橡胶遇水迅速膨大,封堵接缝渗漏水通道。 早在 2000 年之前,上海地铁就已应用了这种接缝防水密封垫[35] ; 天津滨海新区 Z2 号线快速轨道交通盾构隧道也采用复合橡胶密封垫作为管片接缝防水材料。 尽管已有学者采用理论和数值方式对复合橡胶密封垫进行了深入研究[36-38] ,但其耐久性的实际表现仍需通过更为严格的试验和实际工程应用来进一步验证。
管片接缝防水密封垫形式多样,在选择接缝防水材料时,无论采用三元乙丙橡胶、遇水膨胀橡胶、复合橡胶或是几种材料的组合,各工程都应充分考虑自身的实际情况和特点,科学合理地选择适当的数值和试验方法进行研究,这是确保工程质量和安全的关键所在。
2. 2 接缝防水试验与数值研究
我国的盾构隧道管片接缝防水以橡胶密封垫为主,通过相邻管片紧密挤压橡胶密封垫产生防水所需的接触应力。 为了解橡胶密封垫接缝防水的有效性和耐久性,往往通过试验验证,一般包括一字缝试验、T字缝试验、三元乙丙橡胶老化试验等。 为验证接缝防水的有效性,结合国内新建盾构隧道工程开展了一系列试验研究[39-43] 。 橡胶密封垫在服役过程中,可能会发生应力松弛,然而,密封垫接触状态、接触应力及其分布的变化很难实时监测[44] 。 龚琛杰等[45] 利用薄膜压力传感器开展橡胶密封垫接缝防水试验(如图 6 所示),通过采集橡胶密封垫之间的接触压力,实现了对密封垫接触状态的实时感知。
图 6 基于薄膜压力传感器的橡胶密封垫防水试验[45]
一般情况下,盾构隧道管片接缝较大的张开量和错台量是防水失效的主要原因。 然而,接缝防水试验研究中往往在预先设定的张开量、错台量工况下,测试橡胶密封垫的防水能力。 盾构隧道管片在施工和运营过程中不可避免发生相对位移,从而引起接缝张开、错动,甚至造成密封垫翻转、失效。 因此,在试验中需要考虑管片接缝的动态变化。 刘磊[46] 针对管片接缝在复杂外力状态下的变化,开展了压-剪作用下盾构隧道管片接缝密封垫防水试验(如图 7 所示),对比了“先张后错”“先错后张”等不同状态的接缝防水性能; 薛光桥等[47]也开展了考虑压缩、错缝和外部水压多状态耦合的密封垫防水性能研究。
图 7 密封垫试验动态错台原理图[46]
此外,针对管片拼装过程橡胶密封垫堆积变形问题[48] 、承插式接头管片接缝防水问题[49] 等也有学者开展了研究,不再一一赘述。在橡胶密封垫横断面设计时,常通过有限元数值
分析判断密封垫的防水性能。 以预定的管片拼装力压缩橡胶密封垫,读取密封垫与管片的接触压力,最大压力超过设计外部水压即认为防水安全。 近年来,这种方法在很多工程的防水设计中成为主流[50-52] ,但并未深入了解接缝防水的机制。 张亚洲等[33] 引入耦合欧拉-拉格朗日(CEL) 分析方法,探索了接缝防水失效的全部过程(见图 8)及双道橡胶密封垫防水机制。
图 8 橡胶密封垫失效、水体渗入过程[33]
在现有的防水密封垫数值研究中,研究者们普遍倾向于采用二维平面应变模型来评估密封垫在特定压缩力作用下的防水性能。 然而必须认识到,管片接缝的防水实际上是一个复杂且完整的系统。 当某一位置的密封垫受到过度压缩时,可能会引发其他部位的压缩松弛,甚至导致接缝的张开,从而影响整个防水体系的正常工作。 因此,在进行防水密封垫的数值研究时, 有必要将接缝防水体系作为一个整体研究对象,从全局的视角来深入理解管片接缝的防水机制。
2. 3 接缝防水原理与体系
一直以来,国内工程界认为高精度管片+单道橡胶密封垫就足够满足防水性能的需求[53] 。 近年来,随着新建工程面临的外部水压越来越高,盾构隧道开始选择双道橡胶密封垫防水。 研究过程中,人们发现双道防水体系并非简单的叠加: 首先,在水体的挤压作用下外侧密封垫失效,水体进入内、外侧密封垫之间的间隙; 然后,在间隙水压的反作用下,外道密封垫之间开始挤压并产生附加接触应力;最后,衬垫在渗水压力下逐渐自密封,从而再次形成有效防水[54] 。 文献[33]将这一过程分为管片挤压、外水推挤、水体楔入、水体突破和防水自愈5个阶段,如图 9 所示。
图 9 双道橡胶密封垫防水机制示意图[33]
目前橡胶密封垫设计的评价方法是以接触应力是否高于设计外部水压力为标准。 从工程实际出发,这种评价标准并不完整。 基于既有研究,目前盾构隧道接缝防水可采用有效接触应力+渗漏率双指标评价:当接触应力较大且有效接触应力占比较高时,防水能力由接触应力控制;当接触应力较小或有效接触应力占比较低时,防水能力由渗漏率控制。 此外,防水密封垫表面粗糙度等指标也应考虑在防水设计中。
2. 4 环间接缝构造
在建造大直径盾构隧道时,面对深埋、高水压及复杂地层等严苛条件,隧道环间往往承受巨大的剪力,这可能导致环间错台、张开变形等问题。 在这种条件下,仅凭螺栓连接难以有效抵抗这些剪力。针对环缝构造,当前普遍采用凹凸榫或剪力销等措施来增强环间抗剪强度。 值得注意的是,盾构隧道接缝的凹凸榫设计并非一成不变,其经历了从连续式到分布式的重要转变,如图 10 所示。 最初,连续式凹凸榫虽被设置于管片环缝间,但在管片发生位移错动时,实际接触的仅有 2 个点。 依据弹性理论,这种设计极易导致局部应力集中。 为解决这一难题,工程界引入了分布式凹凸榫设计[55-56] 。 该设计通过分散布置凹凸榫槽,确保在管片错动时,每个槽都能均匀分担应力,从而有效避免了应力集中于少数点的现象。
图 10 凹凸榫示意图
此外,剪力销也被广泛应用于管片环缝,如图 11(a)所示。 这一构造不仅具备凹凸榫的功能,还能与纵缝的快速拼装式接头相结合,甚至在某些隧道中剪力销可以替代环缝螺栓的作用。 定位榫也是管片环缝抗剪增强措施之一[57] ,既有环间抗剪的作用,也用于管片拼装过程中引导管片准确定位,如图 11(b)所示。
图 11 管片环缝抗剪措施
凹凸榫、剪力销和定位榫均通过提高管片环缝接头刚度增强隧道的纵向刚度,其特点和适用范围比较如表 6 所示。
3 盾构隧道施工技术
管片拼装是盾构隧道施工中的核心步骤,而针对管片拼装的质量管控指标则是保障隧道结构安全和使用安全的核心要素[58] 。 为了实现对管片拼装质量的有效管理,必须清晰界定并严格执行一系列具体的质量控制标准。
3. 1 管片拼装
3. 1. 1 管片拼装标准
1999 年颁布的 GB 50299—1999《地下铁道工程施工及验收规范》 设定高程和平面偏差、每环相邻管片平整度、纵向相邻环的环面平整度以及衬砌环直径椭圆度等作为关键验收参数。 然而,该规范在制定时未能充分考虑管片在盾壳内部完成拼装与脱离盾尾之后的形态变化差异,这导致了在实际工程验收过程中,验收指标的界定和应用出现了混淆。 为了解决这一问 题,在 2003 年对该规范进行了修订,明确区分了管片在不同施工阶段(特别是在盾壳内拼装完成和脱出盾尾后)的变形验收标准。
表 7 对比了 2 版规范中管片变形验收标准。GB 50446—2008《盾构法隧道施工与验收规范》沿用了之前规范的验收指标,并针对公路隧道、地铁隧道以及水工隧道分别制定了拼装验收的具体标准,同时还明确了相应的检验方法及检查频率。在 2017 年发布的 GB 50446—2017《盾构法隧道施工及验收规范》中,增加了铁路隧道、市政隧道和油气隧道的拼装标准,且进一步提出了更为严格和详尽的规定。
上述所有规范均对管片接缝错台设置了严格的控制标准。 纵缝错台现象会导致螺栓在穿入螺栓孔时对周边混凝土产生过度的挤压,进而引发严重的压溃问题。 特别是在负弯矩作用下,管片内侧所受压力分布不均,加剧了受压区域的损伤,这种损伤可能进一步发展为贯通裂缝,最终构成渗漏水的通道[59] 。 针对管片拼装可能出现环间错台,有学者提出了变换封顶块位置、插入断面矫正材料、更换较薄较软的缓冲垫等应对措施。
3. 1. 2 管片拼装设备
管片拼装机是盾构不可或缺的关键部件,其拼装管片的质量与效率直接关系到整个隧道工程的品质与进度。 鉴于拼装工序繁复、作业效率要求高、定位与检测精度要求高、动静态性能复杂多变以及承载工作量大等特点[60-61] ,隧道管片拼装技术已成为我国盾构施工生产中的一大难题与挑战,而这些难题均需通过管片拼装技术的不断发展来攻克。
管片拼装机的操作依赖于其回转、平移及提升系统,这些系统共同确定了管片拼装的初步定位,如图12 所示。 而在拼装过程的精细调整阶段,则依赖于微调系统来实现精确的定位。 当这些系统协同工作时,能够确保管片在平移、旋转、伸缩、俯仰、横摇及回转等6 个自由度上灵活动作[62] 。 鉴于管片拼装工作的高度精确性要求,即便是微小的拼装误差也可能引发渗漏水问题,因此,微调定位技术在此过程中显得尤为重要。
图 12 管片拼装机整体结构[62]
在微调系统中,俯仰液压缸与偏转液压缸的引入显著提升了管片拼装的质量,然而,这些设备也面临着布局复杂和作用力损耗的挑战。 为了解决这些问题,钱晓刚等[63]创新性地提出了采用基于球面二自由度并联机构的新型管片拼装方案,以此替代传统的俯仰液压缸和偏转液压缸; 同时,黄业平[64] 选择使用3-RPS 机构来替换原有的五杆机构和俯仰液压缸; 此外,崔国华[65]在现有并联微调机构的基础上,进一步提出了冗余驱动机构的设计。 这些改进措施均取得了显著成效,不仅提高了控制精度,还有效减少了振动并增强了系统的稳定性。
随着国内承插式接头盾构隧道建设日益增多,对管片拼装的精度要求也愈发严格。 因此,制定一套能够量化评价微调定位性能(包括控制精度、振动抑制以及稳定性等)的指标和方法变得不可或缺。
3. 2 管片上浮控制
在盾构隧道施工过程中,当一环拼装完成的管片从盾尾脱离后,会被同步注浆液所包围。 若浆液凝结时间较长,管片可能因浆液产生的浮力而发生上浮位移,如图 13 所示。 目前国内轨道交通隧道工程中多采用惰性浆液或硬性浆等单液浆作为同步注浆材料[66] ,但由于初凝时间较长,管片容易在液态浆液的浮力作用下发生上浮。 如果控制不好,过大的上浮量会严重影响隧道施工的质量,导致管片错台、开裂、破损,对管片的结构稳定性和防水性能构成重大威胁。
图 13 管片上浮示意图
水泥和水玻璃混合而成的双液浆凝结时间可缩短至 20~30 s,能迅速从液态转变为流塑状态,大幅降低浆液流动性及随之产生的对隧道管片的浮力。 早在20 世纪 90 年代,上海延安东路隧道工程就应用了水泥、水玻璃双液同步注浆[67] 。 然而,传统的同步双液注浆工艺存在成本高、易堵管等缺点[68] 。
为解决这一问题,北京东六环改造工程开发了制-运-注一体化注浆系统(如图 14 所示),通过增设 1节注浆台车,有效解决了双液浆的配制、运输、注入难题。 同时,改进了注浆管路冲洗工艺,解决了双液浆易堵管问题。
图 14 北京东六环改造工程制-运注一体化注浆系统
在北京东六环改造工程中,采用同步双液注浆技术,将管片的上浮量基本控制在 15 mm 以内,确保了整条隧道的防水性能,实现了不渗不漏的目标。 此外,采用钻孔取芯、联络通道开挖时现场观测等手段对同步注浆层进行了检测,发现取得的芯样完整,同步注浆层均匀致密,浆液的固化质量较为理想,如图 15 所示。此后,江阴靖江长江隧道、青岛胶州湾第二海底隧道等大直径盾构隧道工程也采用了同步双液注浆。
图 15 同步注浆体检测
4 结论与展望
本文对国内盾构隧道防水体系的发展进行了总结和讨论,结果表明: 作为盾构隧道整体防水体系的核心构成,管片高精度预制、接缝密封结构设计及拼装工艺精准控制共同保障了隧道全生命周期防水的可靠性。 管片的几何精度直接决定拼装匹配性,接缝密封材料、构造的适配性是抵御外部水压的关键屏障,而管片拼装与同步注浆技术直接关系隧道防水的稳定性。
近 20 年来,我国盾构隧道防水技术体系历经了从材料革新到系统集成的突破性发展。 伴随智能机器人、物联网与大数据技术的深度渗透,未来盾构隧道防水体系将向多学科交叉融合方向演进,推动防水体系从被动防御向智能预控的模式转变:
1)目前我国的管片生产正处于由智能化迈向智慧化的转型期。 展望未来,管片生产流程将深度融合物联网、数字孪生及人工智能等尖端信息技术,构建一个全方位数字化、自动化且智能化的生产管理体系。这一体系将实现生产全链条的可视化管理,涵盖物料智能管理、钢筋智能加工、设备智能操控及生产过程智能监控等多个环节。 通过这一系列智能化手段,将实现对人员、材料、机械、物资、工艺及环境等所有生产要素的精细管理,从而确保管片产品的卓越品质。
2)我国大直径盾构隧道的建设正不断深入,面临的外部水压日益增大。 尽管现有的双道橡胶密封垫能够有效抵御近百米水头的高水压,但在未来更极端的水压条件下,当前防水技术的可靠性尚存在不确定性。因此,未来管片接缝防水的理论和试验研究应从整体防水体系出发,考虑极端外部环境下管片接缝防水的联动。 此外,在设计方面可借鉴矿山法隧道的经验,探索构建具备主动控制泄压排水功能的隧道结构。 同时,在材料研发上,应持续优化三元乙丙橡胶的断面构造,并深入探究遇水膨胀橡胶的性能特点及作用规律,以进一步提升防水能力。
3)我国盾构隧道建设领域正迎来另一趋势,即快速接头隧道的兴起。 相较于传统螺栓连接的管片,快速接头管片在连接防水、结构构造、接缝防水等方面均有所不同。 自 2018 年以来,快速接头在上海地铁隧道等工程中已有应用,施工期间及运营至今效果良好,这一技术目前已纳入超大直径盾构隧道工程设计。 快速接头技术的应用对管片拼装精度提出了更高要求。 为适应这一需求,一方面,现有的拼装设备亟需进行技术改造升级,开发具有智能化、自动化拼装功能的设备,确保能够满足快速接头的精密拼装标准和防水要求;另一方面,针对大直径盾构隧道,应同步推进相关研究,开发同步推拼技术,旨在实现盾构隧道的高效率、高品质建造。 在软土地区,盾构隧道管片上浮控制仍然是一大难题,除同步双液注浆控制外,还应注重盾构
姿态控制,管片脱出盾尾的姿态在一定程度上也会对上浮产生影响。 因此,需要综合施策,确保盾构隧道管片的稳定与安全,减少渗漏水风险。