随着中国交通行业的不断发展，盾构隧道逐渐向着长距离、大直径、深埋深的方向推进，尤其在掘进距离方面取得了显著突破。目前，国内单台盾构的设计独头掘进距离已突破10 km，例如崇太长江隧道设计独头掘进距离达到11.325 km。然而，受工期压力、盾构设备核心部件疲劳极限以及中间竖井设置条件缺乏等多方面因素的制约，极大地限制了盾构的独头掘进能力。
地中对接是实现长距离盾构隧道快速施工的有效途径之一，目前国内外已有案例的盾构对接主要分为三种，分别是机械对接、土木对接和混合对接。机械式对接法往往需要对盾构机做特殊设计，使其中一台盾构贯入另外一台，达到接收的目的。土木式对接法是两台直径相同的盾构机相向掘进到达对接位置，并提前对对接位置地层作化学注浆或冻结加固处理。混合式对接法是结合前述两种对接方法实施盾构地中对接。
在土木式对接法对接过程中，盾构机需在地层中完成弃壳解体。由于盾壳与管片之间存在盾尾间隙，对接阶段的一个关键步骤是在管片与盾壳之间建立有效连接，以实现两者之间的协同受力。同时，还需对盾壳与尾环管片端部之间的间隙进行可靠封堵，从而确保拆机过程中盾体结构的稳定性，并防止隧道后期发生渗漏。
日本东京湾海底隧道是地中对接技术早期应用的典范，该工程在稳定地层中成功实施了盾构对接。对接区末端采用特制钢管片，通过焊接与盾壳形成刚性连接，既传递了水土压力，又增强了结构整体性，从而部分优化了盾尾连接部位的受力状态。广深港高铁狮子洋隧道通过在管片端面与盾壳间加焊钢肋板来抵抗盾构后退，同时结合盾尾间隙注浆，实现了盾体止退与地下水封堵的双重目的。在青岛地铁8 号线市民健身中心站至2#风井区间，末环管片为特殊设计，侧面预埋钢板，使二次衬砌钢筋得以与之连接；此外，在盾构管片与对接段二次衬砌的接缝处，内外分别设置止水条，并在接缝内侧加装不锈钢接水盒，从而确保防水效果。类似的地中对接盾尾处理技术也在英吉利海峡隧道等重大工程中得到应用。
然而，上述案例多针对特定工程条件，其地层多为稳定性较好的岩层或经特殊加固的地层。对于在高水压、富水软弱地层中进行盾构地中对接，盾尾连接装置不仅要承受巨大的水土压力，其焊接施工产生的高温还可能对管片端面的密封垫造成致命损伤，从而引发灾难性的渗漏事故。目前，针对此类复杂环境下盾尾密封止退装置的系统性研究，特别是关于装置可靠性、施工工艺以及过程控制等方面的研究尚显不足。
基于此，本文依托江阴靖江长江隧道工程，设计出兼具传力与密封功能的盾尾刚性接头连接装置。通过在现场开展工艺模型试验，旨在解决以下关键问题：（1）验证装置在模拟实际受力状态下的可靠性，包括螺栓抗拔力、密封垫压缩量等关键参数；（2）优化现场施工工序，发现并解决施工中的潜在难点；（3）评估焊接热效应对管片密封垫的影响，并筛选出有效的隔热材料与工艺参数。 最终，将试验研究成果应用于实际工程，以期为在类似高风险地层条件下的盾构隧道地中对接提供技术依据和工程参考。
1 盾尾密封止退装置设计
为应对盾体后退与盾尾渗漏的实际问题，本研究提出采用刚性接头连接装置，如图1 所示。该装置由28 块保护钢板1、28 块密封钢板2、196 块止退钢板3、196 根M30 螺栓以及若干块L 型拉结钢板组成，保护钢板1、密封钢板2、止退钢板3 及L 型拉结钢板均采用Q355 低合金高强度结构钢，M30 螺栓采用8.8 级高强螺栓（抗拉强度≥800 MPa、屈服强度≥640 MPa）。其中保护钢板1 的作用是在钢板焊接时对管片上密封垫进行隔热保护。整套装置兼具传力与密封功能，既可以保证管片与盾壳之间密封良好，同时可以承受后续施工以及运营期间的各种荷载。此外，还简化了施工步骤，并尽量减少对现有管片结构的破坏。
该装置中的密封钢板2 与保护钢板1 沿最后一环管片端面环向铺开，环缝采用焊接连接，止退钢板3 与盾壳纵向连接，与密封钢板2 径向焊接。该装置的密封防水通过双重机制实现：首先，通过M30 高强螺栓施加压紧力，使管片端部的EPDM 密封垫产生设计所需的压缩变形，形成可靠的初始接触密封；随后，将密封钢板2 靠近盾壳一侧的端部与盾壳焊接，实现对盾尾间隙的永久性刚性封闭，阻绝外部地下水沿盾壳与管片间的渗透路径。这一“螺栓预紧提供接触压力+焊接形成刚性封堵”的协同设计，构成了盾尾节点长效防水的核心结构保障。
图1 盾尾密封止退装置示意图
2 盾尾密封止退装置工艺试验
由于该装置为首次应用于0.7 MPa 以上水压的超大直径盾构隧道工程，缺乏可供参考的施工数据与经验；且整套装置其结构包含大量接缝，涉及众多焊接作业，焊接过程中产生的热量极有可能对管片端面的密封垫造成热损伤，进而导致其丧失防水效能。因此，设计两阶段现场工艺试验：一阶段为装置可靠性验证试验，一是对装置可靠性进行验证，为现场施工提供实践依据，二是为了确定最合理的施工工序；二阶段试验为焊接热效应试验，确定钢板焊接过程中对管片密封垫的热损伤情况。
2. 1 装置可靠性验证试验
2. 1. 1 试验目的
装置可靠性验证试验旨在通过模拟现场施工，达到以下目的：首先，确定最合理的施工工序，为现场施工提供实践依据；其次，获取螺栓连接的关键性能参数，涵盖抗拔力、达到设计密封垫压缩量所需的紧固扭矩值，并对螺栓螺纹的可靠性进行验证；同时，检测螺栓安装后钢板与管片端面的间隙情况；最终，通过试验梳理施工中存在的技术难点和控制要点，为现场施工的顺畅、合理实施提供指导。
2. 1. 2 试验设备及方法
试验设备包括：门吊、试验台、游标卡尺、打孔机、电动水钻、扭矩扳手、千斤顶、反力架、垂直度导向工装、电焊机、标准液压螺杆拉拔仪（配套油泵、30 t 千斤顶及油管和显示油表）、相机。
试验步骤：螺栓孔定位模板制作；螺栓孔定位；钻孔、植筋；开展拉拔实验；安装钢板；钢板焊接（分四层焊缝进行焊接）；钢板拆除，记录实验结果，如图2 所示。
图2 装置可靠性试验
2. 1. 3 试验结果
通过对10 根8.8 级M30 高强螺栓进行拉拔试验，测得螺栓平均拉拔力达到285.77 kN，根据M30高强螺栓有效截面积Ae=560.6 mm2，计算得拉应力σ =F/Ae=285770/560.6≈509.7 MPa，该应力值小于螺栓抗拉强度800 MPa。
单根螺栓扭矩值达到1100 N·m 时，密封垫与钢板接触面的接触压力可满足设计要求，从而确保密封垫起到防水效果。未受压状态下密封垫到管片之间的错台量H=15 mm，使用钢尺测量螺栓拧紧后密封垫处钢板与管片之间的错台量为h=2 mm，计算得出的密封垫的压缩量Δh=H−h=13 mm，与设计图纸要求的压缩量相比满足设计要求，证明使用螺栓压紧密封垫的方案在高水压地层中具备可行性，能够形成可靠的初始密封。
2. 2 焊接热效应试验
2. 2. 1 试验目的
焊接热效应试验的目的是验证钢板接缝焊接产生的高温对管片上既有的三元乙丙橡胶密封垫的影响，从而根据试验结果对密封垫采取相应的隔热措施，进而提升盾构隧道对接段的防水质量。
2. 2. 2 试验设备及方法
本次试验所用材料包括：8 mm 厚钢板（保护钢板1）、30 mm 厚钢板（密封钢板2）、废旧管片、M30螺栓、1 cm 厚氯丁橡胶板、1 cm 厚氟橡胶板。管片端部所采用的密封垫为三元乙丙（EPDM）橡胶，其性能符合《高分子防水材料 第4 部分：盾构法隧道管片用橡胶密封垫》（GB/T 18173.4—2010）标准，硬度为（65±5） Shore A，拉伸强度≥10 MPa。试验材料如图3~6 所示。
图3 保护钢板1 与密封钢板2 组合件
图4 混凝土管片
图5 氟橡胶板
图6 氯丁橡胶板
试验主要步骤如下：（1）将保护钢板1 与密封钢板2 采用四周围焊的方式焊接为组件；（2）在钢板接
缝位置粘贴氯丁橡胶板及氟橡胶板；（3）焊接前的焊件不同区域标记（保护钢板1 后方未粘贴隔热材料的区域记为S1；保护钢板1 后方粘贴氯丁橡胶板区域记为S2；密封钢板2 后方未粘贴隔热材料的区域记为S3）；（4）将钢板安装到已贴好密封垫的管片上；（5）使用焊机对密封钢板2 接缝进行焊接；（6）使用红外热成像仪测量每道焊缝焊接过程中及焊接完成后钢板各个区域的温度；（7）拆除钢板，观察密封垫受焊接温度的影响情况。
本试验分阶段进行，旨在系统评估隔热效果。
第一阶段（温度场测定）：在钢板接缝处的保护钢板（钢板1）后方粘贴氯丁橡胶板。焊接前，设置3个测温区域以对比不同位置的温升：S1 区（保护钢板后方，无附加隔热）；S2 区（氯丁橡胶板后方）；S3区（密封钢板2 后方，靠近焊缝热源）。使用红外热成像仪监测焊接全过程的温度分布。
第二阶段（密封垫性能影响测定）：为对比不同材料的隔热性能，在另一组试件中，于接缝处并列粘贴氯丁橡胶板与氟橡胶板。焊接完成后，冷却至室温，拆除所有钢板，直接测量管片密封垫在不同隔热材料保护区域下的回弹损失量，以此定量评估热损伤程度。本次试验对钢板接缝实施分层焊接，焊接时每层焊缝焊接时长10 min，通过红外热成像仪测温，每层焊接完成后温度变化如下：
第一道焊缝开始焊接时，各个区域的平均温度（从下往上焊接）：S1 区温度36.1 ℃ ，S2 区温度34.5 ℃，S3 区温度88.7 ℃；第一道焊缝焊接完成时各个区域的平均温度：S1 区温度61.2 ℃，S2 区温度47.5 ℃，S3 区温度101.2 ℃；第二道焊缝焊接完成时各个区域的平均温度：S1 区温度88.8 ℃，S2 区温度64.9 ℃，S3 区温度131.5 ℃；第三道焊缝焊接完成时各个区域的平均温度：S1 区温度135.1 ℃，S2 区温度90.2 ℃，S3 区温度160 ℃；第四道焊缝焊接完成时各个区域的平均温度：S1 区温度151.7 ℃ ，S2 区温度97.7 ℃，S3 区温度165 ℃。
2. 2. 3 试验结果
（1）钢板焊接温度随焊接时长变化规律
通过测温结果发现，在焊件焊接过程中，随着焊接时间的增长，焊件温度呈现上升趋势，并且根据增长趋势，可以发现焊件温度上升呈现两阶段现象：① 快速升温阶段：即焊接时长为0~30 min 时，焊件温度快速升温，其中S1 区温度从36.1 ℃ 上升至135.1 ℃，S2 区温度从34.5 ℃上升至90.2 ℃，S3 区温度从88.7 ℃上升至160 ℃。② 缓慢升温阶段：即从30~40 min，焊件温度呈现缓慢升温现象，三区域均呈现10 ℃以内的缓慢升温。
从图7 可以看出，S1、S2、S3 三个区域温度存在显著差异。值得注意的是，尽管S2 区域位于保护钢板后方，但由于有氯丁橡胶板的隔热作用，其温度明显低于未受隔热的S1 区域，也显著低于靠近热源的S3 区域。此外，在焊接0~30 min，焊件各区域温度随着焊接时间的推移而持续快速升高。但当焊接时长超过30 min 后，温度上升速率显著放缓，这可能是由于焊件内部热传导与表面向空气散热的综合作用逐渐达到动态热平衡所致。
图7 S1、S2、S3 三区域焊接温度随时间变化曲线
（2）钢板焊接温度对密封垫热熔的影响
焊接完成后将密封钢板进行拆除，静置后对管片上密封垫回弹情况进行测量，焊接热影响范围的测量方法为：沿焊缝纵向以1 cm 为间隔测量密封垫各位置回弹量；判断原则为：以密封垫单侧压缩后回弹损失≤4 mm（设计允许值）为防水性能合格标准，将回弹损失>4 mm 的区域界定为焊接热影响范围，测量结果如表1 所示。
表1 隔热材料隔热效果对比结果
试验结果表明，采用氯丁橡胶板或氟橡胶板作为隔热层，能够有效防止密封垫发生热熔。尽管这两类隔热材料均会一定程度上影响密封垫的回弹性能，但其中氯丁橡胶板所造成的回弹损失尚在允许范围内，不影响密封垫既定的防水性能要求。
3 现场应用及监测
基于上述工艺试验研究所确定的关键参数与工艺经验，本文提出的盾尾密封止退装置已在江阴靖江长江隧道左线盾构地中对接工程中得到成功应用。该工程对接位置处水压高达0.76 MPa，地层为富水粉细砂层，属于典型的高水压、软弱富水地层，应用条件严苛。
在工程实施过程中，针对盾尾密封止退装置形式，对原有管片拼装机进行改造——拆除拼装机真空吸盘，并在原真空吸盘位置安装专用夹具工装，实现了钢板组合件在盾尾狭小空间内的高效运输与精准就位，单块保护钢板1 与密封钢板2 组合件安装调整时间控制在30 min 内，验证了施工可行性。焊接作业采用试验优选的氯丁橡胶板作为隔热层，并严格控制焊接工艺，有效保护了密封垫性能。
在对接施工全过程中，对装置关键受力部位进行了应力监测。监测结果表明（如图8 所示），在冻结、拆机等荷载变化剧烈的阶段，装置最大应力始终低于材料容许值±241 MPa，结构保持稳定。更重要的是，通过对盾尾节点的持续渗漏水检查，在整个对接及后续施工期间未发现任何渗漏点，直接证实了该装置在实际高水压环境下的可靠密封性能。
图8 盾尾止退钢板对接全过程应力监测曲线
4 结 论
通过现场工艺试验，本文针对高水压富水软弱地层盾构地中对接中的盾尾密封与止退问题，得出以下结论：
（1）本文提出的盾尾密封止退装置通过刚性连接与双重密封机制，有效解决了盾构地中对接过程中盾壳与管片连接处的力学传递与防水难题；
（2）焊接过程中，保护钢板与隔热材料的应用能有效降低热传递，氯丁橡胶板的隔热效果优于氟橡胶板，其热影响范围控制在焊缝两侧约13 cm；
（3）在江阴靖江长江隧道工程中的成功应用验证了该装置及施工技术的可靠性，装置在0.76 MPa高水压工况下应力状态稳定且无渗漏，具有重要的工程推广价值。