盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中鉸接處漏水原因分析與處理

朱立華 盛 亮

（1.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，300018，杭州；2.中鐵二局股份有限公司，610031，成都∥第一作者，工程師）

1 概況

在城市地鐵建設(shè)中，為了提高盾構(gòu)機(jī)在曲線段施工的操作性能，將盾構(gòu)機(jī)分成前后兩個(gè)部分，中間采用千斤頂有效連接，盾構(gòu)機(jī)可以進(jìn)行一定角度的擺動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)的鉸接功能［1］。但盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，在水土壓力作用下，盾構(gòu)機(jī)的鉸接功能頻繁使用，因此，盾構(gòu)機(jī)鉸接處較易形成滲漏。

杭州地鐵某區(qū)間隧道掘進(jìn)工程中，盾構(gòu)機(jī)鉸接處出現(xiàn)了漏水、漏砂險(xiǎn)情。該區(qū)間單線總長1102.177 m；隧道平面設(shè)有1組曲線，半徑為350m；縱坡為V字形坡，最大坡度為28‰；隧道埋深在9.7～18.8m范圍。隧道左右線分別采用2臺(tái)直徑6450mm的海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)。

區(qū)間線路場(chǎng)區(qū)淺層地下水屬孔隙性潛水，主要賦存于表層填土及③2～③7－3層砂質(zhì)粉土、粉砂中，由大氣降水和地表水徑流補(bǔ)給，地下水位隨季節(jié)變化。工程區(qū)深部孔隙承壓含水層主要分布于深部的⑦夾層粉砂、⑧3層粉砂、⑨2層粉砂中。

盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)漏水、漏砂的位置處于③7－1砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層。該地層物理狀態(tài)為流塑狀，含水率為29.6%，孔隙比0.85，無承壓水。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈層狀或團(tuán)塊狀分布，且淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土單層厚度為0.5～1.5cm，含云母、貝殼碎屑。振搖反應(yīng)緩慢，切面粗糙，干強(qiáng)度低，韌性低，標(biāo)性貫入擊數(shù)平均值為7.5擊／30cm，屬中等偏高壓縮性土。

2 盾構(gòu)機(jī)鉸接結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)機(jī)前后兩部分采用鉸接千斤頂連接。鉸接千斤頂沿盾構(gòu)周邊整環(huán)布置，其兩端的鉸銷處都裝有球鉸，以保證盾構(gòu)機(jī)軸線與鉸接千斤頂軸線之間有一定的擺動(dòng)角度。根據(jù)盾構(gòu)推進(jìn)千斤頂在盾構(gòu)機(jī)上固定位置的不同，鉸接裝置可分為主動(dòng)型和被動(dòng)型兩種。該工程采用的海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為被動(dòng)鉸接。

盾構(gòu)機(jī)鉸接結(jié)構(gòu)的工作原理為：鉸接千斤頂?shù)纳炜s完全依靠外力作用，可在曲線推進(jìn)過程中使盾構(gòu)機(jī)前后部分發(fā)生彎折，從而順利進(jìn)行曲線段盾構(gòu)推進(jìn)［1］。如圖1所示，鉸接處密封裝置由1道橡膠密封圈和1道應(yīng)急氣囊組成。

圖1 鉸接密封裝置詳圖

3 鉸接漏水漏砂現(xiàn)象

區(qū)間左線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至346環(huán)時(shí)，沿掘進(jìn)方向盾構(gòu)鉸接處發(fā)生了較大漏水漏砂險(xiǎn)情，涌入盾構(gòu)隧道的泥沙量約為30m3。施工單位通過盾構(gòu)機(jī)機(jī)身徑向注漿孔及盾尾管片壓注聚氨酯，暫時(shí)控制住了漏水漏砂險(xiǎn)情。險(xiǎn)情造成盾構(gòu)機(jī)“栽頭”現(xiàn)象嚴(yán)重，首尾垂直偏差分別為－507mm、－387mm（正常情況下應(yīng)控制在±50mm內(nèi)）。由于盾構(gòu)機(jī)“栽頭”，帶動(dòng)管片向下移動(dòng)，致使已拼裝好的第345、344、343環(huán)管片發(fā)生了大面積碎裂和錯(cuò)臺(tái)，最大錯(cuò)臺(tái)量約為10cm。由于大量泥砂涌入隧道內(nèi)，地表出現(xiàn)了較大沉陷，形成“沉降漏斗”，最大沉降值為29cm。為保障安全，封閉了1側(cè)機(jī)動(dòng)車道、非機(jī)動(dòng)車道及人行道，從而影響了地面交通。

4 險(xiǎn)情原因分析

險(xiǎn)情發(fā)生后，建設(shè)單位立即邀請(qǐng)上海和杭州地區(qū)盾構(gòu)施工與機(jī)械設(shè)備方面專家召開專家會(huì)。根據(jù)施工單位對(duì)盾構(gòu)機(jī)鉸接位置中盾與盾尾相對(duì)位置測(cè)量情況，發(fā)現(xiàn)漏砂位置附近鉸接密封間隙明顯大于其他部位，最大間隙達(dá)到10mm。具體位置及間隙情況如圖2所示。

圖2 鉸接處測(cè)量示意圖

根據(jù)專家分析，從設(shè)備測(cè)量情況來看，可能由于盾尾變形引起盾尾局部徑向偏移量變大，從而致使中盾、盾尾間隙增大，超出了密封裝置正常密封范圍，進(jìn)而導(dǎo)致部分密封失效，密封裝置無法阻擋盾構(gòu)機(jī)外部泥沙的水土壓力，最終造成漏水漏砂險(xiǎn)情。同時(shí)，據(jù)施工單位反映，在盾構(gòu)機(jī)拼裝時(shí)，中盾和盾尾拼裝較困難，雖最終完成拼裝卻并未進(jìn)行盾尾真圓度檢測(cè)，這與專家分析的原因相互印證。

5 盾構(gòu)鉸接處漏水漏砂事故的處理

5.1 加強(qiáng)鉸接處漏水漏砂封堵

（1）對(duì)盾構(gòu)機(jī)鉸接處應(yīng)急氣囊進(jìn)出口進(jìn)行改造，壓注潤滑油脂（EP2），使其充分填充氣囊，造成氣囊膨脹，從而起到封堵的效果。鉸接處氣囊位置示意圖見圖3。

圖3 鉸接處氣囊位置示意圖

（2）逐步清理盾尾處泥砂，同時(shí)，依次在鉸接處的預(yù)留球閥上壓注聚氨酯，以封堵鉸接之間的縫隙，為后續(xù)工作提供時(shí)間保障。為充分確保堵漏效果，鉸接處的每孔聚氨酯壓注量不少于450L。

（3）氣囊填充和聚氨酯壓注完成后，采用1cm厚鋼板將鉸接接縫滿焊封閉。焊接前可在鋼板與機(jī)身之間增設(shè)3道遇水膨脹橡膠止水條，以增強(qiáng)止水效果。鉸接處細(xì)部構(gòu)造如圖4所示。

圖4 鉸接處細(xì)部構(gòu)造圖

（4）為防止盾構(gòu)機(jī)鉸接處焊縫在后續(xù)推進(jìn)中被拉裂，用連接鋼板更換部分鉸接油缸。即將14組鉸接油缸中的8組用6cm厚鋼板制成的連接鋼板替代，使鉸接處成為剛性連接，棄用鉸接功能。鉸接油缸位置如圖5所示。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，盾構(gòu)機(jī)鉸接兩邊拉環(huán)中心距離58cm，拉環(huán)內(nèi)徑10cm。由此確定連接鋼板尺寸如圖6所示。連接鋼板采用普通鋼。

圖6 連接鋼板制作示意圖

（5）為提高鉸接處連接保險(xiǎn)系數(shù)，均勻布置12塊5cm寬的預(yù)制鐵塊，將中盾和盾尾焊接在一起。這也可增強(qiáng)鉸接處焊接鋼板的牢固性。預(yù)制鐵塊焊接示意圖見圖7。經(jīng)檢算，連接鋼板拉力大于原鉸接拉力，滿足盾構(gòu)機(jī)正常推進(jìn)要求。

圖7 預(yù)制鐵塊焊接示意圖

5.2 處理受損管片

（1）受損管片采用臨時(shí)支撐加固。由于盾尾后5環(huán)受損管片位于盾構(gòu)連接橋處，無法直接在管片頂部與下部之間加設(shè)內(nèi)支撐。因此，可利用盾構(gòu)機(jī)連接橋處周邊空擋架設(shè)3榀工字鋼門架。首先，門架下部與管片連接螺栓處焊接，并沿縱向采用工字鋼焊接，以確保門架穩(wěn)定；然后，將門架與管片之間空隙用方木頂緊；同時(shí)使用5cm寬扁鐵及14號(hào)槽鋼水平連接盾尾后的15環(huán)管片，以加強(qiáng)縱向連接。

（2）采用注漿加固。盾構(gòu)鉸接處的焊接工作完成后，盾構(gòu)機(jī)準(zhǔn)備恢復(fù)掘進(jìn)前，對(duì)盾尾后的12環(huán)受影響管片從下向上、左右對(duì)稱、逐孔壓注雙液漿。雙液漿的水灰比為0.8∶1；水泥漿∶水玻璃＝1∶1，水玻璃波美度為38.5。注漿采取注漿量和注漿壓力雙指標(biāo)控制。每個(gè)孔理論注漿量為0.5m3。施工時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及注漿壓力確定是否繼續(xù)注漿：當(dāng)注漿壓力小于0.2MPa時(shí)持續(xù)注入；當(dāng)注漿壓力大于0.35MPa且注不進(jìn)去時(shí)，停止注漿；注漿的同時(shí)對(duì)管片進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如管片收斂變形超過10mm或地表監(jiān)測(cè)達(dá)到預(yù)警值則停止注漿。

5.3 處理地表沉降

盾構(gòu)機(jī)鉸接處的漏水漏砂導(dǎo)致地表出現(xiàn)了沉降。沉降區(qū)域?yàn)樾熊嚨篮腿诵械?，最大累?jì)沉降值為29cm。漏水漏砂事故發(fā)生后，第一時(shí)間內(nèi)將沉降區(qū)域及影響區(qū)域進(jìn)行封閉，并設(shè)置警示標(biāo)志，通知交警部門配合組織交通。洞內(nèi)盾構(gòu)機(jī)鉸接處漏水漏砂險(xiǎn)情得到及時(shí)控制后，雖然地面道路已出現(xiàn)嚴(yán)重開裂、沉降，但地表沉降已基本趨于穩(wěn)定，此時(shí)對(duì)沉降區(qū)域道路進(jìn)行破除開挖、充填沉降區(qū)域，并重新施做道路路面。

處理沉降過程中對(duì)地表、管線及建筑物均加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及巡視，并延長監(jiān)測(cè)時(shí)間，直至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完全穩(wěn)定。

5.4 調(diào)整線路平縱斷面

由于盾構(gòu)機(jī)“栽頭”現(xiàn)象較為嚴(yán)重，且已棄用盾構(gòu)機(jī)鉸接功能，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)小半徑曲線能力減弱，需對(duì)線路平、縱曲線進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)對(duì)已拼裝完成管片的測(cè)量情況，將線路縱坡由11‰調(diào)整為15.5‰，線路平曲線半徑由368m調(diào)整為375m。

5.5 恢復(fù)掘進(jìn)施工方案

在盾構(gòu)機(jī)鉸接處焊接、受損管片加固、線路平、縱曲線調(diào)整等工作完成后，盾構(gòu)機(jī)具備了恢復(fù)掘進(jìn)條件?；謴?fù)掘進(jìn)的具體方法為：

（1）垂直方向按照調(diào)整后的線路掘進(jìn)。為更好地?cái)M合線路保證管片質(zhì)量，盾構(gòu)機(jī)每環(huán)糾偏量不超過1cm，且盾構(gòu)機(jī)機(jī)身的每環(huán)玻璃調(diào)整值不大于2‰。

（2）前5環(huán)掘進(jìn)完成后，盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)已基本穩(wěn)定，此時(shí)停止盾構(gòu)的掘進(jìn)，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)管片的姿態(tài)測(cè)量，將測(cè)量出的數(shù)據(jù)反饋設(shè)計(jì)院。設(shè)計(jì)院根據(jù)具體情況再做跟蹤調(diào)整方案。

（3）嚴(yán)格控制推進(jìn)速度不超過2cm／min，糾偏遵循“緩糾慢糾”原則。

（4）恢復(fù)掘進(jìn)后10環(huán)為調(diào)整段。應(yīng)提高調(diào)整段防水等級(jí)，采用過江隧道相應(yīng)的防水措施。

（5）調(diào)整好盾尾間隙，防止盾尾刷與管片間隙過小遭到破壞。加強(qiáng)盾尾刷保護(hù)、及時(shí)清理油脂倉。使用優(yōu)質(zhì)油脂、加大油脂注入量且保證均勻壓注。

（6）掘進(jìn)過程中若盾尾出現(xiàn)泥漿、砂漿或清水滲漏，盾構(gòu)司機(jī)應(yīng)立即停止掘進(jìn)，并采用手動(dòng)注脂方式在發(fā)生滲漏的位置和相鄰位置增加油脂注入量，若泄漏較大，則調(diào)大油脂注入量直至完全密封住。

6 結(jié)語

大批國際知名的盾構(gòu)廠家紛紛落戶中國，使我國成為全世界最大的盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)業(yè)基地和應(yīng)用盾構(gòu)開挖隧道最多的國家［2］。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中鉸接處漏水漏砂險(xiǎn)情時(shí)有發(fā)生，通過對(duì)險(xiǎn)情原因及后續(xù)問題的處理情況，分析總結(jié)了應(yīng)注意的事項(xiàng)。

（1）盾構(gòu)法施工中，盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的日常保養(yǎng)、檢修非常重要，尤其在盾構(gòu)機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)、組裝時(shí)，應(yīng)對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行必要的檢測(cè)。本案例中盾構(gòu)機(jī)鉸接處漏水漏砂險(xiǎn)情發(fā)生的主要原因就是設(shè)備組裝時(shí)未對(duì)盾尾真圓度進(jìn)行測(cè)量，盾尾變形未被發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致出現(xiàn)鉸接處漏水漏砂險(xiǎn)情。

（2）加強(qiáng)針對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急演練，并配備充足人員、有效搶險(xiǎn)物資。其中，堵漏材料的選擇十分重要。目前，應(yīng)急搶險(xiǎn)主要堵漏材料為聚氨酯堵漏劑，其市場(chǎng)售價(jià)為2～6萬元／t，價(jià)格高低不等，質(zhì)量良莠不齊。此次應(yīng)急搶險(xiǎn)使用的聚氨酯堵漏劑為6萬元／t，封堵效果較好。而部分價(jià)格低廉的聚氨酯堵漏劑具有反應(yīng)性不佳、憎水性差、易收縮等缺點(diǎn)，不僅達(dá)不到堵漏目的，反而會(huì)貽誤最佳堵漏時(shí)機(jī)，造成重大損失。

（3）加強(qiáng)參建各方的組織、協(xié)調(diào)，及時(shí)調(diào)配了技術(shù)力量、物資設(shè)備。此次險(xiǎn)情發(fā)生后，參建各方及時(shí)調(diào)配地鐵施工單位有關(guān)技術(shù)專家和物資設(shè)備，確保了搶險(xiǎn)工作及時(shí)有效地進(jìn)行，從而減少了損失。

［1］楊乃剛.盾構(gòu)機(jī)中的鉸接裝置［J］.建筑機(jī)械，2003（4）：51.

［2］張厚美.盾構(gòu)隧道的理論研究與施工實(shí)踐［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.