盾構(gòu)掘進過程中盾尾刷更換技術(shù)及保護措施

鄭 杰

上海城建市政工程（集團）有限公司 上海 200065

1 工程概況

某地鐵區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，管片外徑6 000 mm，厚度300 mm，寬1 500 mm；最小曲線半徑為300 m，線路最大坡度為2.2563%，最小坡度為0.2%。隧道最大埋深為22.4 m，最小埋深為9.7 m。

該區(qū)間隧道斷面內(nèi)地層依次為③5粉質(zhì)黏土與粉土、粉砂互層，④1粉細(xì)砂層，④2細(xì)砂層。根據(jù)地質(zhì)詳勘報告，該區(qū)間隧道所處位置承壓水水位標(biāo)高為16.53 m（地面標(biāo)高20.69 m）。

2 盾尾刷失效過程及失效分析

該區(qū)間盾構(gòu)刀盤外徑6 270 mm，盾尾外徑6 240 mm，盾體長9 055 mm。盾尾刷共有3道，其中盾構(gòu)尾部1道為鋼板刷，其余2道為鋼絲刷，一共形成2個環(huán)形油脂倉。

盾尾密封刷之間的間隙（油脂倉）通過注入盾尾密封油脂（共12個注入點，每道環(huán)形油脂倉6個注入點）形成壓力倉，每個注入點通過一個氣動油脂閥控制注入量，防止同步注入的水泥漿及地下水通過盾尾流入隧道。

在本區(qū)間推進至第288環(huán)時，出現(xiàn)推力較大（約30 000 kN）、推進速度慢（約5 mm/min）的現(xiàn)象。之后在盾殼外注膨潤土潤滑，但改善效果不佳；推進至第292環(huán)時，盾尾出現(xiàn)漏漿、漏砂現(xiàn)象，經(jīng)判斷系局部盾尾刷受損失效[1-2]，因此采取在底部注雙液漿進行封堵；繼續(xù)推進至300環(huán)時又開始出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，在采用雙液漿和塞黑心棉進行封堵后，起初效果較好，但繼續(xù)推進至311環(huán)位置時，盾尾左上部位置出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，噴涌量約10 m3（約3 m3的砂、7 m3的水），噴涌現(xiàn)象發(fā)生時即采用塞黑心棉和打聚氨酯進行封堵；推進至第315環(huán)時，盾尾注雙液漿封堵，對第3道盾尾刷進行全部更換，更換為鋼板刷。在隨后推進至第352環(huán)的過程中，在第322、326、334、336、338、342、343、344、346、347環(huán)均發(fā)生少量漏漿現(xiàn)象，滲漏點主要分布在左側(cè)腰部。

通過對上述失效過程的分析，結(jié)合地層條件、施工控制措施等因素，總結(jié)出造成盾尾刷失效的原因如下[1-2]：

1）隧道斷面上部位于③5粉質(zhì)黏土夾粉土、粉細(xì)砂互層，下部位于④1粉細(xì)砂層，承壓水水頭高，土層滲透系數(shù)大，在盾構(gòu)推進過程中，承壓水夾帶粉細(xì)砂進入油脂倉內(nèi)，使得盾尾摩阻力增大，鋼絲刷受到磨損，最終導(dǎo)致?lián)p壞失效。

2）進入小曲率半徑推進時，盾尾間隙不可避免地會出現(xiàn)左、右不均勻現(xiàn)象，間隙較小的一側(cè)盾尾刷受擠壓后產(chǎn)生塑性變形，密封性能降低。

3）隧道區(qū)間斷面上方地表建筑物較多，為有效控制地表沉降確保房屋安全，盾構(gòu)施工時盾尾同步注漿量較大，基本達到理論間隙的200%～220%，注漿壓力也相應(yīng)較大，達到0.4 MPa，盾尾刷在承受壓力較大的情況下易造成盾尾刷變形損壞或擊穿。

4）本工程所使用管片側(cè)面沒有榫槽，在曲線段推進過程中，因受力不均而易產(chǎn)生錯臺，從而導(dǎo)致盾尾刷受損。

5）因鋼模使用周期較長精度下降，導(dǎo)致管片精度不高、養(yǎng)護齡期不夠等原因，故造成拼裝完成后的管片外弧面發(fā)生碎裂，混凝土碎塊進入油脂倉后，對盾尾刷損害較大。

6）在隧道穿越全斷面砂層時，推力較大，造成管片碎裂及錯臺，對盾尾刷損害較大。

綜合以上原因分析，考慮到后續(xù)工況條件下對盾尾刷的損害依然較大，為確保施工安全，需對盾尾刷采取相應(yīng)的處理措施。擬采取的措施如下：

1）每推進50環(huán)更換一次盾尾刷。

2）在推進過程中，若一次滲漏量達到2 m3，則應(yīng)立即對盾尾刷進行更換。

3 盾尾刷更換技術(shù)

盾構(gòu)機在推進至預(yù)定位置后先進行地下水封堵，然后利用拼裝機加長臂拆除封頂塊及其相鄰塊管片，暴露出盾尾刷后按照一定的順序逐個更換盾尾刷[3-4]。盾尾刷更換流程為：盾構(gòu)機推進至預(yù)定位置→地下水封堵→拆除封頂塊及相鄰塊管片→盾尾刷割除→焊接新盾尾刷、涂抹盾尾密封油→加焊盾尾間隙支撐鋼條→管片復(fù)位、泵送盾尾密封油脂→恢復(fù)正常推進、割除支撐鋼條。

3.1 盾構(gòu)機推進至預(yù)定位置

根據(jù)工程實際地質(zhì)及工程環(huán)境條件，考慮到施工過程中風(fēng)險較大，更換盾尾刷位置宜選擇在地表空曠位置，剩余施工范圍中第363～405環(huán)上方均為建筑物，因此盾尾刷更換位置宜選擇在第360環(huán)，第2次更換擬選擇在第410環(huán)。

3.2 地下水封堵

通過向盾構(gòu)機土倉注入膨潤土泥漿來避免加固漿液回流進入刀盤將其包裹，從而影響盾構(gòu)機在停止掘進后再次啟動施工。

本區(qū)間工程中所使用管片均為特殊管片，每塊管片上除吊裝孔外，另增設(shè)了4個注漿孔，每環(huán)管片上共計26個注漿孔。盾尾刷更換施工前對盾尾刷后部2～16環(huán)的管片進行管片壁后二次注入水泥-水玻璃雙液漿，將管片與地層之間的滲水通道完全封死。

3.3 管片拼裝方法確定

在更換盾尾刷時，通過對盾構(gòu)機的尺寸，3道盾尾刷的尺寸、位置，千斤頂?shù)拈L度，管片拼裝機的作業(yè)距離及范圍來確定管片拆除拼裝的方法（圖1）。

圖1 千斤頂推進位置示意

經(jīng)過計算，千斤頂推進至1 045 mm時，拆除管片后，第1道盾尾刷暴露。此時管片拼裝機不能滿足拼裝要求，需要自制管片臨時加長臂（圖2）。在充分考慮加長臂受力情況、剛度、尺寸等具體情況后，對加長臂進行加工，要求其能保證輕巧，方便拆、裝管片。

圖2 拼裝機加長臂示意

3.4 盾尾刷更換順序及過程

在上述的準(zhǔn)備工作完成后，即可進行盾尾密封刷更換。以更換盾尾刷時管片封頂塊K塊位于管環(huán)1點位置為例，盾尾刷的更換順序可以按照K→C→B→A1→A2→A3管片順時針方向進行，也可以按照K→C→A3→A2→A1→B管片逆時針方向進行（圖3）。當(dāng)采用拼裝機加長臂將壓蓋在內(nèi)側(cè)2道盾尾密封刷上的封頂塊進行拆除時，需確定盾尾處是否出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，如仍有漏水，則需采取一定的措施，如補注漿并在滲漏處用硬質(zhì)海綿填塞堵漏，必要時可采用發(fā)泡聚氨酯進行堵漏。如確定拆除封頂塊后盾尾不漏水，再拆除相鄰塊，并及時檢修更換盾尾密封刷。另外，在尾盾上加焊盾尾間隙支撐鋼條，避免管片下落到盾殼上。

圖3 盾尾刷更換示意

當(dāng)管片拆除并確認(rèn)無不良滲漏情況后，即可對盾尾刷進行割除，并對割除區(qū)域進行磨光處理。割除后重新焊接新的盾尾刷，要求相鄰盾尾刷之間的間距不大于3 mm；在盾尾刷之間的密封槽重新涂抹盾尾密封油脂，量測盾尾四周間隙并做好相應(yīng)記錄。

3.5 盾尾刷更換完成后處理措施

在盾尾刷更換完成后，利用加長臂重新拼裝管片，整環(huán)管片全部拼裝到位后，同時頂進22個千斤頂使兩環(huán)管片接觸緊密，再安裝整環(huán)螺栓并反復(fù)緊固。管片安裝完成后，用盾尾油脂泵泵送盾尾密封油脂，填充人工涂抹不密實的盾尾刷凹槽和盾尾刷。焊接的支撐鋼條在恢復(fù)正常推進脫出管片時進行割除。

4 盾尾刷保護措施

結(jié)合以上粉砂地層盾構(gòu)掘進盾尾刷損壞及更換的實際案例，可以從以下幾個方面對盾尾刷進行保護[3-4]：

1）同步注漿。在施工中必須嚴(yán)格控制同步漿液的配比，使之具備一定的早期強度和后期強度，以利于隧道襯砌的穩(wěn)定；確保注漿壓力的合理性，當(dāng)出現(xiàn)注漿壓力劇增時，應(yīng)及時查明原因并作出相應(yīng)調(diào)整。

2）盾尾油脂。采用優(yōu)質(zhì)盾尾油脂，提高盾尾密封刷密封效果，及時調(diào)整油脂泵注脂率，使盾尾密封油脂與掘進速度相匹配。

3）盾構(gòu)機姿態(tài)控制。盾構(gòu)機的姿態(tài)調(diào)整過量容易使盾構(gòu)機出現(xiàn)“蛇”形前進現(xiàn)象，致使盾尾間隙一邊大一邊小，間隙大的一邊可能會導(dǎo)致漏漿，間隙過小則導(dǎo)致盾尾刷受到擠壓超過其彈性變形，使盾尾刷喪失其密封性能。在盾構(gòu)機的姿態(tài)調(diào)整過程中，應(yīng)采用合理的糾偏方式，盡量使盾尾間隙均勻一致。同時K塊位置選擇的是否合理，也會對盾尾間隙及盾尾刷的保護起到重要作用。

5 結(jié)語

本文結(jié)合工程實例，對砂性地層中盾尾密封失效過程及其原因進行了分析，在此基礎(chǔ)上，進一步提出了盾尾刷的更換方法和更換流程，并針對盾尾刷損壞成因提出了保護措施。

在應(yīng)用過程中總結(jié)了如下經(jīng)驗，供工程界參考：

1）在盾構(gòu)施工過程中，需采用優(yōu)質(zhì)盾尾刷，且需嚴(yán)控盾尾刷焊接安裝質(zhì)量，安裝完成后需手動填充盾尾刷內(nèi)油脂，確保均勻飽滿。

2）采用優(yōu)質(zhì)盾尾油脂，且整個掘進過程中均需按要求足量注入，遇曲線段掘進時適當(dāng)調(diào)整各孔的注入量。

3）重視及加強掘進過程中對盾尾刷的保護措施。

4）盾尾發(fā)生滲漏時，需第一時間啟動應(yīng)急預(yù)案，采取封堵措施控制滲漏，待險情得到控制后再分析原因采取進一步處理措施。

5）在有條件的情況下，面對高承壓水條件下油脂注入困難的問題，盾構(gòu)機選型時盾尾油脂注入孔需加密。