大直徑泥水盾構(gòu)盾尾密封失效原因及應(yīng)對(duì)措施

姚印彬 邵振新 李龍輝 徐兆凱

(1.中鐵十四局大盾構(gòu)工程有限公司杭州下沙項(xiàng)目部，浙江 杭州 310018；2.中鐵十四局大盾構(gòu)工程有限公司常德沅江隧道項(xiàng)目部,湖南 常德 415000)

1 概述

大直徑泥水盾構(gòu)在長距離、高壓水、尤其是復(fù)雜地層中施工時(shí)，盾尾密封性能直接關(guān)系到施工的效率和安全，一旦盾尾密封失效，將出現(xiàn)漏水、漏漿[1-3]等情況，直接導(dǎo)致盾構(gòu)無法正常掘進(jìn)，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)管片失穩(wěn)，隧道出現(xiàn)坍塌。由于盾尾密封空間主要由盾尾刷和盾尾腔室組成，這就要求盾構(gòu)機(jī)在生產(chǎn)制造期間、工地組裝期間、掘進(jìn)施工期間，做好盾尾的制造、盾尾刷的選型、盾尾間隙的設(shè)計(jì)和掘進(jìn)參數(shù)控制等[4]。目前國內(nèi)大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，為提高盾尾密封止水性，盾尾密封一般安裝4道盾尾刷及1道鋼板束[5]。國內(nèi)已建設(shè)完成的南京長江隧道、武漢地鐵8號(hào)線越江隧道、南京地鐵10號(hào)線越江隧道、蘇通GIL綜合管廊等4個(gè)大直徑泥水盾構(gòu)隧道工程所采用的盾尾密封系統(tǒng)均由3道～4道鋼盾尾刷和1道鋼板束組成，其水土壓力范圍為0.65 MPa～0.94 MPa。所以在長距離、高水壓、大直徑泥水隧道施工過程中，盾構(gòu)機(jī)盾尾配置4道鋼絲刷密封和1道鋼板束密封滿足施工需求。盾尾密封設(shè)計(jì)情況如表1所示。盾尾間隙的設(shè)計(jì)要和隧道的設(shè)計(jì)軸線、轉(zhuǎn)彎半徑、管片的楔形量相契合[6]，國內(nèi)大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙設(shè)計(jì)一般為65 mm～85 mm，如表2所示。

表2 大直徑泥水盾構(gòu)盾尾間隙設(shè)計(jì)

2 盾尾密封影響因素分析

大直徑泥水盾構(gòu)在長距離、高壓水，尤其是復(fù)雜地層施工過程中，盾尾密封失效出現(xiàn)泄漏的發(fā)展過程是按照“漏清水—渾水—泥漿—砂漿”的順序逐步發(fā)展惡化的。盾尾密封性主要影響因素[7]有：設(shè)計(jì)與制造、現(xiàn)場組裝期間以及盾構(gòu)掘進(jìn)施工期間三部分。

2.1 設(shè)計(jì)與制造

盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)制造期間，盾尾的間隙設(shè)計(jì)不滿足隧道施工，尤其是在小轉(zhuǎn)彎隧道施工盾尾左右間隙難以控制，極易出現(xiàn)單側(cè)間隙過小，盾尾刷前部保護(hù)板出現(xiàn)磨損或者擠壓斷裂等；盾尾制造期間由于需要同時(shí)預(yù)埋注漿管路，可能會(huì)造成盾尾油脂[8]注入孔分布不均勻，后期在掘進(jìn)施工過程中，部分位置油脂注入量過小，將會(huì)出現(xiàn)盾尾刷磨損；盾尾鋼結(jié)構(gòu)薄弱，夾層位置未增加肋板進(jìn)行加固，掘進(jìn)施工過程中一旦遭遇基巖突起極易出現(xiàn)盾尾變形[9]，將導(dǎo)致盾尾泄露。

2.2 現(xiàn)場組裝

1)始發(fā)時(shí)盾尾的圓度。新造盾構(gòu)機(jī)一般會(huì)經(jīng)過陸運(yùn)、水運(yùn)至隧道施工場地，到組裝完成，盾尾一般經(jīng)過3次以上倒運(yùn)吊裝，組裝完成后會(huì)發(fā)生不同程度的形變(盾尾圓度誤差允許3 cm以內(nèi))，導(dǎo)致盾尾間隙不均勻，變形點(diǎn)會(huì)形成盾尾密封薄弱點(diǎn)。

2)盾尾刷的質(zhì)量及安裝工藝。盾尾刷主要由保護(hù)板、鋼絲刷、壓緊板、基座板四部分組成[10]，如圖1所示，由于盾構(gòu)施工環(huán)境復(fù)雜，所以對(duì)盾尾刷各部分的設(shè)計(jì)尺寸、基礎(chǔ)材質(zhì)、制作工藝等都會(huì)有嚴(yán)格的要求，當(dāng)其中一項(xiàng)或幾項(xiàng)達(dá)不到要求時(shí)，盾尾密封效果將直接受到影響。

3)鋼板束及止?jié){板的選擇。鋼板束及止?jié){板主要為螺栓式連接，安裝時(shí)的搭接順序，接頭個(gè)數(shù)及位置是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，若鋼板束的厚度及選型過于薄弱，在盾構(gòu)同步注漿、二次注漿時(shí)漿液會(huì)流竄到最后一道密封油脂腔內(nèi)，造成盾尾刷的損壞。

2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)施工期間

1)管片拼裝質(zhì)量。管片拼裝時(shí)，會(huì)不可避免的產(chǎn)生一些錯(cuò)臺(tái)，導(dǎo)致成環(huán)管片的外弧面不平整，將會(huì)加劇盾尾刷磨損、變形，也同時(shí)消耗更多油脂，極易出現(xiàn)盾尾滲透現(xiàn)象。

2)姿態(tài)控制。隧道設(shè)計(jì)軸線中含有小曲率轉(zhuǎn)彎段，大坡度段等，并且地層中含砂率較高，固結(jié)效果差。在該線路掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)姿態(tài)較難控制，對(duì)應(yīng)盾尾間隙也較差[12]。若盾尾間隙過小，就會(huì)對(duì)盾構(gòu)刷造成永久性損壞。

3)油脂注入量。盾尾油脂的注入量是盾尾密封的保證，在正常掘進(jìn)過程中，要保證油脂注入量足夠，并且保證均勻，飽滿。掘進(jìn)速度較快，但油脂注入量較少，就會(huì)導(dǎo)致砂漿及外部的泥沙進(jìn)入油脂腔，影響密封效果，也會(huì)對(duì)盾尾刷造成磨損。一旦盾尾油脂注入量不足，極易發(fā)生大面積的水及泥沙進(jìn)入盾尾，對(duì)盾尾刷造成永久性的損傷。

4)盾尾清理。在管片拼裝過程中，下部的盾尾一般會(huì)有一些泥沙等垃圾，在清理不到位的時(shí)候，會(huì)使盾尾的部分泥沙隨著推進(jìn)進(jìn)入油脂腔，對(duì)盾尾刷造成損壞。

3 盾尾密封控制措施

3.1 設(shè)計(jì)與制造階段控制

廠家在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)和制造階段，要充分考慮隧道轉(zhuǎn)彎半徑，盾尾間隙控制在65 mm～85 mm，使盾尾油脂注入孔均勻分布于盾尾四周。

3.2 工地組裝調(diào)試期間的控制

1)盾尾調(diào)圓。

盾構(gòu)機(jī)盾尾拼裝完成后，必須進(jìn)行盾尾圓度測(cè)量，必須在誤差范圍以內(nèi)才能進(jìn)行焊接，如果超出誤差范圍必須進(jìn)行重新調(diào)圓，符合標(biāo)準(zhǔn)后再進(jìn)行焊接，避免后期盾尾間隙偏差過大無法調(diào)整。

2)盾尾刷的質(zhì)量及安裝工藝控制。

在盾尾刷進(jìn)場后進(jìn)行檢查核驗(yàn)，看看在同樣的條件下，其彈性形變、塑性形變的程度，進(jìn)一步確定其質(zhì)量優(yōu)劣情況。

3)鋼板束焊接質(zhì)量控制。

安裝焊接盾尾刷時(shí)，每塊盾尾刷的鋼板向同一方向進(jìn)行搭接，只保留一個(gè)接頭，相鄰兩道盾尾刷的接頭遠(yuǎn)離且都避免出現(xiàn)在盾尾底部。尾刷前后滿焊，焊腳高度10 mm，確保焊縫整齊，無夾渣、氣孔及裂紋。

3.3 掘進(jìn)施工期間的控制

3.3.1管片拼裝控制

管片拼裝前，先利用壓縮空氣對(duì)管片進(jìn)行清理，確保密封條附近無污染物。拼裝時(shí)，先進(jìn)行管片粗定位，需注意正在拼裝的管片與拼裝好的管片之間保留一定的間隙(環(huán)向間隙大于3 cm，縱向間隙大于3 cm)，以防調(diào)整過程中損壞止水條或磕碰管片。再通過拼裝機(jī)微調(diào)裝置來調(diào)整已經(jīng)粗定位的管片進(jìn)行精確定位。

在千斤頂完全壓緊管片后，對(duì)管片拼裝情況進(jìn)行測(cè)量復(fù)核，具體要求如表3所示。整環(huán)管片拼裝完成后必須及時(shí)對(duì)管片進(jìn)行復(fù)緊。

3.3.2盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制

盾構(gòu)姿態(tài)反映了實(shí)際推進(jìn)線路與設(shè)計(jì)軸線的偏差,當(dāng)盾構(gòu)姿態(tài)超限時(shí)，通?？梢灾苯诱{(diào)整分區(qū)千斤頂壓力來進(jìn)行糾偏，或利用合理的管片型號(hào)和正確的拼裝點(diǎn)位糾偏，當(dāng)超限嚴(yán)重時(shí)可以采用開啟超挖刀、單側(cè)加大注漿量等來進(jìn)行糾偏。姿態(tài)偏差較小時(shí)，嚴(yán)禁對(duì)姿態(tài)進(jìn)行急糾猛糾，避免出現(xiàn)蛇形曲線。

表3 管片拼裝允許誤差表

3.3.3油脂選擇及注入控制

目前大直徑盾構(gòu)主要使用的油脂多為進(jìn)口的油脂，種類較多，實(shí)際使用時(shí)需要依據(jù)地層條件進(jìn)行油脂選擇，要對(duì)進(jìn)場的油脂進(jìn)行檢查，選取樣品油脂進(jìn)行泵送性、抗水沖刷性、環(huán)保性等試驗(yàn)，防止每個(gè)批次油脂的配方調(diào)整而影響盾構(gòu)的安全施工，必要時(shí)，可溝通油脂廠家針對(duì)本項(xiàng)目地層的特點(diǎn)調(diào)整配方，滿足施工需求。

3.3.4其他控制措施

對(duì)管片進(jìn)場進(jìn)行檢查，缺角、開裂等問題管片進(jìn)行修補(bǔ)或替換。另外盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中對(duì)推進(jìn)閥組進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)，避免推進(jìn)油缸出現(xiàn)持續(xù)泄壓的情況。

4 結(jié)語

本文結(jié)合目前已施工完成的一些大直徑隧道項(xiàng)目，分析了導(dǎo)致盾尾密封失效的原因，總結(jié)了相應(yīng)的控制措施，得到了如下結(jié)論：

1)大直徑泥水盾構(gòu)盾尾密封失效的影響因素主要為設(shè)計(jì)與制造期間、現(xiàn)場組裝期間、盾構(gòu)掘進(jìn)施工期間三個(gè)方面。這些影響因素中既有盾構(gòu)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)誤差(如盾尾鋼結(jié)構(gòu)薄弱、盾尾刷質(zhì)量等)、施工時(shí)的誤差(盾尾圓度、盾尾間隙、盾尾清理、姿態(tài)控制等)，也有因?yàn)槎軜?gòu)材料的使用造成的影響(盾尾密封油脂等)。

2)針對(duì)導(dǎo)致盾尾密封失效的因素，應(yīng)從盾構(gòu)生產(chǎn)到進(jìn)場拼裝，從掘進(jìn)參數(shù)到油脂質(zhì)量把控等多個(gè)方面采取具體的控制措施，以保證盾尾密封安全。為以后大直徑泥水盾構(gòu)隧道項(xiàng)目施工提供參考和借鑒。