土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中更換盾尾刷施工的技術(shù)

尤智軒

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 100026）

0 引言

盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行或由于施工質(zhì)量控制工作不到位，使由盾尾密封刷形成的腔體有漿液進(jìn)入，這些漿液在固化后會(huì)使密封刷嚴(yán)重磨損，最終使整個(gè)盾尾的密封功能失效。為使盾構(gòu)正常推進(jìn)，需及時(shí)更換損壞的盾尾刷。在某地鐵工程3 號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)施工中，由于盾構(gòu)尾部的密封刷損壞而產(chǎn)生滲漏，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)造成了很大影響。

1 工程概況

某地鐵工程3 號(hào)線(xiàn)左右線(xiàn)長(zhǎng)分別為1028.985 m、1055.705 m，施工由2 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)完成，將隧道左線(xiàn)掘進(jìn)到465 環(huán)后，因盾尾刷嚴(yán)重磨損，產(chǎn)生漏水與漏漿，注漿時(shí)的漿液損失數(shù)量可以達(dá)到50%，同時(shí)盾尾發(fā)生涌水，此時(shí)最先采取的措施是增加盾尾油實(shí)際注入量，從每桶4～6 環(huán)增加至每桶1～2 環(huán)，但狀況并沒(méi)有明顯改觀(guān)。根據(jù)上述現(xiàn)象可判斷盾構(gòu)機(jī)的盾尾刷已經(jīng)完全損壞，必須立即更換。現(xiàn)圍繞該地鐵隧道工程實(shí)際情況，對(duì)其盾尾刷的更換技術(shù)做如下深入分析。

2 更換方法

在確定具體的盾尾刷更換方案之前，要先掌握該工程所用盾構(gòu)機(jī)的類(lèi)型及特點(diǎn)，這是保證所選擇的盾尾刷更換方法合理性與有效性的重要前提，必須引起技術(shù)人員的重視，否則所選盾尾刷更換方式與實(shí)際情況不符，不僅無(wú)法達(dá)到預(yù)期的目的，還會(huì)引起其它問(wèn)題，造成不必要的損失[1]。

該工程施工所用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的工作原理為利用鋼質(zhì)組件在隧道的設(shè)計(jì)軸線(xiàn)上對(duì)土體進(jìn)行開(kāi)挖，不斷向前推進(jìn)，屬于典型的封閉式盾構(gòu)。盾構(gòu)另一個(gè)重要的作用，即可以承受來(lái)自于地層上的壓力，避免受到流砂及地下水的侵襲。隧道工程盾構(gòu)法施工原理為在隧道的襯砌結(jié)構(gòu)建成之前，起到必要的防護(hù)作用，為隧道中的機(jī)械與人員提供安全保護(hù)。在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)持續(xù)推進(jìn)過(guò)程中，前端刀盤(pán)通過(guò)旋轉(zhuǎn)對(duì)地層土體進(jìn)行切削，經(jīng)切削產(chǎn)生的土體被回收至土艙內(nèi)。待土艙被土體填滿(mǎn)后，被動(dòng)土壓和切削面壓力保持平衡，以此使整個(gè)盾構(gòu)面和切削面始終處在相對(duì)平衡的狀態(tài)，也就是穩(wěn)定狀態(tài)[2]。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)盾尾刷進(jìn)行更換，首先要解決因盾尾刷被破壞而產(chǎn)生的漏水和漏漿現(xiàn)象；其次是在穿過(guò)江河之前，檢修一次盾尾刷，避免盾尾產(chǎn)生漏水和漏漿。伴隨我國(guó)各類(lèi)隧道工程的持續(xù)增多，不同施工單位會(huì)以盾構(gòu)機(jī)的類(lèi)型及地質(zhì)條件等因素，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)不同的盾尾刷更換方法予以嘗試，已經(jīng)有很多成功的案例，總體上，更換方法主要有下列2 種：

方法1：盾構(gòu)拼裝機(jī)采用較大的行程，借助管片拼裝機(jī)對(duì)管片進(jìn)行拆除，然后更換損壞的盾尾刷。該方法因拆除了管片，且盾尾處僅有一個(gè)密封刷，所以如果盾尾處的止水出現(xiàn)異常，將無(wú)法立即封堵，存在很大風(fēng)險(xiǎn)。此外，這一方法因拆除管片，所以在更換盾尾刷時(shí)，盾構(gòu)機(jī)會(huì)出現(xiàn)一定程度的后退，即便增加臨時(shí)支撐，其斷面也很小，無(wú)法保護(hù)管片，使其被損壞[3]。

方法2：盾構(gòu)拼裝機(jī)采用較小的行程，通過(guò)延長(zhǎng)千斤頂?shù)男谐虂?lái)實(shí)現(xiàn)向前推進(jìn)，使前兩道盾尾刷露出，然后對(duì)其進(jìn)行更換。該方法雖然也會(huì)設(shè)置臨時(shí)支撐，但同樣由于其斷面較小而無(wú)法避免管片損壞。同時(shí)，對(duì)盾尾刷進(jìn)行更換時(shí)，盾構(gòu)機(jī)也無(wú)法避免發(fā)生后退，如果盾尾止水不正常，未能立即封堵，將產(chǎn)生很大的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)施工所用盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合隧道實(shí)際情況，最大限度利用所有施工機(jī)械，把隔離管片環(huán)持續(xù)推進(jìn)至拼裝縫處在第2和第3 道盾尾刷之間，之后借助上一環(huán)管片及其吊裝孔向下一道盾尾刷的尾部持續(xù)注入漿液以止水，再于隔離管片環(huán)中設(shè)置支撐，由千斤頂拉回隔離管片環(huán)，使第1 和第2 道盾尾刷全部露出，以此在無(wú)水的條件下對(duì)第1 和第2 道盾尾刷實(shí)施更換[4]。

3 施工工藝

盾尾刷更換施工嚴(yán)格按照以下工藝流程進(jìn)行：首先做好各項(xiàng)施工準(zhǔn)備工作；然后進(jìn)行管片分離；完成分離后，對(duì)露出的盾尾刷進(jìn)行檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果更換損壞的盾尾刷；最后進(jìn)行管片對(duì)接，恢復(fù)正常掘進(jìn)。

3.1 施工準(zhǔn)備工作

在盾尾刷更換施工開(kāi)始前，應(yīng)先認(rèn)真做好下列各項(xiàng)準(zhǔn)備工作：①對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使盾尾的間隙達(dá)到良好狀態(tài)，然后對(duì)調(diào)整環(huán)管片進(jìn)行調(diào)整，在拼裝好后將其推出，直到千斤頂達(dá)到最大行程；②向刀盤(pán)的前方及盾尾處持續(xù)灌注膨潤(rùn)土漿液，并做好停機(jī)之前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，避免在后方注漿過(guò)程中，漿液將盾體完全包裹或進(jìn)入到刀盤(pán)所在范圍內(nèi)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的恢復(fù)造成不利影響[5]；③在盾構(gòu)尾部殼體上的水平腰線(xiàn)處，向下均勻布置不少于5 塊墊鐵，以此避免在推拉管片時(shí)產(chǎn)生太大的摩擦力；④完成以上各項(xiàng)工作后，對(duì)隔離管片進(jìn)行拼裝；⑤待拼裝好隔離管片后，將其推出，并將拼裝縫推進(jìn)到第2 和第3 道盾尾刷之間；⑥在調(diào)整環(huán)的一周通過(guò)注漿封堵，保證第3 道盾尾刷實(shí)際止水效果，同時(shí)對(duì)后部管片實(shí)施二次注漿以加強(qiáng)，有效控制和避免地表沉降；⑦為避免推拉管片時(shí)管片產(chǎn)生太大的形狀變化，需在分離管片之前在吊裝螺栓間進(jìn)行支撐型鋼的焊接，以此形成完整的支撐結(jié)構(gòu)，保證隔離管片始終保持良好橢圓度；⑧施工中應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與巡視，務(wù)必做好盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)期停機(jī)、隧道涌水及地面沉降等方面的應(yīng)急準(zhǔn)備工作，以靈活應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，避免造成不必要的損失[6]。

3.2 管片分離

完成以上準(zhǔn)備工作并檢查確認(rèn)合格后，開(kāi)始分離管片：①在上、下、左、右四個(gè)方向分別選擇1 個(gè)伸縮速度完全相同的千斤頂，使用長(zhǎng)度一致的鋼絲繩從管片環(huán)中的螺栓孔穿過(guò)，以此把管片環(huán)牢靠地固定在千斤頂上，在鋼絲繩的兩端，使用卡環(huán)進(jìn)行連接和固定；②對(duì)隔離和調(diào)整環(huán)管片的連接螺栓進(jìn)行拆除，然后緩慢且均勻地把隔離管片環(huán)拉到第1 道盾尾刷完全露出；③在實(shí)際的分離管片過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)檢查管片環(huán)間隙是否均勻，以免偏轉(zhuǎn)后由于受力不均導(dǎo)致管片損壞[7]。

3.3 盾尾刷檢查和更換

完成以上管片分離后，開(kāi)始檢查露出的盾尾刷，并進(jìn)行必要的清理。當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)盾尾刷磨損情況比較嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)立即切除并更換。完成盾尾刷的更換后，均勻涂抹一層油脂。

3.4 管片對(duì)接和施工恢復(fù)

將損壞的盾尾刷更換完成后，向后方推進(jìn)隔離管片環(huán)，直到能和調(diào)整管片環(huán)相連，在實(shí)際的推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)使用下方、左方和右方的千斤頂，而上部千斤頂要跟隨管片持續(xù)前進(jìn)，如果上部剮蹭殼體，要通過(guò)加力來(lái)保證穩(wěn)定性[8]。在實(shí)際的推進(jìn)過(guò)程中，每當(dāng)移動(dòng)距離達(dá)到200 mm，都要測(cè)量前方和后方的螺栓孔是否對(duì)準(zhǔn)；若前后方管片之間的距離為100 mm，則穿上連接螺栓，然后把管片頂進(jìn)至安裝處，若存在少量誤差，則可使用錘子輕打螺栓，然后將螺栓擰緊，完成對(duì)管片的安裝。將之前在管片環(huán)中設(shè)置的支撐型鋼拆除，使盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)掘進(jìn)。

完成掘進(jìn)恢復(fù)后，應(yīng)立即進(jìn)行全面檢查，經(jīng)全面檢查確認(rèn)合格后，才可以正式恢復(fù)掘進(jìn)，未經(jīng)檢查或與檢查結(jié)果不合格都不允許恢復(fù)掘進(jìn)，否則在之后的掘進(jìn)過(guò)程中將產(chǎn)生問(wèn)題。

4 盾構(gòu)刷保護(hù)

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中采取有效措施保護(hù)盾構(gòu)刷，能有效避免盾構(gòu)刷損壞，從而省去盾構(gòu)刷更換需要的人力物力。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，可采用以下3 種措施來(lái)保護(hù)盾尾刷：

4.1 同步注漿

施工中要對(duì)同步注漿所用漿液的配比進(jìn)行嚴(yán)格控制，使其保持足夠的強(qiáng)度，包括早期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度。通過(guò)及時(shí)有效的同步注漿，能使隧道襯砌始終保持穩(wěn)定。另外要保證注漿壓力，如果注漿時(shí)注漿壓力突然升高，需在查明產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上做出適當(dāng)調(diào)整[9]。

4.2 盾尾油脂

使用質(zhì)量?jī)?yōu)良的盾尾油脂，以保證盾尾刷實(shí)際密封效果，并根據(jù)盾構(gòu)實(shí)際情況調(diào)整油脂泵的注入率，確保盾尾油脂注入率和盾構(gòu)掘進(jìn)的速度相匹配。

4.3 嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)

如果在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中過(guò)度調(diào)整其姿態(tài)，將使盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)呈現(xiàn)蛇形，而非理想的直線(xiàn)形，這樣會(huì)使盾尾間隙不均勻，在間隙相對(duì)較大的一側(cè)將產(chǎn)生漏漿，而在間隙相對(duì)較小的一側(cè)將由于受到較大的加壓而發(fā)生彈性變形，導(dǎo)致盾尾刷失去應(yīng)有的密封功能?；诖耍軜?gòu)掘進(jìn)時(shí)對(duì)其姿態(tài)的調(diào)整必須使用科學(xué)合理的糾偏方法，以盡可能使盾尾處的間隙保持一致[10]。另外，K塊所在位置是否合理也會(huì)影響盾尾的間隙，從而影響盾尾刷狀態(tài)，施工中同樣要引起相關(guān)技術(shù)人員的高度重視。

5 結(jié)束語(yǔ)

該工程完成對(duì)盾尾刷的更換后，其油脂注入壓力從之前的0.25 MPa 變?yōu)?.50 MPa，而且沒(méi)有油脂被擠出的情況，同時(shí)，盾尾處的注漿壓力也從之前的0.05 MPa 變?yōu)?.25 MPa，而且沒(méi)有漏漿的問(wèn)題，說(shuō)明對(duì)盾尾刷進(jìn)行更換能有效解決漏漿。根據(jù)地面沉降實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)結(jié)果可知，伴隨注漿壓力不斷提高，盾尾處的實(shí)際注漿量持續(xù)提高，填補(bǔ)了盾尾在退出后產(chǎn)生的空間，有效控制了沉降?？梢?jiàn)，該工程所用盾尾刷更換技術(shù)合理可行，值得類(lèi)似工程參考借鑒，以此有效提高土壓平衡盾構(gòu)機(jī)盾尾刷更換技術(shù)水平。