盾構(gòu)法施工盾尾防漏技術(shù)探析

葉 忠/YE Zhong

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000）

近年來，城市地下空間的開發(fā)和利用成為城市基礎(chǔ)建設(shè)的趨勢之一。盾構(gòu)法以其安全、高效、對地上建筑影響小的優(yōu)勢，成為城市地鐵、排水、引水、電力隧道最常用的施工工法，但在盾構(gòu)法施工過程中，由于對盾尾密封的認識和使用不到位，導(dǎo)致盾尾密封損壞而發(fā)生涌水涌砂的事故屢見不鮮，甚至造成成型隧道垮塌、地面塌陷等嚴重事故，保證盾尾密封安全已成為盾構(gòu)法施工中的重中之重。

1 盾尾密封系統(tǒng)簡介

盾尾密封系統(tǒng)是保證盾構(gòu)與地下水隔離的一道非常重要的安全屏障，具有止水、止?jié){的作用。盾尾密封系統(tǒng)主要由盾尾密封刷、油脂泵、油脂管路、盾尾油脂構(gòu)成（圖1）。

圖1 盾尾密封示意圖

盾尾密封刷一般設(shè)置四道或五道，每兩道盾尾鋼絲刷之間形成一個油脂腔，依次形成前腔、中腔、后腔。盾構(gòu)掘進時，通過盾尾油脂注入系統(tǒng)向油脂腔內(nèi)注入盾尾油脂，通過鋼絲刷密封和油脂腔的油脂注入壓力形成密封系統(tǒng)，從而在盾構(gòu)內(nèi)部和地層之間形成一道隔水屏障，保證盾構(gòu)內(nèi)作業(yè)安全；同時油脂腔內(nèi)的油脂也可以起到潤滑和保護鋼絲刷的作用，延長其使用壽命。

2 盾尾密封系統(tǒng)安全保障措施

2.1 盾尾鋼絲刷的焊接

盾尾鋼絲刷焊接前，焊接部位需清潔、除銹、打磨。盾尾鋼絲刷焊接應(yīng)逐個順序焊接，相鄰兩塊尾刷底座應(yīng)無縫隙，盾尾鋼絲刷前后彈簧板應(yīng)順序插入搭接。尾刷底座與盾尾間的縫隙進行滿焊，嚴格按照焊接工藝進行焊接，確保焊接質(zhì)量。

2.2 盾尾油脂的選擇

盾尾油脂是一種以油脂為主劑，加入纖維、改性劑、填充劑等添加劑而制成的膏狀物，主要起到密封、防水、潤滑、防腐蝕作用。盾尾油脂分為手涂型和泵送型兩種。手涂型油脂是始發(fā)時由人工涂抹，使其填充在盾尾鋼絲刷刷絲之間；泵送型油脂是在盾構(gòu)掘進過程中連續(xù)注入的消耗型油脂。常用盾尾油脂技術(shù)參數(shù)見表1。

在各項性能指標中，以耐水壓密封性最為重要。耐水壓密封性的試驗方法為：在直徑50mm、凈空高100mm 的圓柱形容器內(nèi)，將一片20 目的金屬網(wǎng)置于底部（篩網(wǎng)目數(shù)是指在一英寸（25.4mm）長度上的孔洞數(shù)目），在金屬網(wǎng)上面填充約50mm 厚度的油脂樣品，從容器上部施加水壓查看底部有無水流出。某項目通過試驗選擇出性價比較高的油脂，最終為項目節(jié)省成本近百萬元（圖2、圖3、表2）。

圖2 耐水壓密封性實驗裝置

圖3 耐水壓密封性實驗示意圖

從實驗結(jié)果可以看出，油脂樣品1 和樣品2 的耐水壓性能較好，能承受的壓力都能達到30bar 以上，樣品3 只能承受14bar 的壓力。油脂樣品1 單價為36 元/kg，油脂樣品2 單價為22 元/kg，從成本和性能上來考慮，最終選擇了盾尾油脂樣品2。

2.3 手涂油脂涂抹

盾構(gòu)始發(fā)前，需要人工涂抹手涂型盾尾油脂，使其填充在盾尾鋼絲刷刷絲之間，增強鋼絲刷的密封效果及保護鋼絲刷，因后期無法補充涂抹，所以油脂涂抹必須保質(zhì)保量。

手涂盾尾油脂消耗量取決于盾構(gòu)的直徑大小，直徑越大，消耗量越大；相同直徑下的盾構(gòu)，盾尾鋼絲刷的道數(shù)不一樣，手涂盾尾油脂消耗量也不一樣。根據(jù)經(jīng)驗，手涂型盾尾油脂消耗量在15kg/m 左右，可按盾尾鋼絲刷的長度估算出該臺盾構(gòu)所需手涂型油脂量。油脂涂抹要確保飽滿、均勻。

2.4 油脂初次注入

負環(huán)管片拼裝前，必須對盾尾注脂管路進行檢查，每一路單獨注入，直至油脂從油脂腔內(nèi)流出，保證每一路管路連接正確并通暢；負環(huán)管片拼裝后，油脂密封腔形成（圖4），需要進行盾尾油脂初次注入，將每兩道盾尾鋼絲刷之間的油脂密封腔填充飽滿；注入時，要安排專人盯控，統(tǒng)計出每道油脂腔盾尾油脂的注入量。

圖4 盾尾密封示意圖

盾尾油脂初次注入的順序為：①從前腔頂部某一路注入，經(jīng)過中腔從后腔溢出，停止第一路注入，然后從上到下依次從前腔各路注入，經(jīng)中腔從后腔溢出，以此為標準確定前腔已經(jīng)注入飽滿，前腔注入盾尾油脂量較大；②從中腔頂部某一路注入，從后腔溢出，停止第一路注入，然后從上到下依次從中腔各路注入，從后腔溢出，以此為標準確定中腔已經(jīng)注入飽滿；③盾尾油脂從后腔頂部某一路注入，直接溢出，停止第一路注入，然后從上到下依次從后腔各路注入，直接溢出，以此為標準確定后腔已經(jīng)注入飽滿。

表1 常用盾尾油脂技術(shù)參數(shù)

盾尾油脂的初次注入總量可按下式計算

式中D1——盾尾內(nèi)徑（m)；

D2——管片外徑（m)；

L——盾尾刷的間距（m)；

ρ——盾尾油脂的密度（kg/m3）。

例如：地鐵施工常規(guī)盾構(gòu)，盾尾內(nèi)徑D1為6.35m，管片外徑D2為6.2m，盾尾刷的間距L為0.73m，盾尾油脂密度ρ為1.28 kg/m3，采用以上公式計算得出初次注入的理論總量Q為1 382kg。

2.5 過程注入

盾尾每道注脂腔內(nèi)均勻分布若干個油脂注入點，每環(huán)推進開始后，程序設(shè)定依次按照前腔、中腔、后腔逐路注入，直到推進結(jié)束，盾尾油脂自動停止注入。

盾尾油脂的消耗分為附著消耗和擠出消耗，附著消耗是盾尾油脂附著在管片上的消耗，這是必要消耗；擠出消耗是某些注脂管路注脂量偏多，油脂從尾刷和管片間擠出的不必要消耗。盾構(gòu)掘進過程中，理論上盾尾油脂每一環(huán)的消耗總量是一定的，在保證每環(huán)油脂注入量的前提下，盾尾油脂的注入速度必須與掘進速度相匹配。掘進速度過快，盾尾油脂注入速度跟不上，會造成尾刷內(nèi)油脂不能及時填充，勢必造成盾尾密封性減弱；推進速度過慢，油脂系統(tǒng)按壓力注脂勢必造成一定的油脂浪費，因此需要根據(jù)盾構(gòu)的掘進速度合理調(diào)節(jié)油脂泵每分鐘的泵擊次數(shù)。過程注入盾尾油脂的消耗量Q耗計算公式如下。

式中D2——管片外徑（m)；

L環(huán)——管片環(huán)寬（m)；

K——單位面積油脂消耗量（kg/m2），一般取0.8～1.3kg/m2，K的取值與盾尾刷的損壞情況、盾尾油脂的耐水壓密封性能有關(guān)。

例如：地鐵施工常規(guī)盾構(gòu)，管片外徑6.2m，管片環(huán)寬1.5m，K取0.8kg/m2，采用以上公式計算每環(huán)的消耗量Q環(huán)為23.4kg。

2.6 油脂注入?yún)?shù)設(shè)置

盾尾油脂注入壓力的設(shè)置，一般情況下遵循以下原則（以4 道盾尾鋼絲刷3 個注脂腔為例）：假設(shè)泥水壓力為Nbar，通常情況下同步注漿壓力為N+1bar，則后道注脂腔設(shè)定壓力宜為N+2bar，中道注脂腔設(shè)定壓力宜為N+3bar，前道注脂腔設(shè)定壓力宜為N+4bar。

油脂的注入分為壓力控制模式和總量控制模式。壓力控制模式下，注脂系統(tǒng)自動循環(huán)注入，直至滿足設(shè)定壓力后自動停注。該模式下，對傳感器精度要求及維護要求較高?？偭靠刂颇Ｊ较拢谕瓿勺⒅瑫r間和循環(huán)等待時間的設(shè)置后，注脂系統(tǒng)自動循環(huán)注入，最終以滿足設(shè)定注入油脂總量為準，注脂壓力僅作為被動監(jiān)測數(shù)據(jù)。該模式下，需要根據(jù)掘進速度調(diào)整注脂時間和循環(huán)等待時間，對主司機的操作要求高，更利于油脂腔壓力的穩(wěn)定。同時，該模式注重少吃多餐，特別是掘進速度緩慢時，需要降低油脂泵壓力，縮短等待時間，合理選擇注脂時間，以更短、更高效的方式完成腔體的循環(huán)注入，使正常消耗的油脂及時得到補充，更好的維持腔體壓力的穩(wěn)定。

2.7 其它注意事項

若掘進過程中出現(xiàn)盾尾少量涌水涌砂的情況，需要對滲漏水部位附近的油脂注入點進行補強注脂。應(yīng)從前腔開始逐腔注入，直至不再滲漏。

在隧道內(nèi)進行二次注漿，如果注入不當，漿液會滲入盾尾鋼絲刷，使鋼絲刷固結(jié)，刷絲內(nèi)的油脂得不到補充，會加大對鋼絲刷的磨損，長此以往，導(dǎo)致盾尾密封失效。因此，在隧道內(nèi)進行二次注漿，注漿位置必須在管片拖出盾尾至少3環(huán)以后。

3 典型案例

3.1 盾尾刷尺寸選擇

在武漢地鐵七號線三標東方馬城-長豐區(qū)間施工的中鐵28 號和武漢地鐵六號線十一標武勝路-漢正街區(qū)間施工的HK-S217 盾構(gòu)，掘進過程中經(jīng)常出現(xiàn)盾尾漏漿情況。將盾構(gòu)型號相同的二者盾尾刷參數(shù)相比較，見表3。

由表3 可以看出：中鐵28 號、HK-S217 的盾尾間隙一樣，但HK-S217 的盾尾刷鋼絲刷長度偏長；HK-S217 的A 型盾尾刷和B 型盾尾刷的鋼絲刷長度也不一樣；中鐵28 號、HK-S217的盾尾間隙比HK-S508 的要小，但使用過程中的油脂注入量卻比HK-S508 要高。

經(jīng)過模擬分析：中鐵28 號、HK-S217 的盾尾間隙較小，盾尾刷被擠壓后將油脂腔的空間基本占滿（圖5），油脂注入到腔內(nèi)后沒有得到均勻擴散，直接從盾尾刷尾部漏出，刷絲上的油脂得不到補充，刷絲磨損速度加快，尾刷密封效果較差，同時油脂消耗量成倍增加。

圖5 模擬50mm盾尾間隙下B型盾尾刷鉤型和普通型的對比

在盾尾間隙較小的情況下，減小盾尾刷刷絲的長度和盾尾刷的厚度，使刷絲充分接觸管片，同時為腔體留出空間。最終中鐵28 號、HK-S217 的盾尾刷尺寸被確定為：A 型200×170×170×25mm，B型200×110×190×25mm（鉤型）。兩臺盾構(gòu)盾尾刷尺寸改變后，在武漢地鐵七號線三標段常碼頭—長豐區(qū)間使用，盾尾油脂消耗量從60kg/r 降到25kg/r，且區(qū)間全長1500m 未出現(xiàn)過盾尾漏漿情況。

3.2 油脂注入管路的設(shè)置

杭州慶春路過江隧道西線盾構(gòu)掘進過程中，出現(xiàn)盾尾大量涌水涌砂的情況，大量補注盾尾油脂、同步注漿漿液進行填充，仍沒有緩解。

盾構(gòu)所處位置上部為粉質(zhì)黏土地層，盾構(gòu)底部為粉細砂地層，地下水豐富，且為承壓水，地層滲透系數(shù)大，對檢查盾尾密封非常不利。為了確保工程安全，采用液氮凍結(jié)固結(jié)封水措施對盾尾周圍土體進行凍結(jié)加固，并拆除盾尾刷位置的管片。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)盾尾刷磨損極為嚴重，盾尾密封已失效（圖6）。

經(jīng)過分析，此盾構(gòu)盾尾注漿管與油脂管在盾體上布置不合理，注漿管、油脂管為明管半埋式鋪設(shè)，這種敷設(shè)方式造成管路與盾體結(jié)構(gòu)之間有間隙，并成為砂漿反竄通道，大量砂漿反竄到油脂腔內(nèi)，在油脂腔內(nèi)板結(jié)并堵塞注脂管，砂漿在尾刷背部油脂腔的板結(jié)也加劇了盾尾刷的磨損，部分油脂管路堵塞，導(dǎo)致油脂注入量不足（圖7）。

圖6 盾尾刷磨損狀態(tài)

圖7 注脂和注漿管路布置

對磨損的盾尾刷全部割除更換，并對管路與盾體間的間隙進行補焊封閉，在后期施工過程中加大油脂注入量，最終隧道得以順利貫通。

4 結(jié)論與討論

盾尾密封是盾構(gòu)三大重要密封系統(tǒng)之一，也是最容易出故障的密封系統(tǒng)之一，要從盾尾密封結(jié)構(gòu)、盾尾鋼絲刷尺寸、鋼絲刷焊接工藝、盾尾油脂選用、盾尾初次涂抹、盾尾油脂初次注入以及過程注入等方面全方位進行把控，充分重視盾尾密封的重要性，才能有效避免盾構(gòu)法施工過程中的盾尾泄漏情況。本文對各個環(huán)節(jié)的把控要點進行分析總結(jié)及量化，為今后的工程施工提供參考。但影響盾尾密封安全的因素較多，需要在后續(xù)的施工中不斷進行研究及總結(jié)。