隧洞施工中更換盾構(gòu)機(jī)的盾尾刷的技術(shù)方法

劉 浩

（山西省小浪底引黃工程建設(shè)管理局 山西太原 030024）

0 引言

在高水頭砂卵石地層不良地質(zhì)條件下采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工，尤其是在長(zhǎng)距離獨(dú)頭掘進(jìn)時(shí)，由于作業(yè)間隙較小，盾尾刷密封損壞時(shí)常發(fā)生，產(chǎn)生的原因有很多，如盾尾刷長(zhǎng)期受到管片外弧面摩擦，使其鋼絲磨損嚴(yán)重；盾尾密封油脂加注量不足；盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整過(guò)猛等，由此造成的事故也不在少數(shù)。針對(duì)盾尾密封損壞的情況，國(guó)內(nèi)采用對(duì)管片間隙處填充海綿條、增加盾尾油脂加注量等方法，但這些方法都治標(biāo)不治本，并不能很好地解決盾尾密封損壞的問(wèn)題。為了從根本上解決盾尾密封問(wèn)題，采用盾尾刷更換技術(shù)，確保工程建設(shè)安全。

1 工程概況

山西省小浪底引黃工程施工Ⅶ標(biāo)為土洞段盾構(gòu)標(biāo)，全長(zhǎng)5.516 km，采用一臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)自下游向上游掘進(jìn)，目前已累計(jì)掘進(jìn)4.35 km。鑒于剩余洞段具有埋深大、水頭高、砂卵石地層的高風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，為確保盾構(gòu)機(jī)的施工安全，擬在K48+465 處對(duì)盾尾前兩道鋼絲刷進(jìn)行檢查、更換。K48+465 隧道埋深90 m，根據(jù)揭露的地層，盾構(gòu)機(jī)處于粉質(zhì)土層之中，地層穩(wěn)定；同時(shí)在盾尾刷更換期間，將該段地下水位降至隧道底部以上15 m 內(nèi)，有利于進(jìn)行更換盾尾刷施工作業(yè)。

2 施工工藝

2.1 工藝流程圖

盾尾刷更換工藝流程見圖1。

2.2 準(zhǔn)備工作

2.2.1 基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作

在盾尾刷更換作業(yè)過(guò)程中，為保證盾體處水頭高度保持在15 m 以下，降水井?dāng)?shù)量不得少于24 口，地面降水區(qū)域?yàn)槎荏w及盾體前后各50 m 范圍，要求地面降水井有專人負(fù)責(zé)管理。整個(gè)過(guò)程采用三班循環(huán)作業(yè)。為避免緊急情況發(fā)生時(shí)造成安全風(fēng)險(xiǎn)，必須在盾構(gòu)臺(tái)車上配備備用發(fā)電機(jī)。備用發(fā)電機(jī)均需經(jīng)過(guò)試運(yùn)轉(zhuǎn)和保養(yǎng)后方可進(jìn)場(chǎng)，確保運(yùn)行正常，發(fā)電機(jī)加滿燃油，并配有備用燃油，發(fā)電機(jī)連接線路應(yīng)與供電線路保持隨時(shí)可連接或切換的狀態(tài)。

2.2.2 盾構(gòu)機(jī)準(zhǔn)備工作

1）盾構(gòu)機(jī)在即將到達(dá)指定停機(jī)位置前，應(yīng)根據(jù)最后2 環(huán)掘進(jìn)出渣情況并結(jié)合地質(zhì)勘探資料，提前調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，控制盾尾間隙，使盾構(gòu)機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)。盾構(gòu)機(jī)與管片的相對(duì)關(guān)系是盾尾刷更換能否成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此要嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)[1]。

2）根據(jù)盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置及隧道穿越地層水頭高度，得出開挖倉(cāng)壓力約為2.9 bar，適當(dāng)調(diào)整泥漿配比，確保掌子面穩(wěn)定，防止盾尾處發(fā)生噴泥涌水等塌方事故。

3）最后一環(huán)管片拼裝時(shí)應(yīng)考慮拆卸問(wèn)題，將封頂塊置于頂部2 點(diǎn)至10 點(diǎn)區(qū)間，封頂塊可采用臨時(shí)管片的形式，安裝時(shí)考慮以方便拆卸為主。

4）盾構(gòu)機(jī)到達(dá)位置后，對(duì)最后的10 環(huán)管片在4點(diǎn)、8 點(diǎn)和12 點(diǎn)位置增加管片縱向環(huán)間的緊固拉緊裝置，確保管片連接緊密。

5）盾構(gòu)機(jī)停在指定位置后，立即對(duì)管片進(jìn)行壁后注漿，注漿分為兩部分：

（1）對(duì)管片倒數(shù)第5 環(huán)以外30 環(huán)范圍內(nèi)每隔一環(huán)管片壁后注雙液漿，注漿量根據(jù)注漿壓力確定，雙液漿配比按水泥漿水灰比為1∶1，水泥漿與水玻璃之比為2∶1，水玻璃模數(shù)2.5～3.3，濃度30～45 波美度，注漿完成后，待雙液漿達(dá)到終凝后，通過(guò)注漿孔檢查注漿質(zhì)量。

（2）對(duì)盾尾后方最后一環(huán)管片壁后注油性聚氨酯堵漏劑，使堵漏材料包裹盾尾后方。注漿時(shí)，首先利用電鉆在管片表面進(jìn)行鉆孔，鉆孔完成后插入止水針頭，止水針頭長(zhǎng)450 mm，然后利用聚氨酯注漿機(jī)注入油性聚氨酯，注漿壓力不小于3 MPa，聚氨酯注入量根據(jù)空隙填充效果確定，注漿完成30 min 后，利用管片注漿孔施做水平探孔檢查堵漏效果，無(wú)涌水、涌沙等現(xiàn)象。

2.3 推進(jìn)油缸行程控制

盾尾刷更換作業(yè)過(guò)程中，關(guān)鍵是要控制推進(jìn)油缸行程，要始終保持盾尾里面有2 環(huán)管片沒(méi)有脫出，盾尾刷始終在管片壁后，利用推進(jìn)油缸將第一環(huán)管片推至一定位置，確保最外側(cè)一道鋼絲刷在第二環(huán)管片壁后穩(wěn)定位置，其余兩道鋼絲刷在第一環(huán)管片壁后，根據(jù)千斤頂位置及盾尾刷布置，在頂進(jìn)油缸行程至1 450 mm 時(shí)為最佳位置。如圖2所示。

圖2 盾尾刷更換定位位置

2.4 管片拆除

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)停機(jī)受力分析，盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時(shí)所受阻力為1 558.74 t，氣壓反向推力為712 t，1 558.74 t>712 t，故盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時(shí)掌子面保壓3 bar 時(shí)，盾構(gòu)機(jī)將保持靜止不動(dòng)。為了加強(qiáng)安全防范措施，本次在尾盾3 點(diǎn)、6 點(diǎn)及9 點(diǎn)位置增加三道鋼管支撐，鋼管直徑為300mm，壁厚12 mm，單根長(zhǎng)1.5 m，將盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸支撐在鋼管撐上，鋼管撐另一端支撐在管片上，與管片螺栓進(jìn)行焊接，防止墜落。

管片拆除采用順時(shí)針?lè)謮K分階段拆除，即按照C塊、B2 塊、A3 塊、A2 塊、A1 塊、B1 塊的順序，見圖3。首先，利用管片拼裝機(jī)固定好管片，防止脫落；然后按照先環(huán)向后縱向的方式拆除連接螺栓；待連接螺栓全部抽出后，利用拼裝機(jī)拆除封頂塊，拆除后檢查盾尾刷與最后一環(huán)管片相互位置關(guān)系及有無(wú)滲漏水或泥沙情況。每拆除一塊必須確保螺栓已全部抽出，才可進(jìn)行該管片的拆卸。為防止作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)倒退現(xiàn)象的發(fā)生，拆除管片過(guò)程中及時(shí)在3 點(diǎn)、6 點(diǎn)及9點(diǎn)位置增加三道鋼管支撐，并保證千斤頂頂緊受力。

圖3 管片拆除圖

2.5 盾尾刷刨除

1）管片拆除完成后，用鏟刀將盾殼、油脂倉(cāng)內(nèi)附著的砂漿油脂等雜物清理干凈。清理過(guò)程中，注意保持油脂注入孔的通暢。

2）切除作業(yè)及清理油污雜物前，用彩鋼瓦或防火性材料將千斤頂伸出桿、拼裝機(jī)油管、電纜等易損部分進(jìn)行遮蓋，避免電渣損壞設(shè)備等。

3）盾尾刷切除采用氣刨法切除，切除時(shí)按照由上往下、由外而內(nèi)的順序，逐個(gè)取出舊的盾尾刷。切除完成后將盾尾刷位置雜物徹底清理干凈，并保持干燥的作業(yè)環(huán)境。

4）焊接部位要與新的盾尾刷焊接部位相契合，打磨部位要留有足夠的焊接面積，不得損傷盾體。

2.6 盾尾刷更換焊接

待舊盾尾刷刨除作業(yè)結(jié)束并清理完成后，開始實(shí)施新盾尾刷更換焊接作業(yè)。新盾尾刷采用點(diǎn)焊方式依次搭接安裝，在最后1 塊焊接時(shí)，尾刷稍寬，依據(jù)經(jīng)過(guò)仔細(xì)量測(cè)后的尺寸切除，確保兩塊尾刷之間有足夠搭接長(zhǎng)度，并符合規(guī)范。

焊前先將坡口表面打磨平整，并且去除氧化皮、碳化物、油脂、水、油漆等對(duì)焊接有害的雜質(zhì)，同時(shí)應(yīng)根據(jù)焊接變形趨勢(shì)準(zhǔn)備足夠的工藝支撐和卡板等用于定位。至少每隔500 mm 施加一條定位焊，定位焊的有效長(zhǎng)度至少30 mm，不允許點(diǎn)焊。所有的焊接位置，每一焊道的寬度都不能超過(guò)15 mm，焊接方向?yàn)橛上峦稀２捎枚鄬佣嗟篮?，并且每一層的焊道左右交替進(jìn)行，最后一道放在中間位置。

2.7 盾尾油脂涂抹

待盾尾刷全部焊接完成后，開始盾尾油脂涂抹工作，盾尾油脂采用Condat WR 90 型手涂油脂。涂抹時(shí)分層將鋼絲刷撥開后填入油脂，保證每層油脂填塞飽滿，避免掉落、漏涂，以此來(lái)確保盾尾密封性。油脂涂抹質(zhì)量須經(jīng)檢驗(yàn)合格后進(jìn)行管片拼裝。

2.8 管片拼裝

管片安裝前應(yīng)確保所有更換工作已完成并經(jīng)檢查合格，管片拼裝按正常工序進(jìn)行，拼裝前檢查管片防水材料的粘貼牢固、無(wú)破損，拼裝并上緊螺栓后用千斤頂及時(shí)頂緊。

3 注意事項(xiàng)

1）為保證更換盾尾刷時(shí)施工安全，管片拆除作業(yè)應(yīng)在雙液漿注漿后凝固以后進(jìn)行。

2）管片拆除屬高危險(xiǎn)性作業(yè)，工作人員禁止站在管片下方，拆除的每塊管片必須保證拼裝機(jī)抓舉頭抓緊抓牢，油缸支撐穩(wěn)妥。

3）盾尾刷更換后，一定要在確認(rèn)盾構(gòu)千斤頂掌靴已經(jīng)頂緊管片的情況下安裝螺栓，螺栓一定要緊固，待螺栓安裝完成后，才能將拼裝機(jī)與管片慢慢脫離。管片拼裝結(jié)束后，對(duì)由于人工涂抹不密實(shí)的盾尾刷凹槽處，采用盾尾油脂泵泵送盾尾密封油脂填充，并且達(dá)到油脂泵設(shè)定壓力值后才能停止。

4）盾尾刷更換原則為拆除一塊焊接一塊，不得全部拆除后再焊接[2]。

5）采用氣割或焊接時(shí)，注意兩點(diǎn)：一是務(wù)必用阻燃材料包好焊接處及附近的油缸，以免將推進(jìn)油缸活塞桿損傷；二是務(wù)必將油脂清理干凈，避免出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象引發(fā)火災(zāi)。

6）在拆除管片后，設(shè)專人對(duì)工作區(qū)域檢查是否存在滲漏水現(xiàn)象。

4 結(jié)論

盾尾刷更換技術(shù)應(yīng)用于本工程土洞富水砂卵石地層段，不僅取得了良好的盾尾密封效果，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為其他類似工程提供了借鑒依據(jù)。該技術(shù)減少了施工對(duì)環(huán)境的影響，未對(duì)地面沉降造成進(jìn)一步的不良影響，響應(yīng)了國(guó)家對(duì)環(huán)保方面的號(hào)召。