盾構(gòu)機(jī)盾尾刷設(shè)計(jì)及更換技術(shù)研究

楊 梅

(中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074)

1 引言

在地鐵建設(shè)中，盾構(gòu)機(jī)由于具備安全、快捷、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)而被廣泛使用。盾構(gòu)機(jī)的盾尾刷位于盾構(gòu)主機(jī)尾部，由3道密封刷組成2個(gè)密封腔，密封腔通過(guò)注入盾尾油脂密封[1]，是防止水、泥漿等流進(jìn)盾構(gòu)內(nèi)部的關(guān)鍵設(shè)施。盾構(gòu)施工中，盾尾刷不可避免會(huì)發(fā)生磨損，當(dāng)磨損到一定程度時(shí)，將導(dǎo)致盾尾發(fā)生滲漏水，漏砂，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生地面下沉坍塌事故[2－3]，所以一旦發(fā)現(xiàn)盾尾刷較大范圍被損壞，就需及時(shí)更換盾尾刷。

盾尾刷更換常采用加固措施來(lái)進(jìn)行，主要為將盾尾周圍地層進(jìn)行凍結(jié)或采用防水材料在盾尾地層中進(jìn)行注漿防滲。陳馳等[4]在過(guò)江隧道盾尾刷更換前使用液氮凍結(jié)止水防滲；袁立斌等[5]介紹了冷凍鋼管片的設(shè)計(jì)以及凍結(jié)過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)，表明了冷凍鋼管片進(jìn)行盾尾刷更換的有效性；姚奮宗[6]介紹了全斷面砂層中在鋼管片內(nèi)側(cè)布置凍結(jié)管進(jìn)行鹽水循環(huán)凍結(jié)更換盾尾刷的工法過(guò)程；陶云超[7]從盾尾刷更換位置的選擇、推進(jìn)油缸長(zhǎng)度的確定、更換盾尾刷時(shí)的注意事項(xiàng)等方面，闡述了盾尾刷更換技術(shù)；李家洋等[8]詳細(xì)介紹了大直徑盾構(gòu)機(jī)注漿法止水的尾刷更換技術(shù)；高如超等[9]從借助風(fēng)井內(nèi)降水，改造拼裝機(jī)以及施作止水環(huán)等角度闡述泥水盾構(gòu)盾尾刷更換技術(shù)?，F(xiàn)有盾尾刷更換技術(shù)主要集中在對(duì)盾構(gòu)周圍土體采取加固措施，對(duì)于特殊不具備加固條件地層，尚未見相關(guān)施工技術(shù)報(bào)道。本文結(jié)合西南地區(qū)某盾構(gòu)項(xiàng)目，首次探索設(shè)計(jì)了一種全新的盾構(gòu)機(jī)盾尾刷并對(duì)其更換技術(shù)進(jìn)行了研究。

2 工程概況及問(wèn)題分析

2.1 工程概況

某市地鐵五號(hào)線八標(biāo)包含4個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間地表建(構(gòu))筑物繁多。盾構(gòu)掘進(jìn)地層主要為(3)1-3泥炭質(zhì)土、(3)2-3粉質(zhì)黏土、(3)3-4粉土。區(qū)間土層層厚不均，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、承載力低、靈敏度較高、易觸變等特性，工程性質(zhì)差；粉土存在液化現(xiàn)象。盾構(gòu)區(qū)間下穿眾多河流，地下水豐富，土層滲透性好，地下水與河流有一定的水力聯(lián)系，易導(dǎo)致地下水形成漏水通道。

2.2 問(wèn)題分析

本工程在第1個(gè)盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)時(shí)使用了傳統(tǒng)盾尾刷，靠近河流時(shí)采用常規(guī)技術(shù)進(jìn)行了盾尾刷更換，在更換過(guò)程中顯示出一些問(wèn)題，主要為:

(1)盾尾刷在更換期間，盾構(gòu)需停止掘進(jìn)，停機(jī)過(guò)長(zhǎng)，盾體和刀盤易被卡住，注漿管路易被堵塞。

(2)拆除管片時(shí)，尾刷周圍出現(xiàn)漏水情況，安全風(fēng)險(xiǎn)特別大。

(3)盾尾刷在拆除焊接過(guò)程中，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，效率低，且作業(yè)區(qū)出現(xiàn)大量濃煙；此外火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)也很大，焊渣易毀壞周圍設(shè)備[10]。

(4)河流沿線周邊建筑物密集，需提前進(jìn)行加固，耗費(fèi)大量人力物力。

3 盾尾刷設(shè)計(jì)及更換關(guān)鍵技術(shù)

3.1 盾尾刷設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)包括易安拆盾尾刷、鋼管片、彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)等部分，如圖1所示。

圖1 盾尾刷設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

(1)易安拆盾尾刷

在傳統(tǒng)盾尾刷的基礎(chǔ)上總結(jié)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種易安拆盾尾刷。該盾尾刷是由多個(gè)盾尾刷組件拼接而成。每個(gè)盾尾刷組件主要包括三片平行排列的弧形盾尾刷環(huán)片、長(zhǎng)條形安裝孔、微調(diào)距結(jié)構(gòu)和兩根平行連接滑桿(見圖2)。

圖2 單個(gè)盾尾刷組件

在每片盾尾刷環(huán)片的內(nèi)環(huán)面焊接常規(guī)盾尾刷，并開設(shè)多個(gè)長(zhǎng)條形安裝孔；兩根連接滑桿安裝在三片盾尾刷環(huán)片的外環(huán)面。連接滑桿一端為圓弧狀，另一端設(shè)有卡槽。微調(diào)距結(jié)構(gòu)包括沿著盾尾刷環(huán)片環(huán)向分布的調(diào)節(jié)齒條和與齒條相互嚙合的齒輪，用于調(diào)整盾尾刷環(huán)片環(huán)向位置。

每片盾尾刷環(huán)片的兩拼接端采用相互匹配的拼接斜面，使得相鄰盾尾刷組件之間壓緊更加密實(shí)，同時(shí)使得盾尾刷之間的拼裝更加嚴(yán)實(shí)，不易產(chǎn)生密封薄弱點(diǎn)。

在盾尾外殼內(nèi)壁安裝盾尾刷的位置安裝滑槽和多個(gè)緊固螺栓孔(見圖1)?；鄣倪M(jìn)入口呈八字形擴(kuò)大口，滑槽的尾端設(shè)有彈性卡件。連接滑桿與滑槽的接觸面設(shè)置多個(gè)滑動(dòng)滾珠，以方便滑桿滑動(dòng)。

安裝時(shí)，每個(gè)盾尾刷組件通過(guò)滑桿圓弧端滑入盾尾外殼內(nèi)壁對(duì)應(yīng)的滑槽內(nèi)，并用緊固螺栓將盾尾刷環(huán)片固定在盾尾外殼內(nèi)壁。為保證密封性，在每片盾尾刷環(huán)片的外環(huán)面未與滑桿接觸的部位，設(shè)有密封墊片，使盾尾刷組件與盾尾外殼內(nèi)壁緊密接觸。

(2)鋼管片

鋼管片采用常規(guī)的盾構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)管片進(jìn)行改裝，其外形與普通的盾構(gòu)管片外形大小相同。其主要結(jié)構(gòu)包括外環(huán)面的完整鋼板和內(nèi)環(huán)面的鋼結(jié)構(gòu)支撐。在外環(huán)面上開設(shè)有新盾尾刷螺栓安裝孔(以下簡(jiǎn)稱“新安裝孔”)、舊盾尾刷螺栓拆除孔(以下簡(jiǎn)稱“舊拆除孔”)和彈簧螺栓調(diào)節(jié)孔(見圖3)。

圖3 鋼管片

(3)彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)用來(lái)將盾尾刷組件固定在鋼結(jié)構(gòu)管片外環(huán)面上，并用來(lái)調(diào)節(jié)盾尾刷組件的高度。

該結(jié)構(gòu)主要包括開設(shè)在鋼結(jié)構(gòu)管片上彈簧螺栓調(diào)節(jié)孔、對(duì)應(yīng)設(shè)置在滑桿上的螺桿固定槽、螺桿、調(diào)節(jié)螺母和固定有彈簧圈的鎖緊塊(見圖1)。彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)作用過(guò)程是:先將固定有彈簧圈的鎖緊塊通過(guò)螺栓安裝到調(diào)節(jié)孔內(nèi)，其彈簧圈伸出鋼管片外環(huán)面調(diào)節(jié)孔，對(duì)盾尾刷組件定位。將螺桿從鎖緊塊通孔內(nèi)插入彈簧圈并延伸至螺桿固定槽，擰緊螺桿，即可將盾尾刷組件固定在鋼結(jié)構(gòu)管片上。在螺桿位于鋼結(jié)構(gòu)管片內(nèi)環(huán)面的區(qū)域設(shè)置調(diào)節(jié)螺母，在需要調(diào)節(jié)盾尾刷組件的高度時(shí)調(diào)節(jié)螺母松緊，在彈簧圈的作用下，便可將盾尾刷組件調(diào)至適合高度。

3.2 盾尾刷更換施工技術(shù)原理

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中所使用的新舊盾尾刷均為易安拆盾尾刷，通過(guò)滑槽和滑桿安裝。盾構(gòu)正常掘進(jìn)，將盾構(gòu)管片換成改裝后的鋼管片，拼裝好第一環(huán)管片，然后在管片前部焊接側(cè)翼鋼板及接縫鋼板，形成第一道密封；盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)，并依次拆除舊盾尾刷的三排螺栓，同時(shí)調(diào)整新盾尾刷與盾尾滑槽的位置，準(zhǔn)備新盾尾刷的滑動(dòng)安裝；利用第二排螺栓拆除時(shí)安裝的推移繩索，將舊盾尾刷第二排螺栓孔滑移到舊拆除孔，將舊盾尾刷與鋼結(jié)構(gòu)管片固定，形成第二道密封；盾構(gòu)繼續(xù)前進(jìn)，使盾尾滑槽尾端的彈性卡件卡入舊盾尾刷的卡槽內(nèi)，形成第三道密封；三道密封與舊盾尾刷原有的密封腔同時(shí)作用，阻止外部水、泥漿進(jìn)入盾體，為盾尾刷的更換以及盾構(gòu)的繼續(xù)掘進(jìn)提供無(wú)水環(huán)境；繼續(xù)調(diào)整新盾尾刷與盾尾滑槽位置，通過(guò)滑移使新盾尾刷安裝到位，用緊固螺栓擰緊，即完成盾尾刷更換。

3.3 施工關(guān)鍵技術(shù)

盾構(gòu)在第4個(gè)盾構(gòu)區(qū)間左右線掘進(jìn)中使用易安拆盾尾刷，左線施工至979環(huán)時(shí)，盾尾出現(xiàn)漏漿，在盾尾擠出的盾尾油脂中發(fā)現(xiàn)尾刷鋼絲，結(jié)合前段施工漏漿情況，分析判斷盾尾刷受損，決定更換新盾尾刷后再恢復(fù)掘進(jìn)。

3.3.1 易安拆盾尾刷組裝

(1)盾尾刷組件在工廠預(yù)制后，運(yùn)輸?shù)焦さ剡M(jìn)行安裝。盾尾刷按照安裝程序焊接到每片盾尾刷環(huán)片內(nèi)環(huán)面上，隨后在環(huán)片外環(huán)面預(yù)留位置粘貼密封墊片，涂抹潤(rùn)滑油；接著進(jìn)行盾尾刷油脂手工涂抹[11](見圖4)，涂抹時(shí)分層將鋼絲刷撥開后填入油脂，涂抹后每層油脂填塞飽滿，不掉落、不漏涂，經(jīng)土木工程師檢驗(yàn)合格后方可使用。在地面將新盾尾刷組件組裝好后，注意對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，以免損壞部件。

圖4 盾尾刷涂抹油脂

(2)將組裝好的新盾尾刷的單個(gè)盾尾刷組件，安裝到每片鋼管片的外環(huán)面。安裝過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)螺母調(diào)整盾尾刷組件的高度，使其既不影響鋼管片的安裝，也不與盾尾殼體接觸摩擦；然后采用封堵蓋將新安裝孔和舊拆除孔封住。

(3)將安裝有盾尾刷組件的鋼管片吊裝運(yùn)輸至盾尾區(qū)域，盾構(gòu)掘進(jìn)至鋼管片可拼裝位置時(shí)，利用盾構(gòu)拼裝機(jī)系統(tǒng)逐一拼裝鋼管片成第一環(huán)管片，盾尾刷組件也對(duì)應(yīng)形成三道新盾尾刷。

3.3.2 盾尾刷第一道密封

第一環(huán)鋼管片拼裝完成后，在管片前部焊接側(cè)翼鋼板及接縫鋼板進(jìn)行密封，鋼板與鋼板之間采用螺栓連接，并在連接縫隙安裝密封條，使其前部形成第一道密封(見圖5)，然后通過(guò)管片前部上通氣孔和測(cè)壓孔開始第一次前腔打壓測(cè)試。

圖5 盾尾刷第一道密封

3.3.3 盾尾刷同步拆除與安裝

(1)盾構(gòu)機(jī)開始第二環(huán)掘進(jìn)，打開舊拆除孔，將油缸行程推進(jìn)至舊拆除孔正對(duì)舊盾尾刷的第一排緊固螺栓處，停止掘進(jìn)，依次拆除舊盾尾刷的第一排螺栓。同時(shí)，將一根推移繩索一端連接到舊盾尾刷上，另一端從舊拆除孔伸出，連接手拉葫蘆，通過(guò)手拉葫蘆來(lái)控制推移繩索帶動(dòng)舊盾尾刷在滑槽內(nèi)滑動(dòng)。繼續(xù)掘進(jìn)至鋼管片的舊拆除孔正對(duì)舊盾尾刷的第二排螺栓處，停止掘進(jìn)并依次拆除第二排螺栓。同時(shí)通過(guò)安裝孔觀察新盾尾刷滑桿與滑槽的位置關(guān)系，采用微調(diào)距結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)齒輪，帶動(dòng)盾尾刷環(huán)片環(huán)向移動(dòng)，進(jìn)行環(huán)向位置的微調(diào)；通過(guò)彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)調(diào)整新盾尾刷的高度，使其滑桿與滑槽的進(jìn)入口對(duì)接(見圖6)。

圖6 盾尾刷同步拆除與安裝

(2)盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)向前掘進(jìn)至舊盾尾刷第三排螺栓處，停止掘進(jìn)并依次拆除第三排螺栓，使得舊盾尾刷與盾尾殼體解除連接。繼續(xù)觀察新盾尾刷滑桿與滑槽的位置關(guān)系，根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。

3.3.4 盾尾刷第二道密封

向后收緊推移繩索，帶動(dòng)舊盾尾刷沿著盾尾殼體上的滑槽移動(dòng)至舊盾尾刷的第二排螺栓孔與舊拆除孔對(duì)應(yīng)，并通過(guò)長(zhǎng)螺栓將舊盾尾刷與鋼管片固定，形成第二道密封(見圖7)。

圖7 盾尾刷第二道密封

3.3.5 盾尾刷第三道密封以及協(xié)同密封

盾構(gòu)繼續(xù)前進(jìn)，帶動(dòng)舊盾尾刷沿著滑槽到達(dá)滑槽的尾端，使滑槽尾端的彈性卡件卡入舊盾尾刷滑桿上的卡槽內(nèi)，形成第三道密封(見圖8)。三道密封與舊盾尾刷原有的密封腔協(xié)同密封，共同阻止外界水滲入盾體內(nèi)，為新盾尾刷安裝和盾構(gòu)掘進(jìn)提供密封保障。

圖8 第三道密封和新盾尾刷安裝到位

3.3.6 新盾尾刷安裝到位

(1)調(diào)整彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)使得新盾尾刷與盾尾殼體密切接觸，通過(guò)滑桿在滑槽內(nèi)移動(dòng)，使新盾尾刷安裝到位，且新盾尾刷的三排螺栓依次與鋼管片上的新安裝孔對(duì)應(yīng)，停止掘進(jìn)，通過(guò)鋼管片上通氣孔和測(cè)壓孔開始第二次后腔打壓測(cè)試。

(2)通過(guò)新安裝孔依次把新盾尾刷上的緊固螺栓擰緊(見圖8)，并拆除鋼管片與新盾尾刷之間的彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，開啟盾構(gòu)機(jī)油脂系統(tǒng)，進(jìn)行油脂腔填充，待油脂系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，再次重復(fù)進(jìn)行前腔打壓測(cè)試。

(3)打壓測(cè)試達(dá)標(biāo)后盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)向前掘進(jìn)，舊盾尾刷脫出盾尾，拆除鋼管片與舊盾尾刷的連接，完成盾尾刷的更換。接著逐一拆除鋼管片側(cè)翼鋼板，鋼管片重新?lián)Q成盾構(gòu)混凝土管片，恢復(fù)正常施工。掘進(jìn)一段時(shí)間后，在鋼管片背后采用雙液漿作為注漿材料，進(jìn)行二次注漿補(bǔ)強(qiáng)。

3.3.7 注意事項(xiàng)

(1)在鋼管片拼裝前必須把盾殼內(nèi)的雜物清理干凈，防止對(duì)盾尾刷造成損壞。

(2)盾尾刷更換前，加強(qiáng)中體與盾尾鉸接處的密封檢查，及時(shí)調(diào)節(jié)密封壓板螺栓，確保密封效果。

(3)盾構(gòu)施工過(guò)程中加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)開挖面的水土壓力，及時(shí)調(diào)整油缸推力及推進(jìn)速度，保持土艙壓力穩(wěn)定，避免因刀盤推力波動(dòng)過(guò)大對(duì)地層造成嚴(yán)重?cái)_動(dòng)。

4 施工優(yōu)勢(shì)

(1)本研究設(shè)計(jì)的盾尾刷，可在地面預(yù)裝好運(yùn)輸至隧道內(nèi)，通過(guò)滑桿滑槽滑移安裝至盾尾，其安拆簡(jiǎn)單方便快捷。減少了傳統(tǒng)盾尾刷安拆時(shí)炮焊，打磨等工序，大大降低了工人施工難度，改善了工人工作環(huán)境，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2)鋼管片通過(guò)側(cè)翼鋼板在前端與盾尾形成第一道密封；在后端通過(guò)螺栓與舊盾尾刷固定，形成第二道密封；通過(guò)盾尾彈性卡件卡入舊盾尾刷，形成第三道密封；三道密封與舊盾尾刷原有的密封腔同時(shí)作用，使得不需要對(duì)地層進(jìn)行加固也能進(jìn)行施工；同時(shí)盾構(gòu)機(jī)也可以正常掘進(jìn)，不影響施工進(jìn)度。

(3)施工中，有時(shí)候需要對(duì)盾尾刷整環(huán)進(jìn)行更換，有時(shí)候只需要對(duì)部分損壞盾尾刷進(jìn)行更換[12]。本設(shè)計(jì)在每個(gè)鋼管片上對(duì)應(yīng)開設(shè)有多個(gè)螺栓安裝孔以及拆卸孔，既可以滿足多道盾尾刷在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行更換，也可以針對(duì)部分盾尾刷進(jìn)行更換，適用范圍廣。

(4)采用新盾尾刷系統(tǒng)施工比常規(guī)盾尾刷更換技術(shù)節(jié)省工期10 d；減少了工序，同時(shí)也減少了人員配置，直接節(jié)省盾尾刷刨除、焊接、人工費(fèi)和地層加固材料成本約12.5萬(wàn)元(由節(jié)省工期以及減少其他措施等帶來(lái)的間接經(jīng)濟(jì)效益不含)。

(5)傳統(tǒng)盾尾刷更換過(guò)程中，混凝土管片被拆除后一般直接破除處理，本施工中用鋼管片代替混凝土管片，管片直接作為隧道的一部分使用，不產(chǎn)生建筑垃圾。

(6)該技術(shù)可適用于任何水文地質(zhì)條件下的盾尾刷更換施工，尤其適用于長(zhǎng)距離無(wú)法采取加固措施的盾構(gòu)施工中。

5 結(jié)束語(yǔ)

本工程首次研究了易安拆的盾尾刷及施工技術(shù)，安全有效地解決了傳統(tǒng)施工技術(shù)中盾尾刷更換遇到的問(wèn)題；施工中不需要進(jìn)行地層加固措施，降低了施工難度，縮短了施工工期，節(jié)約了施工成本，拓展了盾尾刷更換技術(shù)的適用范圍，為盾尾刷更換提供了新的思路。