高承壓水圓礫地層中洞內(nèi)更換盾尾刷技術(shù)

何 磊

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222)

1 工程概況

杭州素以擁有江南水鄉(xiāng)濕地而著稱，地表水系發(fā)達(dá)，杭州機(jī)場(chǎng)快線5標(biāo)西溪濕地站-3#風(fēng)井區(qū)間位于西溪濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)，園區(qū)分布大量的濕地河溝、水塘等，區(qū)間總長度2 747.5 m；區(qū)間隧頂最大埋深達(dá)40.7 m，為超深埋隧道，地下水壓力較高；區(qū)間穿越多種地層，主要為淤泥、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、圓礫、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等，區(qū)間下穿粉細(xì)砂層和圓礫層長達(dá)300 m；盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過R800 m、R500 m小半徑曲線；區(qū)間采用兩臺(tái)鐵建重工生產(chǎn)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，從西溪濕地站始發(fā)后，下穿西溪濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)，而后下穿紫金港隧道、登新公寓、杭州市十五中學(xué)教學(xué)樓等建筑物；盾構(gòu)掘進(jìn)需特別注意地表水與地下水的水力聯(lián)系，盾尾刷漏漿和隧道管片變形，是該區(qū)間的風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量控制難題，控制不當(dāng)則極易造成建筑物沉降和隧道被淹埋等重大風(fēng)險(xiǎn)。

盾構(gòu)隧道管片外徑6.9 m，環(huán)寬1.5 m，管片分為“3+2+1”，即標(biāo)準(zhǔn)塊B1、B2、B3，鄰接塊L1、L2，封頂塊F。

2 盾尾刷密封原理

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)大小，盾尾一般設(shè)有3～5道盾尾刷，鐵建重工生產(chǎn)的直徑?7 180 mm盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)有3道盾尾刷。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，管片相對(duì)靜止，盾體處于連續(xù)移動(dòng)狀態(tài)，盾尾和已拼裝的管片之間存在相對(duì)移動(dòng)，為了防止外部漿液和地下水、砂等進(jìn)入盾殼內(nèi)，必須對(duì)盾尾和管片間進(jìn)行密封處理；盾尾一方面由盾尾內(nèi)壁的3道鋼絲刷完成密封，另一方面依靠充滿整個(gè)油脂腔的油脂建立起壓力進(jìn)行密封[1]，注入到油脂腔內(nèi)的油脂同時(shí)也可以起到潤滑和保護(hù)鋼絲刷、延長其使用壽命的作用。

3 盾尾滲漏原因分析

盾尾刷更換中發(fā)現(xiàn)損壞形式有：彈性鋼板整片磨斷掉落或失去彈性、鋼絲刷大量磨損甚至局部脫落、盾尾刷間隙充滿砂子和水泥漿硬塊而失去密封效果。具體原因分析如下[2]：

3.1 盾尾油脂不足

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前盾尾刷鋼絲內(nèi)油脂(WR90手涂型)涂抹不到位或者涂抹方法不正確，油脂只是抹到了表面，而沒有完全塞入鋼絲根部，不能確保鋼絲全部粘上油脂，存在空隙；掘進(jìn)過程中，盾尾油脂注入量不足或油脂質(zhì)量差，容易擠出浪費(fèi)，沒有起到有效作用，導(dǎo)致盾尾刷密封效果達(dá)不到要求，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致盾尾漏漿。選用優(yōu)質(zhì)的盾尾油脂，一般稠度針入度值須達(dá)到210～260，密度1.35～1.45 g/cm3，同時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中盾尾油脂注入量要處于飽和狀態(tài)。

3.2 盾尾刷質(zhì)量問題

盾尾刷由眾多獨(dú)立細(xì)鋼絲、彈簧鋼片等構(gòu)件組成，通過在盾構(gòu)機(jī)盾尾殼體內(nèi)環(huán)形多道布置從而形成整體柔性密封結(jié)構(gòu)，如果盾尾刷質(zhì)量存在缺陷、承受力不足，變形后難以恢復(fù)原狀、鋼絲容易磨損，則盾尾刷密封性能降低，在注漿和泥水壓力較高的情況下易發(fā)生滲漏。

3.3 注漿壓力過大

在埋深較深的高承壓水地層中，例如埋深達(dá)到38 m時(shí)，地下水壓則為3.8 bar，注漿壓力須大于地下水壓力，注漿方可進(jìn)行，此時(shí)同步注漿壓力能達(dá)到4.5～5.0 bar，盾尾刷承受的外界壓力一般不宜超過6.0 bar，太大則容易擊穿盾尾刷出現(xiàn)漏漿，故過程中需嚴(yán)格控制注漿壓力及注漿量。

3.4 盾尾間隙過大或過小

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)姿態(tài)糾偏過急，盾構(gòu)姿態(tài)出現(xiàn)“波浪線”現(xiàn)象，造成盾尾間隙單邊過大或過小，間隙過大會(huì)造成盾尾漏漿，長時(shí)間間隙過小，油脂難以滲透容易擠壞盾尾刷、造成盾尾刷失去彈性而漏漿。盾尾間隙一般不小于45 mm(標(biāo)準(zhǔn)為75 mm)，故盾構(gòu)姿態(tài)宜勤糾緩糾方式進(jìn)行，基本要保持穩(wěn)定。

3.5 管片上浮

在地下水較豐富地層中，管片浮力大于管片自重從而產(chǎn)生上浮，上浮后管片長期上部擠壓盾尾上部，導(dǎo)致上部間隙小、下部間隙大，盾尾間隙不均勻，致使漏漿。另外，管片拼裝前須將盾尾清理干凈，防止泥渣進(jìn)入尾刷內(nèi)部，拼裝管片時(shí)重視拼裝質(zhì)量等。

4 盾尾刷更換關(guān)鍵技術(shù)

盾尾刷更換工藝流程：停機(jī)準(zhǔn)備→制作止水環(huán)→管片與推進(jìn)千斤頂固定→油缸回縮，拆除管片→盾尾刷更換(若漏水可用快速水泥堵水)→加焊盾尾間隙支墊→拼裝管片→頂推管片，與上一環(huán)距離10 mm→對(duì)孔，穿螺栓→頂推，新老管片對(duì)接，螺栓緊固→推進(jìn)，鋼條支撐脫出后割除。

4.1 停機(jī)準(zhǔn)備

結(jié)合地表環(huán)境和地層情況，盡量選擇地層相對(duì)較好、對(duì)地表環(huán)境影響較小的位置停機(jī)，停機(jī)時(shí)將土倉渣土留滿倉，保實(shí)土壓防止停機(jī)時(shí)間長出現(xiàn)掌子面塌方。

根據(jù)盾尾密封失效時(shí)盾尾滲漏水、漏漿的位置和滲漏量的大小來確定盾尾刷的損壞部位和損壞情況，從而確定所需更換盾尾刷的數(shù)量及需要的時(shí)間，進(jìn)行合理安排。對(duì)隧道線路前方地質(zhì)進(jìn)行核實(shí)，期間需要對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，盡量讓盾尾間隙均勻分布。通過對(duì)拼裝機(jī)、管片尺寸等的計(jì)算，確定出更換盾尾刷時(shí)千斤頂?shù)耐七M(jìn)行程，在滿足了拼裝、拆卸管片施工要求的同時(shí)，也確保施工的安全、質(zhì)量及施工進(jìn)度。

4.2 止水環(huán)制作

阻止盾殼后的地下水流入盾尾是更換盾尾刷的必要條件：一是提供有利的條件無水干擾；二是止水后地層穩(wěn)定，防止突發(fā)涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)。在高承壓水地層中止水環(huán)制作比較困難，需要多種措施相結(jié)合：一是加大同步注漿量，二是在盾尾后3～4環(huán)進(jìn)行二次注漿雙液漿，三是在靠近盾尾后方進(jìn)行聚氨酯加強(qiáng)止水[3-4]。

注水泥漿前利用同步注漿系統(tǒng)注入膨潤土約4 m3，形成保護(hù)層，避免雙液漿竄入盾殼外周把盾體抱住無法脫困。采用鈉基膨潤土，配合比膨潤土∶水=1∶6，需膨化24 h后使用。

雙液漿采用水泥+水玻璃漿液，配合比為：水玻璃∶水=1∶3(A液)，P.O42.5水泥∶水=1∶1(B液)，A∶B=1∶1，凝固時(shí)間約50 s,注入壓力不大于0.5 MPa，注入量經(jīng)驗(yàn)值約為整圈4孔4 m3。待雙液漿初凝后通過管片開孔檢查注漿效果，約12 h后，在盾尾后第3環(huán)位置用沖擊鉆開孔，觀察是否初凝和來水大小，如果封堵效果不理想，則采用聚氨酯加強(qiáng)止水。

水溶性聚氨酯化學(xué)灌漿材料是由過量的多元異氰酸酯和多羥基化合物預(yù)先制成含有游離異氰酸基團(tuán)的低聚的氨基甲酸預(yù)聚體，漿液灌入后，與滲漏水相遇發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，發(fā)泡生成多元網(wǎng)狀封閉彈性體，特征是遇水后放出二氧化碳，產(chǎn)生二次滲壓，一般能發(fā)泡體積達(dá)到15～20倍，從而達(dá)到防滲堵漏的目的。聚氨酯布孔方式以管片環(huán)向整圈布置，間距1 m布設(shè)，管片內(nèi)側(cè)周長為19.15 m，總計(jì)布設(shè)19個(gè)孔。把全部的孔鉆好并裝上小鋁管和連接針頭，孔徑14 mm，采用4臺(tái)小型注漿機(jī)同時(shí)快速注入，順序?yàn)閺南峦献⑷耄瑫r(shí)打開注入孔上方相鄰的孔當(dāng)作觀察孔，注入壓力一般控制在0.3～0.5 MPa，以注飽滿后聚氨酯將從觀察孔擠出為控制量，此時(shí)可結(jié)束該孔注入，換下一個(gè)孔以同樣的方式注入，直至整圈所有的孔注完。

采用ZY-1068聚氨酯高壓注漿機(jī)，不需氣壓源，機(jī)身小巧，具有可雙組分同時(shí)注入、搬動(dòng)方便等特點(diǎn)。

4.3 工具、材料準(zhǔn)備

為保證更換過程中工序的正常銜接，在停機(jī)前需將工具及材料提前準(zhǔn)備，其中主要工具和材料包括氣刨(500 kW直流電焊機(jī))、CO2保護(hù)電焊機(jī)、?5 mm的506焊條、新盾尾刷(每道需要盾尾刷約110塊)、手涂盾尾油脂(WR90)等。

4.4 管片拆除

在盾構(gòu)掘進(jìn)到指定地方，即油缸伸長1 850 mm時(shí)，密封刷距管片1 230 mm。在該位置進(jìn)行管片拆卸，管片拆卸過程中嚴(yán)禁管片下方站人，拼裝機(jī)需保持完好狀態(tài)；拆卸順序由上到下，左右對(duì)稱依次拆除其余管片；F塊拆除時(shí)先拆除該塊上的螺栓，再將拼裝機(jī)扣住F塊，最后收回F塊相應(yīng)油缸進(jìn)行管片拆除(一般情況下F塊選擇不安裝，用以預(yù)防管片拆除時(shí)盾尾刷箍死管片情況出現(xiàn)；即使安裝F塊，F(xiàn)塊的點(diǎn)位優(yōu)先選擇11或1點(diǎn)上部的點(diǎn)位，方便拆除)；其余管片拆除方法與之相同[3]。

4.5 盾尾刷刨除、焊接

管片拆除后盾尾刷露出2道、剩余1道貼合在管片外側(cè)，先將密封槽內(nèi)的油脂與漿液清除，清理后檢查盾尾刷是否損壞；將損壞的盾尾刷用刨除方式進(jìn)行清除，嚴(yán)格控制刨除深度，以免傷害盾殼；刨除后不平整的地方使用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨，確保新盾尾刷安裝時(shí)平整；盾尾刷焊接必須在同一側(cè)進(jìn)行搭接(瓦片式搭接)，且相鄰盾尾刷之間焊縫不大于3 mm?，F(xiàn)場(chǎng)工況如圖1、圖2所示。

圖1 盾尾刷刨除和焊接 圖2 更換的新盾尾刷

4.6 盾尾油脂抹塞

盾尾刷焊接完成并驗(yàn)收合格后，先檢查油脂管路是否擁堵，然后手動(dòng)涂抹油脂，以鋼絲刷之間油脂飽滿無遺漏為準(zhǔn)，即要求每根鋼絲刷都被油脂包裹，油脂選擇硬質(zhì)油脂(即WR90手涂型油脂)；涂抹時(shí)使用鐵片撬開密封刷，分層次從根部開始涂抹，一般每道刷之間涂塞4層油脂，確保鋼絲都粘上油脂。油脂抹塞好的盾尾刷如圖3所示。

圖3 盾尾油脂抹塞

4.7 管片二次拼裝

安裝管片順序與正常拼裝相同，根據(jù)上一環(huán)盾尾間隙來制作管片墊塊，墊塊一般采用鋼板條且比實(shí)際間隙低8～10 mm，墊塊的作用是確保二次拼裝時(shí)管片與上一環(huán)圓心保持在同一直線；F塊選擇11點(diǎn)位或1點(diǎn)位。首先安裝底部B2塊，安裝第1塊管片尤為重要，為確保安裝時(shí)與上一環(huán)管片螺栓孔對(duì)應(yīng)，采用拉線定位；B2塊管片定位后對(duì)其進(jìn)行固定，最后拼裝機(jī)脫離管片，保證管片不移動(dòng)；接著安裝B1塊，根據(jù)相應(yīng)位置盾尾間隙確定管片墊塊的厚度及長度，放置后進(jìn)行B1塊調(diào)整，并連接B1、B2塊螺栓；最后再次確認(rèn)B1、B2塊管片螺栓孔與上一環(huán)對(duì)應(yīng)孔位的準(zhǔn)確度；B3塊與B1塊安裝方法相同，安裝后在上部兩側(cè)環(huán)向位置處焊接L形掛鉤，防止B3塊管片栽頭；按照同樣方法安裝L1、L2塊，此時(shí)不需要加墊塊。管片拼裝順序如圖4所示。

圖4 管片拼裝順序

當(dāng)整環(huán)拼裝完成后，割除L形掛鉤，向后推移管片。推移管片需緩慢進(jìn)行，過程中對(duì)管片進(jìn)行觀察，嚴(yán)格控制油缸行程同步，以便達(dá)到整環(huán)推移要求；在管片推移至距上環(huán)10 mm左右時(shí)進(jìn)行螺栓連接，螺栓連接后將管片推到位，進(jìn)行螺栓復(fù)緊工序。

管片拼裝完成后不得立即推進(jìn)，應(yīng)采用盾尾油脂泵泵送油脂來填充人工涂抹不密實(shí)的間隙；處理完畢后掘進(jìn)一環(huán)，將脫出盾尾的墊塊割除，對(duì)盾殼焊渣進(jìn)行打磨。

5 沉降監(jiān)測(cè)

地表每隔30 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，斷面之間每間距5 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在建筑物沿側(cè)墻布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每5 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沉降監(jiān)測(cè)布點(diǎn)如圖5所示。

圖5 沉降監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

根據(jù)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，沉降預(yù)警值和控制值如表1所示。

表1 沉降控制指標(biāo)值

停機(jī)修復(fù)盾尾刷期間，土倉內(nèi)用渣土保實(shí)土壓，盾尾止水環(huán)施作完好，無明顯滲水，地表沉降無明顯變化，累計(jì)值在-3 mm以內(nèi)。

6 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

(1)為防止在更換盾尾刷的過程中長時(shí)間停機(jī)、盾尾工作面出現(xiàn)地下水匯集，引發(fā)地面沉降及盾尾滲水，必須提前做好止水環(huán)，同時(shí)可在盾構(gòu)機(jī)中前盾徑向孔上下左右采用濃厚膨潤土漿，對(duì)盾體外側(cè)空隙進(jìn)行填充加強(qiáng)封閉。

(2)在更換盾尾刷的工作面準(zhǔn)備注漿應(yīng)急設(shè)備、棉被、海綿條、快速水泥、聚氨酯等應(yīng)急材料，以預(yù)防盾尾出現(xiàn)滲漏情況。如果盾尾發(fā)生滲漏，應(yīng)立即打開盾尾油脂泵向最后一道油脂腔滲漏處泵送盾尾油脂進(jìn)行填充，應(yīng)急人員應(yīng)立即使用海綿條、棉被、快速水泥對(duì)滲漏處進(jìn)行封堵。若常規(guī)措施無法完全封堵，應(yīng)對(duì)滲漏處進(jìn)行雙液漿注漿封堵，防止由于泄漏過大造成風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)而引起地面沉降。

7 施工注意事項(xiàng)

(1)停機(jī)時(shí)需保證盾尾間隙的均勻分布。

(2)掘進(jìn)施工中更換盾尾刷存在較高風(fēng)險(xiǎn)，一般只更換1道或2道盾尾刷，結(jié)合實(shí)際損壞情況和風(fēng)險(xiǎn)情況綜合考慮。

(3)高承壓水地層中，做好盾尾止水措施，進(jìn)行地下水隔離，保證必要的施工條件。

(4)提前結(jié)合管片及拼裝機(jī)行程計(jì)算油缸伸長量，避免無法安裝及拆卸管片。

(5)管片拆除及二次拼裝時(shí)需派專人監(jiān)督，不能盲目施工，發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)處理。

(6)更換期間在工作區(qū)域放置足量的滅火器材，發(fā)現(xiàn)有著火趨勢(shì)立即撲滅。

(7)刨除時(shí)注意相關(guān)防護(hù)措施，防止?jié)鉄熁蛟黾涌諝饬魍ù胧?/p>

8 結(jié)束語

施工期間在左線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到1.58 km時(shí)出現(xiàn)盾尾嚴(yán)重漏漿現(xiàn)象，采用上述措施停機(jī)檢查更換2道盾尾刷后，穿越建筑物，更換后恢復(fù)正常，同步注漿不再滲漏，地面沉降也得到較好地控制，施工進(jìn)度高效連續(xù)，涌水風(fēng)險(xiǎn)也得到較好控制，取得了良好的效果，為盾構(gòu)機(jī)順利穿越建筑物提供了必要條件。