盾尾密封全過(guò)程管理要點(diǎn)與實(shí)踐

李勇軍

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

盾尾密封是盾構(gòu)法施工中“保頭護(hù)尾”的一個(gè)核心部件，事關(guān)隧道建設(shè)的進(jìn)度和安全。國(guó)內(nèi)因盾尾密封失效導(dǎo)致盾構(gòu)停工的案例屢見(jiàn)不鮮，如杭州慶春路穿越錢塘江公路隧道[1-2]、南京緯三路過(guò)江公路隧道[3-4]停機(jī)進(jìn)行了盾尾刷的更換，更有甚者導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)損壞乃至盾構(gòu)設(shè)備受損； 有的盾構(gòu)工程沒(méi)有穿江越海，掘進(jìn)距離也不長(zhǎng)，卻也出現(xiàn)了盾尾密封損壞、需要在洞內(nèi)更換盾尾刷的情況，如廣州地鐵6號(hào)線2期龍柯區(qū)間、南京地鐵2號(hào)線油中區(qū)間和鄭州地鐵7號(hào)線南候區(qū)間等。根據(jù)筆者調(diào)查統(tǒng)計(jì)，約有10%的盾構(gòu)項(xiàng)目被動(dòng)進(jìn)行了盾尾刷更換，可見(jiàn)隧道施工過(guò)程中，出現(xiàn)盾尾密封損壞更換的情況較為常見(jiàn)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)盾尾刷性能試驗(yàn)、制造安裝工藝、漏漿處理等方面進(jìn)行了研究。例如： 李大偉等[5]研制了盾尾刷綜合試驗(yàn)平臺(tái)，可以檢驗(yàn)不同盾尾間隙下盾尾刷的磨損和使用壽命； 魏林春[6]對(duì)單個(gè)盾尾鋼絲刷受力性能開(kāi)展了模擬試驗(yàn)研究； 張佳興等[7]對(duì)盾尾刷加工和組裝工藝進(jìn)行了闡述； 張海亮[8]對(duì)海瑞克盾構(gòu)盾尾密封漏漿的原因和對(duì)策進(jìn)行了總結(jié)。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還對(duì)盾尾刷的更換方法進(jìn)行了研究和實(shí)踐[9-12]。

現(xiàn)有關(guān)于盾尾密封的研究成果，多集中于性能測(cè)試、事故后的措施應(yīng)對(duì)等方面，而對(duì)其管理模式和管理方法缺乏深入的研究。傳統(tǒng)的盾尾密封管理模式，存在設(shè)計(jì)制造與施工管理脫節(jié)、制造加工標(biāo)準(zhǔn)不完善、檢驗(yàn)環(huán)節(jié)缺失、施工過(guò)程中精細(xì)化管理程度不足等問(wèn)題，缺乏全過(guò)程的質(zhì)量管理理念，最終導(dǎo)致項(xiàng)目對(duì)盾尾密封失效風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不足、應(yīng)急預(yù)案準(zhǔn)備不充分、工程事故時(shí)有發(fā)生等。隨著超長(zhǎng)距離、超高水壓水下盾構(gòu)隧道項(xiàng)目越來(lái)越多，盾尾密封失效帶來(lái)的工程風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越大，對(duì)盾尾密封的管理要求也越來(lái)越高。因此，有必要對(duì)盾尾密封的全過(guò)程管理方法進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出重點(diǎn)的管控措施和方法，進(jìn)而為相關(guān)工程建設(shè)提供參考和借鑒。

1 盾尾密封失效形式及原因分析

1.1 常見(jiàn)盾尾密封失效形式

根據(jù)筆者對(duì)汕頭蘇埃通道、佛莞城際等多個(gè)掘進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)3 km的超大直徑盾構(gòu)工程盾尾密封的調(diào)查分析，盾尾密封失效主要有以下幾種形式：

1)盾尾刷前彈簧鋼板保護(hù)板磨損斷裂脫落；

2)盾尾鋼絲刷局部磨損或脫落；

3)盾尾油脂腔被同步注漿漿液填充，導(dǎo)致油脂密封失效；

4)盾尾刷鋼絲被注漿材料粘接填充，導(dǎo)致盾尾刷失去彈性。

盾尾密封損壞現(xiàn)象如圖1所示?？傮w上，最后一道盾尾刷的損壞程度最嚴(yán)重，然后依次減輕；最后一道盾尾密封腔被同步注漿漿液填充，盾尾刷前保護(hù)板非正常磨損脫落的數(shù)量較多，且各道盾尾刷均有該現(xiàn)象； 盾尾刷基座板脫落的現(xiàn)象相對(duì)較少。

(a) (b)

1.2 盾尾密封失效原因分析

盾尾密封失效的原因主要?dú)w結(jié)為盾尾密封設(shè)計(jì)缺陷、盾尾刷制造與安裝質(zhì)量差、油脂填充質(zhì)量不高、施工過(guò)程控制不嚴(yán)、應(yīng)急預(yù)案準(zhǔn)備不充分等方面。

1.2.1 盾尾密封設(shè)計(jì)缺陷

1)盾尾密封設(shè)計(jì)方案不合理，安全系數(shù)不足，承壓能力不能滿足極端條件下工況要求。

2)盾尾密封設(shè)計(jì)未充分考慮發(fā)生泄漏后的應(yīng)急處置方案。

1.2.2 盾尾刷制造與安裝質(zhì)量差

1)盾尾刷材質(zhì)差。盾尾刷采用的彈簧鋼板和鋼絲質(zhì)量不高，鋼板和鋼絲強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能差。

2)盾尾刷制造工藝不良。盾尾刷工廠內(nèi)組裝工藝控制不嚴(yán)，特別是銷釘孔位匹配精度不高、基座板壓緊力不足、焊接不飽滿等情況，會(huì)導(dǎo)致盾尾刷在極限盾尾間隙情況下出現(xiàn)盾尾刷鋼絲脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

3)盾尾刷安裝質(zhì)量差。盾尾刷現(xiàn)場(chǎng)焊接(栓接)質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)；盾尾刷之間不平整，合攏處安裝縫隙大。

1.2.3 油脂填充質(zhì)量不高

1)盾尾初裝油脂填充質(zhì)量差。盾尾初裝油脂是特殊油脂，需要專業(yè)人員手工填裝。施工過(guò)程中把關(guān)不嚴(yán)格，油脂沒(méi)有填充徹底，給泥漿、地下水土和同步注漿漿液的侵入提供了空間。

2)盾尾油脂腔填充質(zhì)量差。在盾構(gòu)始發(fā)階段，個(gè)別油脂注入孔堵塞，導(dǎo)致油脂腔充填不飽滿。

1.2.4 施工過(guò)程控制不嚴(yán)

1.2.4.1 管片拼裝質(zhì)量差

1)掘進(jìn)過(guò)程中管片拼裝錯(cuò)臺(tái)嚴(yán)重，破損多。環(huán)縱縫的錯(cuò)臺(tái)導(dǎo)致盾尾刷受力不均勻，加劇盾尾刷破壞； 管片的破損導(dǎo)致局部盾尾刷應(yīng)力集中而損壞。

2)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)差，盾尾間隙不均勻，導(dǎo)致盾尾刷長(zhǎng)時(shí)間受力狀態(tài)差，特別是最后一道密封刷在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中及管片上浮等作用下受力復(fù)雜。

3)管片縱縫間隙大，且在止水條外側(cè)沒(méi)有粘貼防漏漿密封條，導(dǎo)致同步注漿漿液沿縱縫侵入盾尾刷。

1.2.4.2 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中油脂注入控制不嚴(yán)

油脂壓力設(shè)定值偏低和油脂消耗量偏少，壓力監(jiān)控不到位，導(dǎo)致地下水土和同步注漿漿液侵入盾尾密封腔。

1.2.4.3 同步注漿把關(guān)不嚴(yán)

1)同步注漿材料抗水分散性差，易于在壓力作用下侵入盾尾刷。

2)同步注漿設(shè)定壓力或波動(dòng)壓力大于油脂壓力，導(dǎo)致同步注漿漿液侵入盾尾刷，且使盾尾刷受力過(guò)大。

1.2.4.4 施工管理粗放

1)管片破損后碎塊沒(méi)有及時(shí)清理或管片拼裝區(qū)雜物進(jìn)入盾尾刷，造成盾尾刷損壞。

2)盾構(gòu)由于機(jī)械故障或人為原因出現(xiàn)后退，導(dǎo)致盾尾刷受損。

1.2.5 應(yīng)急預(yù)案準(zhǔn)備不充分

1)針對(duì)盾尾密封泄漏的應(yīng)急預(yù)案編制、應(yīng)急物資和設(shè)備準(zhǔn)備以及應(yīng)急人員培訓(xùn)不充分。

2)長(zhǎng)期對(duì)盾尾密封泄漏的重視程度不夠，應(yīng)急管理機(jī)制缺失，應(yīng)急響應(yīng)不及時(shí)，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)升級(jí)。

2 盾尾密封全過(guò)程管理

為保證從盾構(gòu)始發(fā)到盾構(gòu)到達(dá)整個(gè)隧道施工過(guò)程的盾尾密封安全，盾尾密封的質(zhì)量管理應(yīng)從盾構(gòu)設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，可以分為5個(gè)階段，具體為盾尾密封設(shè)計(jì)階段、盾尾刷制造和安裝階段、初裝油脂階段、施工管理階段和應(yīng)急管理階段，如圖2所示。

圖2 盾尾密封全過(guò)程管理示意圖

2.1 盾尾密封設(shè)計(jì)

盾尾密封設(shè)計(jì)是盾構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，需重點(diǎn)關(guān)注以下方面：

1)明確工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、盾構(gòu)掘進(jìn)長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)彎半徑、承受的最大水土壓力等基本參數(shù)。特別是在富水高水壓強(qiáng)滲透地層盾構(gòu)施工項(xiàng)目中，不良地質(zhì)因素應(yīng)勘探清楚。

2)根據(jù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料、盾尾結(jié)構(gòu)、盾尾間隙、油脂腔壓力分布等參數(shù)設(shè)計(jì)盾尾密封結(jié)構(gòu)。盾尾密封結(jié)構(gòu)的道數(shù)越多，可承受的壓力越高，相應(yīng)的盾尾長(zhǎng)度會(huì)加長(zhǎng)。盾尾密封設(shè)計(jì)應(yīng)偏保守。目前常用的盾尾密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 常用盾尾密封結(jié)構(gòu)

3)根據(jù)盾尾間隙和承受壓差設(shè)計(jì)盾尾刷結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)長(zhǎng)距離、高水壓、大直徑盾構(gòu)施工復(fù)雜工況，針對(duì)盾尾刷密封系統(tǒng)承壓能力設(shè)計(jì)指標(biāo)，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖3)來(lái)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的軸向、徑向移動(dòng)和轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)等姿態(tài)變化，確保能夠靜態(tài)、動(dòng)態(tài)地對(duì)超長(zhǎng)距離超高水土壓力下盾尾刷密封系統(tǒng)的實(shí)際密封性能參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 盾尾密封工廠內(nèi)試驗(yàn)裝置

4)根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)長(zhǎng)度明確盾尾刷安裝方式、應(yīng)急方案和盾尾刷更換方案。目前，盾尾刷安裝有栓接和焊接2種方式(見(jiàn)圖4)。應(yīng)急方案比較常見(jiàn)的是在2道盾尾刷密封腔間安裝應(yīng)急氣囊，但相應(yīng)的也會(huì)增加盾尾結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。盾尾刷更換方案常用的有盾尾冷凍方案和管片冷凍方案2種，其中，盾尾冷凍方案需考慮在盾尾內(nèi)預(yù)留循環(huán)冷凍管。

(a) 栓接 (b) 焊接

2.2 盾尾刷制造和安裝

2.2.1 盾尾刷制造

1)根據(jù)盾尾刷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行加工，選擇優(yōu)質(zhì)彈簧鋼板和耐磨防腐鋼絲，保證部件加工精度滿足要求。盾尾刷主要材料及性能可參考表2，對(duì)于特殊工程需專項(xiàng)選材。

2)盾尾刷制造工藝規(guī)范。鋼絲刷加工制造是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工藝流程和工序質(zhì)量應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，從而保證盾尾刷的結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和彈性。

3)加工好的盾尾刷須進(jìn)行工廠內(nèi)結(jié)構(gòu)受力、耐磨性和彈性檢測(cè)，檢測(cè)合格后方可出廠(具體檢驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)由供需雙方確定)。

2.2.2 盾尾刷安裝

1)焊接盾尾刷應(yīng)保證基面清潔，計(jì)算并定位好第1塊尾刷的安裝位置，保證尾刷的中線與注漿管的中線重合。原則上盾尾刷接頭應(yīng)避開(kāi)注漿管位置，相鄰盾尾刷應(yīng)保證緊密貼合和平整，焊縫飽滿，焊縫質(zhì)量采用眼觀、著色滲透方式檢查。

表2 盾尾刷主要材料及性能參考表

2)采用螺栓連接的盾尾刷，應(yīng)保證螺栓孔和基面的清潔，螺栓質(zhì)量滿足要求，螺栓擰緊標(biāo)準(zhǔn)符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

3)每一圈合攏部位的盾尾刷根據(jù)剩余空間尺寸定制加工，保證其與相鄰2塊尾刷對(duì)齊搭接，且不同圈的盾尾密封應(yīng)在盾尾上半部合攏，并應(yīng)錯(cuò)縫安裝。

4)盾尾刷安裝后，應(yīng)檢查不能有雜物(混凝土塊、鐵塊和工具)落入盾尾刷內(nèi)。

2.3 初裝油脂

2.3.1 選擇優(yōu)質(zhì)的盾尾油脂

國(guó)內(nèi)外盾尾油脂廠家眾多，油脂質(zhì)量參差不齊，需通過(guò)盾尾油脂試驗(yàn)選擇與工程需求相匹配的盾尾油脂，在長(zhǎng)距離高壓富水軟土地層盾構(gòu)掘進(jìn)中應(yīng)選用質(zhì)量最好的盾尾油脂。油脂防水性能測(cè)試裝置如圖5所示。

圖5 油脂防水性能測(cè)試裝置

2.3.2 保證初裝油脂的填裝質(zhì)量

1)初裝油脂應(yīng)挑選有經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心的工人按產(chǎn)品說(shuō)明書進(jìn)行填裝，保證油脂充分浸潤(rùn)鋼絲，如圖6所示。

2)作業(yè)平臺(tái)搭設(shè)、拆除和填充操作應(yīng)避免損壞盾尾刷，并確保無(wú)異物遺留在盾尾密封內(nèi)；同時(shí)，做好旁站監(jiān)督和記錄。

3)油脂腔應(yīng)在負(fù)環(huán)管片進(jìn)入盾尾刷前注入油脂填充，檢查每道油脂腔的每個(gè)注入孔，確保油脂注入管道通暢。從底部由兩側(cè)向頂部分段注入，保證油脂腔充填飽滿。

(a) (b)

2.4 施工管理

施工管理階段涉及從盾構(gòu)始發(fā)、穿越各種地層至盾構(gòu)安全到達(dá)的全過(guò)程，是盾尾密封全過(guò)程管理的重要階段，關(guān)系到工程的成敗。施工中應(yīng)全面細(xì)致地進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和過(guò)程管理。

2.4.1 盾構(gòu)始發(fā)

1)盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)與工程設(shè)計(jì)線路相吻合，避免盾構(gòu)脫離始發(fā)臺(tái)后急轉(zhuǎn)彎調(diào)向。

2)負(fù)環(huán)管片拼裝要精細(xì)。在管片拼裝區(qū)底部合理設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)支撐條，在頂部焊接受力可靠的拉掛裝置，確保第1環(huán)負(fù)環(huán)的拼裝平整度； 在第1環(huán)負(fù)環(huán)管片頂推過(guò)程中，及時(shí)拼裝第2環(huán)負(fù)環(huán)管片，防止管片在盾尾刷區(qū)域下沉； 負(fù)環(huán)管片脫出盾尾后及時(shí)增加尾部支撐，保證管片穩(wěn)定； 對(duì)于超大直徑管片，在管片內(nèi)外弧面及時(shí)焊接環(huán)縱向連接鋼板，控制管片整環(huán)橢圓度。

3)負(fù)環(huán)管片與反力架結(jié)構(gòu)保持平面整體受力，保證后續(xù)管片在油缸作用力下不發(fā)生應(yīng)力集中導(dǎo)致的破損。反力架結(jié)構(gòu)要有足夠的剛度、強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，保證盾構(gòu)能夠正常建壓和平穩(wěn)推進(jìn)。盾構(gòu)正常建壓后，應(yīng)及時(shí)割除管片拼裝區(qū)的支撐條以利于盾構(gòu)調(diào)向。

2.4.2 盾構(gòu)掘進(jìn)

做到盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)與管片姿態(tài)協(xié)同，避免盾尾刷受力不均。

1)控制好盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)和偏轉(zhuǎn)，避免急糾偏和油缸撐靴壓在管片縱縫上。

2)管片拼裝點(diǎn)位的選擇要緊跟盾構(gòu)姿態(tài)，避免油缸行程差過(guò)大、盾尾間隙過(guò)小。

3)極端情況下，應(yīng)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，避免盾尾與管片接觸而導(dǎo)致管片破損和盾尾刷損壞。

2.4.3 盾尾油脂注入管理

1)盾尾油脂壓力設(shè)置與泥水壓力、注漿壓力相匹配，并隨著壓力的變化及時(shí)調(diào)整。通常情況下，注漿壓力高于地層水土壓力，最后一道盾尾油脂腔保持壓力應(yīng)大于同步注漿壓力，如圖7所示。油脂腔間壓力逐級(jí)遞減，保持油脂腔間合理的壓力差，減少盾尾刷縱向不均勻受力。

圖7 盾尾油脂壓力設(shè)定示意圖

2)管片止水條外側(cè)縱縫間粘貼密封條(見(jiàn)圖8)，防止同步注漿漿液通過(guò)縱縫向盾尾刷內(nèi)侵入，同時(shí)防止臨近油缸撐靴的第1道盾尾刷的油脂縱向泄漏，降低油脂的消耗。

(a) (b)

3)實(shí)時(shí)監(jiān)控各道盾尾油脂腔的壓力。關(guān)注油脂腔壓力的變化，并及時(shí)統(tǒng)計(jì)掘進(jìn)每環(huán)的盾尾油脂消耗量。特別是對(duì)于超大直徑盾構(gòu)，頂部和底部的壓力差達(dá)到0.15 MPa以上，對(duì)各道油脂腔分區(qū)設(shè)定壓力并進(jìn)行監(jiān)控尤其重要。

2.4.4 注漿管理

1)合理選擇同步注漿漿液。目前較常用的同步注漿材料有水泥砂漿(水下抗分散)、惰性漿液、水泥-水玻璃雙液漿等，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、水文條件、水頭壓力、掘進(jìn)距離選擇合適的漿液以控制管片上浮和錯(cuò)臺(tái)，減少地面沉降和盾尾刷磨損。

2)控制注漿量和注漿壓力。一般情況下，盾構(gòu)同步注漿按照注漿量和注漿壓力進(jìn)行雙控，嚴(yán)格控制注漿壓力，避免對(duì)盾尾刷的損傷和同步注漿漿液竄入盾尾油脂腔。同步注漿量的管理應(yīng)以控制地面沉降為準(zhǔn)。

3)二次雙液注漿應(yīng)在離開(kāi)盾尾一定距離后進(jìn)行，避免對(duì)盾尾刷的損傷。

2.4.5 防止盾構(gòu)后退損壞盾尾刷

1)盾構(gòu)設(shè)備組裝好后要全面調(diào)試驗(yàn)收，特別是針對(duì)盾構(gòu)設(shè)備推進(jìn)系統(tǒng)，避免出現(xiàn)由于推進(jìn)油缸故障導(dǎo)致盾構(gòu)后退、進(jìn)而造成盾尾刷受損的情況。

2)泥水盾構(gòu)施工過(guò)程中，由于地層坍塌導(dǎo)致刀盤被困無(wú)法啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)避免通過(guò)后退盾構(gòu)的方式脫困。在該情形下，除了采用泥漿循環(huán)方式清理泥水艙積渣、降低刀盤負(fù)載外，還可通過(guò)增加刀盤轉(zhuǎn)矩的方式進(jìn)行脫困(泥水盾構(gòu)的設(shè)計(jì)脫困轉(zhuǎn)矩需偏大些，并預(yù)留增加刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的接口)。

2.5 應(yīng)急管理

對(duì)于長(zhǎng)距離、高水壓、強(qiáng)透水地層盾構(gòu)掘進(jìn)來(lái)說(shuō)，盾尾密封失效后果非常嚴(yán)重，必須提高風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)和加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管理。

2.5.1 建立應(yīng)急管理體系

建立應(yīng)急管理體系和制度，編制應(yīng)急預(yù)案，開(kāi)展應(yīng)急演練，做好應(yīng)急人員、物資和設(shè)備準(zhǔn)備。

2.5.2 制定應(yīng)急救援預(yù)案

1)動(dòng)態(tài)監(jiān)控各道油脂腔的壓力、注漿壓力、油脂消耗量以及盾尾密封，以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)盾尾泄漏。

2)盾尾出現(xiàn)小量滲漏時(shí)，將盾尾油脂自動(dòng)注入方式改為手動(dòng)方式，加大泵送速率，快速阻止泄漏。

3)盾尾油脂加注方式不起作用時(shí)，開(kāi)啟盾尾刷內(nèi)應(yīng)急密封氣囊進(jìn)行密封封堵(見(jiàn)圖9)。

圖9 盾尾應(yīng)急氣囊密封

4)可以采用在隧道管片背部填塞棉紗、木楔的方式封堵，同時(shí)，在最后一道密封外側(cè)對(duì)應(yīng)的泄漏點(diǎn)處，采用從管片開(kāi)口注入聚氨酯的方式進(jìn)行外側(cè)封堵； 可以根據(jù)盾尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸定制專用的充氣膠囊(見(jiàn)圖10)，將充氣膠囊在管片背后填塞1圈，然后充氣封堵。

圖10 充氣膠囊密封

2.5.3 盾尾刷更換

當(dāng)盾尾刷損壞后，繼續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)會(huì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，需在洞內(nèi)進(jìn)行盾尾刷應(yīng)急更換。目前常用的更換方式有冷凍盾尾、冷凍管片2種(見(jiàn)圖11)，或是兩者的結(jié)合。冷凍盾尾方式需在盾尾設(shè)計(jì)時(shí)考慮預(yù)留冷凍管； 冷凍管片方式需在管片結(jié)構(gòu)上打設(shè)1圈冷凍管，對(duì)管片結(jié)構(gòu)有一定的損傷，更換盾尾刷后要對(duì)所有的冷凍孔進(jìn)行封堵，并保證結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性。

(a) 冷凍盾尾

(b) 冷凍管片

3 工程案例應(yīng)用分析

中俄東線天然氣管道長(zhǎng)江盾構(gòu)穿越工程采用1臺(tái)直徑7.95 m泥水盾構(gòu)進(jìn)行施工，盾構(gòu)獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)10.226 km，其中穿越長(zhǎng)江段達(dá)7.5 km。盾構(gòu)隧道穿越地層主要以粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂和粉砂層為主，最大水土壓力達(dá)0.73 MPa。在該工程中對(duì)盾尾密封采用全過(guò)程管理，情況如下。

1)盾尾密封設(shè)計(jì)階段。盾尾密封結(jié)構(gòu)采用“5+1”道盾尾刷設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖12)。其中，1#—3#3道盾尾刷采用焊接方式； 4#—6#3道盾尾刷采用螺栓連接方式，可進(jìn)行拆卸更換； 6#盾尾刷在掘進(jìn)一定距離后安裝，最終形成6道盾尾刷5道密封腔結(jié)構(gòu)。

圖12 新型盾尾密封結(jié)構(gòu)

2)盾尾刷制造和安裝階段。對(duì)盾尾刷制造質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，并開(kāi)展性能測(cè)試，確保盾尾刷質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求； 現(xiàn)場(chǎng)安裝盾尾刷時(shí)，嚴(yán)把每道工序質(zhì)量關(guān)。

3)初裝油脂階段。選擇優(yōu)質(zhì)的盾尾油脂，嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行初裝油脂填充，確保每道油脂腔的每個(gè)注入孔正常工作。

4)施工管理階段。由于工作井條件受限，盾構(gòu)采用半環(huán)負(fù)環(huán)管片分體始發(fā)方案，通過(guò)精細(xì)的受力體系轉(zhuǎn)換，使盾構(gòu)姿態(tài)與管片姿態(tài)良好匹配，保護(hù)了盾尾刷。通過(guò)對(duì)水下抗分散同步注漿材料的研究和應(yīng)用，既控制了管片上浮和地面沉降，又保護(hù)了盾尾刷。

5)應(yīng)急管理方面。本工程獨(dú)頭掘進(jìn)超過(guò)10 km，必須做好江中更換盾尾刷的準(zhǔn)備。首先，在盾尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上預(yù)留冷凍管，為冷凍作業(yè)做準(zhǔn)備；其次，提前生產(chǎn)專用冷凍管片，為更換盾尾刷做準(zhǔn)備，保證冷凍效果和安全，并避免冷凍孔對(duì)管片結(jié)構(gòu)的損壞。

目前該工程盾構(gòu)已掘進(jìn)超過(guò)6 km，盾尾密封狀況良好，應(yīng)急管理機(jī)制健全，全過(guò)程盾尾密封管理方法得到了成功實(shí)踐。

4 結(jié)論與建議

1)盾尾密封結(jié)構(gòu)事關(guān)盾構(gòu)隧道施工安全，應(yīng)按照全過(guò)程管理方法進(jìn)行管理。從盾尾密封設(shè)計(jì)、盾尾刷制造和安裝、初裝油脂、施工管理和應(yīng)急管理5個(gè)階段進(jìn)行統(tǒng)籌管理，明確各個(gè)階段的管控重點(diǎn)和措施，環(huán)環(huán)相扣，才能確保盾構(gòu)掘進(jìn)施工的安全、順利。

2)盾尾刷制造和安裝工藝是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，施工過(guò)程管理是重中之重。每道工序均要求精益求精，用過(guò)程質(zhì)量保證盾尾密封良好狀態(tài)。

3)應(yīng)急管理是不可或缺的重要一環(huán)。要從設(shè)計(jì)階段就考慮盾尾密封泄漏和盾尾刷更換的應(yīng)急措施，施工過(guò)程同步建立應(yīng)急管理體系，做到應(yīng)急有備，風(fēng)險(xiǎn)可控。

4)從實(shí)踐來(lái)看，在高水壓環(huán)境下盾構(gòu)掘進(jìn)超過(guò)6 km甚至更長(zhǎng)距離不更換盾尾刷的目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的。

5)針對(duì)盾尾刷前保護(hù)板脫落的問(wèn)題，還需對(duì)盾尾刷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材質(zhì)改進(jìn)等進(jìn)行深化研究。