崔向寒

(中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京 101116)

盾構(gòu)法作為比較成熟的隧道施工工法，其應(yīng)用十分廣泛，但由于地下工程的水文條件不確定性大，地質(zhì)環(huán)境具有復(fù)雜性，以及施工作業(yè)的差異性等因素，盾尾滲漏問(wèn)題在施工過(guò)程中時(shí)有發(fā)生，而盾尾刷的損壞失效往往是導(dǎo)致盾尾滲漏甚至引發(fā)工程事故的最直接原因。因此，分析研究其損壞失效原因及洞內(nèi)更換處理措施對(duì)實(shí)際工程具有十分重要的意義。常潤(rùn)安等[1]介紹了一種注入高粘度膨潤(rùn)土及聚氨酯的更換施工方法；陳璐等[2]通過(guò)有限元軟件建模，提出了采用環(huán)形凍結(jié)加固止水更換盾尾刷的施工方法；姚夢(mèng)威等[3]提出了高水壓下液氮凍結(jié)止水盾尾刷更換技術(shù)；陳馳等[4]多角度研究了盾尾滲漏原因以及預(yù)防滲漏的技術(shù)與措施；李家洋等[5]結(jié)合實(shí)際案例，通過(guò)增加徑向預(yù)留注漿孔，優(yōu)化注漿工藝，達(dá)到了預(yù)期的更換效果；施瑾偉等[6]進(jìn)一步對(duì)南京緯三路過(guò)江通道注漿止水技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)并得到了成功應(yīng)用。本文介紹某盾構(gòu)區(qū)間在無(wú)地面加固措施的情況下洞內(nèi)成功更換盾尾刷施工技術(shù)。

1 工程概述

1.1 工程概況

成吉思汗公園站—一家村站盾構(gòu)區(qū)間隧道起止里程為DK21+879.752—DK22+885.589，全長(zhǎng)1 005.837 m；以29.5‰的坡度下坡，再以28.759‰、2‰的坡度上坡到達(dá)區(qū)間線路設(shè)計(jì)終點(diǎn)一家村站。左線起止里程為DK21+879.752—DK22+885.589，其中包括長(zhǎng)鏈0.14 m，全長(zhǎng)1 005.977 m；以29.5‰的坡度下坡，再以28.752‰、2‰的坡度上坡到達(dá)區(qū)間線路設(shè)計(jì)終點(diǎn)一家村站。區(qū)間最小半徑1 200 m。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為5 500 mm，管片厚度為350 mm、寬度為1 500 mm。

1.2 工程地質(zhì)

區(qū)間結(jié)構(gòu)頂部覆土厚度約9.2～24.8 m，沿線地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土層雜填土和素填土，第四系全新統(tǒng)～上更新統(tǒng)沖洪積層黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫、卵石，第四系中更新統(tǒng)湖積層黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、中砂、礫砂、圓礫。

以區(qū)間左線為例，盾構(gòu)更換盾尾刷位于DK22+745.337，平面位置為直線，縱斷面位置為28.752‰上坡，區(qū)間掘進(jìn)范圍地層上半部為1-2素填土、3-5細(xì)砂，下半部為3-3粉土。隧頂覆土約13.1 m，盾構(gòu)停機(jī)位置地面為成吉思汗東街，周邊建筑物主要為居民樓，最近距離33.8 m。

1.3 水文地質(zhì)

成吉思汗公園站—一家村站區(qū)間場(chǎng)地地下水屬潛水類型，鉆孔內(nèi)量測(cè)的穩(wěn)定水位埋深5.9～8.5 m，水位年變幅1.5～3.0 m。本場(chǎng)地各含水層多為強(qiáng)透水層，下部的隔水層多不連續(xù)且不完整，地下水相互滲透。

2 盾尾刷損壞的主要原因

2.1 施工參數(shù)分析

2.1.1 盾尾間隙分布不均勻

盾尾間隙由盾尾刷和盾尾油脂填充，盾尾間隙過(guò)小，推進(jìn)過(guò)程中盾尾刷會(huì)與管片發(fā)生干擾，加速盾尾刷磨損，減短壽命。該區(qū)間盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙為45 mm，對(duì)561環(huán)至581環(huán)盾尾間隙測(cè)量統(tǒng)計(jì)如圖1所示，實(shí)測(cè)6點(diǎn)鐘方向盾尾間隙均大大小于正常盾尾間隙，而相應(yīng)的12點(diǎn)鐘方向盾尾間隙大于正常盾尾間隙；3點(diǎn)和9點(diǎn)鐘方向在正常盾尾間隙附近波動(dòng)變化。

圖1 盾尾間隙對(duì)比

2.1.2 盾尾油脂注入量小

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，正常盾構(gòu)掘進(jìn)1環(huán)，桶內(nèi)盾尾油脂下降13 cm。通過(guò)對(duì)561環(huán)至581環(huán)油脂注入情況對(duì)比來(lái)看(如圖2所示)，盾尾油脂注入量未達(dá)到要求。

圖2 盾尾油脂注入情況

2.1.3 同步注漿壓力大

由于盾尾刷的特殊構(gòu)造以及盾尾刷-盾尾注漿孔之間的相對(duì)位置，注漿量和注漿壓力的控制格外重要。如圖3所示，同步注漿壓力過(guò)大，造成盾尾漏漿和盾尾刷損壞。

圖3 同步注漿壓力與盾尾工作壓力對(duì)比

2.2 施工技術(shù)分析

(1)由于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)控制問(wèn)題，導(dǎo)致一部分位置盾尾間隙較小，拼裝的管片出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象；相應(yīng)的另一部分位置盾尾間隙較大，從而使盾尾刷不能完全緊密貼合管片。當(dāng)注漿壓力大于密封設(shè)計(jì)壓力時(shí)，注入的漿液就從錯(cuò)臺(tái)的地方竄入油脂密封腔，致使盾尾間隙漏漿，盾尾油脂密封腔和密封刷被漿液固結(jié)(如圖4所示)，最終導(dǎo)致盾尾刷失效。

圖4 盾尾油脂密封腔和密封刷被漿液固結(jié)

(2)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，對(duì)管片安裝點(diǎn)位控制不準(zhǔn)，導(dǎo)致盾尾間隙較小，盾尾刷被管片擠壓失去彈性導(dǎo)致失效。

(3)掘進(jìn)時(shí)盾尾油脂注入量少，注脂壓力低，不能滿足注漿壓力時(shí)導(dǎo)致油脂腔和盾尾刷失效。

(4)盾尾刷焊接質(zhì)量問(wèn)題，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前必須保證盾尾刷焊接質(zhì)量(同時(shí)選擇重型盾尾刷)。盾尾刷焊接好后，手涂油脂沒(méi)能分層均勻涂入盾尾刷內(nèi)或者涂抹量不足(同步注漿前盾尾密封腔內(nèi)油脂不足)，導(dǎo)致盾尾刷鋼絲內(nèi)間隙形成通道也會(huì)出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。

(5)注漿壓力過(guò)高，擊穿盾尾刷。注漿交底時(shí)應(yīng)明確注漿壓力和盾尾密封最大同步注漿耐壓值。一般注漿壓力根據(jù)地層埋深及水壓控制在2.0～3.0 bar之間，最大不能超過(guò)5 bar。

3 盾尾刷更換施工技術(shù)

3.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)勘察資料、盾構(gòu)機(jī)實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)及渣樣綜合分析區(qū)間地層，選擇區(qū)間地質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定地段檢查第一道盾尾刷磨損情況。合理安排作業(yè)時(shí)間及有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，做好施工安全技術(shù)交底工作及應(yīng)急準(zhǔn)備物資。

3.2 盾尾密封失效部位檢查

檢查盾尾涌水的位置和涌水量的大小來(lái)確定密封刷的損壞部位和損壞情況。一般情況下，盾尾頂部及橫向左、右兩側(cè)最容易磨損?，F(xiàn)場(chǎng)工況見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 盾尾刷損壞部位檢查 圖6 盾尾刷損壞情況

3.3 更換前姿態(tài)調(diào)整及停機(jī)加固

3.3.1 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整

在準(zhǔn)備更換盾尾鋼絲刷前，保證盾構(gòu)機(jī)與管片有一個(gè)較好的姿態(tài)，保證盾尾與管片四周的間隙(4.5 cm左右)均勻。盾尾刷更換前4～5環(huán)左右盾構(gòu)調(diào)整姿態(tài)，管片糾偏間隙均勻。盾構(gòu)機(jī)停機(jī)前調(diào)整渣土改良膨潤(rùn)土濃度，且停機(jī)前確保土倉(cāng)內(nèi)渣土存量與土倉(cāng)壓力，壓力適當(dāng)大于掌子面水土壓力；減少停機(jī)期間水土流動(dòng)。

3.3.2 停機(jī)加固施工

由于盾構(gòu)機(jī)在砂礫層內(nèi)，盾尾密封處于薄弱階段。為了防止露出尾刷后，地下水從盾尾直接進(jìn)入隧道，影響作業(yè)，所以要進(jìn)行管片背后注漿。即在停止推進(jìn)前5～6環(huán)中調(diào)整同步注漿漿液量，漿液量為正常掘進(jìn)時(shí)的180%～200%，從每塊管片的注漿孔內(nèi)進(jìn)行二次注漿；停止推進(jìn)后對(duì)盾尾后10環(huán)范圍再次進(jìn)行二次注漿，注漿配比水∶水泥=1∶1.2。待水泥漿注入6 h后，再注入發(fā)泡聚氨酯，注入壓力為0.5 MPa，保證其理想狀態(tài)下的整環(huán)密封，形成第一道擋水環(huán)箍，可采取跳環(huán)注漿，穿插進(jìn)行。為防止盾構(gòu)機(jī)涌水的風(fēng)險(xiǎn)，在停止掘進(jìn)前在盾尾后的一環(huán)管片壓油溶性聚氨酯，形成第二道擋水環(huán)箍。油溶性聚氨酯材料性能：密度1.1 g/cm3；黏度，250～350；與水混合比，40∶1；硬化泡沫密度，0.08～0.12 g/cm3；膨脹率，10～20倍；與80%水混合時(shí)間，20～40 s；與80%水混合硬化時(shí)間，20 min；PH值，5.0～5.5。

3.3.3 防倒退措施

采用均衡分區(qū)進(jìn)行拆除管片時(shí)，防止盾構(gòu)機(jī)后退采取以下措施：①制作一套600 mm長(zhǎng)支腿工裝(20a工字鋼，如圖7所示)，管片拆除后工裝作用于支撐油缸與管片之間，利用油缸推力頂緊支腿工裝，防止后退；②待盾尾下部尾刷更換完成后，利用拆解管片作為工裝更換盾尾下部支腿工裝，這樣可以有效的防止盾構(gòu)機(jī)后退。

圖7 防盾體后退工裝結(jié)構(gòu)

3.4 管片拆除及安裝順序

為了安全快速的拆除管片，必須先確定整環(huán)管片的拆除順序。以K塊在管環(huán) 1 點(diǎn)位置來(lái)簡(jiǎn)述更換順序(封頂K塊不拼裝)，見(jiàn)圖8。拆除順序按K→C→B→A1→A2→A3 管片順序進(jìn)行；安裝順序按B→A1→A2→A3→C→K 管片順序進(jìn)行。

圖8 管片拆除安裝順序

3.5 盾尾刷更換施工

本工程采用在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)完成后不完全拼裝管片，將盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)，使盾尾第一道尾刷露出已成環(huán)管片外，直接將第一道盾尾刷進(jìn)行整圈更換。

3.5.1 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)

準(zhǔn)備工作完成后，開(kāi)始不完全拼裝管片(封頂塊不拼裝)后繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)千斤頂?shù)男谐虨?80 mm(鉸接油缸全部收回狀態(tài)下)時(shí)停止推進(jìn)，控制好管片與密封刷的相對(duì)位置，通過(guò)控制油缸的行程來(lái)間接控制，即油缸行程+管片長(zhǎng)度=第一道密封刷到推進(jìn)油缸撐靴的距離+換密封刷的間距(鉸接油缸全部收回狀態(tài)下)，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸如圖9所示。管片不完全拼裝完畢后繼續(xù)掘進(jìn)，直至第一道盾尾鋼絲刷完全暴露，并做好停機(jī)準(zhǔn)備。

圖9 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸(單位：mm)

3.5.2 更換盾尾刷

盾構(gòu)機(jī)停機(jī)準(zhǔn)備工作完成后，采用中盾徑向注漿孔注入聚氨酯(在地層比較好的情況下可以采用膨潤(rùn)土代替聚氨酯)，防止二次注漿“抱死”盾體。二次注漿12 h后，通過(guò)管片的抓取孔對(duì)注漿止水效果進(jìn)行檢查，確定無(wú)水后方可實(shí)施盾尾刷更換。在拆除單塊管片前，相鄰兩塊管片必須做好推進(jìn)油缸的撐墊頂緊內(nèi)支撐。整圈更換完成，測(cè)量定位，焊接盾尾間隙支墊。支墊焊接完成后，拼裝管片(用加長(zhǎng)臂進(jìn)行管片拼裝)，頂推管片滑行，與上一環(huán)距離100 mm，完成新老管片對(duì)接、螺栓緊固工作，整環(huán)拼裝完成后繼續(xù)推進(jìn)。

(1)更換盾尾刷時(shí)預(yù)留出盾環(huán)向后5環(huán)范圍下半圓2～3個(gè)注漿孔，并安裝注漿接頭和閥門，以備用漏水后注漿或注入聚氨酯。

(2)待盾尾刷暴露之后，檢查盾尾刷的損壞情況，確定更換的數(shù)量，清除盾尾刷之間密封槽內(nèi)的廢油脂和污染盾尾刷的砂漿。

(3)對(duì)磨損嚴(yán)重、不能繼續(xù)使用的盾尾刷直接割除更換。對(duì)磨損較輕的盾尾刷、采用鋼筋鉤梳理盾尾刷。

(4)盾尾刷更換后，需對(duì)盾尾刷和盾尾刷之間的密封槽滿槽涂抹密封油脂。

(5)管片安裝完成后，盾尾油脂泵泵送盾尾密封油脂，填充人工涂抹不密實(shí)的盾尾刷密封槽和盾尾刷，確保更換后的盾尾刷密封效果良好。施工中可設(shè)置盾尾油脂泵的工作壓力，達(dá)到設(shè)定壓力值后方可停止泵送密封油脂，并恢復(fù)正常推進(jìn)。

(6)更換過(guò)程中采取土壓保持措施，防止機(jī)體重心前移造成姿態(tài)、間隙、盾尾整圓度發(fā)生變化。

3.6 安全質(zhì)量控制要點(diǎn)

(1)在盾構(gòu)推進(jìn)到最大行程后開(kāi)始平整管片，正常推進(jìn)至盾尾刷完全暴露后，停止掘進(jìn)。不完全拼裝的管片與推進(jìn)千斤頂頂緊管片不后縮，防止盾構(gòu)機(jī)后退。

(2)將盾尾刷上及其盾尾密封空腔的油脂、砂漿等清除干凈。將盾尾油脂注入口也進(jìn)行清理，保證油脂管路的暢通。

(3)縮回底部2個(gè)推進(jìn)千斤頂，開(kāi)始割除盾尾刷，其它千斤頂繼續(xù)頂緊。露出的盾尾刷割除后，把盾尾刷割除的疤痕打磨干凈，開(kāi)始焊接新的盾尾刷。焊接完畢，在新的盾尾刷上涂抹盾尾油脂。

(4)更換盾尾刷后，開(kāi)始拆除其他點(diǎn)位管片，并拼裝已經(jīng)更換部位管片，千斤頂伸出、頂緊。再縮回2個(gè)推進(jìn)千斤頂，重復(fù)上述步驟，由頂部至底部的順序更換，直至第一道盾尾刷全部更換完畢。

3.7 焊接工藝要求

(1)使用碳弧用氣刨對(duì)磨損的盾尾刷進(jìn)行清除，碳棒電源極性為直流反接。氣刨后用打磨機(jī)光滑打磨，同時(shí)對(duì)拆除的盾尾刷處做好相應(yīng)的防水工作。

(2)按照?qǐng)D紙校正盾尾刷的尺寸。

(3)根據(jù)圖紙裝配要求對(duì)盾尾刷進(jìn)行焊接。焊前清除焊件表面的鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)，焊接時(shí)點(diǎn)焊固定，且搭接處不應(yīng)有縫隙、錯(cuò)臺(tái)等現(xiàn)象，重要部位打磨光潔。

(4)檢驗(yàn)校正盾尾刷的位置。

(5)采用手工電弧焊焊接，設(shè)備型號(hào)為ZX7-630S。焊后去焊渣、飛濺物，焊縫打磨平整光滑，余高小于3 mm，焊縫磨平，不得留下咬邊、焊瘤等焊接缺陷。平焊焊接工藝參數(shù)：J422，?4.0 mm，電流強(qiáng)度I=100～160 A，電壓U=20～24 V，焊前焊條須經(jīng) 150～200 ℃烘干1～2 h，橫、立、仰焊位置焊接時(shí)，焊接電流應(yīng)比平焊小10%～20%左右。

3.8 應(yīng)急處置方案

(1)在管片拆除后，在盾尾的周圍使用棉條或棉紗填充第二道管片與盾尾刷的間隙。如果出現(xiàn)滲漏量較大的情況則采用鋼板進(jìn)行封堵。

(2)在停機(jī)位置上方地面處加密沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并增加監(jiān)測(cè)頻率。

(3)成立應(yīng)急救援領(lǐng)導(dǎo)小組，應(yīng)急物資需提前在區(qū)間隧道里備好。更換盾尾刷時(shí)，安全員必須在現(xiàn)場(chǎng)旁站，應(yīng)急物資準(zhǔn)備充足。若出現(xiàn)涌水、涌泥時(shí)，應(yīng)立即停止施工，必要時(shí)立即拼裝管片，繼續(xù)注漿加固。

3.9 其他注意事項(xiàng)

(1)在拆除管片時(shí)，工作人員不能站在管片下方。拆除的每一塊管片必須保證拼裝抓取頭牢固性。

(2)做好盾尾土體加固及止水，防止盾尾大量涌水，為了保證盾尾加固強(qiáng)度，雙液漿注漿后須等待36 h以上。

(3)隧道內(nèi)保持通風(fēng)，防止火災(zāi)。換盾尾刷需要進(jìn)行大量切割、焊接工作，工作環(huán)境中有大量油脂存在，極可能引起火災(zāi)。

(4)在盾尾對(duì)管片的注漿孔處向管片背部注入雙液漿后，需及時(shí)盯控二次注漿效果，若注漿效果不好，應(yīng)繼續(xù)補(bǔ)雙液漿。

4 實(shí)施效果

盾構(gòu)在停止推進(jìn)前3～5環(huán)中加強(qiáng)二次注漿，停止推進(jìn)后對(duì)后5～6環(huán)再次進(jìn)行二次注漿，根據(jù)盾尾刷更換時(shí)間可適當(dāng)調(diào)整同步注漿漿液的初凝時(shí)間，盾尾刷更換前通過(guò)二次注漿孔檢查土體加固效果及止水效果。為防止盾構(gòu)機(jī)涌水的風(fēng)險(xiǎn)，在停止掘進(jìn)前采用注發(fā)泡聚氨酯，在盾尾后的一環(huán)管片壓注聚氨酯。

通過(guò)對(duì)更換盾尾刷期間地表沉降分析，盾構(gòu)機(jī)再次啟動(dòng)掘進(jìn)的觀察，充分表明盾尾刷更換施工期間，地下水封堵隔離方法取得理想的效果，盾尾刷更換施工安全順利，未對(duì)地面沉降造成進(jìn)一步的不良影響，并且盾尾刷更換后徹底解決了盾尾滲漏問(wèn)題。

5 工作建議

(1)盾尾刷更換地點(diǎn)的選擇，優(yōu)先選擇隧道拱部的地質(zhì)為透水系數(shù)低的粉質(zhì)砂層或細(xì)砂層、地面環(huán)境相對(duì)較好的地段進(jìn)行尾刷更換。

(2)盾尾刷更換前，停機(jī)在盾尾和盾尾前10環(huán)范圍沿管片環(huán)向設(shè)置二道擋水環(huán)箍，擋水環(huán)箍采用高發(fā)泡率的油溶性聚氨酯。

(3)掘進(jìn)至盾尾刷更換預(yù)設(shè)地點(diǎn)時(shí)，封頂K塊不拼裝。

(4)合理選擇密封油脂，寒冷地區(qū)選擇稠度好的優(yōu)良油脂；施工過(guò)程中與油脂廠家根據(jù)施工溫度環(huán)境進(jìn)行調(diào)制，確保油脂密封效果最佳。