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土压平衡盾构机掘进中更换盾尾刷施工技术

摘 要:地铁盾构施工中,盾尾密封系统是实现盾构正常掘进的一个关键系统。盾构机在掘进过程中,由于各种原因或正常磨损导致盾尾刷的损坏,必须及时更换盾尾刷,确保施工质量合格。本文结合哈尔滨地铁 2 号线一期工程施工情况,深入细致探讨盾构机盾尾密封装置受损的常见原因及防治措施和更换方法。
0 引言
  盾构法施工作为地铁区间隧道使用非常广泛,且工法工艺流程相当娴熟,土压平衡盾构以其地层适应性广、作业安全、掘进速度快、对环境影响小及工程造价较低等特点在隧道工程领域得到了广泛的应用。盾构机盾尾刷安装在盾构机主体的最后端,防止盾构机外面的砂浆和泥水进入盾构机内部。但施工过程中由于盾构机盾尾刷易损坏且较难更换的缺点,影响了盾构施工工法的掘进质量。由于盾尾密封刷的更换是在隧道内进行,盾尾密封刷始终位于管片背后,而且水文地质复杂,更换具有较大难度。文中将以哈尔滨地铁 2 号线一期工程为例,根据施工过程中遇到的相关问题,对盾构机盾尾刷的损坏原因及预防措施、尾刷更换方法进行阐述。
1 工程概况
  哈尔滨地铁 2 号线土建 7 标尚志大街站~哈尔滨站站区间位于哈尔滨市道里区和南岗区,出尚志大街站后穿越霁虹街向南偏东前行,起讫里程 CK17+773.728~CK18+425.534,区间长度 651.806m,隧道埋深范围 10.3~17.8m。地处于松花江阶地及岗阜状平原交接处,地质主要为粉质黏土,局部为粉砂层。
  区间盾构隧道设计为双线圆形隧道,隧道内径为5400mm,外径为 6000mm,管片的厚度 300mm,宽度1200mm,隧道采用预制钢筋混凝土管片衬砌,管片背后注浆回填。
土压平衡盾构机的工作原理是推进时,刀盘切屑下来的土体进入密封土舱,当土舱内的渣土足够多时,可基本上平衡开挖面的水土压压力,确保地层稳定。
  采用铁建重工土压平衡式盾构机施工,盾尾密封设计有两排金属钢丝刷、一道钢板束,钢丝刷和钢板束用螺栓连接在尾裙上,每一侧都用金属板保护。这三排密封之间形成几圈环形空间,持续不断地用密封油脂填充,并减小钢丝刷与隧道管片外表面之间的摩擦力,延长密封件的寿命。区间地质处于富水砂层,盾尾刷的好坏是影响盾尾密封及盾尾不发生涌水涌砂风险的关键。盾尾密封结构型式见图 1。
2 盾构机盾尾刷损坏原因及预防措施
2.1 盾尾刷损坏原因
 (1) 盾尾刷制造时质量有缺陷,承载力不足。
 (2) 盾构机在始发前盾尾刷手涂油脂不均匀,影响盾尾刷的密封效果形成漏浆,造成盾尾刷损坏。
 (3) 盾尾密封油脂的质量不好,对盾尾钢丝刷起不到保护的作用,或因油脂中含有杂质堵塞泵,使油脂压注量达不到要求。
 (4) 盾尾密封油脂量和油脂注入压力不足。造成盾尾刷的密封效果降低,形成盾尾渗漏。
 (5) 盾构机的掘进姿态影响。掘进姿态调整时纠偏量不能过大,纠偏过大可能造成盾构机出现“蛇形”前进现象,导致盾尾间隙大小不均匀,容易导致盾尾漏浆,盾尾间隙过小容易挤坏盾尾刷,导致盾尾刷钢丝损坏,密封失效而漏浆。
 (6) 管片拼装不适,形成错台现象,致使盾尾密封刷不能完全包裹管片,形成渗透通道,在较高的注浆压力和水土压力等作用下导致管片尾盾间发生渗漏。
 (7) 管片拼装时操作不正确或野蛮操作,导致 2块管片受力过大,破损后混凝土块进入尾盾损伤盾尾刷。
 (8) 同步注浆压力不能超过盾尾刷的承载压力0.5MPa。同步注浆压力过大会击穿盾尾刷。
2.2 防止盾尾刷损坏的措施
  为避免盾尾渗漏的发生,控制地面沉降,在掘进过程中采取措施保护好盾尾密封。
 (1) 合理调整盾体姿态,确保均匀良好的盾尾间隙。
 (2) 拼装前后多次量取盾尾间隙,以指导选择合适的拼装点位。
 (3) 拼装前及时清理盾尾,避免杂质进入尾刷。
 (4) 及时调整盾尾油脂的油脂压力及油脂的性能。
 (5) 严格控制同步注浆与掘进速度的匹配性,控制注浆压力,防止盾尾击穿,造成刷毛僵硬脱落。
 (6) 及时对成型管片进行复紧,防止管片变形压迫尾刷。
 (7) 依据地表监测数据,适当调整注浆量与注浆压力。
3 盾尾刷的更换
  2017 年 10 月,在掘进至 150 环时,发现盾尾偶有局部渗浆现象,经过对盾尾油脂单延米注入量、盾体姿态、盾尾间隙复核分析,推断为盾尾刷故障。经检查,右下部盾尾刷压板局部脱落,造成浆液外渗,需要更换盾尾刷。盾尾刷损坏情况见图 2、图 3。
3.1 盾尾刷更换位置的选择及掘进准备工作
  尚哈区间右线在 368 环左右下穿哈尔滨站站场铁路一级风险源,在 248 环更换盾尾刷,停机里程为SK18+178.66,位于霁虹街南侧人行道上,区间埋深17m,水位线距离隧道拱顶约 7m,刀盘上部为中砂层、底部为粉砂层,隧道上部主要地层为粉砂、粉质黏土等地层。对 245 环、246 环管片进行全断面二次注浆,使用磷酸稀释液加水玻璃稀释液按照 1:1 的比例注入,在盾尾形成两环止水环,防止在更换盾尾刷时盾尾来水。
3.2 盾尾刷更换施工准备工作
 (1) 施工前组织施工人员对盾尾刷更换进行安全技术交底,明确施工风险及避险措施。
 (2) 选择合适停机位置,并做好地面巡视及安全防护工作。
 (3) 停机前调整盾构姿态及盾尾间隙,选择合适的拼装点位,并做好停机期间的保压工作及盾体安全防护。
 (4) 对盾尾进行注化学浆液止水,检查注浆止水效果满足盾尾刷更换条件后方可进行作业。
 (5) 明确作业人员职责划分,施工工序合理有序。现场安排专职安全人员进行防护、督导。
 (6) 更换尾刷前加大盾尾油脂注入量,并向管片壁厚注入双液浆做止水环箍。
 (7) 现场应急物资储备,并连接备用管路以供应急排水。
3.3 更换盾尾刷
 (1) 在完成止水环施做后,回收 3 点位千斤顶,并纵向打开 248 环 3 点位 K 块约 80cm 观察盾尾情况,发现 3 点位第一道盾尾刷破损严重,并未发现盾尾漏浆漏水等现象,开始更换第一道盾尾刷。
 (2) 拆除 248 环下部 3- 8 点位 K块、L2 块、B3 块等 3 块管片,拆除破损盾尾刷并重新焊接更换新盾尾刷 38 块,对新焊接盾尾刷人工涂抹盾尾油脂,重新拼装 248 环下部 K 块、L2 块、B3 块等 3 块管片。
 (3) 拆除 248 环上部 L1 块、B1 块、B2 块等 3 块管片,拆除破损盾尾刷并重新焊接更换新盾尾刷 10块,对新焊接盾尾刷人工涂抹盾尾油脂,重新拼装 248环上部 L1 块、B1 块、B2 块等 3 块管片。盾尾刷更换完成见图 4,手涂盾尾油脂涂抹见图 5。
 (4) 恢复盾尾油脂注入,当油脂仓油压达到 10bar以上时恢复正常掘进。正常掘进时应当注意同步注浆压力不得超过 5.0bar,以免击穿盾尾,再次造成盾尾刷损坏。
4 结语
  土压平衡盾构机掘进中更换盾尾刷后根据推进监测数据显示,速率稳定,满足下穿铁路施工规范要求。完好的盾构尾刷是盾构隧道注浆质量、防水质量、管片拼装质量、施工进度以及地表沉降控制质量的保证,盾尾刷更换技术的成熟,也将是盾构长距离掘进技术的关键。而在地下工程中,由于地质的复杂性,给盾构机盾尾刷的更换带来了许多难以预料的困难,对盾尾刷更换过程进行深入分析,并对难点采取有效的技术措施,是盾尾刷更换成功的关键。

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