盾構掘進過程中盾尾刷更換技術及保護措施
鄭杰
上海城建市政工程（集團）有限公司
1.工程概況
某地鐵區間隧道采用土壓平衡盾構法施工，管片外徑6000mm，厚度300mm，寬1500mm；最小曲線半徑為300m，線路最大坡度為2.2563%，最小坡度為0.2%。隧道最大埋深為22.4m，最小埋深為9.7m。
該區間隧道斷面內地層依次為③5粉質黏土與粉土、粉砂互層，④1粉細砂層，④2細砂層。根據地質詳勘報告，該區間隧道所處位置承壓水水位標高為16.53m（地面標高20.69m）。
2.盾尾刷失效過程及失效分析
該區間盾構刀盤外徑6270mm，盾尾外徑6240mm，盾體長9055mm。盾尾刷共有3道，其中盾構尾部1道為鋼板刷，其余2道為鋼絲刷，一共形成2個環形油脂倉。
盾尾密封刷之間的間隙（油脂倉）通過注入盾尾密封油脂（共12個注入點，每道環形油脂倉6個注入點）形成壓力倉，每個注入點通過一個氣動油脂閥控制注入量，防止同步注入的水泥漿及地下水通過盾尾流入隧道。
在本區間推進至第288環時，出現推力較大（約30000kN）、推進速度慢（約5mm/min）的現象。之后在盾殼外注膨潤土潤滑，但改善效果不佳；推進至第292環時，盾尾出現漏漿、漏砂現象，經判斷系局部盾尾刷受損失效，因此采取在底部注雙液漿進行封堵；繼續推進至300環時又開始出現漏漿現象，在采用雙液漿和塞黑心棉進行封堵后，起初效果較好，但繼續推進至311環位置時，盾尾左上部位置出現噴涌現象，噴涌量約10m3（約3m3的砂、7m3的水），噴涌現象發生時即采用塞黑心棉和打聚氨酯進行封堵；推進至第315環時，盾尾注雙液漿封堵，對第3道盾尾刷進行全部更換，更換為鋼板刷。在隨后推進至第352環的過程中，在第322、326、334、336、338、342、343、344、346、347環均發生少量漏漿現象，滲漏點主要分布在左側腰部。
通過對上述失效過程的分析，結合地層條件、施工控制措施等因素，總結出造成盾尾刷失效的原因如下：
1)隧道斷面上部位于③5粉質黏土夾粉土、粉細砂互層，下部位于④1粉細砂層，承壓水水頭高，土層滲透系數大，在盾構推進過程中，承壓水夾帶粉細砂進入油脂倉內，使得盾尾摩阻力增大，鋼絲刷受到磨損，最終導致損壞失效。
2)進入小曲率半徑推進時，盾尾間隙不可避免地會出現左、右不均勻現象，間隙較小的一側盾尾刷受擠壓后產生塑性變形，密封性能降低。
3)隧道區間斷面上方地表建筑物較多，為有效控制地表沉降確保房屋安全，盾構施工時盾尾同步注漿量較大，基本達到理論間隙的200%～220%，注漿壓力也相應較大，達到0.4MPa，盾尾刷在承受壓力較大的情況下易造成盾尾刷變形損壞或擊穿。
4)本工程所使用管片側面沒有榫槽，在曲線段推進過程中，因受力不均而易產生錯臺，從而導致盾尾刷受損。
5)因鋼模使用周期較長精度下降，導致管片精度不高、養護齡期不夠等原因，故造成拼裝完成后的管片外弧面發生碎裂，混凝土碎塊進入油脂倉后，對盾尾刷損害較大。
6)在隧道穿越全斷面砂層時，推力較大，造成管片碎裂及錯臺，對盾尾刷損害較大。
綜合以上原因分析，考慮到后續工況條件下對盾尾刷的損害依然較大，為確保施工安全，需對盾尾刷采取相應的處理措施。擬采取的措施如下：
1)每推進50環更換一次盾尾刷。
2)在推進過程中，若一次滲漏量達到2m3，則應立即對盾尾刷進行更換。
3.盾尾刷更換技術
盾構機在推進至預定位置后先進行地下水封堵，然后利用拼裝機加長臂拆除封頂塊及其相鄰塊管片，暴露出盾尾刷后按照一定的順序逐個更換盾尾刷。盾尾刷更換流程為：盾構機推進至預定位置→地下水封堵→拆除封頂塊及相鄰塊管片→盾尾刷割除→焊接新盾尾刷、涂抹盾尾密封油→加焊盾尾間隙支撐鋼條→管片復位、泵送盾尾密封油脂→恢復正常推進、割除支撐鋼條。
3.1盾構機推進至預定位置
根據工程實際地質及工程環境條件，考慮到施工過程中風險較大，更換盾尾刷位置宜選擇在地表空曠位置，剩余施工范圍中第363～405環上方均為建筑物，因此盾尾刷更換位置宜選擇在第360環，第2次更換擬選擇在第410環。
3.2地下水封堵
通過向盾構機土倉注入膨潤土泥漿來避免加固漿液回流進入刀盤將其包裹，從而影響盾構機在停止掘進后再次啟動施工。
本區間工程中所使用管片均為特殊管片，每塊管片上除吊裝孔外，另增設了4個注漿孔，每環管片上共計26個注漿孔。盾尾刷更換施工前對盾尾刷后部2～16環的管片進行管片壁后二次注入水泥-水玻璃雙液漿，將管片與地層之間的滲水通道完全封死。
3.3管片拼裝方法確定
在更換盾尾刷時，通過對盾構機的尺寸，3道盾尾刷的尺寸、位置，千斤頂的長度，管片拼裝機的作業距離及范圍來確定管片拆除拼裝的方法（圖1）。
經過計算，千斤頂推進至1045mm時，拆除管片后，第1道盾尾刷暴露。此時管片拼裝機不能滿足拼裝要求，需要自制管片臨時加長臂（圖2）。在充分考慮加長臂受力情況、剛度、尺寸等具體情況后，對加長臂進行加工，要求其能保證輕巧，方便拆、裝管片。
3.4盾尾刷更換順序及過程
在上述的準備工作完成后，即可進行盾尾密封刷更換。以更換盾尾刷時管片封頂塊K塊位于管環1點位置為例，盾尾刷的更換順序可以按照K→C→B→A1→A2→A3管片順時針方向進行，也可以按照K→C→A3→A2→A1→B管片逆時針方向進行（圖3）。當采用拼裝機加長臂將壓蓋在內側2道盾尾密封刷上的封頂塊進行拆除時，需確定盾尾處是否出現滲漏水現象，如仍有漏水，則需采取一定的措施，如補注漿并在滲漏處用硬質海綿填塞堵漏，必要時可采用發泡聚氨酯進行堵漏。如確定拆除封頂塊后盾尾不漏水，再拆除相鄰塊，并及時檢修更換盾尾密封刷。另外，在尾盾上加焊盾尾間隙支撐鋼條，避免管片下落到盾殼上。
當管片拆除并確認無不良滲漏情況后，即可對盾尾刷進行割除，并對割除區域進行磨光處理。割除后重新焊接新的盾尾刷，要求相鄰盾尾刷之間的間距不大于3mm；在盾尾刷之間的密封槽重新涂抹盾尾密封油脂，量測盾尾四周間隙并做好相應記錄。
3.5盾尾刷更換完成后處理措施
在盾尾刷更換完成后，利用加長臂重新拼裝管片，整環管片全部拼裝到位后，同時頂進22個千斤頂使兩環管片接觸緊密，再安裝整環螺栓并反復緊固。管片安裝完成后，用盾尾油脂泵泵送盾尾密封油脂，填充人工涂抹不密實的盾尾刷凹槽和盾尾刷。焊接的支撐鋼條在恢復正常推進脫出管片時進行割除。
4.盾尾刷保護措施
結合以上粉砂地層盾構掘進盾尾刷損壞及更換的實際案例，可以從以下幾個方面對盾尾刷進行保護：
1）同步注漿。在施工中必須嚴格控制同步漿液的配比，使之具備一定的早期強度和后期強度，以利于隧道襯砌的穩定；確保注漿壓力的合理性，當出現注漿壓力劇增時，應及時查明原因并作出相應調整。
2）盾尾油脂。采用優質盾尾油脂，提高盾尾密封刷密封效果，及時調整油脂泵注脂率，使盾尾密封油脂與掘進速度相匹配。
3）盾構機姿態控制。盾構機的姿態調整過量容易使盾構機出現“蛇”形前進現象，致使盾尾間隙一邊大一邊小，間隙大的一邊可能會導致漏漿，間隙過小則導致盾尾刷受到擠壓超過其彈性變形，使盾尾刷喪失其密封性能。在盾構機的姿態調整過程中，應采用合理的糾偏方式，盡量使盾尾間隙均勻一致。同時K塊位置選擇的是否合理，也會對盾尾間隙及盾尾刷的保護起到重要作用。
5.結語
本文結合工程實例，對砂性地層中盾尾密封失效過程及其原因進行了分析，在此基礎上，進一步提出了盾尾刷的更換方法和更換流程，并針對盾尾刷損壞成因提出了保護措施。
在應用過程中總結了如下經驗，供工程界參考：
1）在盾構施工過程中，需采用優質盾尾刷，且需嚴控盾尾刷焊接安裝質量，安裝完成后需手動填充盾尾刷內油脂，確保均勻飽滿。
2）采用優質盾尾油脂，且整個掘進過程中均需按要求足量注入，遇曲線段掘進時適當調整各孔的注入量。
3）重視及加強掘進過程中對盾尾刷的保護措施。
4）盾尾發生滲漏時，需第一時間啟動應急預案，采取封堵措施控制滲漏，待險情得到控制后再分析原因采取進一步處理措施。
5）在有條件的情況下，面對高承壓水條件下油脂注入困難的問題，盾構機選型時盾尾油脂注入孔需加密。
