大直徑泥水盾構盾尾密封失效原因及應對措施

姚印彬 邵振新 李龍輝 徐兆凱

(1.中鐵十四局大盾構工程有限公司杭州下沙項目部，浙江 杭州 310018；2.中鐵十四局大盾構工程有限公司常德沅江隧道項目部,湖南 常德 415000)

1 概述

大直徑泥水盾構在長距離、高壓水、尤其是復雜地層中施工時，盾尾密封性能直接關系到施工的效率和安全，一旦盾尾密封失效，將出現漏水、漏漿[1-3]等情況，直接導致盾構無法正常掘進，嚴重時出現管片失穩，隧道出現坍塌。由于盾尾密封空間主要由盾尾刷和盾尾腔室組成，這就要求盾構機在生產制造期間、工地組裝期間、掘進施工期間，做好盾尾的制造、盾尾刷的選型、盾尾間隙的設計和掘進參數控制等[4]。目前國內大直徑泥水盾構機設計時，為提高盾尾密封止水性，盾尾密封一般安裝4道盾尾刷及1道鋼板束[5]。國內已建設完成的南京長江隧道、武漢地鐵8號線越江隧道、南京地鐵10號線越江隧道、蘇通GIL綜合管廊等4個大直徑泥水盾構隧道工程所采用的盾尾密封系統均由3道～4道鋼盾尾刷和1道鋼板束組成，其水土壓力范圍為0.65 MPa～0.94 MPa。所以在長距離、高水壓、大直徑泥水隧道施工過程中，盾構機盾尾配置4道鋼絲刷密封和1道鋼板束密封滿足施工需求。盾尾密封設計情況如表1所示。盾尾間隙的設計要和隧道的設計軸線、轉彎半徑、管片的楔形量相契合[6]，國內大直徑泥水盾構機盾尾間隙設計一般為65 mm～85 mm，如表2所示。

表2 大直徑泥水盾構盾尾間隙設計

2 盾尾密封影響因素分析

大直徑泥水盾構在長距離、高壓水，尤其是復雜地層施工過程中，盾尾密封失效出現泄漏的發展過程是按照“漏清水—渾水—泥漿—砂漿”的順序逐步發展惡化的。盾尾密封性主要影響因素[7]有：設計與制造、現場組裝期間以及盾構掘進施工期間三部分。

2.1 設計與制造

盾構機設計制造期間，盾尾的間隙設計不滿足隧道施工，尤其是在小轉彎隧道施工盾尾左右間隙難以控制，極易出現單側間隙過小，盾尾刷前部保護板出現磨損或者擠壓斷裂等；盾尾制造期間由于需要同時預埋注漿管路，可能會造成盾尾油脂[8]注入孔分布不均勻，后期在掘進施工過程中，部分位置油脂注入量過小，將會出現盾尾刷磨損；盾尾鋼結構薄弱，夾層位置未增加肋板進行加固，掘進施工過程中一旦遭遇基巖突起極易出現盾尾變形[9]，將導致盾尾泄露。

2.2 現場組裝

1)始發時盾尾的圓度。新造盾構機一般會經過陸運、水運至隧道施工場地，到組裝完成，盾尾一般經過3次以上倒運吊裝，組裝完成后會發生不同程度的形變(盾尾圓度誤差允許3 cm以內)，導致盾尾間隙不均勻，變形點會形成盾尾密封薄弱點。

2)盾尾刷的質量及安裝工藝。盾尾刷主要由保護板、鋼絲刷、壓緊板、基座板四部分組成[10]，如圖1所示，由于盾構施工環境復雜，所以對盾尾刷各部分的設計尺寸、基礎材質、制作工藝等都會有嚴格的要求，當其中一項或幾項達不到要求時，盾尾密封效果將直接受到影響。

3)鋼板束及止漿板的選擇。鋼板束及止漿板主要為螺栓式連接，安裝時的搭接順序，接頭個數及位置是否達到標準，若鋼板束的厚度及選型過于薄弱，在盾構同步注漿、二次注漿時漿液會流竄到最后一道密封油脂腔內，造成盾尾刷的損壞。

2.3 盾構掘進施工期間

1)管片拼裝質量。管片拼裝時，會不可避免的產生一些錯臺，導致成環管片的外弧面不平整，將會加劇盾尾刷磨損、變形，也同時消耗更多油脂，極易出現盾尾滲透現象。

2)姿態控制。隧道設計軸線中含有小曲率轉彎段，大坡度段等，并且地層中含砂率較高，固結效果差。在該線路掘進時，盾構姿態較難控制，對應盾尾間隙也較差[12]。若盾尾間隙過小，就會對盾構刷造成永久性損壞。

3)油脂注入量。盾尾油脂的注入量是盾尾密封的保證，在正常掘進過程中，要保證油脂注入量足夠，并且保證均勻，飽滿。掘進速度較快，但油脂注入量較少，就會導致砂漿及外部的泥沙進入油脂腔，影響密封效果，也會對盾尾刷造成磨損。一旦盾尾油脂注入量不足，極易發生大面積的水及泥沙進入盾尾，對盾尾刷造成永久性的損傷。

4)盾尾清理。在管片拼裝過程中，下部的盾尾一般會有一些泥沙等垃圾，在清理不到位的時候，會使盾尾的部分泥沙隨著推進進入油脂腔，對盾尾刷造成損壞。

3 盾尾密封控制措施

3.1 設計與制造階段控制

廠家在盾構機設計和制造階段，要充分考慮隧道轉彎半徑，盾尾間隙控制在65 mm～85 mm，使盾尾油脂注入孔均勻分布于盾尾四周。

3.2 工地組裝調試期間的控制

1)盾尾調圓。

盾構機盾尾拼裝完成后，必須進行盾尾圓度測量，必須在誤差范圍以內才能進行焊接，如果超出誤差范圍必須進行重新調圓，符合標準后再進行焊接，避免后期盾尾間隙偏差過大無法調整。

2)盾尾刷的質量及安裝工藝控制。

在盾尾刷進場后進行檢查核驗，看看在同樣的條件下，其彈性形變、塑性形變的程度，進一步確定其質量優劣情況。

3)鋼板束焊接質量控制。

安裝焊接盾尾刷時，每塊盾尾刷的鋼板向同一方向進行搭接，只保留一個接頭，相鄰兩道盾尾刷的接頭遠離且都避免出現在盾尾底部。尾刷前后滿焊，焊腳高度10 mm，確保焊縫整齊，無夾渣、氣孔及裂紋。

3.3 掘進施工期間的控制

3.3.1管片拼裝控制

管片拼裝前，先利用壓縮空氣對管片進行清理，確保密封條附近無污染物。拼裝時，先進行管片粗定位，需注意正在拼裝的管片與拼裝好的管片之間保留一定的間隙(環向間隙大于3 cm，縱向間隙大于3 cm)，以防調整過程中損壞止水條或磕碰管片。再通過拼裝機微調裝置來調整已經粗定位的管片進行精確定位。

在千斤頂完全壓緊管片后，對管片拼裝情況進行測量復核，具體要求如表3所示。整環管片拼裝完成后必須及時對管片進行復緊。

3.3.2盾構機姿態控制

盾構姿態反映了實際推進線路與設計軸線的偏差,當盾構姿態超限時，通常可以直接調整分區千斤頂壓力來進行糾偏，或利用合理的管片型號和正確的拼裝點位糾偏，當超限嚴重時可以采用開啟超挖刀、單側加大注漿量等來進行糾偏。姿態偏差較小時，嚴禁對姿態進行急糾猛糾，避免出現蛇形曲線。

表3 管片拼裝允許誤差表

3.3.3油脂選擇及注入控制

目前大直徑盾構主要使用的油脂多為進口的油脂，種類較多，實際使用時需要依據地層條件進行油脂選擇，要對進場的油脂進行檢查，選取樣品油脂進行泵送性、抗水沖刷性、環保性等試驗，防止每個批次油脂的配方調整而影響盾構的安全施工，必要時，可溝通油脂廠家針對本項目地層的特點調整配方，滿足施工需求。

3.3.4其他控制措施

對管片進場進行檢查，缺角、開裂等問題管片進行修補或替換。另外盾構掘進施工過程中對推進閥組進行定期維護保養，避免推進油缸出現持續泄壓的情況。

4 結語

本文結合目前已施工完成的一些大直徑隧道項目，分析了導致盾尾密封失效的原因，總結了相應的控制措施，得到了如下結論：

1)大直徑泥水盾構盾尾密封失效的影響因素主要為設計與制造期間、現場組裝期間、盾構掘進施工期間三個方面。這些影響因素中既有盾構機本身的結構誤差(如盾尾鋼結構薄弱、盾尾刷質量等)、施工時的誤差(盾尾圓度、盾尾間隙、盾尾清理、姿態控制等)，也有因為盾構材料的使用造成的影響(盾尾密封油脂等)。

2)針對導致盾尾密封失效的因素，應從盾構生產到進場拼裝，從掘進參數到油脂質量把控等多個方面采取具體的控制措施，以保證盾尾密封安全。為以后大直徑泥水盾構隧道項目施工提供參考和借鑒。