土壓平衡盾構機掘進中更換盾尾刷施工的技術

尤智軒

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 100026）

0 引言

盾構機長時間運行或由于施工質量控制工作不到位，使由盾尾密封刷形成的腔體有漿液進入，這些漿液在固化后會使密封刷嚴重磨損，最終使整個盾尾的密封功能失效。為使盾構正常推進，需及時更換損壞的盾尾刷。在某地鐵工程3 號線盾構施工中，由于盾構尾部的密封刷損壞而產生滲漏，對盾構掘進造成了很大影響。

1 工程概況

某地鐵工程3 號線左右線長分別為1028.985 m、1055.705 m，施工由2 臺土壓平衡盾構機完成，將隧道左線掘進到465 環后，因盾尾刷嚴重磨損，產生漏水與漏漿，注漿時的漿液損失數量可以達到50%，同時盾尾發生涌水，此時最先采取的措施是增加盾尾油實際注入量，從每桶4～6 環增加至每桶1～2 環，但狀況并沒有明顯改觀。根據上述現象可判斷盾構機的盾尾刷已經完全損壞，必須立即更換。現圍繞該地鐵隧道工程實際情況，對其盾尾刷的更換技術做如下深入分析。

2 更換方法

在確定具體的盾尾刷更換方案之前，要先掌握該工程所用盾構機的類型及特點，這是保證所選擇的盾尾刷更換方法合理性與有效性的重要前提，必須引起技術人員的重視，否則所選盾尾刷更換方式與實際情況不符，不僅無法達到預期的目的，還會引起其它問題，造成不必要的損失[1]。

該工程施工所用土壓平衡盾構機的工作原理為利用鋼質組件在隧道的設計軸線上對土體進行開挖，不斷向前推進，屬于典型的封閉式盾構。盾構另一個重要的作用，即可以承受來自于地層上的壓力，避免受到流砂及地下水的侵襲。隧道工程盾構法施工原理為在隧道的襯砌結構建成之前，起到必要的防護作用，為隧道中的機械與人員提供安全保護。在土壓平衡盾構機持續推進過程中，前端刀盤通過旋轉對地層土體進行切削，經切削產生的土體被回收至土艙內。待土艙被土體填滿后，被動土壓和切削面壓力保持平衡，以此使整個盾構面和切削面始終處在相對平衡的狀態，也就是穩定狀態[2]。

在盾構掘進過程中對盾尾刷進行更換，首先要解決因盾尾刷被破壞而產生的漏水和漏漿現象；其次是在穿過江河之前，檢修一次盾尾刷，避免盾尾產生漏水和漏漿。伴隨我國各類隧道工程的持續增多，不同施工單位會以盾構機的類型及地質條件等因素，在盾構掘進過程中對不同的盾尾刷更換方法予以嘗試，已經有很多成功的案例，總體上，更換方法主要有下列2 種：

方法1：盾構拼裝機采用較大的行程，借助管片拼裝機對管片進行拆除，然后更換損壞的盾尾刷。該方法因拆除了管片，且盾尾處僅有一個密封刷，所以如果盾尾處的止水出現異常，將無法立即封堵，存在很大風險。此外，這一方法因拆除管片，所以在更換盾尾刷時，盾構機會出現一定程度的后退，即便增加臨時支撐，其斷面也很小，無法保護管片，使其被損壞[3]。

方法2：盾構拼裝機采用較小的行程，通過延長千斤頂的行程來實現向前推進，使前兩道盾尾刷露出，然后對其進行更換。該方法雖然也會設置臨時支撐，但同樣由于其斷面較小而無法避免管片損壞。同時，對盾尾刷進行更換時，盾構機也無法避免發生后退，如果盾尾止水不正常，未能立即封堵，將產生很大的風險。

根據施工所用盾構機的特點，結合隧道實際情況，最大限度利用所有施工機械，把隔離管片環持續推進至拼裝縫處在第2和第3 道盾尾刷之間，之后借助上一環管片及其吊裝孔向下一道盾尾刷的尾部持續注入漿液以止水，再于隔離管片環中設置支撐，由千斤頂拉回隔離管片環，使第1 和第2 道盾尾刷全部露出，以此在無水的條件下對第1 和第2 道盾尾刷實施更換[4]。

3 施工工藝

盾尾刷更換施工嚴格按照以下工藝流程進行：首先做好各項施工準備工作；然后進行管片分離；完成分離后，對露出的盾尾刷進行檢查，并根據檢查結果更換損壞的盾尾刷；最后進行管片對接，恢復正常掘進。

3.1 施工準備工作

在盾尾刷更換施工開始前，應先認真做好下列各項準備工作：①對盾構機的姿態進行調整，使盾尾的間隙達到良好狀態，然后對調整環管片進行調整，在拼裝好后將其推出，直到千斤頂達到最大行程；②向刀盤的前方及盾尾處持續灌注膨潤土漿液，并做好停機之前的各項準備工作，避免在后方注漿過程中，漿液將盾體完全包裹或進入到刀盤所在范圍內，對盾構機的恢復造成不利影響[5]；③在盾構尾部殼體上的水平腰線處，向下均勻布置不少于5 塊墊鐵，以此避免在推拉管片時產生太大的摩擦力；④完成以上各項工作后，對隔離管片進行拼裝；⑤待拼裝好隔離管片后，將其推出，并將拼裝縫推進到第2 和第3 道盾尾刷之間；⑥在調整環的一周通過注漿封堵，保證第3 道盾尾刷實際止水效果，同時對后部管片實施二次注漿以加強，有效控制和避免地表沉降；⑦為避免推拉管片時管片產生太大的形狀變化，需在分離管片之前在吊裝螺栓間進行支撐型鋼的焊接，以此形成完整的支撐結構，保證隔離管片始終保持良好橢圓度；⑧施工中應切實加強監測與巡視，務必做好盾構機長期停機、隧道涌水及地面沉降等方面的應急準備工作，以靈活應對突發情況，避免造成不必要的損失[6]。

3.2 管片分離

完成以上準備工作并檢查確認合格后，開始分離管片：①在上、下、左、右四個方向分別選擇1 個伸縮速度完全相同的千斤頂，使用長度一致的鋼絲繩從管片環中的螺栓孔穿過，以此把管片環牢靠地固定在千斤頂上，在鋼絲繩的兩端，使用卡環進行連接和固定；②對隔離和調整環管片的連接螺栓進行拆除，然后緩慢且均勻地把隔離管片環拉到第1 道盾尾刷完全露出；③在實際的分離管片過程中，應隨時檢查管片環間隙是否均勻，以免偏轉后由于受力不均導致管片損壞[7]。

3.3 盾尾刷檢查和更換

完成以上管片分離后，開始檢查露出的盾尾刷，并進行必要的清理。當檢查發現盾尾刷磨損情況比較嚴重時，應立即切除并更換。完成盾尾刷的更換后，均勻涂抹一層油脂。

3.4 管片對接和施工恢復

將損壞的盾尾刷更換完成后，向后方推進隔離管片環，直到能和調整管片環相連，在實際的推進過程中應使用下方、左方和右方的千斤頂，而上部千斤頂要跟隨管片持續前進，如果上部剮蹭殼體，要通過加力來保證穩定性[8]。在實際的推進過程中，每當移動距離達到200 mm，都要測量前方和后方的螺栓孔是否對準；若前后方管片之間的距離為100 mm，則穿上連接螺栓，然后把管片頂進至安裝處，若存在少量誤差，則可使用錘子輕打螺栓，然后將螺栓擰緊，完成對管片的安裝。將之前在管片環中設置的支撐型鋼拆除，使盾構機恢復掘進。

完成掘進恢復后，應立即進行全面檢查，經全面檢查確認合格后，才可以正式恢復掘進，未經檢查或與檢查結果不合格都不允許恢復掘進，否則在之后的掘進過程中將產生問題。

4 盾構刷保護

在盾構機掘進過程中采取有效措施保護盾構刷，能有效避免盾構刷損壞，從而省去盾構刷更換需要的人力物力。根據以往工程經驗，可采用以下3 種措施來保護盾尾刷：

4.1 同步注漿

施工中要對同步注漿所用漿液的配比進行嚴格控制，使其保持足夠的強度，包括早期強度與后期強度。通過及時有效的同步注漿，能使隧道襯砌始終保持穩定。另外要保證注漿壓力，如果注漿時注漿壓力突然升高，需在查明產生原因的基礎上做出適當調整[9]。

4.2 盾尾油脂

使用質量優良的盾尾油脂，以保證盾尾刷實際密封效果，并根據盾構實際情況調整油脂泵的注入率，確保盾尾油脂注入率和盾構掘進的速度相匹配。

4.3 嚴格控制盾構機的姿態

如果在盾構機掘進過程中過度調整其姿態，將使盾構機的推進呈現蛇形，而非理想的直線形，這樣會使盾尾間隙不均勻，在間隙相對較大的一側將產生漏漿，而在間隙相對較小的一側將由于受到較大的加壓而發生彈性變形，導致盾尾刷失去應有的密封功能。基于此，盾構掘進時對其姿態的調整必須使用科學合理的糾偏方法，以盡可能使盾尾處的間隙保持一致[10]。另外，K塊所在位置是否合理也會影響盾尾的間隙，從而影響盾尾刷狀態，施工中同樣要引起相關技術人員的高度重視。

5 結束語

該工程完成對盾尾刷的更換后，其油脂注入壓力從之前的0.25 MPa 變為0.50 MPa，而且沒有油脂被擠出的情況，同時，盾尾處的注漿壓力也從之前的0.05 MPa 變為0.25 MPa，而且沒有漏漿的問題，說明對盾尾刷進行更換能有效解決漏漿。根據地面沉降實時觀測結果可知，伴隨注漿壓力不斷提高，盾尾處的實際注漿量持續提高，填補了盾尾在退出后產生的空間，有效控制了沉降。可見，該工程所用盾尾刷更換技術合理可行，值得類似工程參考借鑒，以此有效提高土壓平衡盾構機盾尾刷更換技術水平。