高承壓水圓礫地層中洞內更換盾尾刷技術

何 磊

(中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300222)

1 工程概況

杭州素以擁有江南水鄉濕地而著稱，地表水系發達，杭州機場快線5標西溪濕地站-3#風井區間位于西溪濕地生態保護區，園區分布大量的濕地河溝、水塘等，區間總長度2 747.5 m；區間隧頂最大埋深達40.7 m，為超深埋隧道，地下水壓力較高；區間穿越多種地層，主要為淤泥、粉質粘土、粉細砂、圓礫、中風化泥質粉砂巖等，區間下穿粉細砂層和圓礫層長達300 m；盾構機經過R800 m、R500 m小半徑曲線；區間采用兩臺鐵建重工生產的土壓平衡盾構機施工，從西溪濕地站始發后，下穿西溪濕地生態保護區，而后下穿紫金港隧道、登新公寓、杭州市十五中學教學樓等建筑物；盾構掘進需特別注意地表水與地下水的水力聯系，盾尾刷漏漿和隧道管片變形，是該區間的風險質量控制難題，控制不當則極易造成建筑物沉降和隧道被淹埋等重大風險。

盾構隧道管片外徑6.9 m，環寬1.5 m，管片分為“3+2+1”，即標準塊B1、B2、B3，鄰接塊L1、L2，封頂塊F。

2 盾尾刷密封原理

根據盾構機大小，盾尾一般設有3～5道盾尾刷，鐵建重工生產的直徑?7 180 mm盾構機設計有3道盾尾刷。盾構掘進過程中，管片相對靜止，盾體處于連續移動狀態，盾尾和已拼裝的管片之間存在相對移動，為了防止外部漿液和地下水、砂等進入盾殼內，必須對盾尾和管片間進行密封處理；盾尾一方面由盾尾內壁的3道鋼絲刷完成密封，另一方面依靠充滿整個油脂腔的油脂建立起壓力進行密封[1]，注入到油脂腔內的油脂同時也可以起到潤滑和保護鋼絲刷、延長其使用壽命的作用。

3 盾尾滲漏原因分析

盾尾刷更換中發現損壞形式有：彈性鋼板整片磨斷掉落或失去彈性、鋼絲刷大量磨損甚至局部脫落、盾尾刷間隙充滿砂子和水泥漿硬塊而失去密封效果。具體原因分析如下[2]：

3.1 盾尾油脂不足

盾構機始發前盾尾刷鋼絲內油脂(WR90手涂型)涂抹不到位或者涂抹方法不正確，油脂只是抹到了表面，而沒有完全塞入鋼絲根部，不能確保鋼絲全部粘上油脂，存在空隙；掘進過程中，盾尾油脂注入量不足或油脂質量差，容易擠出浪費，沒有起到有效作用，導致盾尾刷密封效果達不到要求，嚴重時導致盾尾漏漿。選用優質的盾尾油脂，一般稠度針入度值須達到210～260，密度1.35～1.45 g/cm3，同時盾構掘進過程中盾尾油脂注入量要處于飽和狀態。

3.2 盾尾刷質量問題

盾尾刷由眾多獨立細鋼絲、彈簧鋼片等構件組成，通過在盾構機盾尾殼體內環形多道布置從而形成整體柔性密封結構，如果盾尾刷質量存在缺陷、承受力不足，變形后難以恢復原狀、鋼絲容易磨損，則盾尾刷密封性能降低，在注漿和泥水壓力較高的情況下易發生滲漏。

3.3 注漿壓力過大

在埋深較深的高承壓水地層中，例如埋深達到38 m時，地下水壓則為3.8 bar，注漿壓力須大于地下水壓力，注漿方可進行，此時同步注漿壓力能達到4.5～5.0 bar，盾尾刷承受的外界壓力一般不宜超過6.0 bar，太大則容易擊穿盾尾刷出現漏漿，故過程中需嚴格控制注漿壓力及注漿量。

3.4 盾尾間隙過大或過小

盾構機掘進時姿態糾偏過急，盾構姿態出現“波浪線”現象，造成盾尾間隙單邊過大或過小，間隙過大會造成盾尾漏漿，長時間間隙過小，油脂難以滲透容易擠壞盾尾刷、造成盾尾刷失去彈性而漏漿。盾尾間隙一般不小于45 mm(標準為75 mm)，故盾構姿態宜勤糾緩糾方式進行，基本要保持穩定。

3.5 管片上浮

在地下水較豐富地層中，管片浮力大于管片自重從而產生上浮，上浮后管片長期上部擠壓盾尾上部，導致上部間隙小、下部間隙大，盾尾間隙不均勻，致使漏漿。另外，管片拼裝前須將盾尾清理干凈，防止泥渣進入尾刷內部，拼裝管片時重視拼裝質量等。

4 盾尾刷更換關鍵技術

盾尾刷更換工藝流程：停機準備→制作止水環→管片與推進千斤頂固定→油缸回縮，拆除管片→盾尾刷更換(若漏水可用快速水泥堵水)→加焊盾尾間隙支墊→拼裝管片→頂推管片，與上一環距離10 mm→對孔，穿螺栓→頂推，新老管片對接，螺栓緊固→推進，鋼條支撐脫出后割除。

4.1 停機準備

結合地表環境和地層情況，盡量選擇地層相對較好、對地表環境影響較小的位置停機，停機時將土倉渣土留滿倉，保實土壓防止停機時間長出現掌子面塌方。

根據盾尾密封失效時盾尾滲漏水、漏漿的位置和滲漏量的大小來確定盾尾刷的損壞部位和損壞情況，從而確定所需更換盾尾刷的數量及需要的時間，進行合理安排。對隧道線路前方地質進行核實，期間需要對盾構姿態進行調整，盡量讓盾尾間隙均勻分布。通過對拼裝機、管片尺寸等的計算，確定出更換盾尾刷時千斤頂的推進行程，在滿足了拼裝、拆卸管片施工要求的同時，也確保施工的安全、質量及施工進度。

4.2 止水環制作

阻止盾殼后的地下水流入盾尾是更換盾尾刷的必要條件：一是提供有利的條件無水干擾；二是止水后地層穩定，防止突發涌水涌砂的風險。在高承壓水地層中止水環制作比較困難，需要多種措施相結合：一是加大同步注漿量，二是在盾尾后3～4環進行二次注漿雙液漿，三是在靠近盾尾后方進行聚氨酯加強止水[3-4]。

注水泥漿前利用同步注漿系統注入膨潤土約4 m3，形成保護層，避免雙液漿竄入盾殼外周把盾體抱住無法脫困。采用鈉基膨潤土，配合比膨潤土∶水=1∶6，需膨化24 h后使用。

雙液漿采用水泥+水玻璃漿液，配合比為：水玻璃∶水=1∶3(A液)，P.O42.5水泥∶水=1∶1(B液)，A∶B=1∶1，凝固時間約50 s,注入壓力不大于0.5 MPa，注入量經驗值約為整圈4孔4 m3。待雙液漿初凝后通過管片開孔檢查注漿效果，約12 h后，在盾尾后第3環位置用沖擊鉆開孔，觀察是否初凝和來水大小，如果封堵效果不理想，則采用聚氨酯加強止水。

水溶性聚氨酯化學灌漿材料是由過量的多元異氰酸酯和多羥基化合物預先制成含有游離異氰酸基團的低聚的氨基甲酸預聚體，漿液灌入后，與滲漏水相遇發生化學反應，發泡生成多元網狀封閉彈性體，特征是遇水后放出二氧化碳，產生二次滲壓，一般能發泡體積達到15～20倍，從而達到防滲堵漏的目的。聚氨酯布孔方式以管片環向整圈布置，間距1 m布設，管片內側周長為19.15 m，總計布設19個孔。把全部的孔鉆好并裝上小鋁管和連接針頭，孔徑14 mm，采用4臺小型注漿機同時快速注入，順序為從下往上注入，同時打開注入孔上方相鄰的孔當作觀察孔，注入壓力一般控制在0.3～0.5 MPa，以注飽滿后聚氨酯將從觀察孔擠出為控制量，此時可結束該孔注入，換下一個孔以同樣的方式注入，直至整圈所有的孔注完。

采用ZY-1068聚氨酯高壓注漿機，不需氣壓源，機身小巧，具有可雙組分同時注入、搬動方便等特點。

4.3 工具、材料準備

為保證更換過程中工序的正常銜接，在停機前需將工具及材料提前準備，其中主要工具和材料包括氣刨(500 kW直流電焊機)、CO2保護電焊機、?5 mm的506焊條、新盾尾刷(每道需要盾尾刷約110塊)、手涂盾尾油脂(WR90)等。

4.4 管片拆除

在盾構掘進到指定地方，即油缸伸長1 850 mm時，密封刷距管片1 230 mm。在該位置進行管片拆卸，管片拆卸過程中嚴禁管片下方站人，拼裝機需保持完好狀態；拆卸順序由上到下，左右對稱依次拆除其余管片；F塊拆除時先拆除該塊上的螺栓，再將拼裝機扣住F塊，最后收回F塊相應油缸進行管片拆除(一般情況下F塊選擇不安裝，用以預防管片拆除時盾尾刷箍死管片情況出現；即使安裝F塊，F塊的點位優先選擇11或1點上部的點位，方便拆除)；其余管片拆除方法與之相同[3]。

4.5 盾尾刷刨除、焊接

管片拆除后盾尾刷露出2道、剩余1道貼合在管片外側，先將密封槽內的油脂與漿液清除，清理后檢查盾尾刷是否損壞；將損壞的盾尾刷用刨除方式進行清除，嚴格控制刨除深度，以免傷害盾殼；刨除后不平整的地方使用砂輪機進行打磨，確保新盾尾刷安裝時平整；盾尾刷焊接必須在同一側進行搭接(瓦片式搭接)，且相鄰盾尾刷之間焊縫不大于3 mm。現場工況如圖1、圖2所示。

圖1 盾尾刷刨除和焊接 圖2 更換的新盾尾刷

4.6 盾尾油脂抹塞

盾尾刷焊接完成并驗收合格后，先檢查油脂管路是否擁堵，然后手動涂抹油脂，以鋼絲刷之間油脂飽滿無遺漏為準，即要求每根鋼絲刷都被油脂包裹，油脂選擇硬質油脂(即WR90手涂型油脂)；涂抹時使用鐵片撬開密封刷，分層次從根部開始涂抹，一般每道刷之間涂塞4層油脂，確保鋼絲都粘上油脂。油脂抹塞好的盾尾刷如圖3所示。

圖3 盾尾油脂抹塞

4.7 管片二次拼裝

安裝管片順序與正常拼裝相同，根據上一環盾尾間隙來制作管片墊塊，墊塊一般采用鋼板條且比實際間隙低8～10 mm，墊塊的作用是確保二次拼裝時管片與上一環圓心保持在同一直線；F塊選擇11點位或1點位。首先安裝底部B2塊，安裝第1塊管片尤為重要，為確保安裝時與上一環管片螺栓孔對應，采用拉線定位；B2塊管片定位后對其進行固定，最后拼裝機脫離管片，保證管片不移動；接著安裝B1塊，根據相應位置盾尾間隙確定管片墊塊的厚度及長度，放置后進行B1塊調整，并連接B1、B2塊螺栓；最后再次確認B1、B2塊管片螺栓孔與上一環對應孔位的準確度；B3塊與B1塊安裝方法相同，安裝后在上部兩側環向位置處焊接L形掛鉤，防止B3塊管片栽頭；按照同樣方法安裝L1、L2塊，此時不需要加墊塊。管片拼裝順序如圖4所示。

圖4 管片拼裝順序

當整環拼裝完成后，割除L形掛鉤，向后推移管片。推移管片需緩慢進行，過程中對管片進行觀察，嚴格控制油缸行程同步，以便達到整環推移要求；在管片推移至距上環10 mm左右時進行螺栓連接，螺栓連接后將管片推到位，進行螺栓復緊工序。

管片拼裝完成后不得立即推進，應采用盾尾油脂泵泵送油脂來填充人工涂抹不密實的間隙；處理完畢后掘進一環，將脫出盾尾的墊塊割除，對盾殼焊渣進行打磨。

5 沉降監測

地表每隔30 m布設一個監測斷面，斷面之間每間距5 m布設一個監測點；在建筑物沿側墻布設沉降監測點，每5 m布設一個監測點，沉降監測布點如圖5所示。

圖5 沉降監測布點

根據設計控制指標，沉降預警值和控制值如表1所示。

表1 沉降控制指標值

停機修復盾尾刷期間，土倉內用渣土保實土壓，盾尾止水環施作完好，無明顯滲水，地表沉降無明顯變化，累計值在-3 mm以內。

6 風險控制措施

(1)為防止在更換盾尾刷的過程中長時間停機、盾尾工作面出現地下水匯集，引發地面沉降及盾尾滲水，必須提前做好止水環，同時可在盾構機中前盾徑向孔上下左右采用濃厚膨潤土漿，對盾體外側空隙進行填充加強封閉。

(2)在更換盾尾刷的工作面準備注漿應急設備、棉被、海綿條、快速水泥、聚氨酯等應急材料，以預防盾尾出現滲漏情況。如果盾尾發生滲漏，應立即打開盾尾油脂泵向最后一道油脂腔滲漏處泵送盾尾油脂進行填充，應急人員應立即使用海綿條、棉被、快速水泥對滲漏處進行封堵。若常規措施無法完全封堵，應對滲漏處進行雙液漿注漿封堵，防止由于泄漏過大造成風險進而引起地面沉降。

7 施工注意事項

(1)停機時需保證盾尾間隙的均勻分布。

(2)掘進施工中更換盾尾刷存在較高風險，一般只更換1道或2道盾尾刷，結合實際損壞情況和風險情況綜合考慮。

(3)高承壓水地層中，做好盾尾止水措施，進行地下水隔離，保證必要的施工條件。

(4)提前結合管片及拼裝機行程計算油缸伸長量，避免無法安裝及拆卸管片。

(5)管片拆除及二次拼裝時需派專人監督，不能盲目施工，發現問題后及時處理。

(6)更換期間在工作區域放置足量的滅火器材，發現有著火趨勢立即撲滅。

(7)刨除時注意相關防護措施，防止濃煙或增加空氣流通措施。

8 結束語

施工期間在左線盾構機掘進到1.58 km時出現盾尾嚴重漏漿現象，采用上述措施停機檢查更換2道盾尾刷后，穿越建筑物，更換后恢復正常，同步注漿不再滲漏，地面沉降也得到較好地控制，施工進度高效連續，涌水風險也得到較好控制，取得了良好的效果，為盾構機順利穿越建筑物提供了必要條件。