盾构机掘进过程中铰接处漏水原因分析与处理

朱立华 盛 亮

（1.杭州市地铁集团有限责任公司，300018，杭州；2.中铁二局股份有限公司，610031，成都∥第一作者，工程师）

1 概况

在城市地铁建设中，为了提高盾构机在曲线段施工的操作性能，将盾构机分成前后两个部分，中间采用千斤顶有效连接，盾构机可以进行一定角度的摆动，即实现了盾构机的铰接功能［1］。但盾构机掘进过程中，在水土压力作用下，盾构机的铰接功能频繁使用，因此，盾构机铰接处较易形成渗漏。

杭州地铁某区间隧道掘进工程中，盾构机铰接处出现了漏水、漏砂险情。该区间单线总长1102.177 m；隧道平面设有1组曲线，半径为350m；纵坡为V字形坡，最大坡度为28‰；隧道埋深在9.7～18.8m范围。隧道左右线分别采用2台直径6450mm的海瑞克土压平衡盾构机进行掘进。

区间线路场区浅层地下水属孔隙性潜水，主要赋存于表层填土及③2～③7－3层砂质粉土、粉砂中，由大气降水和地表水径流补给，地下水位随季节变化。工程区深部孔隙承压含水层主要分布于深部的⑦夹层粉砂、⑧3层粉砂、⑨2层粉砂中。

盾构机出现漏水、漏砂的位置处于③7－1砂质粉土夹淤泥质粉质黏土地层。该地层物理状态为流塑状，含水率为29.6%，孔隙比0.85，无承压水。淤泥质粉质黏土呈层状或团块状分布，且淤泥质粉质黏土单层厚度为0.5～1.5cm，含云母、贝壳碎屑。振摇反应缓慢，切面粗糙，干强度低，韧性低，标性贯入击数平均值为7.5击／30cm，属中等偏高压缩性土。

2 盾构机铰接结构

盾构机前后两部分采用铰接千斤顶连接。铰接千斤顶沿盾构周边整环布置，其两端的铰销处都装有球铰，以保证盾构机轴线与铰接千斤顶轴线之间有一定的摆动角度。根据盾构推进千斤顶在盾构机上固定位置的不同，铰接装置可分为主动型和被动型两种。该工程采用的海瑞克土压平衡盾构机为被动铰接。

盾构机铰接结构的工作原理为：铰接千斤顶的伸缩完全依靠外力作用，可在曲线推进过程中使盾构机前后部分发生弯折，从而顺利进行曲线段盾构推进［1］。如图1所示，铰接处密封装置由1道橡胶密封圈和1道应急气囊组成。

图1 铰接密封装置详图

3 铰接漏水漏砂现象

区间左线盾构机掘进至346环时，沿掘进方向盾构铰接处发生了较大漏水漏砂险情，涌入盾构隧道的泥沙量约为30m3。施工单位通过盾构机机身径向注浆孔及盾尾管片压注聚氨酯，暂时控制住了漏水漏砂险情。险情造成盾构机“栽头”现象严重，首尾垂直偏差分别为－507mm、－387mm（正常情况下应控制在±50mm内）。由于盾构机“栽头”，带动管片向下移动，致使已拼装好的第345、344、343环管片发生了大面积碎裂和错台，最大错台量约为10cm。由于大量泥砂涌入隧道内，地表出现了较大沉陷，形成“沉降漏斗”，最大沉降值为29cm。为保障安全，封闭了1侧机动车道、非机动车道及人行道，从而影响了地面交通。

4 险情原因分析

险情发生后，建设单位立即邀请上海和杭州地区盾构施工与机械设备方面专家召开专家会。根据施工单位对盾构机铰接位置中盾与盾尾相对位置测量情况，发现漏砂位置附近铰接密封间隙明显大于其他部位，最大间隙达到10mm。具体位置及间隙情况如图2所示。

图2 铰接处测量示意图

根据专家分析，从设备测量情况来看，可能由于盾尾变形引起盾尾局部径向偏移量变大，从而致使中盾、盾尾间隙增大，超出了密封装置正常密封范围，进而导致部分密封失效，密封装置无法阻挡盾构机外部泥沙的水土压力，最终造成漏水漏砂险情。同时，据施工单位反映，在盾构机拼装时，中盾和盾尾拼装较困难，虽最终完成拼装却并未进行盾尾真圆度检测，这与专家分析的原因相互印证。

5 盾构铰接处漏水漏砂事故的处理

5.1 加强铰接处漏水漏砂封堵

（1）对盾构机铰接处应急气囊进出口进行改造，压注润滑油脂（EP2），使其充分填充气囊，造成气囊膨胀，从而起到封堵的效果。铰接处气囊位置示意图见图3。

图3 铰接处气囊位置示意图

（2）逐步清理盾尾处泥砂，同时，依次在铰接处的预留球阀上压注聚氨酯，以封堵铰接之间的缝隙，为后续工作提供时间保障。为充分确保堵漏效果，铰接处的每孔聚氨酯压注量不少于450L。

（3）气囊填充和聚氨酯压注完成后，采用1cm厚钢板将铰接接缝满焊封闭。焊接前可在钢板与机身之间增设3道遇水膨胀橡胶止水条，以增强止水效果。铰接处细部构造如图4所示。

图4 铰接处细部构造图

（4）为防止盾构机铰接处焊缝在后续推进中被拉裂，用连接钢板更换部分铰接油缸。即将14组铰接油缸中的8组用6cm厚钢板制成的连接钢板替代，使铰接处成为刚性连接，弃用铰接功能。铰接油缸位置如图5所示。经过现场测量，盾构机铰接两边拉环中心距离58cm，拉环内径10cm。由此确定连接钢板尺寸如图6所示。连接钢板采用普通钢。

图6 连接钢板制作示意图

（5）为提高铰接处连接保险系数，均匀布置12块5cm宽的预制铁块，将中盾和盾尾焊接在一起。这也可增强铰接处焊接钢板的牢固性。预制铁块焊接示意图见图7。经检算，连接钢板拉力大于原铰接拉力，满足盾构机正常推进要求。

图7 预制铁块焊接示意图

5.2 处理受损管片

（1）受损管片采用临时支撑加固。由于盾尾后5环受损管片位于盾构连接桥处，无法直接在管片顶部与下部之间加设内支撑。因此，可利用盾构机连接桥处周边空挡架设3榀工字钢门架。首先，门架下部与管片连接螺栓处焊接，并沿纵向采用工字钢焊接，以确保门架稳定；然后，将门架与管片之间空隙用方木顶紧；同时使用5cm宽扁铁及14号槽钢水平连接盾尾后的15环管片，以加强纵向连接。

（2）采用注浆加固。盾构铰接处的焊接工作完成后，盾构机准备恢复掘进前，对盾尾后的12环受影响管片从下向上、左右对称、逐孔压注双液浆。双液浆的水灰比为0.8∶1；水泥浆∶水玻璃＝1∶1，水玻璃波美度为38.5。注浆采取注浆量和注浆压力双指标控制。每个孔理论注浆量为0.5m3。施工时根据现场情况及注浆压力确定是否继续注浆：当注浆压力小于0.2MPa时持续注入；当注浆压力大于0.35MPa且注不进去时，停止注浆；注浆的同时对管片进行监测，如管片收敛变形超过10mm或地表监测达到预警值则停止注浆。

5.3 处理地表沉降

盾构机铰接处的漏水漏砂导致地表出现了沉降。沉降区域为行车道和人行道，最大累计沉降值为29cm。漏水漏砂事故发生后，第一时间内将沉降区域及影响区域进行封闭，并设置警示标志，通知交警部门配合组织交通。洞内盾构机铰接处漏水漏砂险情得到及时控制后，虽然地面道路已出现严重开裂、沉降，但地表沉降已基本趋于稳定，此时对沉降区域道路进行破除开挖、充填沉降区域，并重新施做道路路面。

处理沉降过程中对地表、管线及建筑物均加强监测及巡视，并延长监测时间，直至监测数据完全稳定。

5.4 调整线路平纵断面

由于盾构机“栽头”现象较为严重，且已弃用盾构机铰接功能，盾构机掘进小半径曲线能力减弱，需对线路平、纵曲线进行调整。根据对已拼装完成管片的测量情况，将线路纵坡由11‰调整为15.5‰，线路平曲线半径由368m调整为375m。

5.5 恢复掘进施工方案

在盾构机铰接处焊接、受损管片加固、线路平、纵曲线调整等工作完成后，盾构机具备了恢复掘进条件。恢复掘进的具体方法为：

（1）垂直方向按照调整后的线路掘进。为更好地拟合线路保证管片质量，盾构机每环纠偏量不超过1cm，且盾构机机身的每环玻璃调整值不大于2‰。

（2）前5环掘进完成后，盾构机的姿态已基本稳定，此时停止盾构的掘进，进行盾构机管片的姿态测量，将测量出的数据反馈设计院。设计院根据具体情况再做跟踪调整方案。

（3）严格控制推进速度不超过2cm／min，纠偏遵循“缓纠慢纠”原则。

（4）恢复掘进后10环为调整段。应提高调整段防水等级，采用过江隧道相应的防水措施。

（5）调整好盾尾间隙，防止盾尾刷与管片间隙过小遭到破坏。加强盾尾刷保护、及时清理油脂仓。使用优质油脂、加大油脂注入量且保证均匀压注。

（6）掘进过程中若盾尾出现泥浆、砂浆或清水渗漏，盾构司机应立即停止掘进，并采用手动注脂方式在发生渗漏的位置和相邻位置增加油脂注入量，若泄漏较大，则调大油脂注入量直至完全密封住。

6 结语

大批国际知名的盾构厂家纷纷落户中国，使我国成为全世界最大的盾构机产业基地和应用盾构开挖隧道最多的国家［2］。盾构机掘进过程中铰接处漏水漏砂险情时有发生，通过对险情原因及后续问题的处理情况，分析总结了应注意的事项。

（1）盾构法施工中，盾构机设备的日常保养、检修非常重要，尤其在盾构机设备转场、组装时，应对关键部件进行必要的检测。本案例中盾构机铰接处漏水漏砂险情发生的主要原因就是设备组装时未对盾尾真圆度进行测量，盾尾变形未被发现，导致出现铰接处漏水漏砂险情。

（2）加强针对突发事件的应急演练，并配备充足人员、有效抢险物资。其中，堵漏材料的选择十分重要。目前，应急抢险主要堵漏材料为聚氨酯堵漏剂，其市场售价为2～6万元／t，价格高低不等，质量良莠不齐。此次应急抢险使用的聚氨酯堵漏剂为6万元／t，封堵效果较好。而部分价格低廉的聚氨酯堵漏剂具有反应性不佳、憎水性差、易收缩等缺点，不仅达不到堵漏目的，反而会贻误最佳堵漏时机，造成重大损失。

（3）加强参建各方的组织、协调，及时调配了技术力量、物资设备。此次险情发生后，参建各方及时调配地铁施工单位有关技术专家和物资设备，确保了抢险工作及时有效地进行，从而减少了损失。

［1］杨乃刚.盾构机中的铰接装置［J］.建筑机械，2003（4）：51.

［2］张厚美.盾构隧道的理论研究与施工实践［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010.