隧洞施工中更换盾构机的盾尾刷的技术方法

刘 浩

（山西省小浪底引黄工程建设管理局 山西太原 030024）

0 引言

在高水头砂卵石地层不良地质条件下采用泥水平衡盾构机施工，尤其是在长距离独头掘进时，由于作业间隙较小，盾尾刷密封损坏时常发生，产生的原因有很多，如盾尾刷长期受到管片外弧面摩擦，使其钢丝磨损严重；盾尾密封油脂加注量不足；盾构机姿态调整过猛等，由此造成的事故也不在少数。针对盾尾密封损坏的情况，国内采用对管片间隙处填充海绵条、增加盾尾油脂加注量等方法，但这些方法都治标不治本，并不能很好地解决盾尾密封损坏的问题。为了从根本上解决盾尾密封问题，采用盾尾刷更换技术，确保工程建设安全。

1 工程概况

山西省小浪底引黄工程施工Ⅶ标为土洞段盾构标，全长5.516 km，采用一台泥水平衡盾构机自下游向上游掘进，目前已累计掘进4.35 km。鉴于剩余洞段具有埋深大、水头高、砂卵石地层的高风险特点，为确保盾构机的施工安全，拟在K48+465 处对盾尾前两道钢丝刷进行检查、更换。K48+465 隧道埋深90 m，根据揭露的地层，盾构机处于粉质土层之中，地层稳定；同时在盾尾刷更换期间，将该段地下水位降至隧道底部以上15 m 内，有利于进行更换盾尾刷施工作业。

2 施工工艺

2.1 工艺流程图

盾尾刷更换工艺流程见图1。

2.2 准备工作

2.2.1 基础准备工作

在盾尾刷更换作业过程中，为保证盾体处水头高度保持在15 m 以下，降水井数量不得少于24 口，地面降水区域为盾体及盾体前后各50 m 范围，要求地面降水井有专人负责管理。整个过程采用三班循环作业。为避免紧急情况发生时造成安全风险，必须在盾构台车上配备备用发电机。备用发电机均需经过试运转和保养后方可进场，确保运行正常，发电机加满燃油，并配有备用燃油，发电机连接线路应与供电线路保持随时可连接或切换的状态。

2.2.2 盾构机准备工作

1）盾构机在即将到达指定停机位置前，应根据最后2 环掘进出渣情况并结合地质勘探资料，提前调整盾构机姿态，控制盾尾间隙，使盾构机处于稳定状态。盾构机与管片的相对关系是盾尾刷更换能否成功的关键环节，因此要严格控制盾构机姿态[1]。

2）根据盾构机停机位置及隧道穿越地层水头高度，得出开挖仓压力约为2.9 bar，适当调整泥浆配比，确保掌子面稳定，防止盾尾处发生喷泥涌水等塌方事故。

3）最后一环管片拼装时应考虑拆卸问题，将封顶块置于顶部2 点至10 点区间，封顶块可采用临时管片的形式，安装时考虑以方便拆卸为主。

4）盾构机到达位置后，对最后的10 环管片在4点、8 点和12 点位置增加管片纵向环间的紧固拉紧装置，确保管片连接紧密。

5）盾构机停在指定位置后，立即对管片进行壁后注浆，注浆分为两部分：

（1）对管片倒数第5 环以外30 环范围内每隔一环管片壁后注双液浆，注浆量根据注浆压力确定，双液浆配比按水泥浆水灰比为1∶1，水泥浆与水玻璃之比为2∶1，水玻璃模数2.5～3.3，浓度30～45 波美度，注浆完成后，待双液浆达到终凝后，通过注浆孔检查注浆质量。

（2）对盾尾后方最后一环管片壁后注油性聚氨酯堵漏剂，使堵漏材料包裹盾尾后方。注浆时，首先利用电钻在管片表面进行钻孔，钻孔完成后插入止水针头，止水针头长450 mm，然后利用聚氨酯注浆机注入油性聚氨酯，注浆压力不小于3 MPa，聚氨酯注入量根据空隙填充效果确定，注浆完成30 min 后，利用管片注浆孔施做水平探孔检查堵漏效果，无涌水、涌沙等现象。

2.3 推进油缸行程控制

盾尾刷更换作业过程中，关键是要控制推进油缸行程，要始终保持盾尾里面有2 环管片没有脱出，盾尾刷始终在管片壁后，利用推进油缸将第一环管片推至一定位置，确保最外侧一道钢丝刷在第二环管片壁后稳定位置，其余两道钢丝刷在第一环管片壁后，根据千斤顶位置及盾尾刷布置，在顶进油缸行程至1 450 mm 时为最佳位置。如图2所示。

图2 盾尾刷更换定位位置

2.4 管片拆除

根据盾构机停机受力分析，盾构机停机时所受阻力为1 558.74 t，气压反向推力为712 t，1 558.74 t>712 t，故盾构机停机时掌子面保压3 bar 时，盾构机将保持静止不动。为了加强安全防范措施，本次在尾盾3 点、6 点及9 点位置增加三道钢管支撑，钢管直径为300mm，壁厚12 mm，单根长1.5 m，将盾构机推进油缸支撑在钢管撑上，钢管撑另一端支撑在管片上，与管片螺栓进行焊接，防止坠落。

管片拆除采用顺时针分块分阶段拆除，即按照C块、B2 块、A3 块、A2 块、A1 块、B1 块的顺序，见图3。首先，利用管片拼装机固定好管片，防止脱落；然后按照先环向后纵向的方式拆除连接螺栓；待连接螺栓全部抽出后，利用拼装机拆除封顶块，拆除后检查盾尾刷与最后一环管片相互位置关系及有无渗漏水或泥沙情况。每拆除一块必须确保螺栓已全部抽出，才可进行该管片的拆卸。为防止作业过程中出现盾构机倒退现象的发生，拆除管片过程中及时在3 点、6 点及9点位置增加三道钢管支撑，并保证千斤顶顶紧受力。

图3 管片拆除图

2.5 盾尾刷刨除

1）管片拆除完成后，用铲刀将盾壳、油脂仓内附着的砂浆油脂等杂物清理干净。清理过程中，注意保持油脂注入孔的通畅。

2）切除作业及清理油污杂物前，用彩钢瓦或防火性材料将千斤顶伸出杆、拼装机油管、电缆等易损部分进行遮盖，避免电渣损坏设备等。

3）盾尾刷切除采用气刨法切除，切除时按照由上往下、由外而内的顺序，逐个取出旧的盾尾刷。切除完成后将盾尾刷位置杂物彻底清理干净，并保持干燥的作业环境。

4）焊接部位要与新的盾尾刷焊接部位相契合，打磨部位要留有足够的焊接面积，不得损伤盾体。

2.6 盾尾刷更换焊接

待旧盾尾刷刨除作业结束并清理完成后，开始实施新盾尾刷更换焊接作业。新盾尾刷采用点焊方式依次搭接安装，在最后1 块焊接时，尾刷稍宽，依据经过仔细量测后的尺寸切除，确保两块尾刷之间有足够搭接长度，并符合规范。

焊前先将坡口表面打磨平整，并且去除氧化皮、碳化物、油脂、水、油漆等对焊接有害的杂质，同时应根据焊接变形趋势准备足够的工艺支撑和卡板等用于定位。至少每隔500 mm 施加一条定位焊，定位焊的有效长度至少30 mm，不允许点焊。所有的焊接位置，每一焊道的宽度都不能超过15 mm，焊接方向为由下往上。采用多层多道焊，并且每一层的焊道左右交替进行，最后一道放在中间位置。

2.7 盾尾油脂涂抹

待盾尾刷全部焊接完成后，开始盾尾油脂涂抹工作，盾尾油脂采用Condat WR 90 型手涂油脂。涂抹时分层将钢丝刷拨开后填入油脂，保证每层油脂填塞饱满，避免掉落、漏涂，以此来确保盾尾密封性。油脂涂抹质量须经检验合格后进行管片拼装。

2.8 管片拼装

管片安装前应确保所有更换工作已完成并经检查合格，管片拼装按正常工序进行，拼装前检查管片防水材料的粘贴牢固、无破损，拼装并上紧螺栓后用千斤顶及时顶紧。

3 注意事项

1）为保证更换盾尾刷时施工安全，管片拆除作业应在双液浆注浆后凝固以后进行。

2）管片拆除属高危险性作业，工作人员禁止站在管片下方，拆除的每块管片必须保证拼装机抓举头抓紧抓牢，油缸支撑稳妥。

3）盾尾刷更换后，一定要在确认盾构千斤顶掌靴已经顶紧管片的情况下安装螺栓，螺栓一定要紧固，待螺栓安装完成后，才能将拼装机与管片慢慢脱离。管片拼装结束后，对由于人工涂抹不密实的盾尾刷凹槽处，采用盾尾油脂泵泵送盾尾密封油脂填充，并且达到油脂泵设定压力值后才能停止。

4）盾尾刷更换原则为拆除一块焊接一块，不得全部拆除后再焊接[2]。

5）采用气割或焊接时，注意两点：一是务必用阻燃材料包好焊接处及附近的油缸，以免将推进油缸活塞杆损伤；二是务必将油脂清理干净，避免出现燃烧现象引发火灾。

6）在拆除管片后，设专人对工作区域检查是否存在渗漏水现象。

4 结论

盾尾刷更换技术应用于本工程土洞富水砂卵石地层段，不仅取得了良好的盾尾密封效果，积累了丰富的经验，同时也为其他类似工程提供了借鉴依据。该技术减少了施工对环境的影响，未对地面沉降造成进一步的不良影响，响应了国家对环保方面的号召。