高承压水圆砾地层中洞内更换盾尾刷技术

何 磊

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222)

1 工程概况

杭州素以拥有江南水乡湿地而著称，地表水系发达，杭州机场快线5标西溪湿地站-3#风井区间位于西溪湿地生态保护区，园区分布大量的湿地河沟、水塘等，区间总长度2 747.5 m；区间隧顶最大埋深达40.7 m，为超深埋隧道，地下水压力较高；区间穿越多种地层，主要为淤泥、粉质粘土、粉细砂、圆砾、中风化泥质粉砂岩等，区间下穿粉细砂层和圆砾层长达300 m；盾构机经过R800 m、R500 m小半径曲线；区间采用两台铁建重工生产的土压平衡盾构机施工，从西溪湿地站始发后，下穿西溪湿地生态保护区，而后下穿紫金港隧道、登新公寓、杭州市十五中学教学楼等建筑物；盾构掘进需特别注意地表水与地下水的水力联系，盾尾刷漏浆和隧道管片变形，是该区间的风险质量控制难题，控制不当则极易造成建筑物沉降和隧道被淹埋等重大风险。

盾构隧道管片外径6.9 m，环宽1.5 m，管片分为“3+2+1”，即标准块B1、B2、B3，邻接块L1、L2，封顶块F。

2 盾尾刷密封原理

根据盾构机大小，盾尾一般设有3～5道盾尾刷，铁建重工生产的直径∅7 180 mm盾构机设计有3道盾尾刷。盾构掘进过程中，管片相对静止，盾体处于连续移动状态，盾尾和已拼装的管片之间存在相对移动，为了防止外部浆液和地下水、砂等进入盾壳内，必须对盾尾和管片间进行密封处理；盾尾一方面由盾尾内壁的3道钢丝刷完成密封，另一方面依靠充满整个油脂腔的油脂建立起压力进行密封[1]，注入到油脂腔内的油脂同时也可以起到润滑和保护钢丝刷、延长其使用寿命的作用。

3 盾尾渗漏原因分析

盾尾刷更换中发现损坏形式有：弹性钢板整片磨断掉落或失去弹性、钢丝刷大量磨损甚至局部脱落、盾尾刷间隙充满砂子和水泥浆硬块而失去密封效果。具体原因分析如下[2]：

3.1 盾尾油脂不足

盾构机始发前盾尾刷钢丝内油脂(WR90手涂型)涂抹不到位或者涂抹方法不正确，油脂只是抹到了表面，而没有完全塞入钢丝根部，不能确保钢丝全部粘上油脂，存在空隙；掘进过程中，盾尾油脂注入量不足或油脂质量差，容易挤出浪费，没有起到有效作用，导致盾尾刷密封效果达不到要求，严重时导致盾尾漏浆。选用优质的盾尾油脂，一般稠度针入度值须达到210～260，密度1.35～1.45 g/cm3，同时盾构掘进过程中盾尾油脂注入量要处于饱和状态。

3.2 盾尾刷质量问题

盾尾刷由众多独立细钢丝、弹簧钢片等构件组成，通过在盾构机盾尾壳体内环形多道布置从而形成整体柔性密封结构，如果盾尾刷质量存在缺陷、承受力不足，变形后难以恢复原状、钢丝容易磨损，则盾尾刷密封性能降低，在注浆和泥水压力较高的情况下易发生渗漏。

3.3 注浆压力过大

在埋深较深的高承压水地层中，例如埋深达到38 m时，地下水压则为3.8 bar，注浆压力须大于地下水压力，注浆方可进行，此时同步注浆压力能达到4.5～5.0 bar，盾尾刷承受的外界压力一般不宜超过6.0 bar，太大则容易击穿盾尾刷出现漏浆，故过程中需严格控制注浆压力及注浆量。

3.4 盾尾间隙过大或过小

盾构机掘进时姿态纠偏过急，盾构姿态出现“波浪线”现象，造成盾尾间隙单边过大或过小，间隙过大会造成盾尾漏浆，长时间间隙过小，油脂难以渗透容易挤坏盾尾刷、造成盾尾刷失去弹性而漏浆。盾尾间隙一般不小于45 mm(标准为75 mm)，故盾构姿态宜勤纠缓纠方式进行，基本要保持稳定。

3.5 管片上浮

在地下水较丰富地层中，管片浮力大于管片自重从而产生上浮，上浮后管片长期上部挤压盾尾上部，导致上部间隙小、下部间隙大，盾尾间隙不均匀，致使漏浆。另外，管片拼装前须将盾尾清理干净，防止泥渣进入尾刷内部，拼装管片时重视拼装质量等。

4 盾尾刷更换关键技术

盾尾刷更换工艺流程：停机准备→制作止水环→管片与推进千斤顶固定→油缸回缩，拆除管片→盾尾刷更换(若漏水可用快速水泥堵水)→加焊盾尾间隙支垫→拼装管片→顶推管片，与上一环距离10 mm→对孔，穿螺栓→顶推，新老管片对接，螺栓紧固→推进，钢条支撑脱出后割除。

4.1 停机准备

结合地表环境和地层情况，尽量选择地层相对较好、对地表环境影响较小的位置停机，停机时将土仓渣土留满仓，保实土压防止停机时间长出现掌子面塌方。

根据盾尾密封失效时盾尾渗漏水、漏浆的位置和渗漏量的大小来确定盾尾刷的损坏部位和损坏情况，从而确定所需更换盾尾刷的数量及需要的时间，进行合理安排。对隧道线路前方地质进行核实，期间需要对盾构姿态进行调整，尽量让盾尾间隙均匀分布。通过对拼装机、管片尺寸等的计算，确定出更换盾尾刷时千斤顶的推进行程，在满足了拼装、拆卸管片施工要求的同时，也确保施工的安全、质量及施工进度。

4.2 止水环制作

阻止盾壳后的地下水流入盾尾是更换盾尾刷的必要条件：一是提供有利的条件无水干扰；二是止水后地层稳定，防止突发涌水涌砂的风险。在高承压水地层中止水环制作比较困难，需要多种措施相结合：一是加大同步注浆量，二是在盾尾后3～4环进行二次注浆双液浆，三是在靠近盾尾后方进行聚氨酯加强止水[3-4]。

注水泥浆前利用同步注浆系统注入膨润土约4 m3，形成保护层，避免双液浆窜入盾壳外周把盾体抱住无法脱困。采用钠基膨润土，配合比膨润土∶水=1∶6，需膨化24 h后使用。

双液浆采用水泥+水玻璃浆液，配合比为：水玻璃∶水=1∶3(A液)，P.O42.5水泥∶水=1∶1(B液)，A∶B=1∶1，凝固时间约50 s,注入压力不大于0.5 MPa，注入量经验值约为整圈4孔4 m3。待双液浆初凝后通过管片开孔检查注浆效果，约12 h后，在盾尾后第3环位置用冲击钻开孔，观察是否初凝和来水大小，如果封堵效果不理想，则采用聚氨酯加强止水。

水溶性聚氨酯化学灌浆材料是由过量的多元异氰酸酯和多羟基化合物预先制成含有游离异氰酸基团的低聚的氨基甲酸预聚体，浆液灌入后，与渗漏水相遇发生化学反应，发泡生成多元网状封闭弹性体，特征是遇水后放出二氧化碳，产生二次渗压，一般能发泡体积达到15～20倍，从而达到防渗堵漏的目的。聚氨酯布孔方式以管片环向整圈布置，间距1 m布设，管片内侧周长为19.15 m，总计布设19个孔。把全部的孔钻好并装上小铝管和连接针头，孔径14 mm，采用4台小型注浆机同时快速注入，顺序为从下往上注入，同时打开注入孔上方相邻的孔当作观察孔，注入压力一般控制在0.3～0.5 MPa，以注饱满后聚氨酯将从观察孔挤出为控制量，此时可结束该孔注入，换下一个孔以同样的方式注入，直至整圈所有的孔注完。

采用ZY-1068聚氨酯高压注浆机，不需气压源，机身小巧，具有可双组分同时注入、搬动方便等特点。

4.3 工具、材料准备

为保证更换过程中工序的正常衔接，在停机前需将工具及材料提前准备，其中主要工具和材料包括气刨(500 kW直流电焊机)、CO2保护电焊机、∅5 mm的506焊条、新盾尾刷(每道需要盾尾刷约110块)、手涂盾尾油脂(WR90)等。

4.4 管片拆除

在盾构掘进到指定地方，即油缸伸长1 850 mm时，密封刷距管片1 230 mm。在该位置进行管片拆卸，管片拆卸过程中严禁管片下方站人，拼装机需保持完好状态；拆卸顺序由上到下，左右对称依次拆除其余管片；F块拆除时先拆除该块上的螺栓，再将拼装机扣住F块，最后收回F块相应油缸进行管片拆除(一般情况下F块选择不安装，用以预防管片拆除时盾尾刷箍死管片情况出现；即使安装F块，F块的点位优先选择11或1点上部的点位，方便拆除)；其余管片拆除方法与之相同[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道贴合在管片外侧，先将密封槽内的油脂与浆液清除，清理后检查盾尾刷是否损坏；将损坏的盾尾刷用刨除方式进行清除，严格控制刨除深度，以免伤害盾壳；刨除后不平整的地方使用砂轮机进行打磨，确保新盾尾刷安装时平整；盾尾刷焊接必须在同一侧进行搭接(瓦片式搭接)，且相邻盾尾刷之间焊缝不大于3 mm。现场工况如图1、图2所示。

图1 盾尾刷刨除和焊接 图2 更换的新盾尾刷

4.6 盾尾油脂抹塞

盾尾刷焊接完成并验收合格后，先检查油脂管路是否拥堵，然后手动涂抹油脂，以钢丝刷之间油脂饱满无遗漏为准，即要求每根钢丝刷都被油脂包裹，油脂选择硬质油脂(即WR90手涂型油脂)；涂抹时使用铁片撬开密封刷，分层次从根部开始涂抹，一般每道刷之间涂塞4层油脂，确保钢丝都粘上油脂。油脂抹塞好的盾尾刷如图3所示。

图3 盾尾油脂抹塞

4.7 管片二次拼装

安装管片顺序与正常拼装相同，根据上一环盾尾间隙来制作管片垫块，垫块一般采用钢板条且比实际间隙低8～10 mm，垫块的作用是确保二次拼装时管片与上一环圆心保持在同一直线；F块选择11点位或1点位。首先安装底部B2块，安装第1块管片尤为重要，为确保安装时与上一环管片螺栓孔对应，采用拉线定位；B2块管片定位后对其进行固定，最后拼装机脱离管片，保证管片不移动；接着安装B1块，根据相应位置盾尾间隙确定管片垫块的厚度及长度，放置后进行B1块调整，并连接B1、B2块螺栓；最后再次确认B1、B2块管片螺栓孔与上一环对应孔位的准确度；B3块与B1块安装方法相同，安装后在上部两侧环向位置处焊接L形挂钩，防止B3块管片栽头；按照同样方法安装L1、L2块，此时不需要加垫块。管片拼装顺序如图4所示。

图4 管片拼装顺序

当整环拼装完成后，割除L形挂钩，向后推移管片。推移管片需缓慢进行，过程中对管片进行观察，严格控制油缸行程同步，以便达到整环推移要求；在管片推移至距上环10 mm左右时进行螺栓连接，螺栓连接后将管片推到位，进行螺栓复紧工序。

管片拼装完成后不得立即推进，应采用盾尾油脂泵泵送油脂来填充人工涂抹不密实的间隙；处理完毕后掘进一环，将脱出盾尾的垫块割除，对盾壳焊渣进行打磨。

5 沉降监测

地表每隔30 m布设一个监测断面，断面之间每间距5 m布设一个监测点；在建筑物沿侧墙布设沉降监测点，每5 m布设一个监测点，沉降监测布点如图5所示。

图5 沉降监测布点

根据设计控制指标，沉降预警值和控制值如表1所示。

表1 沉降控制指标值

停机修复盾尾刷期间，土仓内用渣土保实土压，盾尾止水环施作完好，无明显渗水，地表沉降无明显变化，累计值在-3 mm以内。

6 风险控制措施

(1)为防止在更换盾尾刷的过程中长时间停机、盾尾工作面出现地下水汇集，引发地面沉降及盾尾渗水，必须提前做好止水环，同时可在盾构机中前盾径向孔上下左右采用浓厚膨润土浆，对盾体外侧空隙进行填充加强封闭。

(2)在更换盾尾刷的工作面准备注浆应急设备、棉被、海绵条、快速水泥、聚氨酯等应急材料，以预防盾尾出现渗漏情况。如果盾尾发生渗漏，应立即打开盾尾油脂泵向最后一道油脂腔渗漏处泵送盾尾油脂进行填充，应急人员应立即使用海绵条、棉被、快速水泥对渗漏处进行封堵。若常规措施无法完全封堵，应对渗漏处进行双液浆注浆封堵，防止由于泄漏过大造成风险进而引起地面沉降。

7 施工注意事项

(1)停机时需保证盾尾间隙的均匀分布。

(2)掘进施工中更换盾尾刷存在较高风险，一般只更换1道或2道盾尾刷，结合实际损坏情况和风险情况综合考虑。

(3)高承压水地层中，做好盾尾止水措施，进行地下水隔离，保证必要的施工条件。

(4)提前结合管片及拼装机行程计算油缸伸长量，避免无法安装及拆卸管片。

(5)管片拆除及二次拼装时需派专人监督，不能盲目施工，发现问题后及时处理。

(6)更换期间在工作区域放置足量的灭火器材，发现有着火趋势立即扑灭。

(7)刨除时注意相关防护措施，防止浓烟或增加空气流通措施。

8 结束语

施工期间在左线盾构机掘进到1.58 km时出现盾尾严重漏浆现象，采用上述措施停机检查更换2道盾尾刷后，穿越建筑物，更换后恢复正常，同步注浆不再渗漏，地面沉降也得到较好地控制，施工进度高效连续，涌水风险也得到较好控制，取得了良好的效果，为盾构机顺利穿越建筑物提供了必要条件。