泥水盾构冷冻法尾刷更换技术

邹冠尧

(广州轨道交通建设监理有限公司，广东 广州 412000)

1 工程概况

某地铁区间隧道纵断面最大坡度为27‰，盾构隧道结构形式为拼装式钢筋混凝土预制管片，结构断面为圆形，管片外径为6 700 mm，管片内径为6 000 mm、厚度为350 mm、环宽为1 500 mm，每环分作6块，2个连接块，3个标准块，1个封顶块。采用1台φ6 980 mm泥水平衡盾构机进行掘进施工。

尾刷更换位置从地面至隧道底部依次为①-1素填土(5 m),②-1B淤泥质土(20.4 m),②-5淤泥质土(6.3 m)，隧底1.8 m为③-4圆砾层(如图1所示)。隧道范围内整体为软土地质，透水性弱。

2 盾尾刷设计

隧道底部水土压力最大会达到4.76 bar，富水砂层中，水土液化严重，易发生涌水涌砂，为了能够有效的阻止地下水、土砂及壁后注浆材料等进入管片以及主体盾构壳体之间的间隙当中，将盾尾刷增加为4排，前两排位数采用180 mm长的盾尾刷(如图2所示)，并且为防止盾尾姿态引起管片间隙变化的密封性，增加后保加强板，提高盾尾刷对管片的贴合力，同时更改后油脂腔由2个变为3个，其中第1道为可更换式[1-3]。

3 工程情况

3.1 尾刷渗漏

某工程掘进至261环时，盾尾12号～13号油缸位置(9点钟)出现漏浆。经分析，漏浆成分主要为同步注入砂浆，同时夹杂少量粉细砂，漏浆量约为1 m2(如图3所示)。

3.2 盾尾渗漏原因分析

1)同步注浆。

保证地面沉降在10 mm以内，增加盾构机掘进同步注浆量；根据图4显示，该段同步注浆量均保持在9 m3左右，为理论注浆量4.84 m3的1.86倍左右。

随着同步注浆量的提高，盾构机同步注浆压力较正常掘进阶段(0.65 MPa左右)有明显上升；同步注浆压力及同步注浆量的增加，导致部分浆液进入盾尾油脂腔中，进一步影响，也导致674环盾尾有砂浆泄露。根据以上情况，考虑到盾构机已经完成下穿高压燃气管线，并将沉降控制在6 mm左右，决定将同步注浆量恢复到正常水平(如图5所示)。

2)盾尾油脂注入。

为提高盾尾油脂利用效率，在保证盾构机安全的前提下，盾构掘进施工适当控制了盾尾油脂的用量。但由于盾构机油脂注入孔的布局存在一定的空白，6号油脂孔与7号油脂孔之间距离长达4.1 m，该范围(12号～14号油缸)内盾尾油脂压力不足，无法得到足够补充(如图6所示)；同时随着下穿燃气管线段同步注浆量的提高，砂浆进入油脂腔，进一步导致油脂无法有效填充12号～14号油缸区域，盾尾刷存在薄弱环节，影响了盾尾的整体密封性[4-6]。

3)地层影响。

盾构机在砂层中已累计掘进644环，掘进长度达1 000余米，其中圆砾地层近600 m且埋深超过25 m。长时间在砂层中掘进，由于地层特性，盾尾刷长时间在高水压环境下作业，部分地层颗粒会进入到盾尾，对盾尾刷造成进一步的损害。

4)其他因素。

a.线型：盾构机当前处于R=650 m的缓和右转曲线中，盾构机左侧盾尾间隙较小，尾刷受到挤压。

b.管片：近期多次拼装钢管片，以及混凝土管片背面处理等问题，对尾刷存在一定程度的损伤。

4 冷冻法换尾刷

选择了以水、盐为主的循环冷却器作为冷却介质，冻结盾体的两边土壤，并在冻土帷幕的掩护下，更换盾构机的第一个盾尾刷。它的建造过程的中心步骤在下面的图7中展示。

4.1 止水工艺流程

1)盾体A环注聚氨酯、第N-3环注聚氨酯。

停机后进行盾构机周围止水工作，在第N-2环和盾体径向孔位置采用聚氨酯进行止水环施工，注入顺序为先注盾体径向孔，后注第N-2环，每个位置的注入顺序按照先下部后上部对称注入。

为有效的封堵后方注浆空间到盾尾的通道，防止注浆体裹住盾构机盾尾外壁或者填充盾尾间隙，影响到盾构机的脱困和掘进，需对N-3环的径向预留孔注入聚氨酯，使得其与管片周围的地下水反应，并填充盾尾管片和最后一道盾尾刷外的空隙，形成一个隔离带，既能起到阻水作用，也可以防止后方注入的双液浆渗入前方盾尾刷和盾构机盾尾外壁，同时可以起到保护盾尾刷的作用。在第N-7环～第N-3环采用注入双液浆进行止水环施工，注入顺序为先两端后中间、先下部后上部对称注入(如图8所示)。

2)二次注浆及止水效果检测。

在注入聚氨酯后，对其后的N-4～N-7共4环管片的二次注浆孔和增加的预留孔进行双液浆注浆。按照从下到上，先两端后中间的顺序注入双液浆(采用水玻璃-水泥双液浆，水泥浆水灰比为1∶1(质量比)，水泥浆∶水玻璃为5∶1(体积比))，形成止水环以及一定强度的加固体，以确保盾尾刷更换的安全。

在上述工作完成以后，且二次注浆结束间隔12 h后，对注浆效果进行检测，打开第N-3环的球阀，观察是否有稀浆流出，若无稀浆流出，则止水工作完成；若存在渗水现象，随即对渗水区域预留孔补注聚氨酯，确保所有检测孔无渗水才能进行管片拆除和该区域盾尾刷更换[7-10]。

4.2 冻结施工工艺流程

1)冷冻控制体系的结构。

该制冷方案是将冻管组的钢管作为一个整体进行制冷机和地质结构进行换热器，冻结管焊接在钢管片内侧，每个管件内部的冻管都分开并预留接头，在装配完成后；利用预先埋置的接头，可以按照要求将冻管与管片圆周相连(见图9)。

2)冷冻土体温度监测。

为了监测冷冻壁的扩展情况以及冻结壁是否达到设计温度。如图9所示在每块管片(除K块)第2号、3号管路之间都插入了温度计。在冷冻钢管片的背板上预留了孔，而后将一端开口一端闭口的小直径(D=25 mm)无缝钢管打入土体800 mm深，再将温度计插入钢管中。具体如图10，图11所示。

3)冷冻机选择。

冻结站需冷量的计算：

Q=S×109=3 440 kcal/h。

其中，Q为需冷量；S为管片表面积。

根据计算，Q=3.14×6.7×1.5×109=3 440 kcal/h。

冷藏工位置于隧道建设中的冻管后方，冷却器为TBSD-510.1 FJ型水冷、冷却螺杆冷却器(额定制冷容量11.27×104kcal/h)1个。

4)冻结系统辅助设备。

a.使用ISW200-400(A)型盐水循环泵，其单相流量为243 m/h，电动机功率37 kW，扬程38 m。

b.利用隧道内的盾构机本身的循环水进行冷却循环。

c.采用φ159×5 mm的钢管作为盐水干管和集配液管。

5)积极冻结。

在主动冻结2 d后，海水的水温降到-28 ℃以下，并将其流向与回程的卤水温差限制在2 ℃以下，如果盐水的水温和含水量不符合要求，就需要延长冻结时间。

冷冻体壁厚度为300 mm，外部平均气温为-12 ℃；冻土的生长速率是25 mm/d～35 mm/d，同时还需要考虑到各种原因，比如冻土的发育不均等，如果要形成冻土，那么在10 d左右的时间内，就需要进行有效的冻结。为了保证冻土封冻的稳定，在冻土工程中，必须根据现场的实测资料，全面、详细地对冻土的影响进行全面的、详细的研究；而且在相对薄弱的地方，查询孔洞可以探测到具体的冰冻作用。根据具体的条件，决定主动停机时间。

在主动冻结的时候，要根据测试的数据来确定冻土帷幕是否符合设计的厚度，然后再根据测试的结果来确定冻结帷幕是否符合预定的厚度，然后再通过钢管片预留孔打探孔，在确认了冻结帷幕质量后，再进行更换盾尾刷。

6)解冻及溶沉。

在卸载完毕后，必须迅速地继续挖掘。在开挖之前，需要对掘进器尾部护套周围的冻土进行解冻。也就是在此管线中导入开水，采用电采暖方式进行热水循环解冻；为了防止冻土体的溶沉化，应按预留的孔洞进行注浆。

7)冻结温度场监测及盾尾刷更换。

采用智能制冷控制技术实现了温度场的实时监测。该资料来源是由一根内置的温度传感器(0.1 ℃)的无缝管插入到该温度测定孔径0.8 m处而得到的，并将该资料传送给该探测装置。在冻结期间，将各个检查井的资料进行汇总和记录，分析冻管的发展状况。当资料满足上述要求时，进行岩心的测定。在确认了主动冻结完成后，进行了养护后的养护工作。

5 存在问题及解决办法

1)拆管片时K块难拆、损坏。冷冻后K块管片难以拆除，可能会造成K块管片损坏，而且由于冷冻机组的阻挡，管片进场运输到拼装区非常困难。应在冷冻站组装前先行准备一块K块管片在拼装区备用(如图12所示)。

2)钢管片冷冻管设置存在薄弱区、焊接方式传冷效果差。按照既有的管路，由于冻结管在每块管片端头处提前外伸，并未顶到管片边缘，对于整个冻结壁在钢管片接缝处可能会存在薄弱点。应设置盲管，保证沿圆周冻结壁没有薄弱点。冻结管与钢管片之间的接触面较小，传热效率低，影响传冷效果，会导致积极冻结时间延长(如图12所示)。

6 结论

本文论述了在富水、粉砂岩地层中，更换盾构机尾刷的工艺特点，探讨了尾刷更换的施工方法，保证了其顺利进行，并得到了相关的结论：

1)由于盾尾刷拆除具有较大的工程风险，因此在进行施工前，必须制定详细的施工计划和应急预案，控制好整个工程的各个环节，并采取相应的安全和紧急措施。

2)在拆下管片之前，必须保证盾壳和盾尾达到预期的止水率，并严格核对确认后，才可以实施管片拆除。

3)选择合适的停机位置是确保尾刷顺利更换的必要条件。如果出现泄漏，必须立即采取紧急方案，采取堵塞的方法进行泄漏，在危险得到控制的情况下，再进行处理。