盾构施工初期质量控制的研究和探讨

2024-03-11王之鑫王奇超

建筑机械化 2024年2期

王之鑫，王奇超

（中铁隧道局集团有限公司设备分公司，广东广州 511458）

随着我国交通强国战略实施的积极推进，迫切需要建设超大直径盾构隧道工程。大直径盾构隧道的应用越来越广，主要集中在公路隧道、铁路隧道、水利水电隧道等市场领域。地下工程建设施工和管理难度较大，长期面临着地质复杂多变、施工风险高、施工管控困难等挑战。项目管理不当将会造成严重的安全事故和经济损失。本文对设备现场管控要点及施工难点的应对措施进行汇总，为后续盾构施工提供借鉴。

1 设备简介及工程概况

盾构刀盘开挖直径15 010mm，具备常压换刀功能，刀盘转速范围为0～2.25r／min，最大推力是222 200kN，最大推进速度50mm／min，整机总功率8 668.2kW，整机总重约4 100t，整机总长130m，能承受最大工作水土压力6bar。

该盾构用于跨海隧道工程，盾构段长约2 930m，隧道内径为13.3m，设计为双向六车道。主要穿越地层为淤泥、淤泥质粉质黏土、粉细砂、砾砂、中粗砂、全风化花岗岩，部分地层有基岩凸起，凸出基岩为中风化花岗岩，基岩最大强度可达133MPa，基岩突起侵入长度约465m，基岩突起距离长，岩石强度高，对刀盘、刀具磨损大；最大突起高度约9m。穿越岩层单轴饱和抗压强度35.4～138MPa。不良地质现象主要为砂土液化，主要分布于浅部地层。隧道沿线分布有高灵敏度、高触变性、低强度的软土（淤泥、淤泥质粉质黏土），上部覆盖地层分布较为稳定，但中风化花岗岩岩面起伏较大。土体自稳能力较差，掘进过程中掌子面稳定性差；泥浆长时间冲冲刷易造成泥浆管壁磨损；易发生大量岩块在仓底堆积导致堵仓现象。保证盾构在孤石及基岩处理段正常、连续掘进是工程的难点。

2 盾构始发质量控制要点

2.1 盾构始发准备施工阶段管控

设备部门按照施工组织顺序，梳理盾构始发清单，制定具体事项、主要内容、主要控制标准及责任人，并按照标准进行始发前准备工作。始发前项目组织专业相关人员对设备进行始发状态评估。

验收主要内容为：延长洞门钢丝刷焊接是否连接且饱满；洞门密封油脂注入情况检查；盾构主机组装过程中建立问题清单，在调试过程中逐个销项，确保设备各系统运行正常；安排专人对盾尾刷焊接工作进行盯控，并逐一检查焊接质量，安装前打磨焊缝位置及两侧各20mm 位置，密封刷之间组装间隙不超过3mm，安装方式为鱼鳞状，整圈压制方向相同，焊接时不允许出现漏焊、夹焊、焊接不饱满等不良情况；盾尾手涂油脂饱满度检查，应连续不间断，可将油脂捏为团球状压入到钢丝刷底部，确保缝隙内填充密实均匀（图1）。常见问题有底部腔内油脂外表面沾染杂物，油脂被踩踏污染，部分油脂孔内未见油脂送出，部分位置出现明显断层、不饱满情况，部分腔体位置存在焊接支撑钢筋情况，存在暴力施工现象导致钢丝刷变形；检查气垫仓内穿仓管路法兰面错台情况，建仓前采用沥青布、密封胶和哈夫节重叠进行包裹防护（图2），连接螺栓采用8mm 盘条钢筋进行串联焊接，并进行保压试验。

图1 油脂捏为团球状

图2 穿仓管哈夫节防护

气泡舱门关闭前组织人员再次对仓内电气、管路连接情况进行复查并捆绑固定，仓内脚踏板及护栏固定情况检查，防止掉落至泥水仓堵塞破碎机；液位计、面板冲刷管路、破碎机油管接头位置可采用钢箱盒等焊接方式防护（图3），确保接头处不受冲击；可在泥水仓内焊接换刀吊耳，方便刀盘常规刀具更换及设备维修倒链挂设；全面检查上位机液位、压力、流量、计数、摄像头等显示检查。

图3 破碎机钢箱盒防护

盾构始发前，严格按照标准程序对刀盘常压换刀装置进行抽拔试验，对每一个刀筒的密封座进行开合、保压试验且合格（图4）；油脂注入压力、流量、频率核算检查；检查气泡仓、中心仓、人仓、物料仓、泥浆管路保压试验；泥水仓、气垫仓内管路接头设计与设备图纸对应标记，并留存照片影像及标号，方便后期分析仓内故障排查和维修；超前注浆孔、备用注浆孔及径向孔、水平加固孔填充盾尾油脂提前密封，防止盾体涌水；刀盘及主机吊耳割除及焊疤打磨情况检查，止浆板焊接、盾体焊缝探伤检测；进排浆密度计安装及调试并做好隔离防护措施；应急发电机试用情况。

图4 刀盘前部检查密封

加强对隐蔽部位以及不便检查等部位的检查验收，如刀盘螺纹保护帽安装情况，HWB 油脂溢出情况，泥浆门后部冲刷口堵塞情况检查，盾尾双液注浆功能适配及保压，气垫舱内盾体分块连接螺栓安装情况，备用盾尾油脂腔压力检测孔安装堵头情况，破碎机动作时油管渗油情况排查。

2.2 负环安装及盾构空推

1）确定主机姿态位置是否正确，防止出现“栽头”现象；负环安装时检查盾尾间隙钢垫条尺寸、数量、位置确定及安装固定牢靠；首环负环第一块管片借助底部推进油缸尺寸进行定位；负环管片内弧圆环、纵缝辅助连接固定。

2）负环管片顶推时推进油缸对称设置，顶推速度缓慢匀速，顶推位置安排专人进行复核并随时反馈至操作室，及时纠偏并逐步纠正，尽可能地保持负环管片的真圆度。负环管片下半圆外弧面支撑点位置、数量、间距设定，严控变形。

3）负环管片到达预定停止位置后，将负环管片端部一周用钢支撑底部端头板与负环管片端板焊接固定，另一端钢管与预埋钢板四角焊接固定并加焊三角筋板增强，负环与反力架支撑面紧贴。钢支撑焊接时应高度注意盾尾刷防护，附近尾刷上覆盖一层阻燃材料，防止焊渣掉进尾刷里。

4）盾构空推时检查始发导轨、拖车导轨、轮对巡视检查；空推速度缓慢匀速；洞门密封装置巡视检查；盾构拖车范围净空巡视检查；防栽头导轨检查。

3 盾构掘进管控机制

盾构在初始推进时，需进行各功能系统的带载试验，完善各功能系统并进行整合。盾构掘进施工主要管控内容包括：掘进参数、姿态管理、泥水循环及排渣情况、注浆管理、刀盘磨损检查、液位及仓压管理、主驱动油水和振动在线监测管理、日常巡视维护管理。

可建立信息化管理反馈机制，按照时间段、每环掘进情况、环出渣情况、施工情况、设备状况等进行反馈。主要反馈数据有刀盘转速、贯入度、扭矩、挤压力、总推力、总倾斜力矩、气垫仓与泥水仓压力、掘进前后盾构姿态、刀具情况、进排浆流量情况、油脂压力检测、油脂消耗情况、掌子面情况、盾壳摩擦力以及参数分析结论、管片拼装点位及最小油缸行程、开始与结束盾尾间隙、地质情况、暂停掘进故障分析及责任人、时间等信息。

在特殊地段掘进施工时根据当环参数分析、地质、刀具检测分析情况，对下环掘进参数进行优化，当刀盘转速、推进速度、刀具贯入度等重要掘进参数需要调整时，需上报管理层，提出参数优化指导性意见后再实施，确保每环掘进安全。

4 盾构施工难点及应对措施

4.1 管片上浮

该项目前期属于粉质黏土、淤泥质粉质黏土地层，管片受到的浮力大于管片自重，且受同步注浆影响，浆液凝结时间较慢，过多注入同步浆液会使管片受到水土和浆液的浮力作用而产生上浮现象。总推力过大、掘进速度过快、仓压设置不合理也会引起管片上浮。上浮过大会导致管片环间产生错台及裂纹情况，从而导致管片渗水。

应对措施有：①砂浆坍落度控制在100～120mm，降低砂浆的流动性（图5）；②增加上半部注浆量，顶部注浆量最大，中部中等，底部最少原则；③砂浆注入方式调整为以上部注浆为主，给管片一定的压力来降低上浮趋势；④盾构姿态低于设计轴线60～70mm 掘进，抵消管片上浮量，保证成型隧道与设计轴线相重合；⑤盾尾增加配重，掘进前喂片机满载管片并在盾尾底部增加管片，掘进期间拼装机吸附1 块管片，同时在拼装机横梁位置放置物品进行压重（图6）；⑥进行盾尾双液注浆，双液浆凝结时间较快，注入方量视情况进行优化。

图5 调整砂浆坍落度

图6 拖车增加配重

4.2 管片拼装

管片拼装是隧道建设质量控制的关键工序，管片拼装质量的好坏直接影响隧道结构的使用功能和安全。

1）盾尾清理管片拼装前需将盾尾管片安装区域的杂物、泥浆、污水等清理干净，由当班工程师验收并记录，确保安装区与管片相接面清洁。

2）拼装机吸附能力试验每环管片拼装前，维保工程师需进行安装吸附管片试验，确保真空泵断电20min，真空度保持在80%以上；真空吸盘工作腔的探针传感器和小盘伸缩油缸的接近开关为联合状态，系统根据接近开关的触发信号来自动识别吸附的是标准块还是K 块，其中一个接近开关出现问题将会出现无法识别的情况（图7），导致管片吸起来后无法释放的情况，电气值班人员应每天排查并采取一定的防护措施，确保真空吸盘各功能正常运行。