大直径泥水盾构盾尾密封失效原因及应对措施

姚印彬 邵振新 李龙辉 徐兆凯

(1.中铁十四局大盾构工程有限公司杭州下沙项目部，浙江 杭州 310018；2.中铁十四局大盾构工程有限公司常德沅江隧道项目部,湖南 常德 415000)

1 概述

大直径泥水盾构在长距离、高压水、尤其是复杂地层中施工时，盾尾密封性能直接关系到施工的效率和安全，一旦盾尾密封失效，将出现漏水、漏浆[1-3]等情况，直接导致盾构无法正常掘进，严重时出现管片失稳，隧道出现坍塌。由于盾尾密封空间主要由盾尾刷和盾尾腔室组成，这就要求盾构机在生产制造期间、工地组装期间、掘进施工期间，做好盾尾的制造、盾尾刷的选型、盾尾间隙的设计和掘进参数控制等[4]。目前国内大直径泥水盾构机设计时，为提高盾尾密封止水性，盾尾密封一般安装4道盾尾刷及1道钢板束[5]。国内已建设完成的南京长江隧道、武汉地铁8号线越江隧道、南京地铁10号线越江隧道、苏通GIL综合管廊等4个大直径泥水盾构隧道工程所采用的盾尾密封系统均由3道～4道钢盾尾刷和1道钢板束组成，其水土压力范围为0.65 MPa～0.94 MPa。所以在长距离、高水压、大直径泥水隧道施工过程中，盾构机盾尾配置4道钢丝刷密封和1道钢板束密封满足施工需求。盾尾密封设计情况如表1所示。盾尾间隙的设计要和隧道的设计轴线、转弯半径、管片的楔形量相契合[6]，国内大直径泥水盾构机盾尾间隙设计一般为65 mm～85 mm，如表2所示。

表2 大直径泥水盾构盾尾间隙设计

2 盾尾密封影响因素分析

大直径泥水盾构在长距离、高压水，尤其是复杂地层施工过程中，盾尾密封失效出现泄漏的发展过程是按照“漏清水—浑水—泥浆—砂浆”的顺序逐步发展恶化的。盾尾密封性主要影响因素[7]有：设计与制造、现场组装期间以及盾构掘进施工期间三部分。

2.1 设计与制造

盾构机设计制造期间，盾尾的间隙设计不满足隧道施工，尤其是在小转弯隧道施工盾尾左右间隙难以控制，极易出现单侧间隙过小，盾尾刷前部保护板出现磨损或者挤压断裂等；盾尾制造期间由于需要同时预埋注浆管路，可能会造成盾尾油脂[8]注入孔分布不均匀，后期在掘进施工过程中，部分位置油脂注入量过小，将会出现盾尾刷磨损；盾尾钢结构薄弱，夹层位置未增加肋板进行加固，掘进施工过程中一旦遭遇基岩突起极易出现盾尾变形[9]，将导致盾尾泄露。

2.2 现场组装

1)始发时盾尾的圆度。新造盾构机一般会经过陆运、水运至隧道施工场地，到组装完成，盾尾一般经过3次以上倒运吊装，组装完成后会发生不同程度的形变(盾尾圆度误差允许3 cm以内)，导致盾尾间隙不均匀，变形点会形成盾尾密封薄弱点。

2)盾尾刷的质量及安装工艺。盾尾刷主要由保护板、钢丝刷、压紧板、基座板四部分组成[10]，如图1所示，由于盾构施工环境复杂，所以对盾尾刷各部分的设计尺寸、基础材质、制作工艺等都会有严格的要求，当其中一项或几项达不到要求时，盾尾密封效果将直接受到影响。

3)钢板束及止浆板的选择。钢板束及止浆板主要为螺栓式连接，安装时的搭接顺序，接头个数及位置是否达到标准，若钢板束的厚度及选型过于薄弱，在盾构同步注浆、二次注浆时浆液会流窜到最后一道密封油脂腔内，造成盾尾刷的损坏。

2.3 盾构掘进施工期间

1)管片拼装质量。管片拼装时，会不可避免的产生一些错台，导致成环管片的外弧面不平整，将会加剧盾尾刷磨损、变形，也同时消耗更多油脂，极易出现盾尾渗透现象。

2)姿态控制。隧道设计轴线中含有小曲率转弯段，大坡度段等，并且地层中含砂率较高，固结效果差。在该线路掘进时，盾构姿态较难控制，对应盾尾间隙也较差[12]。若盾尾间隙过小，就会对盾构刷造成永久性损坏。

3)油脂注入量。盾尾油脂的注入量是盾尾密封的保证，在正常掘进过程中，要保证油脂注入量足够，并且保证均匀，饱满。掘进速度较快，但油脂注入量较少，就会导致砂浆及外部的泥沙进入油脂腔，影响密封效果，也会对盾尾刷造成磨损。一旦盾尾油脂注入量不足，极易发生大面积的水及泥沙进入盾尾，对盾尾刷造成永久性的损伤。

4)盾尾清理。在管片拼装过程中，下部的盾尾一般会有一些泥沙等垃圾，在清理不到位的时候，会使盾尾的部分泥沙随着推进进入油脂腔，对盾尾刷造成损坏。

3 盾尾密封控制措施

3.1 设计与制造阶段控制

厂家在盾构机设计和制造阶段，要充分考虑隧道转弯半径，盾尾间隙控制在65 mm～85 mm，使盾尾油脂注入孔均匀分布于盾尾四周。

3.2 工地组装调试期间的控制

1)盾尾调圆。

盾构机盾尾拼装完成后，必须进行盾尾圆度测量，必须在误差范围以内才能进行焊接，如果超出误差范围必须进行重新调圆，符合标准后再进行焊接，避免后期盾尾间隙偏差过大无法调整。

2)盾尾刷的质量及安装工艺控制。

在盾尾刷进场后进行检查核验，看看在同样的条件下，其弹性形变、塑性形变的程度，进一步确定其质量优劣情况。

3)钢板束焊接质量控制。

安装焊接盾尾刷时，每块盾尾刷的钢板向同一方向进行搭接，只保留一个接头，相邻两道盾尾刷的接头远离且都避免出现在盾尾底部。尾刷前后满焊，焊脚高度10 mm，确保焊缝整齐，无夹渣、气孔及裂纹。

3.3 掘进施工期间的控制

3.3.1管片拼装控制

管片拼装前，先利用压缩空气对管片进行清理，确保密封条附近无污染物。拼装时，先进行管片粗定位，需注意正在拼装的管片与拼装好的管片之间保留一定的间隙(环向间隙大于3 cm，纵向间隙大于3 cm)，以防调整过程中损坏止水条或磕碰管片。再通过拼装机微调装置来调整已经粗定位的管片进行精确定位。

在千斤顶完全压紧管片后，对管片拼装情况进行测量复核，具体要求如表3所示。整环管片拼装完成后必须及时对管片进行复紧。

3.3.2盾构机姿态控制

盾构姿态反映了实际推进线路与设计轴线的偏差,当盾构姿态超限时，通常可以直接调整分区千斤顶压力来进行纠偏，或利用合理的管片型号和正确的拼装点位纠偏，当超限严重时可以采用开启超挖刀、单侧加大注浆量等来进行纠偏。姿态偏差较小时，严禁对姿态进行急纠猛纠，避免出现蛇形曲线。

表3 管片拼装允许误差表

3.3.3油脂选择及注入控制

目前大直径盾构主要使用的油脂多为进口的油脂，种类较多，实际使用时需要依据地层条件进行油脂选择，要对进场的油脂进行检查，选取样品油脂进行泵送性、抗水冲刷性、环保性等试验，防止每个批次油脂的配方调整而影响盾构的安全施工，必要时，可沟通油脂厂家针对本项目地层的特点调整配方，满足施工需求。

3.3.4其他控制措施

对管片进场进行检查，缺角、开裂等问题管片进行修补或替换。另外盾构掘进施工过程中对推进阀组进行定期维护保养，避免推进油缸出现持续泄压的情况。

4 结语

本文结合目前已施工完成的一些大直径隧道项目，分析了导致盾尾密封失效的原因，总结了相应的控制措施，得到了如下结论：

1)大直径泥水盾构盾尾密封失效的影响因素主要为设计与制造期间、现场组装期间、盾构掘进施工期间三个方面。这些影响因素中既有盾构机本身的结构误差(如盾尾钢结构薄弱、盾尾刷质量等)、施工时的误差(盾尾圆度、盾尾间隙、盾尾清理、姿态控制等)，也有因为盾构材料的使用造成的影响(盾尾密封油脂等)。

2)针对导致盾尾密封失效的因素，应从盾构生产到进场拼装，从掘进参数到油脂质量把控等多个方面采取具体的控制措施，以保证盾尾密封安全。为以后大直径泥水盾构隧道项目施工提供参考和借鉴。