土压平衡盾构机掘进中更换盾尾刷施工的技术

尤智轩

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 100026）

0 引言

盾构机长时间运行或由于施工质量控制工作不到位，使由盾尾密封刷形成的腔体有浆液进入，这些浆液在固化后会使密封刷严重磨损，最终使整个盾尾的密封功能失效。为使盾构正常推进，需及时更换损坏的盾尾刷。在某地铁工程3 号线盾构施工中，由于盾构尾部的密封刷损坏而产生渗漏，对盾构掘进造成了很大影响。

1 工程概况

某地铁工程3 号线左右线长分别为1028.985 m、1055.705 m，施工由2 台土压平衡盾构机完成，将隧道左线掘进到465 环后，因盾尾刷严重磨损，产生漏水与漏浆，注浆时的浆液损失数量可以达到50%，同时盾尾发生涌水，此时最先采取的措施是增加盾尾油实际注入量，从每桶4～6 环增加至每桶1～2 环，但状况并没有明显改观。根据上述现象可判断盾构机的盾尾刷已经完全损坏，必须立即更换。现围绕该地铁隧道工程实际情况，对其盾尾刷的更换技术做如下深入分析。

2 更换方法

在确定具体的盾尾刷更换方案之前，要先掌握该工程所用盾构机的类型及特点，这是保证所选择的盾尾刷更换方法合理性与有效性的重要前提，必须引起技术人员的重视，否则所选盾尾刷更换方式与实际情况不符，不仅无法达到预期的目的，还会引起其它问题，造成不必要的损失[1]。

该工程施工所用土压平衡盾构机的工作原理为利用钢质组件在隧道的设计轴线上对土体进行开挖，不断向前推进，属于典型的封闭式盾构。盾构另一个重要的作用，即可以承受来自于地层上的压力，避免受到流砂及地下水的侵袭。隧道工程盾构法施工原理为在隧道的衬砌结构建成之前，起到必要的防护作用，为隧道中的机械与人员提供安全保护。在土压平衡盾构机持续推进过程中，前端刀盘通过旋转对地层土体进行切削，经切削产生的土体被回收至土舱内。待土舱被土体填满后，被动土压和切削面压力保持平衡，以此使整个盾构面和切削面始终处在相对平衡的状态，也就是稳定状态[2]。

在盾构掘进过程中对盾尾刷进行更换，首先要解决因盾尾刷被破坏而产生的漏水和漏浆现象；其次是在穿过江河之前，检修一次盾尾刷，避免盾尾产生漏水和漏浆。伴随我国各类隧道工程的持续增多，不同施工单位会以盾构机的类型及地质条件等因素，在盾构掘进过程中对不同的盾尾刷更换方法予以尝试，已经有很多成功的案例，总体上，更换方法主要有下列2 种：

方法1：盾构拼装机采用较大的行程，借助管片拼装机对管片进行拆除，然后更换损坏的盾尾刷。该方法因拆除了管片，且盾尾处仅有一个密封刷，所以如果盾尾处的止水出现异常，将无法立即封堵，存在很大风险。此外，这一方法因拆除管片，所以在更换盾尾刷时，盾构机会出现一定程度的后退，即便增加临时支撑，其断面也很小，无法保护管片，使其被损坏[3]。

方法2：盾构拼装机采用较小的行程，通过延长千斤顶的行程来实现向前推进，使前两道盾尾刷露出，然后对其进行更换。该方法虽然也会设置临时支撑，但同样由于其断面较小而无法避免管片损坏。同时，对盾尾刷进行更换时，盾构机也无法避免发生后退，如果盾尾止水不正常，未能立即封堵，将产生很大的风险。

根据施工所用盾构机的特点，结合隧道实际情况，最大限度利用所有施工机械，把隔离管片环持续推进至拼装缝处在第2和第3 道盾尾刷之间，之后借助上一环管片及其吊装孔向下一道盾尾刷的尾部持续注入浆液以止水，再于隔离管片环中设置支撑，由千斤顶拉回隔离管片环，使第1 和第2 道盾尾刷全部露出，以此在无水的条件下对第1 和第2 道盾尾刷实施更换[4]。

3 施工工艺

盾尾刷更换施工严格按照以下工艺流程进行：首先做好各项施工准备工作；然后进行管片分离；完成分离后，对露出的盾尾刷进行检查，并根据检查结果更换损坏的盾尾刷；最后进行管片对接，恢复正常掘进。

3.1 施工准备工作

在盾尾刷更换施工开始前，应先认真做好下列各项准备工作：①对盾构机的姿态进行调整，使盾尾的间隙达到良好状态，然后对调整环管片进行调整，在拼装好后将其推出，直到千斤顶达到最大行程；②向刀盘的前方及盾尾处持续灌注膨润土浆液，并做好停机之前的各项准备工作，避免在后方注浆过程中，浆液将盾体完全包裹或进入到刀盘所在范围内，对盾构机的恢复造成不利影响[5]；③在盾构尾部壳体上的水平腰线处，向下均匀布置不少于5 块垫铁，以此避免在推拉管片时产生太大的摩擦力；④完成以上各项工作后，对隔离管片进行拼装；⑤待拼装好隔离管片后，将其推出，并将拼装缝推进到第2 和第3 道盾尾刷之间；⑥在调整环的一周通过注浆封堵，保证第3 道盾尾刷实际止水效果，同时对后部管片实施二次注浆以加强，有效控制和避免地表沉降；⑦为避免推拉管片时管片产生太大的形状变化，需在分离管片之前在吊装螺栓间进行支撑型钢的焊接，以此形成完整的支撑结构，保证隔离管片始终保持良好椭圆度；⑧施工中应切实加强监测与巡视，务必做好盾构机长期停机、隧道涌水及地面沉降等方面的应急准备工作，以灵活应对突发情况，避免造成不必要的损失[6]。

3.2 管片分离

完成以上准备工作并检查确认合格后，开始分离管片：①在上、下、左、右四个方向分别选择1 个伸缩速度完全相同的千斤顶，使用长度一致的钢丝绳从管片环中的螺栓孔穿过，以此把管片环牢靠地固定在千斤顶上，在钢丝绳的两端，使用卡环进行连接和固定；②对隔离和调整环管片的连接螺栓进行拆除，然后缓慢且均匀地把隔离管片环拉到第1 道盾尾刷完全露出；③在实际的分离管片过程中，应随时检查管片环间隙是否均匀，以免偏转后由于受力不均导致管片损坏[7]。

3.3 盾尾刷检查和更换

完成以上管片分离后，开始检查露出的盾尾刷，并进行必要的清理。当检查发现盾尾刷磨损情况比较严重时，应立即切除并更换。完成盾尾刷的更换后，均匀涂抹一层油脂。

3.4 管片对接和施工恢复

将损坏的盾尾刷更换完成后，向后方推进隔离管片环，直到能和调整管片环相连，在实际的推进过程中应使用下方、左方和右方的千斤顶，而上部千斤顶要跟随管片持续前进，如果上部剐蹭壳体，要通过加力来保证稳定性[8]。在实际的推进过程中，每当移动距离达到200 mm，都要测量前方和后方的螺栓孔是否对准；若前后方管片之间的距离为100 mm，则穿上连接螺栓，然后把管片顶进至安装处，若存在少量误差，则可使用锤子轻打螺栓，然后将螺栓拧紧，完成对管片的安装。将之前在管片环中设置的支撑型钢拆除，使盾构机恢复掘进。

完成掘进恢复后，应立即进行全面检查，经全面检查确认合格后，才可以正式恢复掘进，未经检查或与检查结果不合格都不允许恢复掘进，否则在之后的掘进过程中将产生问题。

4 盾构刷保护

在盾构机掘进过程中采取有效措施保护盾构刷，能有效避免盾构刷损坏，从而省去盾构刷更换需要的人力物力。根据以往工程经验，可采用以下3 种措施来保护盾尾刷：

4.1 同步注浆

施工中要对同步注浆所用浆液的配比进行严格控制，使其保持足够的强度，包括早期强度与后期强度。通过及时有效的同步注浆，能使隧道衬砌始终保持稳定。另外要保证注浆压力，如果注浆时注浆压力突然升高，需在查明产生原因的基础上做出适当调整[9]。

4.2 盾尾油脂

使用质量优良的盾尾油脂，以保证盾尾刷实际密封效果，并根据盾构实际情况调整油脂泵的注入率，确保盾尾油脂注入率和盾构掘进的速度相匹配。

4.3 严格控制盾构机的姿态

如果在盾构机掘进过程中过度调整其姿态，将使盾构机的推进呈现蛇形，而非理想的直线形，这样会使盾尾间隙不均匀，在间隙相对较大的一侧将产生漏浆，而在间隙相对较小的一侧将由于受到较大的加压而发生弹性变形，导致盾尾刷失去应有的密封功能。基于此，盾构掘进时对其姿态的调整必须使用科学合理的纠偏方法，以尽可能使盾尾处的间隙保持一致[10]。另外，K块所在位置是否合理也会影响盾尾的间隙，从而影响盾尾刷状态，施工中同样要引起相关技术人员的高度重视。

5 结束语

该工程完成对盾尾刷的更换后，其油脂注入压力从之前的0.25 MPa 变为0.50 MPa，而且没有油脂被挤出的情况，同时，盾尾处的注浆压力也从之前的0.05 MPa 变为0.25 MPa，而且没有漏浆的问题，说明对盾尾刷进行更换能有效解决漏浆。根据地面沉降实时观测结果可知，伴随注浆压力不断提高，盾尾处的实际注浆量持续提高，填补了盾尾在退出后产生的空间，有效控制了沉降。可见，该工程所用盾尾刷更换技术合理可行，值得类似工程参考借鉴，以此有效提高土压平衡盾构机盾尾刷更换技术水平。