地铁盾构洞内盾尾刷更换技术研究

李红岩

（徐州地铁集团有限公司，江苏 徐州 221000）

1 引言

洞内盾尾刷更换是在盾构掘进期间， 因盾尾刷损坏失效导致盾尾出现严重的渗漏，为保障盾构掘进安全顺利进行，不得不对损毁的盾尾刷进行更换[1]。 近年来，随着国内盾构机技术的发展，越来越多的地下工程采用盾构法进行隧道施工，因此，盾构机在掘进时盾尾刷损毁的次数也不断增加。 在盾构掘进过程中，特别是在软弱复杂地层中，洞内更换盾尾刷存在极大安全风险[2]，因此，洞内盾尾刷更换技术也是目前国内盾尾刷更换的研究重点所在。 结合地质特点及盾构施工情况，宜选择相对稳定的地层进行盾尾刷更换[3]，精准施作止水环，进行小注浆，可实现洞内安全快速更换盾尾刷。

2 工程概况

徐州地铁6 号线一期工程市行政中心～紫金路站区间隧道覆土厚度为11.5～19.3 m， 隧道一般掘进段主要穿越黏土层、含砂姜黏土层、砂质粉土层、砂质粉土层、黏土层。

市紫盾构区间施工过程中， 在第185 环、192 环、373 环、421 环的7 点位、4 点位出现了盾尾间隙少量漏浆的情况，通过分析排查，发现盾尾刷出现部分损坏，密封作用失效。 经调查论证后，决定在盾构机掘进至470 环处时，对盾构机的第一道盾尾刷进行检查更换。更换盾尾刷周边土层②-3a-3 黏土主要特性为：灰～灰黄色，无摇振反应，有光泽，干强度高，韧性高。⑤-3a-4c 含砂浆黏土主要特性为：黄褐～棕黄色，硬塑，切面粗糙，含铁锰结核，含较多钙质结核（砂浆），粒径为0.5～4 cm，部分粒径可达12 cm，含量约15%～30%，局部钙质结核富集。

3 土压平衡盾构盾尾刷更换施工技术

3.1 盾尾刷损坏原因及处理方式

3.1.1 原因分析

盾尾刷自身问题：（1）底部盾尾刷磨损严重，止浆效果缺失；（2）混凝土碎块掉入盾尾间隙导致底部部分盾尾刷被破坏。

盾构机操作问题：（2）盾尾油脂注入不连续，且盾尾刷内存在流通通道；（2）掘进过程中同步注浆压力过大；（3）盾构司机预先调节盾尾间隙为联络通道做准备， 导致盾尾间隙过大出现流通通道。

3.1.2 处理措施

根据现场情况综合判断， 该盾构机盾尾刷局部已出现破损、错位、缺失等情况，必须对失效盾尾刷进行更换，主要施工任务如下：（1） 盾构机到达指定位置， 参数控制到设计值；（2）设备、材料、人员等配备满足施工条件；（3）使用二次注浆及止水环施工将盾尾进行封闭；（4）拆除管片，清理已损坏盾尾刷并拆除更换，重新涂抹油脂；（5）重新进行管片拼装，检查盾尾情况，恢复盾构掘进施工。

3.2 洞内盾尾刷更换重难点分析

3.2.1 止水环施工质量

止水环及二次注浆施工质量是盾尾刷顺利更换的关键。通过468 环管片的注浆孔（吊装孔）向管片背后注入WSS 无收缩性双液浆。注浆参数：注浆压力不大于0.3 MPa，单环注浆量3～3.5 m3。 同时在已拼装好的区间管片中挑选3 环管片（448 环、458 环、463 环） 进行二次注浆。 注浆压力不大于0.3 MPa，单环注浆量4.2～5.7 m3，注浆比例为水∶水泥=1∶1，水玻璃∶水泥浆=0.8∶1。 拆除管片之前检查周边渗漏水情况，应严防土仓积水及土层地下水沿空隙流入盾尾， 同时对地面进行跟踪监测与巡视， 防止盾构机外部形成流通通道导致掌子面失稳及地面沉降。

3.2.2 盾尾刷更换焊接质量

更换盾尾刷过程需要大量的电焊作业，如果焊接质量出现问题，会导致本次盾构机盾尾刷更换施工前功尽弃，同时存在焊接缺陷的盾尾刷在复推后会再次成为盾构机掘进的隐患。

焊件在组装前必须将焊口或焊缝表面及附近母材内、外壁10～15 mm 范围内的油、漆、垢、锈等清理干净，直至发出金属光泽；焊件对口时应做到内壁齐平，如有错口，要求对接单面焊局部错口值不应超过壁厚的10%，且不大于1 mm；焊口的局部间隙过大时，应设法修整到规定尺寸，严禁在间隙内加填塞物。

3.3 洞尾刷构造原理

本区间所用盾构机盾尾刷由2 道盾尾刷和1 道密封刷组成，由于洞内更换盾尾刷存在一定的施工风险[4]，考虑到地层及地下水的实际情况，本次更换作业只针对第一道盾尾刷。 盾尾刷构造如图1 所示。

图1 盾尾刷构造图示

图2 管片拆除示意图

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

中盾外围、 盾尾468 环注磷酸水玻璃施作止水环→盾尾后方448 环、458 环、463 环注水泥水玻璃双液浆止水→拆除整环管片，第二道空腔注入盾尾油脂，对有渗漏水的部位临时封堵→搭建作业平台，清理第一道盾尾刷上的手涂油脂、盾尾油脂→自上而下切除第一道盾尾刷→安装焊接新盾尾刷→重新涂抹手涂油脂→将K 块调整至14 点， 使B1～B3 管片处于隧道下方压住盾尾刷， 安装470 环管片→对第一道空腔注入盾尾油脂，检查环向渗漏情况→检查无渗漏情况，恢复推进。

4.2 施工操作要点

4.2.1 施工准备

准备足够数量的盾尾密封刷， 保证更换过程中盾尾密封刷的供应，同时将应急物资放置在盾构机平台上，出现紧急情况时可立即进行处理。 应急物资见表1。

表1 洞内掌子面处应急物资表

在更换盾尾刷前召集所有参与施工人员进行技术交底、安全交底。 对更换盾尾刷过程中需要注意的问题及可能出现的特殊情况进行讲解。

4.2.2 地层选择及盾构机调试

盾尾密封刷的更换地点应选择在地下水较少且稳定的地层。 本次选择在470 环进行盾尾刷更换施工，所处地层为黏土层及含砂姜黏土层，地质情况较好，施工时要密切关注地下水量的变化。

盾构机土仓压力控制在0.15～0.22 MPa，保证土仓压力小于注浆压力，避免土仓内的水沿盾体外侧流入盾尾。

计算盾构机油缸顶进行程， 此行程处拆除第470 环管片后，将会露出第一道盾尾刷及第一道空腔，为盾尾刷提供更换空间，同时第二道盾尾刷及第二道空腔可正常工作，起到密封盾尾的作用。 管片拆除示意图如2 所示。

4.2.3 更换流程施工

盾尾刷更换具体操作办法如下。

1）经检查盾尾刷周边注浆施工达到止水效果后，重新紧固第469 环与第468 环管片的连接螺栓。 在管片安装模式下，利用管片安装机将470 环的7 点位K 块拆除， 观察该部位盾尾刷情况，如果注浆效果良好，管片拆除后无渗漏水情况，则继续拆除470 环的下一块管片并检查渗漏情况。 管片全部拆除后，安排监测人员进行周边管片加密监测，监测频率为1 次/2 h。 拆除顺序如图3 所示。

图3 管片拆除顺序示意图

2）盾尾处理。 在管片全部拆除完毕后，将B1～B3 管片放置于下部的8 点位、11 点位、5 点位压住盾构机， 防止在施工过程中盾尾因重量不均发生偏移。 优先处理上部盾尾刷，待上部清理完毕后，拆除下方管片进行清理。

将管片密封刷及沟槽上的油脂、砂浆等清除干净，搭建作业平台后再开始割除盾尾刷。 盾尾刷全部割除完毕后，将疤痕打磨平整，开始焊接新的密封刷。 新盾尾刷焊接完成后，在新盾尾刷上重新涂抹手涂油脂。

3）刨除旧盾尾刷前先拆除盾尾刷的压力传感器及注浆压力传感器，焊接前一定就近做好焊接接地及烟雾收集工作；刨除盾尾刷遵循从上而下原则，打磨平整刷槽，定位盾尾刷，同一道两盾尾刷间隔不超过3 mm，不能有错台；在盾尾刷全部焊接完成后开始盾尾油脂涂抹工作，手涂油脂必须饱满，油脂块遵循少油、块深、块小，分层压紧密实。

4）对于情况较为良好的盾尾刷，可根据情况做出不同的处理办法， 安装情况较好的盾尾刷可仅做清理处理， 对于破损、掉落的盾尾刷进行更换处理。

更换完成后，在下部盾尾刷下方安装钢垫块，防止拼装的成环管片下沉， 第二次470 环的管片拼装K 块点位选在14点，将B1～B3 管片调整至下部压住新更换的盾尾刷。

待所有管片安装完成且管片螺栓上紧后， 开始对盾尾加注油脂，注脂量要达到填满沟槽为止[5]。 当油脂仓油压达到日常掘进压力且无渗漏情况时， 取出土仓内水泵， 恢复正常掘进。 正常掘进时应当注意同步注浆压力不得超过0.3 MPa，以免击穿盾尾，再次造成盾尾刷损坏。

5 结语

徐州地铁6 号线一期工程市紫区间洞内盾尾刷更换技术研究，总结出洞内盾尾刷更换的管控核心：选择适当的更换盾尾刷的地层[6]；沿隧道方向精准施作止水环及小注浆，实现土压平衡盾构洞内快速、安全、节能地进行盾尾刷更换，切实保障施工安全、质量，提升了施工效率。 在实际工程经验的基础上，圆满完成了洞内盾尾刷更换施工任务，对类似工程具有很好的技术指导作用。