临海富水粉砂地层盾构机尾刷更换技术

临海富水粉砂地层盾构机尾刷更换技术

岳尚银

中国中铁八局集团有限公司城市轨道交通分公司  福建福州  350207

摘要：在城市地铁建设过程中，区间施工几乎均采用盾构机进行施工。在施工过程中，因为地质条件的不同、区间距离不同，盾构机设备性能不同、人员操作水平、施工技术的差异，导致盾构机盾尾刷在施工过程中必然存在尾刷损坏导致密封失效的情况发生。为了确保盾构施工的安全，就需要采取技术措施对盾尾刷进行更换。不同地质条件下盾尾刷更换需要的考虑的前置条件均不尽相同。该处以临海富水粉砂地层中如何做好盾尾刷更换施工为例，和大家做施工经验方面的交流。

关键词：停机准备、注浆加固、降水、尾刷检查更换。

1、工程概况

1.1 工程简介

文武砂·国际学校站～十八孔闸站区间出文武砂·国际学校站后沿漳江路下方敷设，向南方向行进，侧穿国际学校、博思人工智能产业园、规划地块，在东湖路口侧穿福州滨海新城第一小学后接入十八孔闸站。区间沿线东西两侧为学校和规划用地。根据工筹安排，本区间两台盾构机从十八孔闸站小里程端头始发，掘进至文武砂·国际学校大里程端头接收吊出。间线路平面图如图2.1-1所示。

图1-1 区间线路平面图

1.2线路设计概况

本区间上行线里程SK34+851.070～SK36+318.898，总长度1467.828m，下行线里程XK34+851.070～XK36+319.233，短链1.589m，总长度1466.574m。本段区间上下行线均为单线单洞盾构区间，共计有2段平面曲线，曲线半径分别1200/1200、1200/1500，线间距最大约为26.355m，最小约为9.25m；纵断面为“V”字坡，上行线纵断面先以380m/22‰下坡至最低点，后以760m/7.557‰、435m/22‰上坡至十八孔闸站；下行线先以380m/22‰下坡至最低点，后以648.411m/7.575‰、435m/22‰上坡至十八孔闸站。区间隧道覆土最大厚度约为18.4m，最小厚度约为6.6m。线路距海岸线净距约2km。

1.3 盾构及尾刷设计情况

本线路盾构机为φ6.48m土压平衡盾构机，共设计三道盾尾刷和一道止浆板，尾刷密封由焊接在壳体上的密封刷组成，防止注浆材料和水漏进盾体内部。盾尾刷长275mm，宽200mm，高度190mm，前部钢板弯折角度65°，后部钢板弯折角度55°。盾尾尾部端面有1排止浆板，耐磨钢板制成的止浆板可以防止砂浆填充到盾体前部，也可以防止盾体前部的泥浆影响注浆效果，见图1-2。

图 1-2盾构机尾刷图

1.4 地质概况

拟检查修复尾刷位置盾体上方地层自上而下为<2-2-1>细中砂、<2-3>淤泥混砂、<2-4-6>（含泥）细中砂、<2-4-5>（泥质）粉砂，盾体范围自上而下为<2-4-6>（含泥）细中砂、<2-6>（含砂）粉质黏土（淤积）、<2-4-6>（含泥）细中砂，盾体下方为主要为<2-6>（含砂）粉质黏土地层，见图1-3。

图1-3盾构机位置平纵断面图

1.5 水文地质

1.5.1 地下水类型

本场地揭示的地下水按埋藏条件包含第四系孔隙水和风化岩孔隙水。

a、上层滞水

场地广泛分布人工填土层，填土中地下水主要为上层滞水，上层滞水的水位和水量随季节变化较大，雨季上层滞水水量较丰富，枯季水量变小。

b、孔隙潜水

全线均分布松散层孔隙潜水，主要赋存于<2-2-1>细中砂、<2-4-5>（泥质）粉砂、<2-4-6>（含泥）细中砂层，各砂层间多存在直接的水力联系，且均属强透水层，富水性好。

c、孔隙承压水

由于浅部长乐组海陆交互相、海相沉积层中的相对隔水层分布较不均匀，连续性较差，仅与下部东山组冲海积层相连接的<2-6>（含砂）粉质黏土（淤积）表现出与<3-4-3>粉质黏土（淤积）一样的特性，连续性、完整性较好，因此<2-2-1>细中砂、<2-4-5>（泥质）粉砂、<2-4-6>（含泥）细中砂层中的孔隙水局部位置受<2-3>淤泥混砂、<2-6>（含砂）粉质黏土（淤积）影响表现为微承压性。在<3-4-3>层以下分布有<3-2>（泥质）粉砂、<3-3>（含泥）中砂、<3-7>（含泥）砾砂层，以上地层属中～强透水层，补给来源主要为侧向及垂直（越流）补给。受<2-6>（含砂）粉质黏土（淤积）和<3-4-3>粉质黏土（淤积）相对隔水层影响，地下水主要表现为孔隙承压水。各含水层的含水性能与砂的形状、大小、颗粒级配及粘粒含量等有密切关系。

从场区的地质情况判断，<3-2>（泥质）粉砂、<3-3>（含泥）中砂、<3-7>（含泥）砾砂层埋深较大，无突涌风险，对工程建设影响较小。但<2-2-1>细中砂。<2-4-5>（泥质）粉砂、<2-4-6>（含泥）细中砂层中表现为承压水的部分突涌风险较大。

1.5.2 地下水位

勘察时测得钻孔中初见水位埋深为1.00～3.90m。初见水位标高为3.13～6.14m，混合稳定水位埋深为1.85～4.20m，稳定水位标高约2.93～5.72m。据调查，场地范围近3～5年最高地下水位标高约6.3m，近20年最高地下水位标高约6.8m。邻近的内河百年一遇水位标高约7.32m.区间地面标高约7.0～8.5m，建议取地下水最高水位标高为7.32m。地下水位受海水潮汐影响，根据日常观察，水位波动在0.5m。

1.6 周边环境

施工区域地面为章江路路面及绿化带，周边无控制性建构筑物，加固区域内无地下管线。

2 尾刷更换目标任务和重难点分析及措施

2.1 尾刷更换的目标任务

盾尾刷现位于505环，尾刷更换的目标任务为：拟计划拆除506环管片，检查盾尾刷情况，更换第一道尾刷、修复第二道尾刷（图2-1为管片与盾尾刷位置关系现状图）。

图2-1 盾尾刷与管片位置示意图

2.2 盾尾刷检查及更换重难点分析和措施

2.1盾尾刷检查及更换重难点分析

（1）盾构机停机位置，地层因施工扰动，地层各向应力发生了变化，导致地层稳定性下降，且沿着成形管片外壁形成了一条透水通道。完成盾尾刷检查和更换工作的前置条件是需要将第一道盾尾刷全部暴露出来，且可见第二道盾尾刷。在这过程中，盾尾密封系统起到密封的作用减半。如何确保在检查和更换作业过程中，不出现盾构机尾部涌水涌砂是重难点。

（2）更换尾刷时，推进千斤顶无法顶到管片，盾构机将在土仓压力的作用下产生后退，使尾刷更换工作进入进退两难境地，如何确保盾构机不产生后退是重难点。

（3）盾尾刷检查和更换耗费时间周期长，一般更换过程约7天。盾构机尾部在不均匀压力作用下，容易产生偏移，会造成盾尾间隙发生改变，如何确保拆卸后的管片正确完好地安装是重难点。

2、盾尾刷检查及更换重难点的处理措施

（1）盾体周围采用WSS工法注水玻璃+磷酸双液浆加固，采用水玻璃+水泥浆在成型管片区域做止水环；加固后打设降水井降水、减压；解决好地层稳定和防止涌水涌砂。

（2）为防止尾刷更换过程中盾构机在土仓压力作用下出现后退情况，分区更换盾尾刷。

（3）为解决由于盾尾偏移产生盾尾间隙过大或过小引起管片难以安装的问题，在安装管片前，应对周圈盾尾间隙进行测量，确定最小间隙位置，在安装管片时，调整安装顺序，先安装盾尾间隙最小处管片，能有效解决管片安装难问题。

3 地层加固及降水施工技术

3.1总体施工流程

总体施工流程：做好应急准备，推进至指定位置→深层注浆加固→降水井施工及降水。

3.2 施工准备

（1）应急注浆准备

提前疏通、调试在盾体径向孔，并在脱出盾尾的管片二次注浆孔提前开孔，并预装注浆球阀，接好应急注浆泵及管路，紧急情况及时注入双液注浆或聚氨酯封堵。

（2）盾尾内提前准备应急抽水泵，接好排水管路并调试完成，紧急情况及时进行隧道内抽排水施工。

（3）提前采用涂满油脂的面纱布将盾尾与管片之间的间隙塞满一圈，并利用盾构机推进油缸将弧形钢板压住间隙，封堵渗水通道。

（4）做好现场应急准备后，将盾构机推进到达检修位置后，油缸行程达到1507mm后，停止推进，通过505环二次注浆孔进行补注浆，注浆完成后，检查第一道、第二道尾刷。见图3-1。

图3-1盾尾刷检查位置图

3.3 停机准备

3.3.1 土仓及盾体径向注入膨润土

膨润土的目数较细，遇水后很容易形成颗粒状。要把膨润土均匀的撒在搅拌罐内，并在罐内泡制2小时以上，后加水盖过罐内膨润土平面进行搅拌，这样可以减少颗粒量，提高搅浆效率。搅拌6个小时之后，膨润土充分搅拌，形成较好的泥浆。

膨润土注入以压力控制为主，为防止土仓压力过大造成盾尾刷位置水土压力增大，土仓压力控制在1.4-1.5bar左右，在地层条件允许的基础上，缓慢转动刀盘，使泥浆与土仓渣土混合均匀，最终刀盘空转扭矩在2000KN·m以下，膨润土粘度控制在100～120s为宜。

3.3.2 盾尾后注浆封堵

1、注浆范围

本次停机主要为检查及更换盾尾刷，盾尾后注浆封堵为配合地面注浆加固，采用脱出盾尾后三环（第502-504环）注磷酸+水玻璃化学浆或聚氨酯，脱出盾尾第四、五环（第500-501环）注水泥+水玻璃双液浆，同时对盾尾径向注浆孔注入注磷酸+水玻璃化学浆或聚氨酯。

2、注浆孔位及注浆量

封堵注浆时每环安装5个注浆阀。注浆自下而上进行，停止注浆判定标准如下：

（1）若平均每孔注浆量大于0.5m3时，可停止注浆。

（2）注浆压力达到0.2-0.4Mpa时，可停止注浆。

（3）若注浆过程中发现土仓压力一直持续上升，则可能浆液通过盾壳串通至刀盘土仓内，立即停止注浆。

3.3.3 盾体径向注浆

利用盾尾径向孔由下向上隔孔交替注入注入磷酸+水玻璃化学浆或聚氨酯，在盾壳外形成封闭止水圈，以保证盾壳与地层之间的间隙得到有效填充，封堵透水通道。采用磷酸+水玻璃化学浆或聚氨酯进行盾壳外部空隙封堵，同时避免盾壳外注浆后“抱死”盾壳造成卡机的风险。

3.4 地面注浆加固施工

注浆加固目的：固结盾尾周边砂层，封闭透水通道，减小后续尾刷检查及修复期间涌水涌砂风险。

本次注浆区域地层主要为细中砂与粉砂地层，为防止浆液包裹盾体，盾体四周采用磷酸+水玻璃，其他部位采用水泥浆+水玻璃。注浆工艺采用WSS注浆技术，不仅适用于软弱地层和不良地质条件下复杂土层的注浆，且具有环境适应能力强、操作简便、噪声低等优点。

3.4.1 地面加固设计参数

盾尾前后3m范围采用水玻璃+磷酸注浆加固，加固宽度12.2m（右线隧道边线两侧3m）。加固深度为隧道顶部3m至隧道底部3m。注浆孔位按1.5m*1.5m错位布置。见图3-2、3-3。

图3-2加固区平面布置图（蓝色圆圈为降水井位置）

图3-3加固区横断面图

浆液配合比参考下表，具体注浆配合比需根据现场试验调整，确保加固符合要求。

表3-1 磷酸-水玻璃配比

注：水玻璃采用40Be°（ρ=1.38g/cm³），磷酸为85%弱酸（ρ=1.7g/cm³）

3.4.2  wss注浆工艺

测量人员按照注浆加固布置图将注浆加固的孔位定点放样，并做好标识。利用洛阳铲对每个注浆孔位进行人工探挖，探挖深度自地面垂直向下2.5m，确保点位下方无管线。

按照现场注浆加固施工安排布置，利用钻孔机将注浆管钻至预定深度。在注浆压力或方量达到要求后，利用钻机将注浆管提升一节，继续注浆，直到注浆结束。注浆采取 “量压双控”。

（1）注浆压力

1）注浆加固区域的地下静水压力为（0.12~0.24MPa），设计的注浆压力(终压值)为静水压力的3-5倍(按4倍计算)，注浆压力为0.48~0.96Mpa。

2）根据注浆处地层深度计算P=KH（式中:P为设计注浆压力0.22~0.42Mpa；H-注浆处深度13.6~26m；K注浆深度确定的压力系数0.016）。

3）综合考虑按地下静水压力考虑，注浆压力为0.48~0.96Mpa。

4）采用分段注浆方式，各孔注浆压力达到设计终压并应稳定10min，且进浆速度小于开始进浆速度的1/4时，注浆压力表达到参考值结束注浆，后提升注浆管50cm进行下一段注浆。

（2）注浆量

注浆量按扩散半径及浆液填充率计算，如下式：

Q=Ana（ 1+b）=1.26m³

其中：-单孔延米注浆量；

-扩散范围截面积，非塌陷区扩散半径取1m，

-孔隙率、a-注浆填充系数、b—注浆材料损耗系数，na(1+b)为填充率，粉细砂层取0.4，

单孔延米注浆量达到1.26m³。注浆量、注浆压力需根据现场试验与实际施工情况及时调整。

（3）注浆效果检测

注浆结束后，将第504环和505环管片除K块外二次注浆孔安装注浆球阀后用采用1m长冲击钻开孔，检验注浆效果，若无明显流水，注浆满足要求。

3.5 降水井施工及降水

3.5.1降水设计

加固区域两侧各布置降水深井2口，降水井深度为30米，孔径800mm，井径325mm，做为更换盾尾刷期间应急降水措施，见图3-2。降水井施工必须在各项土体加固措施施工完成后进行。

3.5.2 降水井试运行

降水井抽水泵采用排水量为20m³/h的水泵，将下泵深度控制在在滤管底以上1m左右，并固定稳固。试抽水时，测定井内水位及观测孔水位变化及流量，将水位下降速度、深度、时长进行记录，便于后续施工能够迅速投入使用。要满足在紧急情况下使用时，水位能够稳定在加固区域底部下1m处为标准。在数据采集过程中，要特别注意海洋潮汐在一天中对降水井水位的影响。

4 盾尾刷检查与更换

4.1 盾尾刷检查顺序

根据第506环管片K块所在位置，该环管片拆除顺序如下（图4-1）：

图4-1 盾尾刷检查顺序图

管片拆除顺序要考虑以下几个问题：首先，原拼装点位K块的位置；其次，拆除、检查顺序优先由下到中再到上的原则进行；最后，要考虑重新拼装时，是否会因为K块点位发生变化，导致该环拼装困难或或恢复正常掘进后，盾尾间隙的余量。

管片开始拆除时，对停机前安装的弧形钢板，也要根据拆除顺序逐一拆除、逐一恢复，以便出现渗漏险情时，能够快速消灭险情。

4.2 盾尾刷更换作业规程

（1）更换前准备工作：核实盾尾刷的型号、规格，焊接设备、材料准备，包括焊机、电缆，焊钳，面罩等必要设备及氧气、乙炔、气刨，角磨机、手锤等辅助设备。

（2）检查、核实盾尾刷需要更换的数量。

（3）割除损坏的盾尾刷，采用火焰对焊接区域残留油脂燃烧清理后，使用钢丝刷、打磨机对焊接面进行除锈及打磨平整。

（4）定位：将尾刷在盾构机要求位置先点焊牢固，逐件以后护板叠压方向点焊于盾构机要求位置。每道尾刷切割拼接缝只能有一个，切割时只能使用切割机切割，不能使用火焰切割。

（5）检查：盾尾刷与盾尾刷之间25mm厚度部位贴合处，间隙（红色线）应控制在3mm以下。

（6）尾刷焊接：把定好位的尾刷焊接到盾尾上，尾刷前后焊道满焊，尾刷间间隙大的需要补焊消除间隙，防止泄漏油脂。

（7）检查：焊缝探伤质量是否合格。

（8）每更换完一段尾刷，检查该区域内油脂管路是否畅通，启动前腔油脂气动阀，直到有油脂溢出后再拼装管片。

（9）在盾尾钢丝刷内填充盾尾手涂密封油脂，一定要填满盾尾密封油脂，并且在管片拼装前要分开钢丝刷，在钢丝刷中部的不锈钢网及钢丝刷上要充分填满，涂抹后要求每根钢丝必须可见油脂。

4.3 盾尾刷更换的质量检查

焊接完成后按照盾构机设计参数，对焊缝进行探伤检测。

（1）焊接表面无垢、无锈，焊缝整齐，无夹渣焊瘤，符合结构件焊接标准。

（2）尾刷块间连接紧凑，保证盾尾刷整体密封效果性。

（3）盾尾刷焊接后，需将块间钢丝互相交叉，剪断铁丝套。

（4）盾尾刷刨除及焊接期间，局部采用小型轴流风机进行通风，同时持续开启盾构机二次风机及隧道通风机，加强作业过程中的隧道通风。

5 施工安全保证措施

5.1 盾尾刷更换安全保证措施

5.1.1 掌子面坍塌安全保障措施

（1）选择盾尾刷更换停机位置时，判断刀盘前及盾尾位置地层岩性及含水量等实际情况是否与详勘相符合，若不符合，需判断在该地层下是否满足盾尾刷更换条件。

（2）加强在刀盘位置的监测，获取可靠性数据，指导盾尾刷更换施工。若地面沉降出现沉降大或速率过快等异常情况，根据沉降值及沉降速率判断是否采取相应的地层加固措施。

（3）持续观察盾构机土仓压力变化，若出现土仓压力泄压速度快，及时补充泥浆。

5.1.2 盾尾大量积水安全保障措施

（1）施工前，注入双液浆施做止水环，并开孔判断止水效果，12 小时后无出现渗漏水后方可施工。若施工过程中出现盾尾大量积水，根据施工现场实际情况，判断积水来源。

（2）及时寻找出盾尾渗水通道，并注入聚氨酯，继续观察是否出现渗水，需等待2小时过程中无渗水，方可作业，必要时注入双液浆施做止水环。

（3）在第三环管片开孔注入水溶性聚氨酯，保证其理想状态下的整环密封，可采取跳环注浆，穿插进行。同时通过盾体的径向孔注聚氨酯以增加隔水效果。

（4）盾尾隔膜泵需正常工作，配备应急水泵，保证积水及时抽排。

5.1.3 动火作业管控措施

（1）施工前按照“先通风，再检测，后作业 ”规定，对隧道内气体进行检测，符合要求后方可作业，在作业期间盾构机二次风机要持续开启保证现场通风良好。

（2）申请填写动火令，待审批同意后方可作业。

（3）特种作业人员必须持证上岗，作业前清理和检查易燃物，对无法清理的易燃物采取隔离防护措施，作业现场放置灭火器等消防设施，动火作业中安排专人防护，一旦发现隐患立即要求停止作业进行处理，动火作业完毕后，由电焊工和防护人员对作业区域清理和检查，确认无残留火源和隐患后方可离开。

5.2 盾构停机安全保证措施

（1）密切关注土仓压力有无变化，油脂系统注入压力是否正常，同时关注管片有无渗水、破损等质量情况。

（2）派人 24h 对地面进行巡视，确保地面无异常。

（3）加强停机位置地表及洞门管片收敛情况监测，每天进行两次量测，及时反馈数据，做对比分析，并安排专人对停机位置进行巡视。

（4）盾构机姿态及管片错台情况由值班工程师每2小时测1次，以及时了解盾构机姿态及管片错台情况变化。

（5）对盾尾管片螺栓进行复紧，纵向拉紧，保持管片的整体性。

（6）出现异常情况时立即按照报警制度直接上报。

（7）加强停机位置地表监测，每天进行两次量测，及时告发至相关工作群，并安排专人对停机位置进行巡视；

（8）停机更换盾尾刷期间，盾尾密封油脂压力静压不小于3bar。

参考文献：

[1]《长距离隧道施工过程洞内修复盾尾刷技术》——《广州建筑》2006

[2]《高含水粉砂地层洞内更换盾尾刷技术》——《建筑知识：学术刊》-2013

[3]《工程降水设计施工与基坑渗流理论》——人民交通出版社

[4]《WSS注浆加固在地铁隧道的施工控制与应用》——《价值工程》2015

[5]《区间盾构施工设计图纸》