砂性土洞內更換盾尾刷技術研究

1、砂性土洞內更換盾尾刷技術研究1、序言在富水砂性不良地質條件下進行盾構施工，特別是在長距離急曲線掘進 吋，盾尾間隙單側較小，盾尾刷長期受管片外弧面磨損，對盾尾刷鋼絲磨損極 其嚴重，直接影響盾尾密封效果?；蛘呤怯捎诙芪裁芊庥椭幼⒘坎蛔恪⒍軜?機姿態(tài)調整過猛等原因，致使盾尾密封刷損壞，由于盾尾密封損壞而引起的事 故也時有發(fā)生。國內針對盾尾密封損壞的情況主要采取管片間隙填塞海綿條等填充物、增 加盾尾密封油脂注入量及管片額外加貼防水材料等方法進行臨時處理，此方法 并不能從根本上較好的解決盾尾滲漏問題，給施工安全以及施工質量埋下隱 患，帶來不良影響。為了不影響盾構機的正常掘進，確保同步注漿量及注漿壓 力

2、，控制地表沉降，盾構機洞內更換盾尾刷技術就有了很大的作用。武漢市軌道交通二號線一期工程五標金漢區(qū)間地質條件復朵，口盾構機多 次經過小半徑曲線，造成盾尾刷磨損嚴重，金漢區(qū)間共進行2次洞內盾尾刷的 更換，均取得了很好的效果，為盾構機順利穿越建筑物創(chuàng)造了條件。2、第一次洞內更換盾尾刷21更換原因金漢區(qū)間左線推進至站北三村居民樓群附近時，盾尾處丿f始漏水漏漿，初 步分析為盾尾刷磨損，通過加注盾尾油脂及填塞海綿條，情況有所好轉，繼續(xù) 向前推進幾環(huán)后，漏水漏漿量加大，僅僅通過加注盾尾油脂及填塞海綿條已經 起不到很大效果，且監(jiān)測數據顯示地面已經出現較大沉降，盾構機馬上要穿越 弱基礎的站北三村居民樓群，為了防

3、止對居民樓群造成破壞，經研究決定進行 洞內盾尾刷史換。2. 2更換前準備工作根據施工籌劃，為了確保安全，以及應對可能出現的盾尾滲漏等情況，選 定在盾構機正上方地面處于一片空地的情況下進行盾尾刷更換施工。由于盾尾密封刷的更換是在隧道內進行，盾尾密封刷始終位于管片背后， 而且水文地質條件復雜，史換具有較大難度。金漢區(qū)間管片的分割數是“3+2+1”，即每環(huán)3個標準塊al、a2、a3, 2 個鄰接塊分別為b、c型，1個封頂塊為k型。盾構機盾尾密封刷構造見圖1。從圖1可以看出，盾尾有3道密封刷，盾 尾密封刷之間的間隙通過注入盾尾密封油脂，保證盾尾管片背后同步注漿的漿 液不會從管片和盾構機之間的間隙漏出，

4、同時防止地下水滲漏到盾構機內。如 果盾尾密封性能不良，會給施工帶來很多不利因素。圖1盾尾刷構造2. 2. 1地質水文概況選定的更換盾尾刷施工區(qū)域地質情況為：隧道埋深12m,隧道范圍土層 為粉質粘土夾粉土、粉砂，頂部為淤泥質粉質粘土，地層較軟弱。(1-1)層雜填土，松散由粘性土、砂土和磚塊、碎石、塊石、片石、爐渣等建筑及生活垃圾混成。該層連續(xù)分布，厚度一般為0. 35. 5m；(3-3)層淤泥質粉質粘土:褐灰深灰色，軟流塑，高壓縮性，含少量有 機質及粉粒。該層大部分地段分部，層厚1. 114. 9m；(3-4)層粉質粘土夾粉土、粉砂:褐灰深灰色，軟流塑，高壓縮性，夾少 量有機土。該層大部分地段分

5、部，層厚1. 2-17. 6mo水文情況：主要穿越(3-3)淤泥質粉質粘土層、(3-4)粉質粘土夾粉土、粉 砂層、局部穿越(3-5)粉質粘土、粉土、粉砂互層、(4-1)粉細砂層，其屮(3-4)、 (3-5) > (4-1)層富水性、透水性較好，含水量較豐富，且其強度較高、壓縮性 低、滲透性好，在動水壓力作用下，易產生管涌或流砂，導致開挖面失穩(wěn)，地 表及地表結構變形等，是盾構推進的不利土層。2. 2. 2盾尾刷破損位置及程度檢查根據盾尾密封失效時盾尾滲漏水、漿的位置和滲漏量的大小來確定盾尾刷 的損壞部位和損壞情況，從而確定所需更換盾尾刷的數量及需要的時間，進行 合理安排。由于檢修、更換盾尾

6、密封刷存在一定的施工風險，所以施工前務必掌握盾 構機所處的位置，結合地質條件，必要時提前進行地面加固后再籌劃檢查、更 換盾尾刷；盾尾一共有三道密封刷，第三道(最后一道)密封刷在推進施工中是 無法檢修的，中間那道密封刷的檢修風險較高，一般情況下，檢修盾尾密封刷 只檢修第一道。武漢地鐵二號線一期工程五標技術人員經過綜合風險評價，決定對第一道 盾尾刷進行全部更換，以確保在以后的盾構掘進過程中對地面沉降的有力控 制。2. 2. 3重難點及應對措施金漢區(qū)間隧道盾構工程所經地層大部分是砂性土地層，所采用的盾構機是 由小松生產的直徑6.25m的土壓平衡式盾構，盾尾共設三道尾刷，推進千斤頂 最大行程為s二21

7、50mm,管片寬為1500mm。2. 2. 3. 1重難點在砂質粉土地層中進行盾構尾刷更換有以下難點：由于砂質粉土地層受擾動后，地層穩(wěn)定性急劇下降，在已成環(huán)的盾構管 片外形成透水通道，而盾構史換尾刷時，需將兩道尾刷露出成環(huán)管片外，僅有 一道已損壞的尾刷作封閉，很容易造成從盾尾處噴泥涌水等塌方事故。盾構掘進時，砂質粉土層經擾動后，掌子面很不穩(wěn)定，隨著停機吋間越 長，地下水進入土倉，土倉壓力逐漸增大。市于更換尾刷時，推進千斤頂無法 頂到管片，盾構機將在土倉壓力的作用下產生后退，使尾刷更換工作進入進退 兩難境地。長時間的停機，盾構機尾部在不均勻壓力作用下，易產生偏移，造成盾 構間隙過大或過小，給管片

8、安裝帶來困難。擬定盾尾刷更換位置位于r=400m曲線上，盾構機與管片的相對關系是 盾尾刷更換能否成功的關鍵環(huán)節(jié)，因此在之前姿態(tài)控制要求必須嚴格。2. 2. 3. 2技術措施根據技術難點，在施工前必須準備好應對的技術措施,具體技術措施如下:(1)為防止尾刷更換過程中盾尾部位噴泥涌水等塌方事故，應對停機地層進 行分析，宜選擇相對穩(wěn)定的地層進行尾刷更換，盡量避免在不穩(wěn)定地層如砂層、 淤泥層進行盾尾刷更換，如確實需要在不穩(wěn)定地層進行，必須在停機更換前采 取如下措施：即掘進最后兩環(huán)時，加大同步注漿量，按常規(guī)盾尾同步注漿量的 1.5倍控制，并在盾尾后34環(huán)打開吊裝孔進行管片背后補注漿，盾尾漏漿 時，采用海

9、綿條進行封堵，確保盾尾處地層的注漿比較飽滿密實，起到對圍巖 的制穩(wěn)、加固和有效的封水效果。為解決由于盾尾偏移產生盾尾間隙過大或過小引起管片難以安裝的問 題，在安裝管片前，應對周圈盾尾間隙進行量測，確定最小間隙位置，在安裝 管片時，調整安裝順序，先安裝盾尾間隙最小處管片，能有效解決管片安裝難 問題。在進入預定位置前10環(huán)開始將盾構姿態(tài)向曲線內弧調整，確保盾構機 在更換盾尾刷停機位置，設備軸線與當前盾構法面垂直。2. 2. 4盾尾刷更換前施工措施2. 2.4. 1 糾偏在更換盾尾鋼絲刷前，需要保證盾構機與管片有一個較好的姿態(tài)，保證盾 尾與管片四周的間隙均勻。通過45環(huán)左右盾構調整姿態(tài)，管片糾偏使之

10、得以實現。2. 2. 4. 2盾尾注漿由于盾構機在更換鋼絲刷階段位于軟土層，停機更換盾尾刷階段盾尾密封 處于薄弱階段。為了防止露出尾刷后，地下水從盾尾直接進人隧道，影響作業(yè), 所以要進行管片背后注漿，從在停止推進前3-4環(huán)屮即加強二次注漿，從每塊 管片的注漿孔內進行二次注漿，停止推進后對后5-6環(huán)再次進行二次注漿，注 漿配比水:水泥=1:1.2。待水泥注漿6小時后，再注入水溶性聚氨酯止水，注 入壓力為05mpa,保證其理想狀態(tài)下的整環(huán)密封，可采取跳環(huán)注漿，穿插進 行。為防止盾構機涌水的風險，在停止掘進前采用注發(fā)泡聚氨酯，在盾尾后的一環(huán)管片壓注聚氨酯，形成一道擋水環(huán)箍。水溶性聚氨酯注漿材料物理性

11、能序號性能單位指標1比重g/cm31. 067-1. 0882黏度25 度,no2/60rpm50-1503與水混合比g/cm31/1-1/124硬化泡沫密度g/cm30. 5-15膨脹率倍數1-126混合時間與80%水混合，秒10-307硬化時間與80%水混合，秒100-1208操作溫度攝氏度10-409ph值5. 0-5. 5小松盾構機有三排尾刷，三排尾刷z間形成了 2個腔,腔內注滿密封油脂, 它的作用是防止同步注入的砂漿與地下水通過盾尾流入隧道。采用在盾尾拼裝五塊臨吋管片（k塊不安裝，以方便拆除），將盾構機向 前掘進，使盾尾第一道尾刷露出已成環(huán)管片外，逐塊拆除及拼裝臨時管片，然 后對第一

12、道尾刷進行全面更換。2. 3. 1推進盾構機完成當前環(huán)管片掘進后繼續(xù)推進，直至達到盾構機推進t斤頂的最 大行程2150mm。要控制管片與密封刷的相對位置，可以通過控制油缸的行程 來間接控制，即油缸行程二第一道密封刷到推進油缸撐靴的距離-管片的寬度+ 換密封刷的間距。2. 3. 2安裝臨時管片注漿完成后，停機12h,在第2環(huán)安裝臨時管片五塊（k塊不安裝，以方 便拆除）,恢復掘進第3環(huán)，直到推進千斤頂伸長到s二1200伽1250mm,使 第一排尾刷完全露出第1環(huán)管片外，掘進過程停止盾尾同步注漿，并對盾尾漏 水點采用海綿條封堵。2. 3. 3更換盾尾刷注漿完成后，需對注漿止水效果進行檢查，通過2號、

13、3號管片的注漿孔 進行檢查，確定無水后可實施盾尾刷更換。盾尾刷更換施工流程下圖所示。圖2更換盾尾刷施工流程圖更換過程在上述的準備工作完畢后，即可進行盾尾密封刷更換。以k塊位于管環(huán)1 點為例加以說明，具體更換過程見圖3。圖3是盾尾密封更換以k塊管片位于1點為例進行說明的，實際k塊位置 還可能位于2、3、9、10、11點位，k塊管片位于這些點位時，盾尾更換可仿 照k塊位于1點時進行。另外，更換順序可以按照k-c-b-a1-a2-a3管片順時 針方向進行，也可以按照k-c-a3-a2-a1-b管片逆時針方向進行。管片繞管環(huán) 中心旋轉的角度以保證k塊位逍為準，本工程中管環(huán)順時針旋轉了 720,即k 塊

14、盾尾更換前位于1點位置，盾尾更換后位于3點位置，也可根據盾尾刷損壞 程度決定更換局部盾尾刷。更換好的盾尾劇更敝程以k塊在-點為例說孔先拆除k、c塊，更槪位置齪劇1iia1j ；!1ba3a2a1a2a33更辭al坎駝紙荒球b坎至kcm,更麟b如s尾m2、4.魁a2塊至a1剜x更換跟貶矯觀.5.斛a3塊至貶彩置，更換球a3：o尾刷.圖3盾尾刷更換順序圖更換盾尾刷吋預留出盾環(huán)向后3環(huán)范圍下半圓2-3個注漿孔，并安裝球閥，備用漏水后注漿或注入聚氨酯。暴露盾尾刷，拆除盾尾刷位置的一塊管片即可暴露盾尾刷。清除盾尾刷之間密封槽內的廢油脂與砂漿。對盾尾刷進行檢查，對磨損嚴重沒有使用價值的盾尾刷直接割除，并對

15、 割除區(qū)域進行磨光處理。耐磨損較輕只是被砂漿固結的盾尾刷進行清理，清理 時采用鋼筋鉤梳理盾尾刷，盾尾刷清理要徹底。割除的部分要重新焊接新的盾 尾刷，用5mm506焊條對密封盾尾刷進行重新焊接，焊接質量要求相鄰盾尾 刷之間的間距不大于3mmo對盾尾刷和盾尾刷之間的密封槽重新涂抹盾尾密封 油脂。量測盾尾四周間隙并記錄，制做尾盾上加焊盾尾間隙支撐鋼條，鋼條對 管片起到支撐作用，避免管片下落到盾殼上，使管片與上一環(huán)保持相同的盾尾 間隙，確保新安裝環(huán)與上一環(huán)同心。安裝管片，安裝管片遵循從下向上安裝的順序，封頂k塊選擇11點或 1點位置。當整環(huán)拼裝完成后，便向后推移管片。頂推整環(huán)拼裝管片，與上一 環(huán)距l(xiāng)o

16、omm。在兩環(huán)管片相距l(xiāng)omni時開始穿入螺栓，管片螺栓從己安裝管片 穿向新拼管片。當管片到位時，10組千斤頂同時加力，以便兩環(huán)管片接觸緊 密，反復緊固整環(huán)所有螺栓。管片安裝到位后，要用盾尾油脂泵泵送盾尾密封油脂，填充人工涂抹不 密實的盾尾刷凹槽和盾尾刷?？稍O置盾尾油脂泵的工作壓力，達到設定壓力值后方可停止?；謴驼?推進，焊接的支撐鋼板脫出管片后，進行割除，對盾殼做打磨處理。更換中采取土壓保持措施，防止機體重心前移，造成姿態(tài)、間隙、盾尾 整圓度發(fā)生變化。(10)注意事項 在盾尾刷完全暴露后，停止掘進。 首先將盾尾刷上及其盾尾密封空腔的油脂、砂漿等清除干凈。將盾尾油 脂注入口也進行清理，保證油

17、脂管路的暢通。 縮回底部2個推進千斤頂，開始割除盾尾刷，其它千斤頂繼續(xù)頂緊。露 出的盾尾刷割除后，把盾尾刷割除的疤痕打磨干凈，開始焊接新的盾尾刷。焊 接完畢，在新的盾尾刷上涂抹盾尾油脂。 更換完畢后，千斤頂伸出、頂緊。再縮回2個推進千斤頂，重復上述步 驟，由底部至頂部的順序更換，直至第一道盾尾刷全部更換完畢。2. 3.4拼裝管片，恢復掘進完成一系列工作后，拼裝第592環(huán)管片，管片拼裝前量測盾尾間隙，進 行管片選型。由于盾尾底部長時間受力，底部盾尾間隙較大，而上部盾尾間隙 過小，管片拼裝時，按先上后下進行。管片完成拼裝后，對盾尾注入足量油脂 后方可恢復掘進。24盾尾刷更換后的保護措施保護密封刷的

18、工作應該與史換密封刷同步進行。為防止密封刷的再次損壞，應采取以下防范措施：2. 4. 1填充油脂為了防止密封刷的損壞，同時增加密封的效果，在進行更換密封刷的過程屮，需要給每塊密封刷的鋼絲重新手工填注油脂（一般采用遇水不易分解的 油脂）:2. 4. 2密封刷抹油在管片重新安裝的過程中，給彈簧鋼板（和管片接觸的一面）抹上黃油， 增加管片與彈簧鋼板間的潤滑。2. 4. 3密封槽填充油脂更換完密封刷并重新拼裝好管片后，在盾構機推進前，先通過盾尾注脂 系統(tǒng)給密封刷之問注入密封油脂。2. 4. 4及時清理盾殼底部在掘進過程中安裝每環(huán)管片時，必需將盾殼底部清理干凈，防止碎石夾 在管片與盾殼之間，隨著管片的后

19、移而損傷到密封刷。同時盡量避免盾構機急 轉彎。2. 5材料與設備進行盾尾刷更換施工主要的施工材料包括：氣割、電焊條、新的盾尾 刷、聚氨酯，以及填充盾尾間隙和盾尾刷間的人工手涂盾尾密封油脂等。盾尾刷更換施工所使用到的設備主要包括：拼裝機加長臂、螺栓扳手、 電焊機、應急注聚氨酯用的注漿泵、及小風機等。采用的機具設備見下表。機具設備表序號設備名稱設備型號單位數量用途1鉆機臺3開孔2手拉葫蘆st臺2拆卸管片3聚氨酯泵臺2注聚氨酯4注漿泵臺2注漿止水5小通風機臺2通風6氣保焊機kr-500s臺2焊接盾尾刷7氣割臺2割除廢尾刷2. 6應急措施 2. 6.1盾尾漏漿處理措施為防止盾尾漏漿，在更換前推進過程中

20、，應視情況在管片外側墊放止水海 綿，封堵管片與盾構機盾尾之間的間隙。必要時可以在管片和盾殼間的空隙內 填塞鋼絲球，以加強盾尾鋼刷的止水效果。如堵漏材料措施效果不佳時，可采 用聚氨酯在盾尾后已提前放置球閥部位壓注封堵。為防止盾尾漏漿后大量泥水積聚，導致盾構機設備被淹，應增加一套備用泵，以利于仰拱泥水的排除。2. 6. 2機械故障在盾構進入推進位置之前，對盾構機進行機械設備和壓漿管路的檢查和維護，對于存在故障和故障隱患的機械一律進行維修，對壓漿管路進行一次徹底 的清洗，保證盾尾刷更換過程中不發(fā)生機械故障和壓漿管路堵塞情況。2. 6.3應急救援物資、器材儲備除儲備的應急材料外，其它材料事先預定采購點

21、、并與材料供應單位簽訂協議，在盾構機更換盾尾刷期間24小時保持聯系。注漿設備及打孔設備由專 業(yè)施工隊伍提供，在盾構機更換盾尾刷前簽訂協議，由專業(yè)施工隊伍在搶險過 程屮承擔注漿等任務，隨時提供搶險服務。應急救援物資、器材指派專人負責管理，并建立保管制度，不得私自挪做它用。應急救援物資、器材儲備見下表。序號材料設備名稱數量存放地點1水泥（包括快硬水泥）30t倉庫2水泵及其配套5臺倉庫3手推車1輛現場4砂20m3現場5編織袋1000 個倉庫6鐵鍬10把倉庫9警不帶500m倉庫11syb-50/45ii型液壓注漿泵2套現場12sm200型攪拌桶2臺現場14聚氨酯注漿設備套現場15電焊機3臺現場19拖箱

22、5臺現場20對講機10部現場21水玻璃2桶現場3、第二次洞內更換盾尾刷31更換原因金漢區(qū)間右線通過漢口火車站站場前，盾尾處再次開始漏水漏漿，初步分 析為盾尾刷磨損，通過對漏水、漿量及位置的分析，確定盾尾刷局部損壞，漢 口火車站站場對地面沉降量要求極高，因此，必須再次進行盾尾刷的洞內更換, 以確保盾構通過時對地面沉降量的控制。3. 2更換技術經項目技術人員研究決定，本次采用鋼支撐接長千斤頂代替臨吋管片，可 以保證更換時盾尾受力的均勻性，更可以大大縮短更換的時間，減少長時間停 機對盾構姿態(tài)及地面沉降的影響。從第一次更換前的盾尾密封效果來看，完全 可以保證此次更換的安全性。3. 3更換流程3. 3. 1糾偏及盾尾注漿通過5環(huán)調整姿態(tài)，盾尾與管片四周的間隙（7cm左右）均勻。本次盾尾密封也是采取的二次注漿后加注水溶性聚氨酯，停機前在盾尾最 后一環(huán)壓注發(fā)泡聚氨酯形成擋水環(huán)箍的止