砂性土洞内更换盾尾刷技术研究

1、砂性土洞内更换盾尾刷技术研究1、序言在富水砂性不良地质条件下进行盾构施工，特别是在长距离急曲线掘进时，盾尾间隙单侧较小，盾尾刷长期受管片外弧面磨损，对盾尾刷钢丝磨损极其严重，直接影响盾尾密封效果。或者是由于盾尾密封油脂加注量不足、盾构机姿态调整过猛等原因，致使盾尾密封刷损坏，由于盾尾密封损坏而引起的事故也时有发生。国内针对盾尾密封损坏的情况主要采取管片间隙填塞海绵条等填充物、增加盾尾密封油脂注入量及管片额外加贴防水材料等方法进行临时处理，此方法并不能从根本上较好的解决盾尾渗漏问题，给施工安全以及施工质量埋下隐患，带来不良影响。为了不影响盾构机的正常掘进，确保同步注浆量及注浆压力，控制地表沉降，

2、盾构机洞内更换盾尾刷技术就有了很大的作用。武汉市轨道交通二号线一期工程五标金汉区间地质条件复杂，且盾构机多次经过小半径曲线，造成盾尾刷磨损严重，金汉区间共进行2次洞内盾尾刷的更换，均取得了很好的效果，为盾构机顺利穿越建筑物创造了条件。 2、第一次洞内更换盾尾刷2.1更换原因金汉区间左线推进至站北三村居民楼群附近时，盾尾处开始漏水漏浆，初步分析为盾尾刷磨损，通过加注盾尾油脂及填塞海绵条，情况有所好转，继续向前推进几环后，漏水漏浆量加大，仅仅通过加注盾尾油脂及填塞海绵条已经起不到很大效果，且监测数据显示地面已经出现较大沉降，盾构机马上要穿越弱基础的站北三村居民楼群，为了防止对居民楼群造成破坏，经研

3、究决定进行洞内盾尾刷更换。2.2更换前准备工作根据施工筹划，为了确保安全，以及应对可能出现的盾尾渗漏等情况，选定在盾构机正上方地面处于一片空地的情况下进行盾尾刷更换施工。由于盾尾密封刷的更换是在隧道内进行，盾尾密封刷始终位于管片背后，而且水文地质条件复杂，更换具有较大难度。金汉区间管片的分割数是“3+2+1”，即每环3个标准块A1、A2、A3，2个邻接块分别为B、C型，1个封顶块为K型。盾构机盾尾密封刷构造见图1。从图1可以看出，盾尾有3道密封刷，盾尾密封刷之间的间隙通过注入盾尾密封油脂，保证盾尾管片背后同步注浆的浆液不会从管片和盾构机之间的间隙漏出，同时防止地下水渗漏到盾构机内。如果盾尾密封

4、性能不良，会给施工带来很多不利因素。图1 盾尾刷构造2.2.1地质水文概况 选定的更换盾尾刷施工区域地质情况为：隧道埋深12m，隧道范围土层为粉质粘土夹粉土、粉砂，顶部为淤泥质粉质粘土，地层较软弱。(1-1)层杂填土，松散由粘性土、砂土和砖块、碎石、块石、片石、炉渣等建筑及生活垃圾混成。该层连续分布，厚度一般为0.35.5m；(3-3)层淤泥质粉质粘土:褐灰深灰色, 软流塑,高压缩性,含少量有机质及粉粒。该层大部分地段分部,层厚1.114.9m；(3-4)层粉质粘土夹粉土、粉砂:褐灰深灰色,软流塑, 高压缩性,夹少量有机土。 该层大部分地段分部,层厚1.217.6m。水文情况：主要穿

5、越(3-3)淤泥质粉质粘土层、(3-4)粉质粘土夹粉土、粉砂层、局部穿越(3-5)粉质粘土、粉土、粉砂互层、(4-1)粉细砂层，其中(3-4)、(3-5)、(4-1)层富水性、透水性较好，含水量较丰富，且其强度较高、压缩性低、渗透性好，在动水压力作用下，易产生管涌或流砂，导致开挖面失稳，地表及地表结构变形等，是盾构推进的不利土层。2.2.2盾尾刷破损位置及程度检查根据盾尾密封失效时盾尾渗漏水、浆的位置和渗漏量的大小来确定盾尾刷的损坏部位和损坏情况，从而确定所需更换盾尾刷的数量及需要的时间，进行合理安排。由于检修、更换盾尾密封刷存在一定的施工风险，所以施工前务必掌握盾构机所处的位置，结合地质条件

6、，必要时提前进行地面加固后再筹划检查、更换盾尾刷；盾尾一共有三道密封刷，第三道(最后一道)密封刷在推进施工中是无法检修的，中间那道密封刷的检修风险较高，一般情况下，检修盾尾密封刷只检修第一道。武汉地铁二号线一期工程五标技术人员经过综合风险评价，决定对第一道盾尾刷进行全部更换，以确保在以后的盾构掘进过程中对地面沉降的有力控制。2.2.3重难点及应对措施金汉区间隧道盾构工程所经地层大部分是砂性土地层，所采用的盾构机是由小松生产的直径6.25m的土压平衡式盾构，盾尾共设三道尾刷，推进千斤顶最大行程为S=2150mm，管片宽为1500mm。2.2.3.1重难点在砂质粉土地层中进行盾构尾刷更换有以下难点

7、：由于砂质粉土地层受扰动后，地层稳定性急剧下降，在已成环的盾构管片外形成透水通道，而盾构更换尾刷时，需将两道尾刷露出成环管片外，仅有一道已损坏的尾刷作封闭，很容易造成从盾尾处喷泥涌水等塌方事故。盾构掘进时，砂质粉土层经扰动后，掌子面很不稳定，随着停机时间越长，地下水进入土仓，土仓压力逐渐增大。由于更换尾刷时，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。长时间的停机，盾构机尾部在不均匀压力作用下，易产生偏移，造成盾构间隙过大或过小，给管片安装带来困难。拟定盾尾刷更换位置位于R=400m曲线上，盾构机与管片的相对关系是盾尾刷更换能否成功的关键环节，因

8、此在之前姿态控制要求必须严格。2.2.3.2技术措施根据技术难点，在施工前必须准备好应对的技术措施，具体技术措施如下：为防止尾刷更换过程中盾尾部位喷泥涌水等塌方事故，应对停机地层进行分析，宜选择相对稳定的地层进行尾刷更换，尽量避免在不稳定地层如砂层、淤泥层进行盾尾刷更换，如确实需要在不稳定地层进行，必须在停机更换前采取如下措施：即掘进最后两环时，加大同步注浆量，按常规盾尾同步注浆量的1.5倍控制，并在盾尾后34环打开吊装孔进行管片背后补注浆，盾尾漏浆时，采用海绵条进行封堵，确保盾尾处地层的注浆比较饱满密实，起到对围岩的制稳、加固和有效的封水效果。为解决由于盾尾偏移产生盾尾间隙过大或过小引起管片

9、难以安装的问题，在安装管片前，应对周圈盾尾间隙进行量测，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。在进入预定位置前10环开始将盾构姿态向曲线内弧调整，确保盾构机在更换盾尾刷停机位置，设备轴线与当前盾构法面垂直。2.2.4盾尾刷更换前施工措施2.2.4.1纠偏在更换盾尾钢丝刷前，需要保证盾构机与管片有一个较好的姿态，保证盾尾与管片四周的间隙均匀。通过45环左右盾构调整姿态，管片纠偏使之得以实现。2.2.4.2盾尾注浆由于盾构机在更换钢丝刷阶段位于软土层，停机更换盾尾刷阶段盾尾密封处于薄弱阶段。为了防止露出尾刷后，地下水从盾尾直接进人隧道，影

10、响作业，所以要进行管片背后注浆，从在停止推进前3-4环中即加强二次注浆，从每块管片的注浆孔内进行二次注浆，停止推进后对后5-6环再次进行二次注浆，注浆配比水:水泥=1:1.2。待水泥注浆6小时后，再注入水溶性聚氨酯止水，注入压力为05Mpa，保证其理想状态下的整环密封，可采取跳环注浆，穿插进行。为防止盾构机涌水的风险，在停止掘进前采用注发泡聚氨酯，在盾尾后的一环管片压注聚氨酯，形成一道挡水环箍。水溶性聚氨酯注浆材料物理性能序号性能单位指标1比重g/cm31.067-1.0882黏度25度,No2/60rpm50-1503与水混合比g/cm31/1-1/124硬化泡沫密度g/cm30.5-15膨

11、胀率倍数1-126混合时间与80%水混合，秒10-307硬化时间与80%水混合，秒100-1208操作温度摄氏度10-409PH值5.0-5.52.3更换过程施工小松盾构机有三排尾刷，三排尾刷之间形成了2个腔，腔内注满密封油脂，它的作用是防止同步注入的砂浆与地下水通过盾尾流入隧道。采用在盾尾拼装五块临时管片（K块不安装，以方便拆除），将盾构机向前掘进，使盾尾第一道尾刷露出已成环管片外，逐块拆除及拼装临时管片，然后对第一道尾刷进行全面更换。2.3.1推进盾构机完成当前环管片掘进后继续推进，直至达到盾构机推进千斤顶的最大行程2150mm。要控制管片与密封刷的相对位置，可以通过控制油缸的行程来间接控

12、制，即油缸行程=第一道密封刷到推进油缸撑靴的距离-管片的宽度+换密封刷的间距。2.3.2安装临时管片注浆完成后，停机12h，在第2环安装临时管片五块（K块不安装，以方便拆除），恢复掘进第3环，直到推进千斤顶伸长到S=1200mm1250mm，使第一排尾刷完全露出第1环管片外，掘进过程停止盾尾同步注浆，并对盾尾漏水点采用海绵条封堵。2.3.3更换盾尾刷注浆完成后，需对注浆止水效果进行检查，通过2号、3号管片的注浆孔进行检查，确定无水后可实施盾尾刷更换。盾尾刷更换施工流程下图所示。施工准备拆除管片间连接螺栓管片与推进千斤顶固定油缸回缩至管片拼装位置，拆除管片盾尾刷更换若盾尾漏水可用瞬凝水泥堵水测量

13、定位，加焊盾尾间隙支垫拼装管片顶推管片滑行，与上一环距离100mm对孔，穿螺栓顶推，新老管片对接，螺栓紧固推进，钢条支撑脱出后割除图2 更换盾尾刷施工流程图更换过程在上述的准备工作完毕后，即可进行盾尾密封刷更换。以K块位于管环1点为例加以说明，具体更换过程见图3。图3是盾尾密封更换以K块管片位于1点为例进行说明的，实际K块位置还可能位于2、3、9、10、11点位，K块管片位于这些点位时，盾尾更换可仿照K块位于1点时进行。另外，更换顺序可以按照K-C-B-A1-A2-A3管片顺时针方向进行，也可以按照K-C-A3-A2-A1-B管片逆时针方向进行。管片绕管环中心旋转的角度以保证K块位置为准，本工

14、程中管环顺时针旋转了720，即K块盾尾更换前位于1点位置，盾尾更换后位于3点位置，也可根据盾尾刷损坏程度决定更换局部盾尾刷。图3盾尾刷更换顺序图更换盾尾刷时预留出盾环向后3环范围下半圆2-3个注浆孔，并安装球阀，备用漏水后注浆或注入聚氨酯。暴露盾尾刷，拆除盾尾刷位置的一块管片即可暴露盾尾刷。清除盾尾刷之间密封槽内的废油脂与砂浆。对盾尾刷进行检查，对磨损严重没有使用价值的盾尾刷直接割除，并对割除区域进行磨光处理。耐磨损较轻只是被砂浆固结的盾尾刷进行清理，清理时采用钢筋钩梳理盾尾刷，盾尾刷清理要彻底。割除的部分要重新焊接新的盾尾刷，用5mm506焊条对密封盾尾刷进行重新焊接，焊接质量要求相邻盾尾刷

15、之间的间距不大于3mm。对盾尾刷和盾尾刷之间的密封槽重新涂抹盾尾密封油脂。量测盾尾四周间隙并记录，制做尾盾上加焊盾尾间隙支撑钢条，钢条对管片起到支撑作用，避免管片下落到盾壳上，使管片与上一环保持相同的盾尾间隙，确保新安装环与上一环同心。安装管片，安装管片遵循从下向上安装的顺序，封顶K块选择ll点或l点位置。当整环拼装完成后，便向后推移管片。顶推整环拼装管片，与上一环距1OOmm 。在两环管片相距10mm时开始穿入螺栓，管片螺栓从已安装管片穿向新拼管片。当管片到位时，10组千斤顶同时加力，以便两环管片接触紧密，反复紧固整环所有螺栓。管片安装到位后，要用盾尾油脂泵泵送盾尾密封油脂，填充人工涂抹不密

16、实的盾尾刷凹槽和盾尾刷。可设置盾尾油脂泵的工作压力，达到设定压力值后方可停止。恢复正常推进，焊接的支撑钢板脱出管片后，进行割除，对盾壳做打磨处理。更换中采取土压保持措施，防止机体重心前移，造成姿态、间隙、盾尾整圆度发生变化。注意事项在盾尾刷完全暴露后，停止掘进。首先将盾尾刷上及其盾尾密封空腔的油脂、砂浆等清除干净。将盾尾油脂注入口也进行清理，保证油脂管路的畅通。缩回底部2个推进千斤顶，开始割除盾尾刷，其它千斤顶继续顶紧。露出的盾尾刷割除后，把盾尾刷割除的疤痕打磨干净，开始焊接新的盾尾刷。焊接完毕，在新的盾尾刷上涂抹盾尾油脂。更换完毕后，千斤顶伸出、顶紧。再缩回2个推进千斤顶，重复上述步骤，由底

17、部至顶部的顺序更换，直至第一道盾尾刷全部更换完毕。2.3.4拼装管片，恢复掘进完成一系列工作后，拼装第592环管片，管片拼装前量测盾尾间隙，进行管片选型。由于盾尾底部长时间受力，底部盾尾间隙较大，而上部盾尾间隙过小，管片拼装时，按先上后下进行。管片完成拼装后，对盾尾注入足量油脂后方可恢复掘进。2.4盾尾刷更换后的保护措施保护密封刷的工作应该与更换密封刷同步进行。为防止密封刷的再次损坏，应采取以下防范措施：2.4.1填充油脂为了防止密封刷的损坏，同时增加密封的效果，在进行更换密封刷的过程中，需要给每块密封刷的钢丝重新手工填注油脂(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装的

18、过程中，给弹簧钢板(和管片接触的一面)抹上黄油，增加管片与弹簧钢板间的润滑。2.4.3密封槽填充油脂更换完密封刷并重新拼装好管片后，在盾构机推进前，先通过盾尾注脂系统给密封刷之问注入密封油脂。2.4.4及时清理盾壳底部在掘进过程中安装每环管片时，必需将盾壳底部清理干净，防止碎石夹在管片与盾壳之间，随着管片的后移而损伤到密封刷。同时尽量避免盾构机急转弯。2.5材料与设备进行盾尾刷更换施工主要的施工材料包括：气割、电焊条、新的盾尾刷、聚氨酯，以及填充盾尾间隙和盾尾刷间的人工手涂盾尾密封油脂等。盾尾刷更换施工所使用到的设备主要包括：拼装机加长臂、螺栓扳手、电焊机、应急注聚氨酯用的注浆泵、及小风机等。

19、采用的机具设备见下表。机具设备表序号设备名称设备型号单位数量用途1钻机台3开孔2手拉葫芦st台2拆卸管片3聚氨酯泵台2注聚氨酯4注浆泵台2注浆止水5小通风机台2通风6气保焊机KR-500S台2焊接盾尾刷7气割台2割除废尾刷2.6应急措施2.6.1盾尾漏浆处理措施为防止盾尾漏浆，在更换前推进过程中，应视情况在管片外侧垫放止水海绵，封堵管片与盾构机盾尾之间的间隙。必要时可以在管片和盾壳间的空隙内填塞钢丝球，以加强盾尾钢刷的止水效果。如堵漏材料措施效果不佳时，可采用聚氨酯在盾尾后已提前放置球阀部位压注封堵。为防止盾尾漏浆后大量泥水积聚，导致盾构机设备被淹，应增加一套备用泵，以利于仰拱泥水的排除。2.

20、6.2机械故障在盾构进入推进位置之前，对盾构机进行机械设备和压浆管路的检查和维护，对于存在故障和故障隐患的机械一律进行维修，对压浆管路进行一次彻底的清洗，保证盾尾刷更换过程中不发生机械故障和压浆管路堵塞情况。2.6.3应急救援物资、器材储备除储备的应急材料外，其它材料事先预定采购点、并与材料供应单位签订协议，在盾构机更换盾尾刷期间24小时保持联系。注浆设备及打孔设备由专业施工队伍提供，在盾构机更换盾尾刷前签订协议，由专业施工队伍在抢险过程中承担注浆等任务，随时提供抢险服务。应急救援物资、器材指派专人负责管理，并建立保管制度，不得私自挪做它用。应急救援物资、器材储备见下表。序号材料设备名称数量存

21、放地点1水泥（包括快硬水泥）30t仓库2水泵及其配套5台仓库3手推车1辆现场4砂20m3现场5编织袋1000个仓库6铁锹10把仓库9警示带500m仓库11SYB50/45 型液压注浆泵2套现场12SM200型搅拌桶2台现场14聚氨酯注浆设备一套现场15电焊机3台现场19拖箱5台现场20对讲机10部现场21水玻璃2桶现场3、第二次洞内更换盾尾刷 3.1更换原因金汉区间右线通过汉口火车站站场前，盾尾处再次开始漏水漏浆，初步分析为盾尾刷磨损，通过对漏水、浆量及位置的分析，确定盾尾刷局部损坏，汉口火车站站场对地面沉降量要求极高，因此，必须再次进行盾尾刷的洞内更换，以确保盾构通过时对地面沉降量的控制。3.2更换技术 经项目技术人员研究决定，本次采用钢支撑接长千斤顶代替临时管片，可以保证更换时盾尾受力的均匀性，更可以大大缩短更换的时间，减少长时间停机对盾构姿态及地面沉降的影响。从第一次更换前的盾尾密封效果来看，完全可以保证此次更换的安全性。3.3更换流程3.3.1纠偏及盾尾注浆通过5环调整姿态，盾尾与管片四周的间隙（7cm左右）均匀。本次盾尾密封也是采取的二次注浆后加注水溶性聚氨酯，停机前在盾尾最后一环压注发泡聚氨酯形成挡水环箍