粉砂层地质中更换盾尾刷施工工法

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粉砂层地质中更换盾尾刷施工工法

天津城建隧道股份有限公司

孙家旺齐秀明谭晶辉冯永鑫李唯昀

1.前言

城市在修建地铁过程中，在砂性不良地质条件下进行盾构施工，经常会发生盾尾密封刷损坏造成密封不良的状况，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状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。以前在广州、深圳等其他地铁施工过程中曾有过更换一道盾尾刷来解决盾尾密封损坏的案例，然而粉砂层这种不良的地质条件下，一次性更换两道盾尾刷的应用实践目前国内未见先例，缺少相关经验及参数。

天津城建隧道股份有限公司在南京地铁一号线南延线D1S-TA08标，胜太路站~百家湖站盾构区间施工过程中，为了解决盾尾渗漏问题，使盾构施工能够安全顺利完工，在地下粉砂层地质条件下成功更换了2道盾尾刷。取得了“在粉砂层地质中更换盾尾刷技术研究与应用〞这一国内领先的学术成果，同时，形成了粉砂层地质中更换盾尾刷施工工法。由于在地下水封堵隔离、盾尾刷更换施工等方面技术先进、操作简单、投入相对较少，故有较高的的社会效益和经济效益。

2.工法特点

2.1采用在研究地质报告的基础上，分析盾构施工所出渣土的方法确定更换盾尾刷的位置，用相对简单直观的方法满足了施工要求。

2.2通过对拼装机、管片尺寸等的计算，确定出更换盾尾刷时千斤顶的推进行程，在满足了拼装、拆卸管片施工要求的同时，也确保了施工的安全、质量及施工进度。

2.3在隧道内主要采用注浆止水的方法并协同土仓注膨润土浆，盾构机壳体、盾尾附近注聚氨酯等方法进行地下水封堵隔离及盾构机周边土层的加固改良，满足了盾尾刷更换施工时的止水效果和施工安全的要求，俭约了成本。

2.4利用盾尾刷更换施工技术能快速有效地完成盾尾刷更换，很好的解决了盾尾渗漏问题，起到保护道路、管线以及沿线既有建筑物的作用，减少了盾构施工对环境的影响。

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3.适用范围

隧道区间较长、沿线建（构）筑物较多、砂性地层构造、富水条件下的盾构施工。

4.工艺原理

更换盾尾刷施工采用地下盾构机内直接更换的施工方法，施工经过：尾刷更换施工位置选择的确定；更换施工过程中千斤顶推进行程确定及管片拼装机臂的加长；盾构机周边地下水封堵隔离施工；更换盾尾刷施工4个步骤。其中：

1)通过现场对盾构机所出渣土及地质报告的研究，确定盾尾刷更换施工位置，充分研究此位置需要水文地质状况，制定有针对性的技术措施，尽可能的满足盾尾刷更换施工的安全要求。

2)为了满足盾尾刷更换施工的要求，通过精心计算与研究盾构机设计图纸后，确定千斤顶的推进行程。更换盾尾刷施工时，利用自制的拼装机加长臂拆卸管片，这样既可以暴露2道需要更换的盾尾刷，同时也不会将第3道盾尾刷暴露。

3)根据粉砂层的地质状况，有针对性的采取注浆法（水泥-水玻璃双液浆）进行地下水的封堵隔离，并协同土仓注膨润土浆、盾构机机壳及盾尾附件注聚氨酯等方法，为盾尾刷的更换施工创造良好的施工条件，同时也为盾尾刷更换施工后盾构机的再次启动掘进做好了准备工作。

4)在确认注浆止水封堵效果后，开始进行盾尾刷的更换施工。首先，利用拼装机加长臂拆卸掉需要盾尾刷位置的管片。其次，清除此位置盾尾刷之间密封槽内的废油脂与浆液。对盾尾刷进行检查，对磨损严重的盾尾刷分段割除并更换；对磨损较轻只是被浆液固结的盾尾刷进行清理。然后，对盾尾刷和盾尾刷之间的密封槽重新涂抹盾尾密封油脂。最终，利用加长臂拼装管片，当所有管片拼装到位时，20个千斤顶同时加力,反复紧固整环所有螺栓。

5.施工工艺流程及操作要点

5.1盾尾刷更换位置的选择

根据工程实际地质及工程条件，更换盾尾刷施工前需要重点分析盾构施工所出渣土，确定盾尾刷更换位置，主要包括以下两个方面内容：

1）盾尾密封更换尽量避免在软土地层更换，由于在盾构机自重的作用下，简单发生低头，一旦发生盾构机低头就较难处理。

2）盾尾刷更换位置尽量避开地下水丰富的区域。

5.2盾尾刷更换时的千斤顶行程的确定及管片拼装机臂的加长5.2.1盾尾刷更换时千斤顶行程的确定

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本工法通过研究盾构机的尺寸，千斤顶的长度，3道盾尾刷的尺寸、位置，管片拼装机的作业距离及范围，来确定千斤顶推进行程及管片拆除拼装的方法。针对不同厂家型号的盾构机，其千斤顶推进行程的计算结果将不同。

图5.2.1千斤顶推进位置示意图

5.2.2管片拼装机臂的加长

假使管片拼装机不能满足要求时，需要自制管片临时加长臂。加长臂根据设备的结构和空间尺寸的具体状况进行有针对性的设计，充分考虑加长臂受力状况、刚度、尺寸等，不但要求其能保证便捷便利拆、装管片，还要求其能满足做够的强度要求。

5.2.2拼装机加长臂示意图

5.3地下水封堵隔离施工5.3.1土仓注澎润土

为了防止加固的浆液流入刀盘及土仓将刀盘包裹住，从而影响盾构机的再次启动掘进施工，将盾构机土仓注入膨润土浆进行保护。

1)浆液配比

膨润土浆液的浆液比重为1.06，膨润土配置比例为，澎润土:水=0.4:1(重量比)，膨润土浆液的注入要充足、适量。

2)注入方法

从刀盘上部已有的注水孔向土仓注入膨润土浆，将土仓内水排挤出去，并在刀盘前形成保护层。注入过程中当土仓注浆压力超过土仓压力时中止注浆，待压力减小后再继续注浆直到注满为止。

5.3.2盾构壳体背后注浆1盾构壳体注聚氨酯

在盾构机前体、中体环向各开四个孔，装上球阀，注入水溶性聚氨脂。防止管片背

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后补充注浆时，水泥浆将盾构机壳体裹死。

2盾尾背后注浆

在盾尾后2环管片背后注入水溶性聚氨酯注浆材料，注浆止水。

1)主要施工材料：42.5R水泥、32.5R水泥、水溶性聚氨酯注浆材料、早强剂、注浆铝管等。

2)施工方法及技术要求

对盾尾后2环管片进行钻孔，共布3排孔，孔位需避开管片钢筋，3排孔均采用直孔，孔深入围岩20cm，孔径32～36mm，孔距60cm，呈梅花型布孔，所有注浆孔均避开管片拼缝布置。如下图所示:

图5.3.2孔位布置示意图

每个注浆孔钻孔完成后，马上采用早强水泥或其他措施对该孔进行封闭埋管处理，并在注浆管口安装闭水闸阀。当钻孔遇大水时，即对该注浆孔进行水溶性聚氨酯注浆，性能见表5.3.2。注浆压力为0.5MPa，水溶性聚氨酯注浆终止后，反压进行水泥注浆。

表5.3.2性能表

序号123456789性能比重黏度与水混合比硬化泡体密度膨胀度混合时间硬化时间操作温度PH值单位g/cm25℃，No.2/60rpmg/cmg/cm倍数与80%水混合，秒与80%水混合，秒℃333指标1.067~1.08850~1501/1~1/120.5~11~1210~30100~12010~405.0~5.5

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当钻孔遇滴水、线流水时，对该注浆孔进行水泥稳定性浆液注浆。水泥注浆压力：第1、2排为0.3MPa,第3排为0.5MPa。3排首次均注入水渗性聚氨酯，若地下水压力较大，可适当补充注入水泥浆，确保封堵效果。

注浆顺序：首先进行第1排注浆孔的布孔和注浆施工。终止后，再进行第2排、第3排注浆孔的布孔和注浆施工。

注浆完成后,进行封孔施工，封孔采用与原注浆孔漏水堵漏一致方式进行，沿孔壁涂刷EAA环氧界面剂，埋管、用与管片同标号水泥添加速凝剂封闭，初凝后注入EAA环氧浆，待凝3～5天后拆管，进行管片饰面修复。

5.3.3盾尾背后管片二次注浆

盾尾刷更换施工前需对盾尾刷后部4～16环的管片进行管片壁后二次注入水泥-水玻璃双液浆，将管片与地层之间的流水通道完全封死。

1二次注双液浆的施工方法施工要点:

1)注浆孔应从管片设在拱顶的手孔开始注浆，然后对称逐个对环向的各个手孔注浆，直终究部管片相应位置。

2)注浆孔起始位置宜设在盾尾后第4环管环处；3)浆液的凝固时间控制在10s左右；4)注浆时要控制好注浆压力和注浆量。

经详细分析计算，注浆压力控制在0.2～0.5MPa。配比为水泥浆:水玻璃=10:1(体积比)，水泥浆配比为水泥:水=0.8:1～