長距離隧道施工過程洞內修復盾構尾刷技術摘要：盾構法施工以其質量好、施工安全、掘進快速、對環(huán)境影響小等優(yōu)點，在我國地下鐵道工程中得到廣泛應用。而盾構尾刷的容易損壞且較難更換的缺點，制約了盾構長距離掘進。如何在盾構施工中途進行盾構尾刷更換，是解決盾構長距離掘進的關鍵技術之一。文章總結了德國海瑞克土壓平衡式盾構在廣州地鐵三號線施工過程中成功更換尾刷的經(jīng)驗，具有一定參考價值。關鍵詞：盾構隧道；尾刷修復1 引言 盾構法施工以其質量好、施工安全、掘進快速、對環(huán)境影響小等優(yōu)點，迅速在地鐵隧道施工中得到廣泛應用，廣州是目前我國應用盾構技術修建地鐵隧道發(fā)展最快的城市之一。廣州地區(qū)地層多樣、地質復雜，給盾構施工帶來了許多難題，特別是花崗巖地層，給盾構機制造、盾構法施工都提出了更高的技術要求。隨著地鐵的發(fā)展延伸，地鐵隧道區(qū)間段也越來越長，長距離掘進將是在以后城際間的地鐵修建中提出的重要技術要求。然而，盾構機主要密封部位之一的尾刷，卻是非常容易損壞且難以修復的部件，經(jīng)統(tǒng)計，在花崗巖地層中，盾構掘進1000m后，盾尾尾刷密封將大部分失效，特別是經(jīng)過較小半徑轉彎段掘進后，盾尾左右兩側尾刷將被嚴重磨損（見圖1）。如何在盾構施工中途進行盾構尾刷更換，是解決盾構長距離掘進的關鍵技術之一。
2 技術難點 廣州地鐵三號線天河客運站-華師站區(qū)間隧道盾構工程所經(jīng)地層大部分是花崗巖地層，所采用的盾構機是由德國海瑞克生產(chǎn)的直徑6.28m的土壓平衡式盾構，盾尾共設三道尾刷（見圖2），推進千斤頂最大伸長長度為S=2000mm，管片寬為1500mm。 在花崗巖殘積層中進行盾構尾刷更換有以下難點： （1）由于花崗巖殘積層受擾動后，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，而盾構更換尾刷時，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。 （2）盾構掘進時，花崗巖殘積層經(jīng)擾動后，掌子面很不穩(wěn)定，隨著停機時間越長，地下水進入土倉，土倉壓力逐漸增大。由于更換尾刷時，推進千斤頂無法頂?shù)焦芷?，盾構機將在土倉壓力的作用下產(chǎn)生后退，使尾刷更換工作進入進退兩難境地。 （3）長時間的停機，盾構機尾部在不均勻壓力作用下，易產(chǎn)生偏移，造成盾構間隙過大或過小，給管片安裝帶來困難。3 技術措施 根據(jù)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3~4環(huán)打開吊裝孔進行管片背后補注漿，盾尾漏漿時，采用海綿條進行封堵，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。 （2）為防止尾刷更換過程中盾構機在土倉壓力作用下出現(xiàn)后退情況，應準備好用于接長推進千斤頂?shù)慕訔U鋼支撐，在拆除臨時管片后，支頂在最后一環(huán)管片與推進千斤頂之間，制約盾構機后退。 （3）為解決由于盾尾偏移產(chǎn)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。4 工程實例4.1 工程概況 廣州地鐵天-華區(qū)間左線盾構機累計掘進到1040環(huán)后，發(fā)生盾尾嚴重漏漿，并引起地表較大沉降。經(jīng)分析判斷，該盾構尾刷應已嚴重損壞，為了保證同步注漿量及注漿壓力，控制地表沉降，經(jīng)研究采取對盾尾第一、二道尾刷進行更換的措施。此處地質情況為：隧道埋深14m，隧道范圍土層為花崗巖殘積層，頂部為淤泥層，隧道上方局部有砂層，地層較軟弱，更換前需進行地層加固。4.2 尾刷更換方案 采用了在盾尾拼裝五塊臨時管片K（塊不安裝，以方便拆除），將盾構機向前掘進，使盾尾第一、二道尾刷露出已成環(huán)管片外，拆除臨時管片，采用鋼支撐代替臨時管片支撐盾體，然后對第一、二道尾刷進行更換。4.3 實施過程 （1）地層加固。盾構掘進第1041、1042環(huán)時，改變注漿配比以加快漿液凝固，注漿量由原來的6M3/環(huán)增加到; 9M3/環(huán)，注漿過程中對盾尾漏漿點采用海綿條封堵，掘進第1042環(huán)，使推進千斤頂伸長到S=2000mm，停止掘進。打開第1039、1040環(huán)管片吊裝孔進行管片背后補注漿，注漿量按4M3/環(huán)控制，補注漿漿液內加入適量的CaCl2以加快漿液凝固。 （2）安裝臨時管片，將盾尾推露出環(huán)片。注漿完成后，停機12h，在第1042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1043環(huán)，直到推進千斤頂伸長到S=1200mm~1250mm，使第一、二排尾刷完全露出第1041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。 （3）拆除臨時管片，進行尾刷更換。尾刷露出管片后，拆除第1042環(huán)臨時管片，并采用五個鋼支撐在盾尾底部代替管片支撐盾體，防止盾體后移。然后從上向下采用氣刨割除舊尾刷，并用鋼絲刷及打磨機打磨平整焊接接口。舊尾刷割除后，采用電焊機將新尾刷焊接牢固。尾刷更換完成后，對新尾刷涂盾尾油脂，油脂采用較粘稠TSG-7油脂，確保尾刷內部油脂均勻飽滿。 （4）安裝管片，恢復掘進。完成一系列工作后，拼裝第1042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，管片安裝時，按先上后下進行。管片完成安裝后，對盾尾注入足量油脂后方可恢復掘進。4.4 實施效果 經(jīng)過尾刷更換后，盾尾油脂注入壓力由原來的0.25MPa恢復到0.5MPa而無油脂擠出現(xiàn)象，盾尾注漿壓力由更換前的0.05MPa恢復到0.25MPa而無漏漿現(xiàn)象，尾刷的更換有效解決了漏漿問題，從地面沉降監(jiān)測結果分析，隨著注漿壓力的提高，盾尾注漿量也增大，從而有效填充了盾尾退出空間，控制了地表沉降。5 結束語 完好的盾構尾刷是盾構隧道注漿質量、防水質量、管片拼裝質量以及地表沉降控制質量的保證。盾尾尾刷更換技術的成熟，也將是盾構長距離掘進技術的關鍵。而在地下工程中，由于地質的復雜性，給盾構尾刷更換帶來了許多難以預料的困難，對尾刷更換過程進行深入分析，并對難點采取有效的技術措施，是盾構尾刷成功更換的關鍵。
2 技術難點 廣州地鐵三號線天河客運站-華師站區(qū)間隧道盾構工程所經(jīng)地層大部分是花崗巖地層，所采用的盾構機是由德國海瑞克生產(chǎn)的直徑6.28m的土壓平衡式盾構，盾尾共設三道尾刷（見圖2），推進千斤頂最大伸長長度為S=2000mm，管片寬為1500mm。 在花崗巖殘積層中進行盾構尾刷更換有以下難點： （1）由于花崗巖殘積層受擾動后，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，而盾構更換尾刷時，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。 （2）盾構掘進時，花崗巖殘積層經(jīng)擾動后，掌子面很不穩(wěn)定，隨著停機時間越長，地下水進入土倉，土倉壓力逐漸增大。由于更換尾刷時，推進千斤頂無法頂?shù)焦芷?，盾構機將在土倉壓力的作用下產(chǎn)生后退，使尾刷更換工作進入進退兩難境地。 （3）長時間的停機，盾構機尾部在不均勻壓力作用下，易產(chǎn)生偏移，造成盾構間隙過大或過小，給管片安裝帶來困難。3 技術措施 根據(jù)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3~4環(huán)打開吊裝孔進行管片背后補注漿，盾尾漏漿時，采用海綿條進行封堵，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。 （2）為防止尾刷更換過程中盾構機在土倉壓力作用下出現(xiàn)后退情況，應準備好用于接長推進千斤頂?shù)慕訔U鋼支撐，在拆除臨時管片后，支頂在最后一環(huán)管片與推進千斤頂之間，制約盾構機后退。 （3）為解決由于盾尾偏移產(chǎn)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。4 工程實例4.1 工程概況 廣州地鐵天-華區(qū)間左線盾構機累計掘進到1040環(huán)后，發(fā)生盾尾嚴重漏漿，并引起地表較大沉降。經(jīng)分析判斷，該盾構尾刷應已嚴重損壞，為了保證同步注漿量及注漿壓力，控制地表沉降，經(jīng)研究采取對盾尾第一、二道尾刷進行更換的措施。此處地質情況為：隧道埋深14m，隧道范圍土層為花崗巖殘積層，頂部為淤泥層，隧道上方局部有砂層，地層較軟弱，更換前需進行地層加固。4.2 尾刷更換方案 采用了在盾尾拼裝五塊臨時管片K（塊不安裝，以方便拆除），將盾構機向前掘進，使盾尾第一、二道尾刷露出已成環(huán)管片外，拆除臨時管片，采用鋼支撐代替臨時管片支撐盾體，然后對第一、二道尾刷進行更換。4.3 實施過程 （1）地層加固。盾構掘進第1041、1042環(huán)時，改變注漿配比以加快漿液凝固，注漿量由原來的6M3/環(huán)增加到; 9M3/環(huán)，注漿過程中對盾尾漏漿點采用海綿條封堵，掘進第1042環(huán)，使推進千斤頂伸長到S=2000mm，停止掘進。打開第1039、1040環(huán)管片吊裝孔進行管片背后補注漿，注漿量按4M3/環(huán)控制，補注漿漿液內加入適量的CaCl2以加快漿液凝固。 （2）安裝臨時管片，將盾尾推露出環(huán)片。注漿完成后，停機12h，在第1042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1043環(huán)，直到推進千斤頂伸長到S=1200mm~1250mm，使第一、二排尾刷完全露出第1041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。 （3）拆除臨時管片，進行尾刷更換。尾刷露出管片后，拆除第1042環(huán)臨時管片，并采用五個鋼支撐在盾尾底部代替管片支撐盾體，防止盾體后移。然后從上向下采用氣刨割除舊尾刷，并用鋼絲刷及打磨機打磨平整焊接接口。舊尾刷割除后，采用電焊機將新尾刷焊接牢固。尾刷更換完成后，對新尾刷涂盾尾油脂，油脂采用較粘稠TSG-7油脂，確保尾刷內部油脂均勻飽滿。 （4）安裝管片，恢復掘進。完成一系列工作后，拼裝第1042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，管片安裝時，按先上后下進行。管片完成安裝后，對盾尾注入足量油脂后方可恢復掘進。4.4 實施效果 經(jīng)過尾刷更換后，盾尾油脂注入壓力由原來的0.25MPa恢復到0.5MPa而無油脂擠出現(xiàn)象，盾尾注漿壓力由更換前的0.05MPa恢復到0.25MPa而無漏漿現(xiàn)象，尾刷的更換有效解決了漏漿問題，從地面沉降監(jiān)測結果分析，隨著注漿壓力的提高，盾尾注漿量也增大，從而有效填充了盾尾退出空間，控制了地表沉降。5 結束語 完好的盾構尾刷是盾構隧道注漿質量、防水質量、管片拼裝質量以及地表沉降控制質量的保證。盾尾尾刷更換技術的成熟，也將是盾構長距離掘進技術的關鍵。而在地下工程中，由于地質的復雜性，給盾構尾刷更換帶來了許多難以預料的困難，對尾刷更換過程進行深入分析，并對難點采取有效的技術措施，是盾構尾刷成功更換的關鍵。