盾构掘进过程中盾尾刷更换技术及保护措施
郑杰
上海城建市政工程（集团）有限公司
1.工程概况
某地铁区间隧道采用土压平衡盾构法施工，管片外径6000mm，厚度300mm，宽1500mm；最小曲线半径为300m，线路最大坡度为2.2563%，最小坡度为0.2%。隧道最大埋深为22.4m，最小埋深为9.7m。
该区间隧道断面内地层依次为③5粉质黏土与粉土、粉砂互层，④1粉细砂层，④2细砂层。根据地质详勘报告，该区间隧道所处位置承压水水位标高为16.53m（地面标高20.69m）。
2.盾尾刷失效过程及失效分析
该区间盾构刀盘外径6270mm，盾尾外径6240mm，盾体长9055mm。盾尾刷共有3道，其中盾构尾部1道为钢板刷，其余2道为钢丝刷，一共形成2个环形油脂仓。
盾尾密封刷之间的间隙（油脂仓）通过注入盾尾密封油脂（共12个注入点，每道环形油脂仓6个注入点）形成压力仓，每个注入点通过一个气动油脂阀控制注入量，防止同步注入的水泥浆及地下水通过盾尾流入隧道。
在本区间推进至第288环时，出现推力较大（约30000kN）、推进速度慢（约5mm/min）的现象。之后在盾壳外注膨润土润滑，但改善效果不佳；推进至第292环时，盾尾出现漏浆、漏砂现象，经判断系局部盾尾刷受损失效，因此采取在底部注双液浆进行封堵；继续推进至300环时又开始出现漏浆现象，在采用双液浆和塞黑心棉进行封堵后，起初效果较好，但继续推进至311环位置时，盾尾左上部位置出现喷涌现象，喷涌量约10m3（约3m3的砂、7m3的水），喷涌现象发生时即采用塞黑心棉和打聚氨酯进行封堵；推进至第315环时，盾尾注双液浆封堵，对第3道盾尾刷进行全部更换，更换为钢板刷。在随后推进至第352环的过程中，在第322、326、334、336、338、342、343、344、346、347环均发生少量漏浆现象，渗漏点主要分布在左侧腰部。
通过对上述失效过程的分析，结合地层条件、施工控制措施等因素，总结出造成盾尾刷失效的原因如下：
1)隧道断面上部位于③5粉质黏土夹粉土、粉细砂互层，下部位于④1粉细砂层，承压水水头高，土层渗透系数大，在盾构推进过程中，承压水夹带粉细砂进入油脂仓内，使得盾尾摩阻力增大，钢丝刷受到磨损，最终导致损坏失效。
2)进入小曲率半径推进时，盾尾间隙不可避免地会出现左、右不均匀现象，间隙较小的一侧盾尾刷受挤压后产生塑性变形，密封性能降低。
3)隧道区间断面上方地表建筑物较多，为有效控制地表沉降确保房屋安全，盾构施工时盾尾同步注浆量较大，基本达到理论间隙的200%～220%，注浆压力也相应较大，达到0.4MPa，盾尾刷在承受压力较大的情况下易造成盾尾刷变形损坏或击穿。
4)本工程所使用管片侧面没有榫槽，在曲线段推进过程中，因受力不均而易产生错台，从而导致盾尾刷受损。
5)因钢模使用周期较长精度下降，导致管片精度不高、养护龄期不够等原因，故造成拼装完成后的管片外弧面发生碎裂，混凝土碎块进入油脂仓后，对盾尾刷损害较大。
6)在隧道穿越全断面砂层时，推力较大，造成管片碎裂及错台，对盾尾刷损害较大。
综合以上原因分析，考虑到后续工况条件下对盾尾刷的损害依然较大，为确保施工安全，需对盾尾刷采取相应的处理措施。拟采取的措施如下：
1)每推进50环更换一次盾尾刷。
2)在推进过程中，若一次渗漏量达到2m3，则应立即对盾尾刷进行更换。
3.盾尾刷更换技术
盾构机在推进至预定位置后先进行地下水封堵，然后利用拼装机加长臂拆除封顶块及其相邻块管片，暴露出盾尾刷后按照一定的顺序逐个更换盾尾刷。盾尾刷更换流程为：盾构机推进至预定位置→地下水封堵→拆除封顶块及相邻块管片→盾尾刷割除→焊接新盾尾刷、涂抹盾尾密封油→加焊盾尾间隙支撑钢条→管片复位、泵送盾尾密封油脂→恢复正常推进、割除支撑钢条。
3.1盾构机推进至预定位置
根据工程实际地质及工程环境条件，考虑到施工过程中风险较大，更换盾尾刷位置宜选择在地表空旷位置，剩余施工范围中第363～405环上方均为建筑物，因此盾尾刷更换位置宜选择在第360环，第2次更换拟选择在第410环。
3.2地下水封堵
通过向盾构机土仓注入膨润土泥浆来避免加固浆液回流进入刀盘将其包裹，从而影响盾构机在停止掘进后再次启动施工。
本区间工程中所使用管片均为特殊管片，每块管片上除吊装孔外，另增设了4个注浆孔，每环管片上共计26个注浆孔。盾尾刷更换施工前对盾尾刷后部2～16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渗水通道完全封死。
3.3管片拼装方法确定
在更换盾尾刷时，通过对盾构机的尺寸，3道盾尾刷的尺寸、位置，千斤顶的长度，管片拼装机的作业距离及范围来确定管片拆除拼装的方法（图1）。
经过计算，千斤顶推进至1045mm时，拆除管片后，第1道盾尾刷暴露。此时管片拼装机不能满足拼装要求，需要自制管片临时加长臂（图2）。在充分考虑加长臂受力情况、刚度、尺寸等具体情况后，对加长臂进行加工，要求其能保证轻巧，方便拆、装管片。
3.4盾尾刷更换顺序及过程
在上述的准备工作完成后，即可进行盾尾密封刷更换。以更换盾尾刷时管片封顶块K块位于管环1点位置为例，盾尾刷的更换顺序可以按照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（图3）。当采用拼装机加长臂将压盖在内侧2道盾尾密封刷上的封顶块进行拆除时，需确定盾尾处是否出现渗漏水现象，如仍有漏水，则需采取一定的措施，如补注浆并在渗漏处用硬质海绵填塞堵漏，必要时可采用发泡聚氨酯进行堵漏。如确定拆除封顶块后盾尾不漏水，再拆除相邻块，并及时检修更换盾尾密封刷。另外，在尾盾上加焊盾尾间隙支撑钢条，避免管片下落到盾壳上。
当管片拆除并确认无不良渗漏情况后，即可对盾尾刷进行割除，并对割除区域进行磨光处理。割除后重新焊接新的盾尾刷，要求相邻盾尾刷之间的间距不大于3mm；在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做好相应记录。
3.5盾尾刷更换完成后处理措施
在盾尾刷更换完成后，利用加长臂重新拼装管片，整环管片全部拼装到位后，同时顶进22个千斤顶使两环管片接触紧密，再安装整环螺栓并反复紧固。管片安装完成后，用盾尾油脂泵泵送盾尾密封油脂，填充人工涂抹不密实的盾尾刷凹槽和盾尾刷。焊接的支撑钢条在恢复正常推进脱出管片时进行割除。
4.盾尾刷保护措施
结合以上粉砂地层盾构掘进盾尾刷损坏及更换的实际案例，可以从以下几个方面对盾尾刷进行保护：
1）同步注浆。在施工中必须严格控制同步浆液的配比，使之具备一定的早期强度和后期强度，以利于隧道衬砌的稳定；确保注浆压力的合理性，当出现注浆压力剧增时，应及时查明原因并作出相应调整。
2）盾尾油脂。采用优质盾尾油脂，提高盾尾密封刷密封效果，及时调整油脂泵注脂率，使盾尾密封油脂与掘进速度相匹配。
3）盾构机姿态控制。盾构机的姿态调整过量容易使盾构机出现“蛇”形前进现象，致使盾尾间隙一边大一边小，间隙大的一边可能会导致漏浆，间隙过小则导致盾尾刷受到挤压超过其弹性变形，使盾尾刷丧失其密封性能。在盾构机的姿态调整过程中，应采用合理的纠偏方式，尽量使盾尾间隙均匀一致。同时K块位置选择的是否合理，也会对盾尾间隙及盾尾刷的保护起到重要作用。
5.结语
本文结合工程实例，对砂性地层中盾尾密封失效过程及其原因进行了分析，在此基础上，进一步提出了盾尾刷的更换方法和更换流程，并针对盾尾刷损坏成因提出了保护措施。
在应用过程中总结了如下经验，供工程界参考：
1）在盾构施工过程中，需采用优质盾尾刷，且需严控盾尾刷焊接安装质量，安装完成后需手动填充盾尾刷内油脂，确保均匀饱满。
2）采用优质盾尾油脂，且整个掘进过程中均需按要求足量注入，遇曲线段掘进时适当调整各孔的注入量。
3）重视及加强掘进过程中对盾尾刷的保护措施。
4）盾尾发生渗漏时，需第一时间启动应急预案，采取封堵措施控制渗漏，待险情得到控制后再分析原因采取进一步处理措施。
5）在有条件的情况下，面对高承压水条件下油脂注入困难的问题，盾构机选型时盾尾油脂注入孔需加密。
