新增盾尾刷技术的研究及应用

新增盾尾刷技术的研究及应用

薛景娅

中铁隧道股份有限公司

摘要：本文涉及隧道施工技术领域，主要应用在盾构机盾尾刷密封的失效情况，降低更换盾尾刷所带来的巨大风险，保证施工安全，保证盾构机之后工程顺利进行，完成隧道施工。新增盾尾刷之后，通过现场实时反馈的良好表现，检验了新增盾尾刷技术的实用性，可以为之后的隧道施工提供参考。

关键词：隧道施工；盾构机；盾尾刷；新增盾尾刷；

0 引言

盾尾刷是一种用于盾构机盾尾密封的装置，在盾构机掘进过程中，盾尾刷可以提供持久、可靠的密封效果，防止地下水、泥浆和空气从盾尾漏出。它的主要作用是填补盾尾与管片之间的间隙，防止泥浆和地下水渗漏至隧道[1]。同时，它还可以防止由于管片拼装不紧密而产生的漏浆问题。事实上，在盾构机掘进过程中，原有的三道盾尾刷极易损坏，造成盾尾漏浆严重；且在原有的三道盾尾刷上直接更换盾尾刷容易造成渣土喷涌淹没盾构机，具有较高的施工风险[2]。国内目前对盾尾刷损坏的处理方法一般采用注浆加固、冷冻等常规措施，再对盾尾刷进行检查更换，看似安全，但往往会因种种原因导致问题复杂化，时间和费用成本递增，甚至还会导致次生事故发生[3]。

国际上对于类似情况通常采用冷冻法解决，但在城市地铁隧道施工中，该方法会更加费时费力并且可行性低[4]。因此，经济效益和时间成本都不可观时，就会有新的方法出现；本文依据郑州地铁某某区间为例，实践总结土压平衡式盾构机在盾尾刷失效，盾尾漏水漏浆的可行性方法[5]。

1 工程概况

郑州地铁某某区间左线长度1546.335m，区间左线设置3处平曲线，曲线半径分别为1500m、460m、350m；线路纵坡设计为“V”字坡，埋深17.06～29.95m；线路最小坡度为2.000‰，最大坡度为25.807‰。

表1  区间左线平面曲线线性表

1.1工程地质

区间地层至上而下分别为杂填土、粉砂、黏质粉土、细沙、粉质黏土。盾构穿越的地层主要有②32 黏质粉土、②33c 粉砂、②34 黏质粉土、②51 细砂与③22 粉质黏土。

图 1  区间左线地质剖面图

1.2 水文地质

1.2.1 地表水

本区间场地内及其附近无地表水分布。2021年7月18日18时至21日0时，郑州出现罕见持续强降水天气，全市普降大暴雨、特大暴雨，累积平均降水量449mm。

1.2.2 地下水

勘探深度内含水层为潜水。A区潜水主要赋存于②32层黏质粉土和②33c层粉砂中，②32层黏质粉土属弱透水层，②33c层粉砂属强透水层，主要受大气降水补给和地下水开采的影响。C区潜水主要赋存于③31层黏质粉土中，属弱透水层，主要受大气降水补给和地下水开采的影响。

本工点A区详细勘察期间稳定水位埋深为11.5～13.0m，稳定水位标高为83.0～85.9m。本工点C区参照2021年9月始发站水位实测埋深为8.5～10.1m，稳定水位标高为90.0～92.4m。本工点地下水的补给主要为大气降水河流下渗，地下水侧向径流等补给；地下水由西。西南向东及东北径流，水力坡度约0.5%，径流条件稍差，受开采的影响，径流方向可发生局部改变。地下水的排泄，主要有蒸发排泄和径流排泄等形式。根据本次勘察及区域水文地质资料，地下水径流方向为西、西南向东及东北的径流。根据郑州市气象资料，每年7月至9月份为补给期(丰水期)，12月份至次年3月份处于低水位期(枯水期)。地下水年变幅约1～2m。A区历年最高水位标高约为93.0m，C区历年最高水位标高约为96.5m。

1.3 工程情况

区间左线盾构机从620环左右开始盾尾漏砂浆，为此项目部与公司技术人员尝试增加盾尾油脂注入量、在管片位置增加钢板等方法，盾尾漏浆情况均未得到有效改善（项目为此停止掘进20余天）。由于当时盾构机处于全断面砂层中，直接更换原有盾尾刷风险较大，便决定在原有定位环位置增加一道盾尾。新增加一道盾尾刷，不刨除原有3道尾刷并且保证原有3道尾刷不拖出管片，减小施工风险、施工周期较短。

2 新增盾尾刷前准备及停机施工措施

新增盾尾刷之后，新增的盾尾刷和第三道盾尾刷之间会形成一个新的密封腔室用来填充盾尾油脂，因此需在盾构机上合适位置新增一台盾尾油脂泵和盾尾油脂的管路，可仿照原厂盾尾油脂泵管路加装，降低盾尾油脂管路堵塞和爆裂的可能性，管路中加装气动阀和传感器，可通过盾构机备用注浆孔向新形成的腔室内注入盾尾油脂。

为保证施工工序衔接紧密，施工过程安全可控，可按照以下施工流程图及工序技术要求实施。根据施工流程图，每到达一个工序时，必须严格按照工序交底进行施工，严禁跨工序施工。

图 2  施工流程图

2.1盾构机油缸顶推

为了将盾尾定位环暴露出来，需要使用推进油缸顶住管片，将盾尾从管片下渐渐拖出。由于铰接油缸处于伸出状态，最小铰接行程为65mm，最大铰接行程118mm，铰接行程差为53mm。由于推进油缸最大行程为2200mm，而管片需要拖出定位环20-75mm左右才能满足施工要求，所以需要增加2块厚度为70mm的尼龙垫块。

盾构机向前正常推进行程至2050mm，由掘进模式转为拼装模式，并依次将推进油缸缩回200mm，将两块尼龙板放至油缸撑靴与管片之间，并将尼龙块用铁丝固定在油缸撑靴上；按照10mm/min的推进速度油缸继续顶推至行程为2144mm，在推进过程中要密切观察盾尾定位环与尾刷外露情况，特别注意上部尾刷外露情况和底部定位环外露情况。

根据铰接行程情况，当铰接行程为65mm时，推进油缸行程为2144mm，管片拖出定位环73mm；当铰接行程为118mm时，推进油缸行程为2144mm，管片拖出定位环20mm。满足施工所需空间。

图 3  铰接行程为65mm时推进情况

图 4  铰接行程为118mm时推进情况

2.2割除盾尾定位环

按下图设计尺寸刨除整环定位环，并对剩余定位环进行5mm角焊缝进行加固焊接。

图 5  刨除定位环施工说明图

首先将割除部位的推进油缸缩回；之后沿边线2用碳弧气刨炬（电流490A左右）割除深度为30mm深的割缝（注意防止割伤盾体结构）；之后用氧气乙炔沿边线1割至边线2；再之后使用氧气乙炔沿边线3割至边线2；最后焊割完成后需对边线2用二保焊（电流270A、电压28V）堆焊5mm角焊缝。注意在施工过程中不要损伤盾体，且边线1、边线3割除完成后须用角磨机打磨平整。

2.3割除油脂孔及盾尾底部注脂通道

2.3.1备用油脂管开孔

依托于原备用注浆管，找到备用注浆管管路，使用氧气乙炔在图示位置割除长40mm，宽30mm的方孔，使用铁块将备用注浆管后部封堵并满焊。封堵完成后，方孔补焊为直径20mm的圆孔作为油脂注入孔[6]。

图 6   备用注浆管分布图

图 7  新增油脂注入孔位置示意图

图 8  新增油脂注入孔图

2.3.2盾尾底部油脂通道刨除

在盾尾底部，使用氧气乙炔在图示位置割除深度10mm，宽20mm，长190mm注脂通道。

图 9  盾尾底部注脂通道刨除示意图

2.3.4 焊接新增定位环

新定位环按照图示位置尺寸点焊在盾尾内径，随后用二保焊（电流270A、电压28V）沿预留焊接坡口堆焊，将定位环焊接至盾尾上。在满焊过程中注意焊点不要过大，会影响后续新增盾尾刷L型底板的安装。

图 10  新增定位环安装示意图

图 11  实例加工的定位环

3 新增盾尾刷安装方法

全部准备工作完成之后就要对新增盾尾刷进行安装，首先要提醒此类新增的盾尾刷是由拼接形成的，每一部分都以一个单独的箱子存放，每个箱子上都会标注类型和数量；在施工之前，需要将各类箱子按顺序排放整齐，方便施工过程中拿放。由于在未熟练安装之前，安装过程中存在错误导致反工的风险，建议在安装之前对工人师傅进行现场培训[7]。

3.1 L型底板安装

焊接前应将盾体上安装L型底板的位置清理干净，然后将L型底板组合件点焊到盾体上，在全部底板组合件安装到盾体上后，将底板组合件与盾体全部满焊。

图 12  L型底板焊接示意图

3.2 弹簧钢板和钢丝刷安装

安装按照包装箱上的编号，先将标注为第一层的包装箱内的弹簧钢板逐次安装到底板上，如图，然后安装第2层弹簧钢板，注意：第2层弹簧钢板与第1层弹簧钢板要错缝安装。如下图以此类推，逐次安装第3、4、5……层弹簧钢板，直至全部层数的弹簧钢板安装完成。

图 13  弹簧钢板安装示意图

图 14 弹簧钢板安装实例                图15 钢丝刷安装实例

3.3 安装压板

安装压板并用螺母压紧。注意：每个压板安装两个螺母即可。将压板与底板、压板与未安装螺母的螺柱焊接到一起，注意要满焊。卸掉螺母，将剩余的螺柱与压板焊接到一起，注意满焊。全部焊接完成后，将螺柱在压板以上的部位去除掉，并打磨到与压板上表面齐平。

图 16  压板焊接示意图                     图 17  螺柱割除打磨示意图

图 18  安装完成实例

经过以上工序，新增盾尾刷基本完成，为保证后续使用以及对新增盾尾刷的保护，在安装管片之前要给新增盾尾刷涂抹手涂盾尾油脂，要求涂抹细致密实；另外在管片拼装完成后，要对新形成的腔室内通过之前新增加的盾尾油脂系统注入盾尾油脂，待腔室内油脂饱满之后，再开始接下来的正常施工[8]。

4 结论

本篇通过工程实践总结，在未使用本实用新型的盾尾刷在620左右环盾尾1号至16号不定时漏浆，640-659环几乎环环漏浆，并且漏浆较大，严重影响施工进度及施工质量。在新增加一道盾尾刷之后，漏浆效果得到有效改善，基本可以做到环环不漏浆。在此区间盾构机完成接收后，对盾尾刷进行考察，前三道盾尾刷部分盾尾刷前保护钢板已被击穿，新增盾尾刷较前三道盾尾刷相比，损伤略轻，由此可以知道新增盾尾刷的强度可以满足正常施工，是不错的考虑和选择。本次施工实例值得行业内人员研究和借鉴，甚至实践；可以继续优化其中的缺点，减少此类工程问题的解决时间并降低施工过程中的风险，保证安全生产，提高工程质量。

参考文献

[1] 刘浩. 隧洞施工中更换盾构机的盾尾刷的技术方法_刘浩[J]. 山西水利科技, 2020(1): 17-19.

[2] 李海波,李治家,刘晓波. 富水粉砂地层盾尾密封改造在施工中的应用_李海波[J]. 中国建设信息化, 2021(11): 76-78.

[3] 何磊. 高承压水圆砾地层中洞内更换盾尾刷技术_何磊[J]. 国防交通工程与技术, 2022, 20(2): 47-50, 55.

[4] 土压平衡盾构机掘进中更换盾尾刷施工的技术_尤智轩[J].

[5] 王洋. 富水砂层移位冷冻法新增盾尾刷技术研究及应用_王洋[J]. 价值工程, 2023, 42(21): 61-64.

[6] 杨梅. 盾构机盾尾刷设计及更换技术研究_杨梅[J]. 铁道建筑技术, 2021(9): 63-67.

[7] 余俊,杨杰,李刚. 土压平衡盾构机盾尾刷更换施工工艺_余俊[J]. 中国高新科技, 2021(14): 111-112.

[8] 冷冻工法在全断面砂层中更换...以福州地铁4号线某区间为例_姚奋宗[J].