張 人 志

(中交隧道工程局有限公司，北京 100069)

土壓平衡盾構(gòu)盾尾漏漿不換刷對(duì)策

張 人 志

(中交隧道工程局有限公司，北京 100069)

通過(guò)對(duì)某項(xiàng)工程施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的分析，論述了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)盾尾漏漿的原因，并提出了墊海綿條、加大油脂注入量、控制注漿流量等解決措施，以確保盾構(gòu)不換尾刷順利穿越多個(gè)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源和平安出洞，為盾尾漏漿情況下順利掘進(jìn)找到了一種新的思路。

土壓平衡盾構(gòu)，無(wú)水砂卵石地層，漏漿，不換刷

0 引言

近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)的大力發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)被廣泛應(yīng)用于在建地鐵隧道施工中，盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中常因各種原因?qū)е露芪猜{，如何針對(duì)性的解決，此項(xiàng)工作的相關(guān)研究和探討[1-10]開(kāi)展了多年，但大多聚焦在換盾尾刷等常規(guī)方法上。本文對(duì)在建北京地鐵施工某標(biāo)段土壓平衡盾構(gòu)漏漿嚴(yán)重、工期緊情況下，如何確保在不換盾尾刷情況下順利下穿河道、φ1 750 mm污水管、2 000×2 300電力管溝、5 000×3 000熱力管溝和老舊平房區(qū)等多個(gè)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，通過(guò)深入查找和分析盾尾漏漿的原因，采取了墊海綿條、加大油脂注入量、控制注漿流量等針對(duì)性措施，確保了盾構(gòu)施工順利穿越各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)源和安全出洞，為同類(lèi)型盾構(gòu)機(jī)盾尾漏漿順利掘進(jìn)找到了一種新的可行對(duì)策思路。

1 工程概況

北京地鐵土建施工某標(biāo)段隧道結(jié)構(gòu)需穿越單線全長(zhǎng)704 m的全斷面無(wú)水砂卵石地層。該區(qū)間結(jié)構(gòu)主要穿越⑤層卵石、圓礫(中密～密實(shí)，N62.5=43～100，屬低壓縮性土，卵石最大粒徑10 cm，一般為4 cm～6 cm，亞圓形，級(jí)配較好，含中砂約30%)和⑦層卵石、圓礫(密實(shí)，濕～飽和，N62.5=50～150，屬低壓縮性土，卵石最大粒徑12 cm，一般為4 cm～6 cm，亞圓形，級(jí)配較好，含中砂約30%)。工程擬建場(chǎng)地范圍內(nèi)地表水為一條現(xiàn)狀河流(四季有水，水深0.6 m～1.0 m)，區(qū)間結(jié)構(gòu)主要位于河道南北兩側(cè)0 m～50 m范圍之內(nèi)，其中下穿河道約170 m，該河對(duì)場(chǎng)區(qū)地下水沒(méi)有明顯的滲漏補(bǔ)給現(xiàn)象。而場(chǎng)區(qū)潛水水位標(biāo)高約為17.82 m～19.71 m,與結(jié)構(gòu)底板基本持平，屬于典型的全斷面無(wú)水砂卵礫石層。盾構(gòu)區(qū)間隧道外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，鋼筋混凝土管片寬1.2 m，厚300 mm。整環(huán)管片包括6片，為“3+2+1”組合，即每環(huán)包括3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊A1,A2,A3，2個(gè)鄰接塊B1,B2，1個(gè)封頂塊C塊，采用錯(cuò)縫拼裝形式。施工采用1臺(tái)φ6 260 mm日本IHI土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤(pán)結(jié)構(gòu)為輻條式，開(kāi)口率64%。同步注漿漿液采用單液漿形式(水泥砂漿)，漿液初凝時(shí)間和結(jié)實(shí)率分別為6 h和95%。二次注漿采用水泥單液漿和雙液漿組合。

掘進(jìn)至260環(huán)后開(kāi)始，盾尾漏漿嚴(yán)重(見(jiàn)圖1)，同時(shí)還表現(xiàn)在：同步注漿壓力顯著降低，為0.09 MPa，注漿量只能達(dá)到3.8 m3，情況嚴(yán)重時(shí)，甚至同步注漿漿液壓力只為0.07 MPa，注漿量只能達(dá)到1.9 m3，并且地表沉降監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)沉降速率(最大12 mm/d)和累計(jì)沉降值(2 d累計(jì)達(dá)到22 mm)連續(xù)超標(biāo)預(yù)警，地表沉降超限以及管線破裂風(fēng)險(xiǎn)劇增，施工工效受到嚴(yán)重制約和影響。

2 盾尾漏漿原因分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析盾尾漏漿可能存在的原因主要有幾個(gè)方面：

1)盾尾密封鋼絲刷損壞或本身存在質(zhì)量缺陷。

本臺(tái)IHI輻條式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)盾尾密封系統(tǒng)采用3道密封鋼絲刷設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。從圖2可知，通過(guò)在盾尾密封刷之間的間隙注入盾尾油脂，既可保證同步注漿漿液不會(huì)從盾構(gòu)機(jī)與管片之間的間隙漏出，又防止地下水滲漏到盾構(gòu)機(jī)內(nèi)。但是，一旦盾尾鋼絲刷在推進(jìn)過(guò)程中與管片之間高強(qiáng)度磨耗損壞或者鋼絲刷本身存在制造方面的質(zhì)量缺陷，就可能導(dǎo)致盾尾漏漿，從而導(dǎo)致同步注漿量跟不上掘進(jìn)速度，進(jìn)而導(dǎo)致地表沉陷速率和累計(jì)沉降值超標(biāo)后果。

2)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前盾尾刷手抹油脂涂抹不到位或者手抹油脂質(zhì)量相對(duì)不是很好。

盾構(gòu)始發(fā)前，盾尾刷鋼絲每根絲上要涂抹和沾滿手抹型油脂，但實(shí)際涂抹過(guò)程中存在鋼絲刷內(nèi)油脂涂抹明顯不到位情況(見(jiàn)圖3)或選用的油脂密封質(zhì)量相對(duì)不好，影響尾刷的密封效果，可能導(dǎo)致漏漿。該盾構(gòu)選用某國(guó)產(chǎn)手抹25 kg小桶油脂，耗用油脂量1 t。該種油脂相對(duì)康達(dá)特等知名品牌，價(jià)格方面更有競(jìng)爭(zhēng)力一些，但效果差一些。

3)盾構(gòu)姿態(tài)不好，蛇行量較大，來(lái)回糾偏，盾尾間隙不好。

盾構(gòu)推進(jìn)操作手對(duì)土壓平衡盾構(gòu)在無(wú)水砂卵石地層施工缺乏操作經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致操作過(guò)程中水平和垂直方向的蛇行量較大，來(lái)回進(jìn)行垂直和水平方向的經(jīng)常性糾偏，盾構(gòu)姿態(tài)不好，進(jìn)而導(dǎo)致盾尾與管片之間間隙不好，推進(jìn)中擠壓損壞管片，導(dǎo)致漏漿。

4)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不好時(shí)，強(qiáng)行進(jìn)行急糾偏。

盾構(gòu)姿態(tài)糾偏本著“勤糾、緩糾”原則進(jìn)行。盾構(gòu)姿態(tài)超出給定水平或垂直偏差值±50 mm時(shí)，比如偏差達(dá)到±100 mm，應(yīng)及時(shí)報(bào)告業(yè)主方和設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)線調(diào)坡，按照掘進(jìn)100環(huán)左右來(lái)進(jìn)行緩糾，否則，強(qiáng)行急糾偏很可能會(huì)給設(shè)計(jì)調(diào)線調(diào)坡造成極大困難。

實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)多次出現(xiàn)過(guò)盾構(gòu)姿態(tài)糾偏過(guò)急，造成1次停工調(diào)線調(diào)坡。同時(shí)，還造成管片錯(cuò)臺(tái)和被盾尾擠碎等質(zhì)量隱患及質(zhì)量問(wèn)題，導(dǎo)致盾尾漏漿。

據(jù)該盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)圖紙知：盾構(gòu)殼體直徑6 260 mm、管片外徑6 000 mm、盾構(gòu)殼體鋼板厚度100 mm，則盾尾間隙為d=(6 260-6 000-2×100)/2=30 mm，當(dāng)盾構(gòu)殼體與管片為同心圓時(shí)，理想的盾尾間隙應(yīng)為上下左右間隙均相等，均為30 mm。盾尾間隙值不小于或不大于30 mm，均容易造成漏漿。

5)管片拼裝質(zhì)量不好，拼完后的管片出現(xiàn)橫、豎方向不規(guī)則扁鴨蛋橢圓形。

施工中因操作手操作不熟練或責(zé)任心不強(qiáng)，拼裝后的整環(huán)管片容易出現(xiàn)各種形狀的橫、豎不規(guī)則扁鴨蛋橢圓形，容易導(dǎo)致盾尾間隙不好，進(jìn)而導(dǎo)致盾尾漏漿的發(fā)生?，F(xiàn)場(chǎng)管片實(shí)際拼裝中，曾經(jīng)持續(xù)發(fā)生盾尾上、下間隙最大分別為80 mm，70 mm，左、右間隙只有10 mm，20 mm，管片間隙一邊大一邊小，漏漿非常嚴(yán)重等情況(見(jiàn)圖1)，注漿壓力不滿足要求只有0.08 MPa，注漿量只有2.7 m3，遠(yuǎn)低于最低5 m3要求。

此外，盾構(gòu)始發(fā)時(shí)，未對(duì)負(fù)環(huán)管片采用手拉葫蘆等拉緊裝置拉緊(見(jiàn)圖4)，導(dǎo)致始發(fā)時(shí)管片拼裝橢圓度太大，致使隧道成形后的后續(xù)管片同心度調(diào)整困難。

6)注漿壓力過(guò)大。

該盾構(gòu)盾尾密封在加注密封油脂時(shí)，可承受0.5 MPa壓力的泥水而不漏漿，要求同步注漿壓力以及二次注漿壓力不能超過(guò)該允許壓力值。施工過(guò)程中，班前交底給定的掘進(jìn)指令一般是理論值，實(shí)際操作中，比如二次注漿壓力控制，由于雙液漿或水泥單液漿經(jīng)常堵住了壓力表，壓力表容易壞，實(shí)際值可能是油泵的壓力(壓力行程最大到1.6 MPa)，無(wú)法反映真實(shí)的注漿壓力，導(dǎo)致注漿壓力可能大于盾尾刷加注油脂能承受的0.5 MPa壓力而被擊穿，而導(dǎo)致盾尾漏漿。

尤其是二次注漿，應(yīng)以壓力控制為主，其注漿壓力范圍一般為0.35 MPa～0.45 MPa，在此設(shè)定二次注漿壓力目標(biāo)值為0.40 MPa。注漿壓力過(guò)大，除了很有可能造成地層隆起，堵塞地層中埋設(shè)的一些容易滲漏的下水管道，破壞路面以及房屋結(jié)構(gòu)等外，同時(shí)也容易造成擊穿盾尾密封刷和管片之間的遇水膨脹止水膠條，造成盾尾漏漿以及成形隧道管片滲漏水。

7)注漿流量過(guò)大。

同步注漿流量設(shè)置過(guò)大，導(dǎo)致盾尾更易漏漿。

8)盾尾注入油脂量和注入壓力不足。

相關(guān)文獻(xiàn)記錄資料顯示，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，盾尾刷與管片的摩擦消耗的油脂與掘進(jìn)速度成正比，速度過(guò)快則注入盾尾的油脂在單位時(shí)間內(nèi)不能滿足其消耗量，若不及時(shí)調(diào)整油脂泵注脂率，則盾尾刷內(nèi)的油脂量和注入油脂的壓力不夠及時(shí)密封盾尾，勢(shì)必造成密封效果減弱，形成盾尾漏漿。

實(shí)際油脂注入過(guò)程中，由于油脂泵密封損壞和油脂質(zhì)量不是很好緣故，油脂注入壓力只有1 MPa～2 MPa，低于正常的3 MPa～5 MPa要求，導(dǎo)致油脂注入壓力和注入量均不滿足要求，導(dǎo)致漏漿發(fā)生。

9)注漿位置不合適。

施工過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到146環(huán)時(shí)由于刀盤(pán)和刀具磨損嚴(yán)重，停機(jī)后施作豎井改造刀盤(pán)和換刀，在距離盾尾4環(huán)位置即開(kāi)始注雙液漿封堵管片背后空隙，距離過(guò)近。實(shí)際開(kāi)挖豎井換刀時(shí)，發(fā)現(xiàn)同步注漿漿液已經(jīng)漏到刀盤(pán)前面，形成了青色的混凝土塊。換刀完成恢復(fù)掘進(jìn)后不久，盾尾便開(kāi)始漏漿，只是不很?chē)?yán)重。

10)管片錯(cuò)臺(tái)。

工人對(duì)管片拼裝不熟練，造成管片錯(cuò)臺(tái)嚴(yán)重(見(jiàn)圖5)，尤其在縱縫錯(cuò)臺(tái)產(chǎn)生后，盾尾刷無(wú)法緊密包裹在整環(huán)管片，很容易形成漿液滲漏通道。雖然盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)盾尾油脂倉(cāng)內(nèi)有盾尾油脂填充縱縫，但在較高的注漿壓力作用下，極有可能將油脂沖脫而擊穿盾尾刷，造成盾尾漏漿。盾尾與管片縱縫的錯(cuò)臺(tái)關(guān)系如圖5所示。

3 解決盾尾漏漿的針對(duì)性措施

根據(jù)上述盾尾漏漿的原因分析，進(jìn)行逐項(xiàng)排查和分析，并采取了以下相應(yīng)的措施：

1)參考相關(guān)文獻(xiàn)資料以及成功的案例經(jīng)驗(yàn)，在盾尾漏漿較嚴(yán)重的相關(guān)范圍，提前墊5 cm左右厚的長(zhǎng)條形海綿條，進(jìn)行堵漏處理，盡量減少漏漿。

2)對(duì)漏漿較嚴(yán)重的盾尾下部區(qū)域，加大盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中的盾尾油脂的注入量，對(duì)油脂注入一律由自動(dòng)控制改用手動(dòng)控制。同時(shí)確保油脂泵足夠的注入壓力，注意加強(qiáng)油脂泵的日常維保工作，平時(shí)備好1套～2套油脂泵密封圈。

3)漏漿較嚴(yán)重后，調(diào)整參數(shù)控制注漿流量，使同步注漿流量控制在90 L/min以?xún)?nèi)，并采取相應(yīng)措施，包括：一方面，推進(jìn)過(guò)程前20 cm左右先不注漿，20 cm后再注漿；另一方面，掘進(jìn)時(shí)，安排專(zhuān)人在盾尾值守，一發(fā)現(xiàn)漏漿，立即暫停漿液注入，掘進(jìn)一段距離，再試著注漿，不漏時(shí)，再調(diào)整注漿量，緩慢注入漿液。為確保各種風(fēng)險(xiǎn)源的順利通過(guò)，盾尾后3環(huán)左右，同步跟進(jìn)采用雙液漿封堵，再采用同步注漿管使用同步注漿用的單液漿進(jìn)行補(bǔ)注漿。此外，臺(tái)車(chē)后部，跟進(jìn)二次注漿，確保每環(huán)的注漿量基本能滿足要求。并且，加大對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源通過(guò)區(qū)域的地表及周邊建(構(gòu))筑物的沉降觀測(cè)，加強(qiáng)信息溝通，通過(guò)反饋的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)再來(lái)指導(dǎo)后續(xù)的施工，必要時(shí)，進(jìn)行多次注漿，直到地層及周邊建(構(gòu))筑物沉降數(shù)據(jù)穩(wěn)定可控。

4)針對(duì)漏漿情況，根據(jù)本臺(tái)IHI土壓平衡盾構(gòu)機(jī)4路(左上、右下，右上、左下)2泵的注漿管路設(shè)計(jì)思路，調(diào)整管路的注漿設(shè)計(jì)，變更原來(lái)的左上、右下一路，右上、左下一路，改為左上和右上部共一路同時(shí)注漿，其他停用，減少漏漿量。

5)對(duì)于油脂，按照北京冬季施工要求，提前與供應(yīng)商溝通采購(gòu)冬施油脂，并對(duì)施工用油脂提前采取升溫和保溫措施(見(jiàn)圖6)，以便油脂泵順利注入盾尾，同時(shí)也有利于保護(hù)油脂泵，延長(zhǎng)其密封圈的壽命。

6)選用技術(shù)熟練、責(zé)任心強(qiáng)的拼裝手，加強(qiáng)管片左轉(zhuǎn)彎環(huán)、右轉(zhuǎn)彎環(huán)、直線環(huán)合理搭配選型，調(diào)整盾尾間隙和橢圓度。

7)從施工實(shí)踐來(lái)看，本地層注漿容易形成管片上浮，因此，在推進(jìn)過(guò)程中，需要人員控制盾構(gòu)掘進(jìn)垂直狀態(tài)的參數(shù)，盡量壓低盾構(gòu)垂直姿態(tài)(包括前、中、后參數(shù))整體位于±20 mm左右，否則，一方面容易超出設(shè)計(jì)和規(guī)范預(yù)警值。另一方面，管片脫出盾尾后容易錯(cuò)臺(tái)。

經(jīng)采取上述多項(xiàng)措施后，盾尾漏漿嚴(yán)重程度得到了較明顯改善，個(gè)別出現(xiàn)沉降速率超標(biāo)的沉降點(diǎn)，經(jīng)持續(xù)多次采取二次補(bǔ)漿和多次補(bǔ)漿措施后得到了有效控制。盾尾漏漿后順利下穿通過(guò)了一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源涼水河、φ1 750 mm污水管和2 000×2 300電力管溝、5 000×3 000熱力管溝、右外大街、未拆遷平房區(qū)等風(fēng)險(xiǎn)較大的一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，安全順利到達(dá)接收豎井實(shí)現(xiàn)了接收(見(jiàn)圖7)，確保了業(yè)主工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

查看隧道洞通后盾尾刷磨損情況(見(jiàn)圖8)，也證實(shí)了盾尾刷磨損嚴(yán)重的分析。

4 結(jié)論與建議

論文對(duì)土壓平衡盾構(gòu)穿越全斷面無(wú)水砂卵石地層盾尾漏漿嚴(yán)重，工期緊，來(lái)不及換盾尾刷，以及需下穿河道、φ1 750 mm污水管、2 000×2 300電力管溝、5 000×3 000熱力管溝和老舊平房區(qū)等多個(gè)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源等情況，采取針對(duì)性措施，確保了盾構(gòu)順利掘進(jìn)和安全出洞。為土壓平衡盾構(gòu)在北京地區(qū)無(wú)水砂卵礫石層施工中的盾尾漏漿應(yīng)對(duì)措施提供了一種可行的新的思路。

對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)盾尾漏漿，由于影響因素較多，建議從盾構(gòu)始發(fā)開(kāi)始就應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注負(fù)環(huán)管片拼裝橢圓度、管片拼裝、注漿參數(shù)(壓力、注漿量)、盾構(gòu)姿態(tài)、盾尾間隙、地質(zhì)狀況、油脂、盾尾刷等多個(gè)因素。

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A solution to slurry leakage at the tail of EPBS without replacing the shield tail brush

Zhang Renzhi

(CCCCTunnelEngineeringCo.,Ltd,Beijing100069,China)

Through the analysis on the actual situation of a project construction, discussed the shield tail leakage slurry causes of earth pressure balance shield machine. Some measures, such as filling with sponge slices, increasing the grease injection, and controlling the flow of slurry, have been proposed to ensure that the EPBS can smoothly get through several grade-A risk sources and safely get out of the tunnel, without replacing the brush. This provides a feasible solution for ensuring a smooth tunneling under the condition of slurry leakage at the tail of shield.

EPBS, waterless sandy cobble stratum, slurry leakage, no replace of brush

2015-02-26

張人志(1979- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)13-0169-03

U455.43

A