盾构机盾尾刷更换施工技术
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摘 要： 盾构法施工工法因其具有安全、机械化程度高、掘进速度快、劳动强度低、不影响地面交通及设施、施工中没有噪音等优点，被广泛应用于城市轨道交通建设。盾构机盾尾刷安装在盾构主体的最后端，作用是防止地下水、沙土、壁后注浆从管片与主体外板的缝隙间进入。但施工过程中盾构机盾尾刷易损坏且较难更换的缺点，影响了盾构施工工法的掘进质量。本文将以北京铁路地下直径线工程为例，根据施工过程中遇到的相关问题，对盾构机盾尾刷的损坏原因及预防措施、尾刷更换方法进行阐述。
关键词：盾构法施工 优点 缺点 盾尾刷更换
中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（b）-0000-00
1 工程概况
北京铁路地下直径线工程盾构隧道区域全长5175m，采用泥水加压平衡盾构机施工。隧道完成后外径为φ12.04m，内径为φ10.5m。
泥水加压平衡盾构机基本原理是在泥水舱中注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，并由安装在正面的刀具切削土体表层泥膜，与泥水混合后形成高密度泥浆，然后由泥浆泵及管道把泥浆输送到地面过滤处理。在泥水舱内和掌子面间建立泥水平衡是泥水盾构机掘进的根本要求，另外由于盾构掘进过程中，采用在管片背后同步注浆方式来填充管片离开盾构机尾部后与周围地层之间的间隙，从而达到减小地层沉降，限制管片位移和变形，提高结构稳定性，加强隧道防水性能的目的。
盾构机尾盾内部焊接有三道密封刷，掘进时在管片与尾盾之间的密封刷内注入密封油脂，防止水、泥沙进入盾构机内部。在尾盾上还有注浆孔，用于管片的同步注浆，填充管片离开尾盾后与地层之间的空隙。因盾构下部压力大，在尾盾下部最外侧安装有钢板束加强密封效果。若盾尾刷损坏导致渗漏，会影响前方开挖仓的泥水平衡、污染盾构管片拼装工作区域、给管片拼装造成不便、增加密封油脂消耗量，严重时将影响盾构机的正常掘进，导致地面沉降难以控制，最终致使工期延误。
2 盾构机盾尾密封刷损坏原因及预防措施
2.1盾尾刷损坏原因
1、管片拼装时拼成椭圆形或出现错台现象，致使盾尾密封刷不能完全包裹管片，形成渗透通道，在较高的注浆压力和泥水压力等作用下导致管片尾盾间发生渗漏。
2、拼装管片时组装工艺不合理或野蛮拼装，致使相邻管片相互挤压破损后混凝土块进入尾盾损伤密封刷。
3、盾构机在掘进过程中，由于操作人员技术不熟练或砂浆配比不合理，使浆液凝固时间过短，造成浆液不能充分填充管片后空隙，而是堆积在注浆口附近，造成注浆通道受限制，后续浆液压力增加，当浆液压力高于盾尾刷和油脂的抗压力时，就会通过盾尾刷和油脂衬背进入尾盾造成窜浆。
4、在盾构掘进过程中，盾尾刷与管片的摩擦消耗的油脂与掘进速度成正比，速度过快则注入盾尾的密封油脂在单位时间内不能满足其消耗量，若不及时调整油脂泵注脂率，则盾尾刷内的油脂量和注入油脂的压力不能及时密封盾尾，势必造成尾刷的密封效果减弱，形成盾尾渗漏。
5、盾尾密封刷长期受管片挤压后产生塑性变形而失去弹性，也会导致密封性能下降，在压力作用下导致浆液渗漏。泥水盾构停止掘进时，开挖舱内有泥水的压力作用，管片组装时很易导致盾尾后退，损坏密封刷。
2.2盾尾刷损坏的预防措施
加强对管片拼装人员的培训，提高拼装质量，在每次管片安装前，应清除盾体内的渣土，避免安装管片时造成错台现象。严格控制千斤顶伸缩量，避免盾构后退，掘进时防止盾构姿态调整过猛损坏密封刷。加强对同步注浆的监测，严格控制双液浆的配比。在条件允许的情况下，更换盾尾刷，以保证盾尾刷的密封性。
3 盾构机盾尾刷的更换
2011年3月，随着盾构机的掘进，盾尾密封刷的磨损也越来越大部分位置的盾尾刷损坏。经检查发现右侧及左下侧油缸位置盾尾密封刷有损坏，需要更换。
3.1 更换地点的选择、管片选型及掘进准备工作
盾尾密封刷更换地点应尽量避免在软土层内及地下水丰富的区段，北京铁路地下直径线一般选择在沿途选定的换刀加固区进行盾尾刷的更换，此次更换位置选择在第七加固点掘进里程为DK4+434.00，盾构恢复掘进并掘至DK4+423.43盾构机尾盾进入加固区内进行盾尾刷的焊接更换。掘进的最后一环管片（需要拆除的环）k块位置应尽量放置在盾构下方区域。
在盾构到达更换地点前，对要更换盾尾刷管片环后方2-3环管片在掘进时加强同步注浆量保证盾尾注浆密实，在到达停机点最后20cm改注高浓度泥浆，以确保盾尾注浆管长时间停机不会发生堵塞，同时提高盾尾注脂压力多注入油质增强密封效果。
3.2 施工材料的准备
根据施工需要提前准备好相关的工具、材料，见表1。
表1 施工材料表
名称
数量
名称
数量
高压清洗机
1台
电焊机（碳弧气刨）
2台
氧气乙炔
1套
1t、2t手拉葫芦
各两个
土工布
10平方
管钳
大小各2
污水泵
2台
撬棍
5根
棉纱
13包
焊条、碳棒
根据需要
木板、铁丝、型钢
若干
灭火器
5瓶
盾尾刷
150块
角磨机
2台
3.3 更换盾尾刷
盾构机掘进最后一环850mm（油缸行程1450mm），此时管片位于第一道密封刷上方，停止掘进。如图1：
图1 油缸行程及盾尾刷位置理论计算示意图
管片拆除，依次拆除k块两侧的b1、b2两块管片。一次拆除管片数量不超过4块，在完成一侧盾尾刷焊接拼装完成后再拆除另一侧管片并焊接盾尾刷。如图2：
图2 拆除管片与盾尾刷位置实际操作示意图
在盾构机中盾尾底部位置安装水泵，防止可能出现的涌水。用土工布将需要焊接位置附近的推进油缸包裹并用铁丝固定，防止切割焊接时焊渣等损坏推进油缸活塞杆。管片安装机在拆除及移动管片后应将油缸收起，对管片安装机上其它油缸也要用土工布进行包裹防止损伤活塞杆。
根据需要搭设木板，拆除更换盾尾刷及邻近位置上的管片，用撬棍撬开损坏的盾尾刷清理油脂，用高压水枪反复冲洗要更换的盾尾刷以清除第一道盾尾刷之间的残留油脂，在第二道盾尾刷与管片间隙填海绵条封堵，用管钳将尾刷翻起，用3mm钢板或围挡板隔开尾刷钢丝与切割部位，防止氧气乙炔切割时引燃盾尾刷上的油脂，现场准备灭火器，如发生油脂燃烧立即作灭火处理，用碳弧气刨从上向下割除损坏的盾尾密封刷，并用钢丝刷、角磨机对需要焊接的位置进行打磨，用棉纱清理从后方渗入的泥水及油脂，用氧气乙炔对焊接部位加热去除水分使焊接部位干燥并清除油脂。焊接新的密封刷后涂抹密封油脂，完成后拼装管片并用油缸顶紧管片防止管片松动。完成盾尾刷焊接并拼完管片后开启盾尾注脂泵加注密封油脂后恢复掘进。
4 结束语
完好的盾构尾刷是盾构隧道注浆质量、防水质量、管片拼装质量、施工进度以及地表沉降控制质量的保证，盾尾刷更换技术的成熟，也将是盾构长距离掘进技术的关键。而在地下工程中，由于地址的复杂性，给盾构机盾尾刷的更换带来了许多难以预料的困难，对盾尾刷更换过程进行深入分析，并对难点采取有效的技术措施，是盾尾刷更换成功的关键。
参考文献
[1] 复合地层中的盾构施工技术.北京：中国科学技术出版社
[2] 法国NFM公司提供的盾构机图纸资料
[3] 盾构施工中盾尾刷更换技术，王光锐，工程建设，2012年02月