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        盾構(gòu)機(jī)盾尾刷設(shè)計(jì)及更換技術(shù)研究

        2021-10-20 08:52:58
        鐵道建筑技術(shù) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:施工

        楊 梅

        (中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074)

        1 引言

        在地鐵建設(shè)中,盾構(gòu)機(jī)由于具備安全、快捷、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)而被廣泛使用。盾構(gòu)機(jī)的盾尾刷位于盾構(gòu)主機(jī)尾部,由3道密封刷組成2個(gè)密封腔,密封腔通過注入盾尾油脂密封[1],是防止水、泥漿等流進(jìn)盾構(gòu)內(nèi)部的關(guān)鍵設(shè)施。盾構(gòu)施工中,盾尾刷不可避免會(huì)發(fā)生磨損,當(dāng)磨損到一定程度時(shí),將導(dǎo)致盾尾發(fā)生滲漏水,漏砂,嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生地面下沉坍塌事故[2-3],所以一旦發(fā)現(xiàn)盾尾刷較大范圍被損壞,就需及時(shí)更換盾尾刷。

        盾尾刷更換常采用加固措施來進(jìn)行,主要為將盾尾周圍地層進(jìn)行凍結(jié)或采用防水材料在盾尾地層中進(jìn)行注漿防滲。陳馳等[4]在過江隧道盾尾刷更換前使用液氮凍結(jié)止水防滲;袁立斌等[5]介紹了冷凍鋼管片的設(shè)計(jì)以及凍結(jié)過程溫度監(jiān)測(cè),表明了冷凍鋼管片進(jìn)行盾尾刷更換的有效性;姚奮宗[6]介紹了全斷面砂層中在鋼管片內(nèi)側(cè)布置凍結(jié)管進(jìn)行鹽水循環(huán)凍結(jié)更換盾尾刷的工法過程;陶云超[7]從盾尾刷更換位置的選擇、推進(jìn)油缸長(zhǎng)度的確定、更換盾尾刷時(shí)的注意事項(xiàng)等方面,闡述了盾尾刷更換技術(shù);李家洋等[8]詳細(xì)介紹了大直徑盾構(gòu)機(jī)注漿法止水的尾刷更換技術(shù);高如超等[9]從借助風(fēng)井內(nèi)降水,改造拼裝機(jī)以及施作止水環(huán)等角度闡述泥水盾構(gòu)盾尾刷更換技術(shù)?,F(xiàn)有盾尾刷更換技術(shù)主要集中在對(duì)盾構(gòu)周圍土體采取加固措施,對(duì)于特殊不具備加固條件地層,尚未見相關(guān)施工技術(shù)報(bào)道。本文結(jié)合西南地區(qū)某盾構(gòu)項(xiàng)目,首次探索設(shè)計(jì)了一種全新的盾構(gòu)機(jī)盾尾刷并對(duì)其更換技術(shù)進(jìn)行了研究。

        2 工程概況及問題分析

        2.1 工程概況

        某市地鐵五號(hào)線八標(biāo)包含4個(gè)盾構(gòu)區(qū)間,區(qū)間地表建(構(gòu))筑物繁多。盾構(gòu)掘進(jìn)地層主要為(3)1-3泥炭質(zhì)土、(3)2-3粉質(zhì)黏土、(3)3-4粉土。區(qū)間土層層厚不均,具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、承載力低、靈敏度較高、易觸變等特性,工程性質(zhì)差;粉土存在液化現(xiàn)象。盾構(gòu)區(qū)間下穿眾多河流,地下水豐富,土層滲透性好,地下水與河流有一定的水力聯(lián)系,易導(dǎo)致地下水形成漏水通道。

        2.2 問題分析

        本工程在第1個(gè)盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)時(shí)使用了傳統(tǒng)盾尾刷,靠近河流時(shí)采用常規(guī)技術(shù)進(jìn)行了盾尾刷更換,在更換過程中顯示出一些問題,主要為:

        (1)盾尾刷在更換期間,盾構(gòu)需停止掘進(jìn),停機(jī)過長(zhǎng),盾體和刀盤易被卡住,注漿管路易被堵塞。

        (2)拆除管片時(shí),尾刷周圍出現(xiàn)漏水情況,安全風(fēng)險(xiǎn)特別大。

        (3)盾尾刷在拆除焊接過程中,費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,效率低,且作業(yè)區(qū)出現(xiàn)大量濃煙;此外火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)也很大,焊渣易毀壞周圍設(shè)備[10]。

        (4)河流沿線周邊建筑物密集,需提前進(jìn)行加固,耗費(fèi)大量人力物力。

        3 盾尾刷設(shè)計(jì)及更換關(guān)鍵技術(shù)

        3.1 盾尾刷設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

        該結(jié)構(gòu)包括易安拆盾尾刷、鋼管片、彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)等部分,如圖1所示。

        圖1 盾尾刷設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

        (1)易安拆盾尾刷

        在傳統(tǒng)盾尾刷的基礎(chǔ)上總結(jié)優(yōu)化,設(shè)計(jì)了一種易安拆盾尾刷。該盾尾刷是由多個(gè)盾尾刷組件拼接而成。每個(gè)盾尾刷組件主要包括三片平行排列的弧形盾尾刷環(huán)片、長(zhǎng)條形安裝孔、微調(diào)距結(jié)構(gòu)和兩根平行連接滑桿(見圖2)。

        圖2 單個(gè)盾尾刷組件

        在每片盾尾刷環(huán)片的內(nèi)環(huán)面焊接常規(guī)盾尾刷,并開設(shè)多個(gè)長(zhǎng)條形安裝孔;兩根連接滑桿安裝在三片盾尾刷環(huán)片的外環(huán)面。連接滑桿一端為圓弧狀,另一端設(shè)有卡槽。微調(diào)距結(jié)構(gòu)包括沿著盾尾刷環(huán)片環(huán)向分布的調(diào)節(jié)齒條和與齒條相互嚙合的齒輪,用于調(diào)整盾尾刷環(huán)片環(huán)向位置。

        每片盾尾刷環(huán)片的兩拼接端采用相互匹配的拼接斜面,使得相鄰盾尾刷組件之間壓緊更加密實(shí),同時(shí)使得盾尾刷之間的拼裝更加嚴(yán)實(shí),不易產(chǎn)生密封薄弱點(diǎn)。

        在盾尾外殼內(nèi)壁安裝盾尾刷的位置安裝滑槽和多個(gè)緊固螺栓孔(見圖1)?;鄣倪M(jìn)入口呈八字形擴(kuò)大口,滑槽的尾端設(shè)有彈性卡件。連接滑桿與滑槽的接觸面設(shè)置多個(gè)滑動(dòng)滾珠,以方便滑桿滑動(dòng)。

        安裝時(shí),每個(gè)盾尾刷組件通過滑桿圓弧端滑入盾尾外殼內(nèi)壁對(duì)應(yīng)的滑槽內(nèi),并用緊固螺栓將盾尾刷環(huán)片固定在盾尾外殼內(nèi)壁。為保證密封性,在每片盾尾刷環(huán)片的外環(huán)面未與滑桿接觸的部位,設(shè)有密封墊片,使盾尾刷組件與盾尾外殼內(nèi)壁緊密接觸。

        (2)鋼管片

        鋼管片采用常規(guī)的盾構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)管片進(jìn)行改裝,其外形與普通的盾構(gòu)管片外形大小相同。其主要結(jié)構(gòu)包括外環(huán)面的完整鋼板和內(nèi)環(huán)面的鋼結(jié)構(gòu)支撐。在外環(huán)面上開設(shè)有新盾尾刷螺栓安裝孔(以下簡(jiǎn)稱“新安裝孔”)、舊盾尾刷螺栓拆除孔(以下簡(jiǎn)稱“舊拆除孔”)和彈簧螺栓調(diào)節(jié)孔(見圖3)。

        圖3 鋼管片

        (3)彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)用來將盾尾刷組件固定在鋼結(jié)構(gòu)管片外環(huán)面上,并用來調(diào)節(jié)盾尾刷組件的高度。

        該結(jié)構(gòu)主要包括開設(shè)在鋼結(jié)構(gòu)管片上彈簧螺栓調(diào)節(jié)孔、對(duì)應(yīng)設(shè)置在滑桿上的螺桿固定槽、螺桿、調(diào)節(jié)螺母和固定有彈簧圈的鎖緊塊(見圖1)。彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)作用過程是:先將固定有彈簧圈的鎖緊塊通過螺栓安裝到調(diào)節(jié)孔內(nèi),其彈簧圈伸出鋼管片外環(huán)面調(diào)節(jié)孔,對(duì)盾尾刷組件定位。將螺桿從鎖緊塊通孔內(nèi)插入彈簧圈并延伸至螺桿固定槽,擰緊螺桿,即可將盾尾刷組件固定在鋼結(jié)構(gòu)管片上。在螺桿位于鋼結(jié)構(gòu)管片內(nèi)環(huán)面的區(qū)域設(shè)置調(diào)節(jié)螺母,在需要調(diào)節(jié)盾尾刷組件的高度時(shí)調(diào)節(jié)螺母松緊,在彈簧圈的作用下,便可將盾尾刷組件調(diào)至適合高度。

        3.2 盾尾刷更換施工技術(shù)原理

        盾構(gòu)掘進(jìn)過程中所使用的新舊盾尾刷均為易安拆盾尾刷,通過滑槽和滑桿安裝。盾構(gòu)正常掘進(jìn),將盾構(gòu)管片換成改裝后的鋼管片,拼裝好第一環(huán)管片,然后在管片前部焊接側(cè)翼鋼板及接縫鋼板,形成第一道密封;盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn),并依次拆除舊盾尾刷的三排螺栓,同時(shí)調(diào)整新盾尾刷與盾尾滑槽的位置,準(zhǔn)備新盾尾刷的滑動(dòng)安裝;利用第二排螺栓拆除時(shí)安裝的推移繩索,將舊盾尾刷第二排螺栓孔滑移到舊拆除孔,將舊盾尾刷與鋼結(jié)構(gòu)管片固定,形成第二道密封;盾構(gòu)繼續(xù)前進(jìn),使盾尾滑槽尾端的彈性卡件卡入舊盾尾刷的卡槽內(nèi),形成第三道密封;三道密封與舊盾尾刷原有的密封腔同時(shí)作用,阻止外部水、泥漿進(jìn)入盾體,為盾尾刷的更換以及盾構(gòu)的繼續(xù)掘進(jìn)提供無水環(huán)境;繼續(xù)調(diào)整新盾尾刷與盾尾滑槽位置,通過滑移使新盾尾刷安裝到位,用緊固螺栓擰緊,即完成盾尾刷更換。

        3.3 施工關(guān)鍵技術(shù)

        盾構(gòu)在第4個(gè)盾構(gòu)區(qū)間左右線掘進(jìn)中使用易安拆盾尾刷,左線施工至979環(huán)時(shí),盾尾出現(xiàn)漏漿,在盾尾擠出的盾尾油脂中發(fā)現(xiàn)尾刷鋼絲,結(jié)合前段施工漏漿情況,分析判斷盾尾刷受損,決定更換新盾尾刷后再恢復(fù)掘進(jìn)。

        3.3.1 易安拆盾尾刷組裝

        (1)盾尾刷組件在工廠預(yù)制后,運(yùn)輸?shù)焦さ剡M(jìn)行安裝。盾尾刷按照安裝程序焊接到每片盾尾刷環(huán)片內(nèi)環(huán)面上,隨后在環(huán)片外環(huán)面預(yù)留位置粘貼密封墊片,涂抹潤(rùn)滑油;接著進(jìn)行盾尾刷油脂手工涂抹[11](見圖4),涂抹時(shí)分層將鋼絲刷撥開后填入油脂,涂抹后每層油脂填塞飽滿,不掉落、不漏涂,經(jīng)土木工程師檢驗(yàn)合格后方可使用。在地面將新盾尾刷組件組裝好后,注意對(duì)其進(jìn)行保護(hù),以免損壞部件。

        圖4 盾尾刷涂抹油脂

        (2)將組裝好的新盾尾刷的單個(gè)盾尾刷組件,安裝到每片鋼管片的外環(huán)面。安裝過程中通過調(diào)節(jié)螺母調(diào)整盾尾刷組件的高度,使其既不影響鋼管片的安裝,也不與盾尾殼體接觸摩擦;然后采用封堵蓋將新安裝孔和舊拆除孔封住。

        (3)將安裝有盾尾刷組件的鋼管片吊裝運(yùn)輸至盾尾區(qū)域,盾構(gòu)掘進(jìn)至鋼管片可拼裝位置時(shí),利用盾構(gòu)拼裝機(jī)系統(tǒng)逐一拼裝鋼管片成第一環(huán)管片,盾尾刷組件也對(duì)應(yīng)形成三道新盾尾刷。

        3.3.2 盾尾刷第一道密封

        第一環(huán)鋼管片拼裝完成后,在管片前部焊接側(cè)翼鋼板及接縫鋼板進(jìn)行密封,鋼板與鋼板之間采用螺栓連接,并在連接縫隙安裝密封條,使其前部形成第一道密封(見圖5),然后通過管片前部上通氣孔和測(cè)壓孔開始第一次前腔打壓測(cè)試。

        圖5 盾尾刷第一道密封

        3.3.3 盾尾刷同步拆除與安裝

        (1)盾構(gòu)機(jī)開始第二環(huán)掘進(jìn),打開舊拆除孔,將油缸行程推進(jìn)至舊拆除孔正對(duì)舊盾尾刷的第一排緊固螺栓處,停止掘進(jìn),依次拆除舊盾尾刷的第一排螺栓。同時(shí),將一根推移繩索一端連接到舊盾尾刷上,另一端從舊拆除孔伸出,連接手拉葫蘆,通過手拉葫蘆來控制推移繩索帶動(dòng)舊盾尾刷在滑槽內(nèi)滑動(dòng)。繼續(xù)掘進(jìn)至鋼管片的舊拆除孔正對(duì)舊盾尾刷的第二排螺栓處,停止掘進(jìn)并依次拆除第二排螺栓。同時(shí)通過安裝孔觀察新盾尾刷滑桿與滑槽的位置關(guān)系,采用微調(diào)距結(jié)構(gòu),旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)齒輪,帶動(dòng)盾尾刷環(huán)片環(huán)向移動(dòng),進(jìn)行環(huán)向位置的微調(diào);通過彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)調(diào)整新盾尾刷的高度,使其滑桿與滑槽的進(jìn)入口對(duì)接(見圖6)。

        圖6 盾尾刷同步拆除與安裝

        (2)盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)向前掘進(jìn)至舊盾尾刷第三排螺栓處,停止掘進(jìn)并依次拆除第三排螺栓,使得舊盾尾刷與盾尾殼體解除連接。繼續(xù)觀察新盾尾刷滑桿與滑槽的位置關(guān)系,根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。

        3.3.4 盾尾刷第二道密封

        向后收緊推移繩索,帶動(dòng)舊盾尾刷沿著盾尾殼體上的滑槽移動(dòng)至舊盾尾刷的第二排螺栓孔與舊拆除孔對(duì)應(yīng),并通過長(zhǎng)螺栓將舊盾尾刷與鋼管片固定,形成第二道密封(見圖7)。

        圖7 盾尾刷第二道密封

        3.3.5 盾尾刷第三道密封以及協(xié)同密封

        盾構(gòu)繼續(xù)前進(jìn),帶動(dòng)舊盾尾刷沿著滑槽到達(dá)滑槽的尾端,使滑槽尾端的彈性卡件卡入舊盾尾刷滑桿上的卡槽內(nèi),形成第三道密封(見圖8)。三道密封與舊盾尾刷原有的密封腔協(xié)同密封,共同阻止外界水滲入盾體內(nèi),為新盾尾刷安裝和盾構(gòu)掘進(jìn)提供密封保障。

        圖8 第三道密封和新盾尾刷安裝到位

        3.3.6 新盾尾刷安裝到位

        (1)調(diào)整彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)使得新盾尾刷與盾尾殼體密切接觸,通過滑桿在滑槽內(nèi)移動(dòng),使新盾尾刷安裝到位,且新盾尾刷的三排螺栓依次與鋼管片上的新安裝孔對(duì)應(yīng),停止掘進(jìn),通過鋼管片上通氣孔和測(cè)壓孔開始第二次后腔打壓測(cè)試。

        (2)通過新安裝孔依次把新盾尾刷上的緊固螺栓擰緊(見圖8),并拆除鋼管片與新盾尾刷之間的彈簧螺栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu),開啟盾構(gòu)機(jī)油脂系統(tǒng),進(jìn)行油脂腔填充,待油脂系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),再次重復(fù)進(jìn)行前腔打壓測(cè)試。

        (3)打壓測(cè)試達(dá)標(biāo)后盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)向前掘進(jìn),舊盾尾刷脫出盾尾,拆除鋼管片與舊盾尾刷的連接,完成盾尾刷的更換。接著逐一拆除鋼管片側(cè)翼鋼板,鋼管片重新?lián)Q成盾構(gòu)混凝土管片,恢復(fù)正常施工。掘進(jìn)一段時(shí)間后,在鋼管片背后采用雙液漿作為注漿材料,進(jìn)行二次注漿補(bǔ)強(qiáng)。

        3.3.7 注意事項(xiàng)

        (1)在鋼管片拼裝前必須把盾殼內(nèi)的雜物清理干凈,防止對(duì)盾尾刷造成損壞。

        (2)盾尾刷更換前,加強(qiáng)中體與盾尾鉸接處的密封檢查,及時(shí)調(diào)節(jié)密封壓板螺栓,確保密封效果。

        (3)盾構(gòu)施工過程中加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)監(jiān)測(cè),根據(jù)開挖面的水土壓力,及時(shí)調(diào)整油缸推力及推進(jìn)速度,保持土艙壓力穩(wěn)定,避免因刀盤推力波動(dòng)過大對(duì)地層造成嚴(yán)重?cái)_動(dòng)。

        4 施工優(yōu)勢(shì)

        (1)本研究設(shè)計(jì)的盾尾刷,可在地面預(yù)裝好運(yùn)輸至隧道內(nèi),通過滑桿滑槽滑移安裝至盾尾,其安拆簡(jiǎn)單方便快捷。減少了傳統(tǒng)盾尾刷安拆時(shí)炮焊,打磨等工序,大大降低了工人施工難度,改善了工人工作環(huán)境,降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

        (2)鋼管片通過側(cè)翼鋼板在前端與盾尾形成第一道密封;在后端通過螺栓與舊盾尾刷固定,形成第二道密封;通過盾尾彈性卡件卡入舊盾尾刷,形成第三道密封;三道密封與舊盾尾刷原有的密封腔同時(shí)作用,使得不需要對(duì)地層進(jìn)行加固也能進(jìn)行施工;同時(shí)盾構(gòu)機(jī)也可以正常掘進(jìn),不影響施工進(jìn)度。

        (3)施工中,有時(shí)候需要對(duì)盾尾刷整環(huán)進(jìn)行更換,有時(shí)候只需要對(duì)部分損壞盾尾刷進(jìn)行更換[12]。本設(shè)計(jì)在每個(gè)鋼管片上對(duì)應(yīng)開設(shè)有多個(gè)螺栓安裝孔以及拆卸孔,既可以滿足多道盾尾刷在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中同時(shí)進(jìn)行更換,也可以針對(duì)部分盾尾刷進(jìn)行更換,適用范圍廣。

        (4)采用新盾尾刷系統(tǒng)施工比常規(guī)盾尾刷更換技術(shù)節(jié)省工期10 d;減少了工序,同時(shí)也減少了人員配置,直接節(jié)省盾尾刷刨除、焊接、人工費(fèi)和地層加固材料成本約12.5萬元(由節(jié)省工期以及減少其他措施等帶來的間接經(jīng)濟(jì)效益不含)。

        (5)傳統(tǒng)盾尾刷更換過程中,混凝土管片被拆除后一般直接破除處理,本施工中用鋼管片代替混凝土管片,管片直接作為隧道的一部分使用,不產(chǎn)生建筑垃圾。

        (6)該技術(shù)可適用于任何水文地質(zhì)條件下的盾尾刷更換施工,尤其適用于長(zhǎng)距離無法采取加固措施的盾構(gòu)施工中。

        5 結(jié)束語

        本工程首次研究了易安拆的盾尾刷及施工技術(shù),安全有效地解決了傳統(tǒng)施工技術(shù)中盾尾刷更換遇到的問題;施工中不需要進(jìn)行地層加固措施,降低了施工難度,縮短了施工工期,節(jié)約了施工成本,拓展了盾尾刷更換技術(shù)的適用范圍,為盾尾刷更換提供了新的思路。

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