鄒冠堯

(廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 412000)

1 工程概況

某地鐵區(qū)間隧道縱斷面最大坡度為27‰，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)形式為拼裝式鋼筋混凝土預(yù)制管片，結(jié)構(gòu)斷面為圓形，管片外徑為6 700 mm，管片內(nèi)徑為6 000 mm、厚度為350 mm、環(huán)寬為1 500 mm，每環(huán)分作6塊，2個連接塊，3個標(biāo)準(zhǔn)塊，1個封頂塊。采用1臺φ6 980 mm泥水平衡盾構(gòu)機進行掘進施工。

尾刷更換位置從地面至隧道底部依次為①-1素填土(5 m),②-1B淤泥質(zhì)土(20.4 m),②-5淤泥質(zhì)土(6.3 m)，隧底1.8 m為③-4圓礫層(如圖1所示)。隧道范圍內(nèi)整體為軟土地質(zhì)，透水性弱。

2 盾尾刷設(shè)計

隧道底部水土壓力最大會達到4.76 bar，富水砂層中，水土液化嚴重，易發(fā)生涌水涌砂，為了能夠有效的阻止地下水、土砂及壁后注漿材料等進入管片以及主體盾構(gòu)殼體之間的間隙當(dāng)中，將盾尾刷增加為4排，前兩排位數(shù)采用180 mm長的盾尾刷(如圖2所示)，并且為防止盾尾姿態(tài)引起管片間隙變化的密封性，增加后保加強板，提高盾尾刷對管片的貼合力，同時更改后油脂腔由2個變?yōu)?個，其中第1道為可更換式[1-3]。

3 工程情況

3.1 尾刷滲漏

某工程掘進至261環(huán)時，盾尾12號～13號油缸位置(9點鐘)出現(xiàn)漏漿。經(jīng)分析，漏漿成分主要為同步注入砂漿，同時夾雜少量粉細砂，漏漿量約為1 m2(如圖3所示)。

3.2 盾尾滲漏原因分析

1)同步注漿。

保證地面沉降在10 mm以內(nèi)，增加盾構(gòu)機掘進同步注漿量；根據(jù)圖4顯示，該段同步注漿量均保持在9 m3左右，為理論注漿量4.84 m3的1.86倍左右。

隨著同步注漿量的提高，盾構(gòu)機同步注漿壓力較正常掘進階段(0.65 MPa左右)有明顯上升；同步注漿壓力及同步注漿量的增加，導(dǎo)致部分漿液進入盾尾油脂腔中，進一步影響，也導(dǎo)致674環(huán)盾尾有砂漿泄露。根據(jù)以上情況，考慮到盾構(gòu)機已經(jīng)完成下穿高壓燃氣管線，并將沉降控制在6 mm左右，決定將同步注漿量恢復(fù)到正常水平(如圖5所示)。

2)盾尾油脂注入。

為提高盾尾油脂利用效率，在保證盾構(gòu)機安全的前提下，盾構(gòu)掘進施工適當(dāng)控制了盾尾油脂的用量。但由于盾構(gòu)機油脂注入孔的布局存在一定的空白，6號油脂孔與7號油脂孔之間距離長達4.1 m，該范圍(12號～14號油缸)內(nèi)盾尾油脂壓力不足，無法得到足夠補充(如圖6所示)；同時隨著下穿燃氣管線段同步注漿量的提高，砂漿進入油脂腔，進一步導(dǎo)致油脂無法有效填充12號～14號油缸區(qū)域，盾尾刷存在薄弱環(huán)節(jié)，影響了盾尾的整體密封性[4-6]。

3)地層影響。

盾構(gòu)機在砂層中已累計掘進644環(huán)，掘進長度達1 000余米，其中圓礫地層近600 m且埋深超過25 m。長時間在砂層中掘進，由于地層特性，盾尾刷長時間在高水壓環(huán)境下作業(yè)，部分地層顆粒會進入到盾尾，對盾尾刷造成進一步的損害。

4)其他因素。

a.線型：盾構(gòu)機當(dāng)前處于R=650 m的緩和右轉(zhuǎn)曲線中，盾構(gòu)機左側(cè)盾尾間隙較小，尾刷受到擠壓。

b.管片：近期多次拼裝鋼管片，以及混凝土管片背面處理等問題，對尾刷存在一定程度的損傷。

4 冷凍法換尾刷

選擇了以水、鹽為主的循環(huán)冷卻器作為冷卻介質(zhì)，凍結(jié)盾體的兩邊土壤，并在凍土帷幕的掩護下，更換盾構(gòu)機的第一個盾尾刷。它的建造過程的中心步驟在下面的圖7中展示。

4.1 止水工藝流程

1)盾體A環(huán)注聚氨酯、第N-3環(huán)注聚氨酯。

停機后進行盾構(gòu)機周圍止水工作，在第N-2環(huán)和盾體徑向孔位置采用聚氨酯進行止水環(huán)施工，注入順序為先注盾體徑向孔，后注第N-2環(huán)，每個位置的注入順序按照先下部后上部對稱注入。

為有效的封堵后方注漿空間到盾尾的通道，防止注漿體裹住盾構(gòu)機盾尾外壁或者填充盾尾間隙，影響到盾構(gòu)機的脫困和掘進，需對N-3環(huán)的徑向預(yù)留孔注入聚氨酯，使得其與管片周圍的地下水反應(yīng)，并填充盾尾管片和最后一道盾尾刷外的空隙，形成一個隔離帶，既能起到阻水作用，也可以防止后方注入的雙液漿滲入前方盾尾刷和盾構(gòu)機盾尾外壁，同時可以起到保護盾尾刷的作用。在第N-7環(huán)～第N-3環(huán)采用注入雙液漿進行止水環(huán)施工，注入順序為先兩端后中間、先下部后上部對稱注入(如圖8所示)。

2)二次注漿及止水效果檢測。

在注入聚氨酯后，對其后的N-4～N-7共4環(huán)管片的二次注漿孔和增加的預(yù)留孔進行雙液漿注漿。按照從下到上，先兩端后中間的順序注入雙液漿(采用水玻璃-水泥雙液漿，水泥漿水灰比為1∶1(質(zhì)量比)，水泥漿∶水玻璃為5∶1(體積比))，形成止水環(huán)以及一定強度的加固體，以確保盾尾刷更換的安全。

在上述工作完成以后，且二次注漿結(jié)束間隔12 h后，對注漿效果進行檢測，打開第N-3環(huán)的球閥，觀察是否有稀漿流出，若無稀漿流出，則止水工作完成；若存在滲水現(xiàn)象，隨即對滲水區(qū)域預(yù)留孔補注聚氨酯，確保所有檢測孔無滲水才能進行管片拆除和該區(qū)域盾尾刷更換[7-10]。

4.2 凍結(jié)施工工藝流程

1)冷凍控制體系的結(jié)構(gòu)。

該制冷方案是將凍管組的鋼管作為一個整體進行制冷機和地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行換熱器，凍結(jié)管焊接在鋼管片內(nèi)側(cè)，每個管件內(nèi)部的凍管都分開并預(yù)留接頭，在裝配完成后；利用預(yù)先埋置的接頭，可以按照要求將凍管與管片圓周相連(見圖9)。

2)冷凍土體溫度監(jiān)測。

為了監(jiān)測冷凍壁的擴展情況以及凍結(jié)壁是否達到設(shè)計溫度。如圖9所示在每塊管片(除K塊)第2號、3號管路之間都插入了溫度計。在冷凍鋼管片的背板上預(yù)留了孔，而后將一端開口一端閉口的小直徑(D=25 mm)無縫鋼管打入土體800 mm深，再將溫度計插入鋼管中。具體如圖10，圖11所示。

3)冷凍機選擇。

凍結(jié)站需冷量的計算：

Q=S×109=3 440 kcal/h。

其中，Q為需冷量；S為管片表面積。

根據(jù)計算，Q=3.14×6.7×1.5×109=3 440 kcal/h。

冷藏工位置于隧道建設(shè)中的凍管后方，冷卻器為TBSD-510.1 FJ型水冷、冷卻螺桿冷卻器(額定制冷容量11.27×104kcal/h)1個。

4)凍結(jié)系統(tǒng)輔助設(shè)備。

a.使用ISW200-400(A)型鹽水循環(huán)泵，其單相流量為243 m/h，電動機功率37 kW，揚程38 m。

b.利用隧道內(nèi)的盾構(gòu)機本身的循環(huán)水進行冷卻循環(huán)。

c.采用φ159×5 mm的鋼管作為鹽水干管和集配液管。

5)積極凍結(jié)。

在主動凍結(jié)2 d后，海水的水溫降到-28 ℃以下，并將其流向與回程的鹵水溫差限制在2 ℃以下，如果鹽水的水溫和含水量不符合要求，就需要延長凍結(jié)時間。

冷凍體壁厚度為300 mm，外部平均氣溫為-12 ℃；凍土的生長速率是25 mm/d～35 mm/d，同時還需要考慮到各種原因，比如凍土的發(fā)育不均等，如果要形成凍土，那么在10 d左右的時間內(nèi)，就需要進行有效的凍結(jié)。為了保證凍土封凍的穩(wěn)定，在凍土工程中，必須根據(jù)現(xiàn)場的實測資料，全面、詳細地對凍土的影響進行全面的、詳細的研究；而且在相對薄弱的地方，查詢孔洞可以探測到具體的冰凍作用。根據(jù)具體的條件，決定主動停機時間。

在主動凍結(jié)的時候，要根據(jù)測試的數(shù)據(jù)來確定凍土帷幕是否符合設(shè)計的厚度，然后再根據(jù)測試的結(jié)果來確定凍結(jié)帷幕是否符合預(yù)定的厚度，然后再通過鋼管片預(yù)留孔打探孔，在確認了凍結(jié)帷幕質(zhì)量后，再進行更換盾尾刷。

6)解凍及溶沉。

在卸載完畢后，必須迅速地繼續(xù)挖掘。在開挖之前，需要對掘進器尾部護套周圍的凍土進行解凍。也就是在此管線中導(dǎo)入開水，采用電采暖方式進行熱水循環(huán)解凍；為了防止凍土體的溶沉化，應(yīng)按預(yù)留的孔洞進行注漿。

7)凍結(jié)溫度場監(jiān)測及盾尾刷更換。

采用智能制冷控制技術(shù)實現(xiàn)了溫度場的實時監(jiān)測。該資料來源是由一根內(nèi)置的溫度傳感器(0.1 ℃)的無縫管插入到該溫度測定孔徑0.8 m處而得到的，并將該資料傳送給該探測裝置。在凍結(jié)期間，將各個檢查井的資料進行匯總和記錄，分析凍管的發(fā)展?fàn)顩r。當(dāng)資料滿足上述要求時，進行巖心的測定。在確認了主動凍結(jié)完成后，進行了養(yǎng)護后的養(yǎng)護工作。

5 存在問題及解決辦法

1)拆管片時K塊難拆、損壞。冷凍后K塊管片難以拆除，可能會造成K塊管片損壞，而且由于冷凍機組的阻擋，管片進場運輸?shù)狡囱b區(qū)非常困難。應(yīng)在冷凍站組裝前先行準(zhǔn)備一塊K塊管片在拼裝區(qū)備用(如圖12所示)。

2)鋼管片冷凍管設(shè)置存在薄弱區(qū)、焊接方式傳冷效果差。按照既有的管路，由于凍結(jié)管在每塊管片端頭處提前外伸，并未頂?shù)焦芷吘?，對于整個凍結(jié)壁在鋼管片接縫處可能會存在薄弱點。應(yīng)設(shè)置盲管，保證沿圓周凍結(jié)壁沒有薄弱點。凍結(jié)管與鋼管片之間的接觸面較小，傳熱效率低，影響傳冷效果，會導(dǎo)致積極凍結(jié)時間延長(如圖12所示)。

6 結(jié)論

本文論述了在富水、粉砂巖地層中，更換盾構(gòu)機尾刷的工藝特點，探討了尾刷更換的施工方法，保證了其順利進行，并得到了相關(guān)的結(jié)論：

1)由于盾尾刷拆除具有較大的工程風(fēng)險，因此在進行施工前，必須制定詳細的施工計劃和應(yīng)急預(yù)案，控制好整個工程的各個環(huán)節(jié)，并采取相應(yīng)的安全和緊急措施。

2)在拆下管片之前，必須保證盾殼和盾尾達到預(yù)期的止水率，并嚴格核對確認后，才可以實施管片拆除。

3)選擇合適的停機位置是確保尾刷順利更換的必要條件。如果出現(xiàn)泄漏，必須立即采取緊急方案，采取堵塞的方法進行泄漏，在危險得到控制的情況下，再進行處理。