泥水平衡式盾构机盾尾密封是保证盾构机尾部与地下水体隔离的一道重要安全屏障^[1,2,3]。盾构机在施工过程中, 受盾构推进姿态、管片姿态、线路线型、盾尾间隙调整、盾尾油脂品质及注入量和压力、防止浆液从管片纵环缝流入盾尾刷的保护措施等多因素影响导致盾尾刷受到不同程度磨损。盾构机在掘进过程中引起不同程度的盾尾渗漏, 严重时将发生涌水涌砂, 风险较大。

目前在泥水平衡式盾构机推进过程中更换盾尾刷的工程实例较少, 主要由于不具备更换条件。部分工程通过安装管片拼装机加长臂等措施进行盾尾刷更换^[4,5,6]。本文针对盾构机设计特点及拼装机油缸特点等, 利用中间风井的有利条件, 顺利更换盾尾刷, 并对盾尾刷更换过程进行总结和分析。

佛山市地铁2号线南庄—湖涌站区间 (简称南湖区间) 全长2.29km, 呈南北走向, 掘进断面地层基本为粉细砂、中粗砂、圆砾层等富水地层, 埋深17～27m, 地下水略有承压性, 地表建 (构) 筑物较多。

南湖区间施工时采用2台非标大直径 (6 980mm) 泥水平衡式盾构机于湖涌站始发, 穿越中间风井后抵达南庄站接收, 区间管片外径6 700mm、内径6 000mm, 中间风井位于R450m圆曲线上。纵断面最大坡度27‰, 盾构隧道结构为拼装式钢筋混凝土预制管片, 结构断面为圆形, 管片内径6 000mm、厚350mm、环宽1 500mm, 每环为6块管片。

1) 风井设计概况中间风井为5层3跨箱型结构, 风井底板埋深34.96m, 顶板以上覆土约4.5m。风井基坑纵向长26.4m、宽24.7m、深35.154m, 采用先隧后井、明挖顺筑法施工。围护结构为1.2m宽地下连续墙, 墙深44.16m, 入岩8.5m, 盾构机穿越部分采用玻璃纤维筋, 混凝土强度等级C35、抗渗等级P8。

2) 盾构机盾尾设计概况南湖区间左右线95, 96号盾构机长9.8m, 盾尾长3.795m, 盾尾直径6.96m, 管片外径6.7m, 管片与盾尾间隙30mm, 盾尾壁厚100mm。拼装模式下拼装机最大滑动行程850mm, 解除限位后最大滑动行程1 350mm。拼装机滑动行程只满足更换第1道盾尾。盾构推进油缸+顶靴长3.25m, 油缸有效伸缩长度2.1m。盾尾共设3道盾尾刷, 第1道为A1型77件、A2型5件、A3型6件, 螺栓固定, 可拆卸;第2道为B型105件;第3道为C型105件, 95号盾尾刷更换范围为第1, 2道, 现场储备1道完整的盾尾刷, 共88件。

1) 选择刀盘到达距离风井小里程地下连续墙2环位置, 此时整个盾构机位于风井内。

2) 安装管片右线517环后 (整环拼装) , 528环仅安装A1, A2, A3块, 上部安装顶撑, 513～517环进行止水环箍注浆, 516, 517环全环吊装孔及增设注浆孔采用全环聚氨酯止水环, 止水并保护盾尾刷, 513～515环采用双液浆注浆, 先两端后中间、先下部后上部对称注入, 保证无渗漏。

3) 风井内施工3口降水井进行降水。

4) 左线掘进至盾尾脱出风井小里程端端头加固体外侧, 继续掘进, 左右线地下连续墙加固体范围管片环号进行二次双液注浆。

5) 推进外漏第1道盾尾刷, 更换前检查盾尾渗漏情况, 自上而下更换受损的盾尾刷, 并在新盾尾油脂腔内涂抹油脂。518环管片采用解除限位拼装机进行直接拼装与517环管片进行连接。

6) 更换完成后, 泵送盾尾油脂, 达到设定压力时, 停止降水、恢复掘进。

更换工作内容包括:确定更换地点、施作止水环、改造拼装机、拆除管片、更换盾尾刷、拼装管片、机打油脂等, 如图1所示。

拼装机滑动导轨限位套筒拆除, 导轨直径236mm, 导轨安装防脱落挡板, 挡板采用10mm厚钢板。加工5根钢支承杆, 双拼[20, 采用U形筋固定 (见图2) 。

盾构机盾尾共设3道尾刷, 推进千斤顶最大伸长长度约2 100mm, 正常推进无法完全露出1道盾尾刷, 因此采取拆1环管片的方法。盾构机拼装完成右线第518环, 不拼装K, B1, B2块, 上部1, 3, 15点位安装加长杆, 止水注浆和降水完成后, 继续推进, 当第2道盾尾刷压板刚露出后, 立即停止掘进, 此时油缸行程理论值为1 172mm。

1) 检查盾尾、518环K块、517环检查孔有无漏水情况。

2) 无渗漏水时, 依次移除15, 3, 1点位支承杆, 在相应位置清理油腔、检查更换的盾尾刷、打磨干净安装新盾尾刷的位置、安装固定新盾尾刷。

3) 拆除A3块, 更换该区域盾尾刷, 更换完成后安装12点位支承杆。

4) 拆除A1块, 更换该区域盾尾刷, 手涂盾尾油脂, 更换完成后安装6点位支承杆。

5) 拆除A2块, 更换该区域盾尾刷, 手涂盾尾油脂。

6) 依次拆除6, 12号加长杆、拼装A1, A2, A3管片、拆除1, 3, 15号加长杆, 安装剩余管片。

手持螺丝刀拆除受损盾尾刷, 螺栓拆除后, 对盾尾刷压板边进行氧气乙炔切割, 使用气刨将盾尾刷切除, 切除前用彩钢瓦或石棉被将拼装机油管、电缆等部分遮盖, 避免电渣损坏设备。首先更换上部盾尾刷, 完成后, 重新复位安装增加支承杆件, 油缸顶紧517环管片, 然后更换下部盾尾刷。

全部切除并清理完成后, 安装螺栓固定新盾尾刷。按顺序从一边开始, 连续安装, 且起点、收点位置均为3点位。盾尾刷依次搭接安装, 在最后1块焊接时, 盾尾刷稍宽, 经仔细量测后按尺寸切除, 确保2块盾尾刷间有足够搭接长度。

焊接完成后, 对盾尾刷焊接质量进行检査, 检查完成后, 在盾尾刷内涂满油脂。

盾尾油脂涂抹完成后, 用推进油缸将管片拼装成环后整体推进恢复, 此过程需进行观察及测量, 保证上下左右油缸移动量相等, 防止管片发生旋转, 导致螺栓孔位不对应。

518环恢复拼装且螺栓紧固后, 使用盾尾油脂泵向油脂仓内注入油脂, 油脂腔压力达3.5MPa, 检查盾构各系统无故障后恢复掘进。

1) 盾尾刷更换过程中, 风井内持续降水, 保证更换安全。

2) 根据该泥水平衡式盾构机设计特点及油缸行程等, 设计加长杆在管片拆除后露出2道盾尾刷, 将整环管片成环后整体推进技术是本次盾尾刷成功更换的关键。

3) 后期在盾构施工过程中, 将对管片环、纵缝粘贴海绵条, 防止同步注浆浆液凝固于盾尾刷上, 可能解决盾尾刷磨损问题。

4) 盾构施工前选择质量高的盾尾刷和盾尾油脂, 推进过程中根据隧道线路形式选择合理的推进参数, 实时监测盾尾间隙, 保证油脂注入量充足, 可有效保护盾尾刷。