盾构法隧道施工中盾尾刷保护管控措施及新工艺研究

盾构法隧道施工中盾尾刷保护管控措施及新工艺研究

朱建峰

佛山市地铁集团有限公司

摘要：地铁工程盾构法施工时，盾尾刷的密封性能、完整程度等均会直接影响整体工程的质量、进度及安全。文章结合笔者管理实践，对做好盾尾刷保护管控措施进行深入探讨，同时介绍了创新工艺-特殊钢管片冻结法更换盾尾刷技术，该技术具有投资小、施工简便、质量与安全有保障，效率高，对加快城市地铁远期发展有重要意义，值得推广使用。

关键词：盾构法；盾尾刷；保护管控；特殊钢管片冻结法；盾尾刷更换

前言

目前在城市地铁隧道工程施工中，盾构法施工技术是常用技术之一，其具有掘进稳定性好、速度快、施工质量及安全有保障，对周围环境影响小等特点，施工成效显著。但由于属于地下隐蔽施工，作业期间容易遇到不良地质、土层结构复杂、地下水丰富等情况，加上长距离掘进施工，会容易损坏盾尾刷，引发渗水等安全风险。因此，必须做好盾尾刷的保护工作的同时，还应不断创新工艺技术，提高施工质量及安全，保证盾构施工取得预期效果。

一、盾尾刷主要作用及保护重要性分析

盾尾刷是盾构机的重要组成部分，其构成主要包括有三道钢丝刷与六道弹簧钢板密封而成，（见图1）

图1  盾尾刷结构示意图

其主要作用是把因掘进施工时所产生的地层下泥水、沙石、外围注浆液等进行阻隔，避免它们透过盾构机尾部缝隙，进入到盾构机内，导致盾构机无法正常运行。盾尾刷配有注脂设备，盾尾刷作业时，能自动对每两道密封间注入密封油脂，加强盾构装置密封性能，减少隧道管片表层与钢丝刷密封之间的摩擦，保证盾尾刷密封件质量及使用寿命。

盾构机在掘进过程中盾尾刷容易受到损坏。如管控不当，容易引发施工质量及安全事故，同时还会造成地面蹋陷、涌砂、涌水等问题出现，造成经济损失。

2018年广东佛山市禅城区季华西路一环桥底东往西方向路面发生路面塌陷，已确认11人死亡，8人受伤，1人失联，直接经济损失约5323.8万元。深入分析其产生原因，主要是由于事故发生区域存在盾构区间施工。由于所处富水软弱地质，地层结构复杂，容易引发透水险情，而有关施工管理人员未能及时采用有效措施管控，导致盾尾密封性能受到破坏，应急管控措施不当，终于引发严重质量安全事故。因此，必须做好盾尾刷保护管控措施，确保盾尾刷使用质量及寿命。

二、佛山某地铁工程区间施工中盾尾刷出现情况分析

佛山地铁工程北滘站～美旗站区间盾构施工，采用某企业生产的土压平衡盾构机，通过对其施工期间实施的工序作业及出洞的情况进行分析，发现盾尾刷未能充分发挥其作用，未达到预期效果。特别是当盾机在进入施工后期，出现了较为严重的泥沙涌出及盾尾漏浆问题，对施工进度、质量、安全造成不利影响。因此，必须制定相应的保护技术措施，保证盾尾刷质量，提高其密封性能，发挥应用作用。

三、地铁施工中盾尾刷保护技术措施

为保证盾机掘进施工顺利进行，避免出现盾尾渗漏问题发生，需要采取有效技术管控措施，保证盾尾刷密封性能，充分发挥其应用作用。

主要技术措施包括有：

1、保证油脂涂抹质量。启动盾构机作业时，应保证油脂涂抹质量。第一次涂抹时，应将油脂全面涂抹至盾尾刷钢丝中间部位，之后对其进行认真检查，包括尾刷每块、每层均充分、匀称涂抹到位，不存在漏涂或涂不满等问题。

2、保证油脂注入量及油脂压力。

盾构机掘进期间，盾尾刷与管片容易出现摩擦，需要消耗大量油脂，解决因摩擦引发的隐患。

当注入的油脂压力及盾尾刷内的油脂量均不足时，则不能及时密封盾尾，盾尾刷密封效果差，容易引发盾尾渗漏等问题。所以，在实际施工过程中，必须采取合理措施，保证注入油脂压力及数量，通常每2～3环则需要补注一次油脂。若发现存在漏浆问题后，则应在漏浆部位补注油脂，清洗局部。

3、严格控制油脂质量。

进入盾尾刷的油脂质量，应具有较好的粘度及泵送性能。如油脂泵送性能欠佳，则无法被完全泵送到刷内，引发缝隙问题出现。油脂粘度欠佳时，泵进盾尾刷内的油脂，会自行留至盾尾底部，而其顶部容易出现裂缝。

4、控制壁后注浆压力。

地铁盾构施工期间，在注入双液浆时，必须严格控制其注入比例，一般要进行浆液试验以及在现场做试验，确定最佳比例，保证浆液能在11～14S之内进行凝固。此外，如发现注浆压力不断增大时，要及时停止注浆作业，并查找其发生原因，进行有效解决。或者更换注浆孔位，之后再重新进行注浆。

5、控制盾构土压。

采用土压式盾构法进行施工时，要合理控制盾构土压，其固定值要与开挖面上部位置的土层压力设置保持平衡。如把土层压力设置为P，即正常状态时盾构机头部高度处的压力值，则土压=P+(0.02~0.03)Mpa。

在具体施工前，需要深入研究及掌握施工范围内各土层及地下水文等情况，之后合理确定各隧道路段的土压。避免土压产生过大波动。

6、控制管片质量。

为保证盾构施工顺利进行，在控制好盾构形态时，还应加强对管片选择、管片拼装及质量控制工作。在选择管片时，应根据掘进线路计划、盾尾缝隙以及盾构形态等有关信息，进行合理确定管片。

7、控制掘进偏向量。

盾构机掘进作业时，要严格控制其偏向量，尽量使管片附近的盾尾缝隙处于匀称一致状态，减少管片挤压盾尾刷问题出现。拼接管片期间，要合理控制千斤顶伸缩量，避免盾构机出现后退问题。

8、定期检查油脂仓。

盾构机油脂仓油脂数量和压力足够，才能保证其顺利施工，因此，在施工中应定期对盾尾油脂仓进行全面处理，把仓内残渣全面清除干净。在实际操作时，先从盾构机里圈开始，把油脂内仓对准片吊装孔，根据先上后下的顺序，把油脂涂抹在里圈单孔处，打开邻近孔逆止阀，待油脂流尽后，再进行关闭，之后把油脂涂抹在流出孔隙处，再打开相邻孔，按此循环操作。之后继续掘进，当油脂外圈对准管片吊装孔时，开始外圈油脂清理作业。

9、掘进期间出现较大问题及情况严重时，导致盾尾刷密封性能大为降低，此时需要更换盾尾刷，但更换过程存在较大安全隐患，对更换技术要求高，必须进行综合考虑，结合项目实际情况进行有效操作。

四、创新工艺—特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术

盾尾刷检修及更换对施工地层及环境要求甚高，尤其当地层存在地下水时，更应做好止水防控措施，防止出现安全风险。针对佛山地区地质条件，结合实际施工积累的经验，经过不断的研究与总结，研究出具有专利成果的带冷冻功能的管片，冻结施工土层进行更换盾尾密封刷技术（专利号ZL 2018 2 1018701.8），（见图2）

图2    具有带冷冻功能的特殊钢管片

1、冻结法更换盾尾密封刷技术原理

这种具有冷冻功能的管片，是由若干管片拼接形成完整的环形隧道管片，各管片内的冷冻管相互连接形成冷冻回路，通过外部冷冻机将低温冷冻液输送至冷冻管，并将能量传递至土层，从而将盾构机尾部处的土层进行冻结，形成具有密封效果的环形冻土加固区域，盾构机在此保护下可在任何地层进行盾尾刷更换作业，从而保证施工安全。

且这种冷冻管片，是根据现有的联络通道标准钢管片，经过局部改造而成，技术成熟，成型速度快，周期短，且结构简单，施工成本低。并在进行佛山地铁北滘站～美旗站区间盾构施工过程中，结合区间软土地层的实际情况，采用冷冻钢管片止水法，成功进行了尾刷更换。后续在佛山其他地铁项目也得到成功应用。

2、主要施工步骤

见表1

表1   主要施工步骤

3、质量安全控制措施

（1）把特制钢管片、冷冻机组相连接在一起，对管片外部地层进行预冻结加固，使其形成冻土壁，营造安全施工环境，之后开始更换盾尾密封刷，这种技术可快速有效解决土层透水涌砂进入通道以及地层持力软弱等难题，实现安全生产。

（2）位于冻结管处的钢管片隔舱，需用采用导热性能优异的材料进行充填，以保证钢管片内部的冻管路、钢管片进行有效接触和导热，增加其换热面积，此外管片内侧敷设保温层。

（3）预拆管片环拆除后，要用泡沫填塞盾尾间隙，同时在冷冻钢管片内侧预留活动螺孔，把止浆压板固定在螺栓上，整体环向布置。

（4）做好应急预案措施

成立应急管理小组，配置足够物资材料，并针对施工过程中容易出现的人员中毒、冻伤、冻结管渗漏或断裂、冷冻设备故障及机械伤害、地面塌陷等，制定有针对性措施，当意外出现时，及时应动预案，展开救援，减少损失。

五、特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术成果应用效果分析

在地铁项目工程盾构施工应用冻结法更换盾尾密封刷技术时，结合项目土层情况，合理控制冷冻管数量，通过发挥冷冻管的冷冻性能，可有效加快土体冻结速度，减少冻结区域空气流动，冻结效果显著。为盾尾密封刷更换营造安全的环境，在此状态下进行盾尾密封刷更换作业，将更加安全、快捷、成本更低。上述技术目前已在佛山北滘站～美旗站区间等多条地铁线路应用，已取得多项成果：

1、所采用的特殊钢管片作为冷冻管路的载体，其与管路接触性、导热性、塑造性等均优胜混凝土管片。

2、有效解决冷冻钢管片导热与保温问题。通过采用导热性能良好的材料充填冻结管所在的钢管片隔舱，可增加冻结管与钢管片换热面积，解决了导热与保温问题，并且所用的充填材料价格低、保温效果好。

3、应用止浆压板，为安全施工增加多道保障。盾构施工地层存在地下水时，在进行分步预拆管片环时容易发生涌水风险，为避免上述情况出现，先采用泡沫填塞对拆除管片的盾尾间隙时，还在冷冻钢管片上用螺栓固定止浆压板,阻隔地下水涌入盾尾间隙，通过双重保障，实现在安全环境下更换盾尾密封刷。

4、有效减少投入成本。应用该技术，操作简便，有效节省人工费用成本及施工成本。传统进行盾尾密封刷更换解决方案有：一是采用地面加固更换盾尾刷技术，估算造价约410万元；二是采用盾尾开孔竖冷冻换盾尾刷技术，估算造价约360万元；三是特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术，估算造价不高于200万元；通过比对，经济效益明显。

六、结束与展望

城市地铁工程建设具有结构复杂、投资大、施工环境复杂等特点，盾构施工存在盾尾密封刷损坏及更换均面临巨大的安全风险。如何安全高效、低成本地完成上述工作，一直以来均是地铁施工技术人员需要解决的难题。我单位研发的新工艺

“特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术”，经过多次实践证明，该工艺具有技术先进、质量安全可靠、施工便捷、工期短、成本低、环境影响度低、适应性强等特点，可应用于任何地质条件下的作业，对加快佛山及其它城市远期地铁工程建设有积极作用。

参考文献：

[1]阳东升 ，曾干，浅谈软弱地层特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术，城市建设，2021，01

[2]实用新型专利，广东华隧建设集团股份有限公司，一种适用于冷冻法更换盾尾密封刷的结构，国家知识产权局，授权公告号CN 216866730 U，2022.07.01

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