在掘进过程中更换盾构机盾尾刷技术

年月 铁道工程学报 增刊 文章编号：（）增刊“一 在掘进过程中更换盾构机盾尾刷技术 张伟料 （中铁十四局集团有限公司，济南） 摘要：土压平衡式盾构机盾尾刷为钢丝毛刷，掘进时会受到管片的挤压，在掘进一定距离之后，会受到不同程 度的挤压、磨损，甚至被砂浆固结，失去密封作用，地下泥水、注入的砂浆会通过盾尾间隙流入盾体，不但给盾 构掘进工作带来不便，还不能保证注浆量。造成脱出盾尾的管片位移变形、地层下沉。盾尾刷损坏严重时必须 更换。在广州地铁五号线【西场一草暖公园】盾构区间两次成功更换盾构机尾刷的方法，解决了施工中更换盾 尾刷的技术难题，对解决类似问题有一定的借鉴作用。 关键词：盾构机；盾尾刷；盾尾间隙；管片；更换；同步注浆 中图分类号： 文献标识码： ， 。 （ ， ，）： ， ， ） ， ， ： ； ； ； 延米；盾构隧道，盾构隧道右线里程为工程概况 ，长度为单线延米；左线工程地理位置与概况 里程为，长度为 【西场草暖公园】盾构工程施工场地布置在环 单线延米。盾构隧道通过广州火车站和西村市西路与解放北路交叉附近的草暖公园内。盾构工程 站，最后到达西场站吊出。区间主要构筑物为地下停主要包括东、西两个盾构井和轨排井；联络通道及废 车库、地下商场、人行天桥、桩基础、民居、铁路桥、铁水泵房；矿山法隧道，隧道左右线长度均为单线 路、商店等。大部分地段下穿环市西路人行道，各种管 。收稿日期： “作者简介：张伟，年出生，男，工程师。增刊 张伟：在掘进过程中更换盾构机盾尾刷技术 线（如供水管、电力管线、煤气管、电讯光缆等）密布， 作用。工程实践也证明，盾尾密封油脂消耗量虽然加且纵横交错或重叠布设，埋深不一，布局复杂。盾构隧 大，但是密封效果仍然较差。在点、点的位置窜浆道采用管片衬砌，管片为钢筋混凝土结构，共分为 漏水已经难以控制。块，标准块（块）块（邻接块）块（封顶块）。管 为彻底解决此问题，加快后期掘进施工进度，良片厚度为 ，混凝土为、，钢筋采用 好地控制管片姿态，有效地保浆止水并控制地层沉、。各块之间通过弯螺栓连接，其中每 降。遂决定彻底清理盾尾刷内和两道盾尾刷之问密封环纵缝采用根螺栓，每个环缝采用根 槽内的同结砂浆并对已磨损的盾尾刷进行更换。螺栓。背后采用同步注浆。 施工总体思路工程、水文地质条件 根据详勘资料，草暖公园地下水位平均为 ， 选择合适的有利于作业的地层实施盾尾刷的更地下水位标高约为 ，地下水位的变化与地下水的 换与清洁，下部拼装一环旧管片、块，上部在管赋存、补给及排泄关系密切，每年月为雨季，大 片和千斤顶撑靴加设加长杆顶推，达到使内侧两道盾气降雨充沛，水位会明显上升，而在冬季因降水减少， 尾刷从管片背后脱出的目的。然后，拆除顶推用的旧地下水位随之下降，年变化幅度为 。 管片和加长杆，此时，前两道盾尾刷完全暴露，对盾尾 盾构隧道隧顶大部分地段通过岩石全风化带（） 刷实施更换和两道盾尾刷之间密封槽的清理。第三道及岩石强风化带（，属类围岩，局部地段通过岩石 盾尾刷本次作业不更换，第三道盾尾刷起到一定的密中风化带（属类围岩。隧中、隧底大部分地段通过 封作用，以避免在更换过程中出现涌水涌砂现象。推岩石全风化带（）属类嗣岩，个别地段（里程约为 进中精确操作，设专人在盾尾处观察，当第二道盾尾左右）通过岩石中风化带（），属类围 刷与第三道之间盾尾刷之间的密封槽完全露出时停岩。局部地段（里程约为）左右通过岩石 止推进。盾尾刷更换完成后，整环拼装管片，由于管片微风化带（），属类嗣岩。 拼装器的工作范围有限，新拼管片无法和上一环正常 对接，整环管片安装完成后，采用推进油缸顶推平移盾构施工情况 的方法使新拼管片和上一环对接。管片连接螺栓为 盾构机顺利通过广州火车站，曲线始发 后 ，而管片螺栓孔的直径为， ，之间只有盾构机进入一个半径为 、长为 的圆曲线。 的间隙并且同有的弧度。即使在正常情况由于缺少在小曲线半径中的掘进操作施下经验，多次 下单块拼装时，只要管片稍有错台，管片螺栓都难以出现过猛纠偏、转弯环选择安装不及时等情况，推进 穿人。而本次更换盾尾后需要整环后移，由于整环管时造成盾尾刷受到管片的挤压和磨损，导致盾尾刷产 片重达 ，到位后对单块管片调节可能性极小。要保生塑性变形而失去弹性。在后期的施工中操作上虽然 证整环管片后移时，将整环的个纵向螺栓能够全每环加大盾尾密封油脂注入量、砂浆注入量控制在 部穿入，新拼管片拼装前必须根据前一环管片的点位 ，以内并严格做到了与掘进速度同步，但在左线掘 选定拼装点位，精确定位，从而达到螺栓孔对位准确进至环以后，盾尾开始出现漏水，之后频繁的出 的目的。要求用盾构机推力千斤顶缓慢推移，而且合现漏水甚至喷水现象。环时，开始现漏浆、窜浆 理选择推力千斤顶的行程，使其起到一定的调节作现象，漏浆量随着地层的变化时多时少，难以控制。 用。保证平移时管片不发生扭转，避免出现到位后螺环时，每环的漏水和漏浆量皆较多。虽然每环注浆 栓不能穿入的问题。量为 ，但大部分砂浆窜出，有效注浆量只有 施工准备工作 ，不仅造成材料浪费，而且每一环掘进结束安装管片前要花费很长的时间清理泥水和砂浆，严重影响施 （）选择稳定无水或少水地层停机。根据地质资工进度，而且由于每环的实际注浆量不足，造成管片 料和现场推进情况确定在稳定的地层停机。脱出盾尾出现上浮现象，相邻环出现错台，严重时出 （）加强后面的管片背后二次注浆。保证背后填现管片开裂漏水现象。地面在盾构机通过后也出现不 充密实，一方面同定已安装管片，使其不移位，另一方同程度的下沉，通过二次注浆才得以有效控制。 面阻止大股水流到盾尾处。具体位置在盾尾环 根据观察和判断，盾尾刷已失去弹性并被严重磨 处，开孑进行二次注浆，相邻环错开点位进行注浆作损，盾尾密封油脂槽间被砂浆固结盾尾密封油脂注 业。盾尾前环开孔注聚氨脂及通过盾壳预留观入后从盾尾间隙流入盾体，盾尾刷已经不能起到密封 察孔向盾壳外加注聚氨酯，防止更换盾尾刷的作业面 铁道工程学报有渗水，影响盾尾刷的割除和新盾尾刷的焊接作业。 具体步骤和注意事项 （）由于已确定掌子面稳定，也可同步进行开仓 （）确定停机位之后，最后一环管片底部拼装旧检查刀具作业，必要时可进行换刀作业，为再次推进 管片的、块。创造有利条件。 （）加工弧长 、厚 的钢板块， （）更换盾尾刷之前要控制好盾构机姿态，合理 （内径 ，外径 ），在盾壳内焊吊耳，用选择管片，做到在更换盾尾刷时管片四周的盾尾间隙 铁丝将其固定于已安装环管片侧面与盾构机千斤顶均匀一致。 撑靴位置对应的位置。如图所示，阴影部分为钢板。 （）由于推力千斤顶最大伸长长度为 ， 加设钢板的目的是增大加长杆与管片之间的接触面而更换盾尾刷的位置在 处，所以需要在管片 积，并使管片受力更加均匀，避免在推进时加长杆对管和千斤顶之间加长 的顶杆，加长杆要能承受 片造成破坏。在隧道内动火作业时应注意防火。 的压力。提前制作加长杆。加长杆采用厚 的锰钢钢板加工的?涮澹叽缥玻埃? ，数量个具体施工方法主要位置关系 推进油缸的最大行程为 ，根据盾构机的设计图纸，尾盾长度为 ，撑靴长 ，由于管片拼装器工作范围所限无法直接使盾尾刷换完后新拼的管片螺栓孔与原管片螺栓孔对接，其距离为 。位置关系如图所示。 图放置钢板位置图 （）在千斤顶对应位置，用两根的形钢筋 焊接在盾壳上，将加长杆垂直固定在钢板处，作为千 斤顶的加长杆。 （）逐个将对应的千斤顶撑靴顶在加长杆上，千 斤顶边加力，边检查加长杆是否稳定，稳定后开始掘 图盾尾刷脱出管片位置图（单位：） 进。经计算，顶在管片上的推进油缸行程达到工艺流程 时，盾尾刷两道脱出，最后一道在管片边沿，盾尾 护体使管片稳定。要求掘进时，边推边观察，保证两道 完全脱出而最后一道仍位于管片下（不同类型的盾构 机推进油缸需要推进的长度不同，可根据盾尾刷脱出 情况选择停机的位置）。 （）回缩油缸，采用手拉葫芦等工具拆除旧管片、 加长杆、割除形钢筋，使盾尾刷暴露。 （）清除盾尾刷之间密封槽内的废油脂与砂浆。 （）对盾尾刷进行检查，对磨损严重没有使用价 值的盾尾刷直接割除，并对割除区域进行磨光处理。 对磨损较轻只是被砂浆固结的盾尾刷进行清理，清理 时采用钢筋钩梳理盾尾刷，盾尾刷清理要彻底。 （）割除的部分要重新焊接新的盾尾刷，用西 焊条对密封盾尾刷进行重新焊接，焊接质量 要求相邻盾尾刷之间的间距不大于 。 （）完成盾尾刷的重新焊接工作后，要对盾尾刷 图施工流程 和盾尾刷之间的密封槽重新涂抹盾尾密封油脂，盾尾增刊 张伟：在掘进过程中更换盾构机盾尾刷技术 密封油脂要选择硬质盾尾密封油脂。盾尾刷的钢丝间 管片安装器将其定位。下部与相邻边穿入螺栓连涂抹盾尾密封油脂时要用竹片撬开盾尾刷分层从盾 接。靠上部两侧环向位置处各焊接一个形挂钩于盾尾刷根部涂抹，由于清理的旧盾尾刷钢丝弹性降低， 壳上（焊接作业时注意对橡胶止水条的保护），如图涂抹油脂难度增大，所以要设置专人全程监督油脂的 、图所示。形挂钩用厚 的钢板切割加工，钢重新涂抹，确保涂抹质量。 板宽度不小于 。根据实际需要的长度切割形挂 钩的长度，焊接牢固后，管片安装器方可脱离管片。 形挂钩的主要作用是固定块，使其在管片安装器 脱离管片后不至于栽头甚至脱落，并使块保持与 上一环对应位置的管片有相同的盾尾间隙。 图支撑钢条布置示意图 （）量测盾尾四周间隙并记录，制作尾盾上加焊盾尾间隙支撑钢条，钢条长度 左右，根据要放位置的盾尾间隙确定支撑钢条厚度，一般选择比盾尾间隙小 ，例如盾尾间隙 ，钢条厚度为 图 形挂钩正面示焊接意图。钢条对管片起到支撑作用，避免管片下落到盾壳上，使管片与上一环保持相同的盾尾间隙，确保新安装环与上一环同心。 （）安装管片遵循从下向上安装的顺序，封顶块选择点或点位置。本文按照点位安装介绍。首先安装最底部的块。安装第一块块管片时， 图 形挂钩侧面焊接示意图测量人员测量上一环的点位及管片扭转情况，为新装管片的点位选择提供依据，为确保新装管片与上一环 （）按照同样的方法安装、块。、块安装管片螺栓孔准确对位，根据上环的对应位置的盾尾间 时不需要加钢条支撑，块处的开口要预留的稍大一隙和螺栓孑位置，拉线对块定位，拼装时按照拉线 些，以便于块的顺利放入。在封顶块块顶人前在准确对位放置在已焊接的支撑钢条上。管片安装器将 、侧面焊接钢板做为挡板，提供块顶入时足够的块定位后，穿入纵向螺栓借助钢板焊接到盾壳上 反作用力。进行固定后管片安装器方可脱离管片，确保块不 （）当整环拼装完成后，将所有的形挂钩、挡移位。块的安装是整环管片安装位置的基础。 板割除，以便向后推移管片（割除时注意对橡胶止水 （）然后安装块，根据上一环相应位置的盾 条的保护）。尾间隙，确定支撑钢条的厚度，放置在块管片中间 （）以上工作完成后即进行顶推，顶推需缓慢进位置作为?拧鹘冢粒炜榈奈恢茫胗耄粒部榈牧?行。要边顶推，边观察管片情况。由于盾构机组千接螺栓。测量人员再次确认环管片螺栓孔与上一 斤顶在管片安装模式下无法手动控制其推力，但可以环相对应的螺栓孔的连线水平并与盾壳平行，否则需 单独选择某一组来推顶。推力泵向组千斤顶提供要重新调整。若无法调整到准确位置，则要重新调整 相同的油压，受力小的千斤顶伸长速度快，一般都是块的位置，再调整。最终达到、块的螺栓 顶部伸长快，底部伸长慢，此时要单独伸长底部的千孔与上一环对应螺栓孑准确对位的目的。 斤顶，以便达到整环同步顶推。 （）拼装块，与安装块方法相同，管片中 （）在两环管片相距 时开始穿入螺栓部与盾壳之间加钢条支撑，当块的位置确定后，用 管片螺栓从已安装管片穿向新拼管片，这时可能存在 铁道工程学报管片螺栓难以穿人的问题，要借助锤子砸进去。必须 （）注入盾尾密封油脂要及时、充足，一般在推进保证个螺栓全部穿入新拼装的管片后，才能再次 过程中选择自动循环注入模式，盾尾密封油脂泵的常缓慢推移整环管片。可根据穿入管片螺栓的难易情况 规设置压力要高于注浆泵的常规设置压力 。来选定先推某一组千斤顶，边推边穿入。尽可能地为 一般注浆压力设置 ，盾尾油脂泵的压力设置在穿入螺栓创造有利条件（该项目两次更换盾尾刷的施 。在推进中若出现某个点位漏水漏浆时，及时工，螺栓都能成功穿入）。当管片到位时，组.