盾構機掘進過程中鉸接處漏水原因分析與處理

朱立華 盛 亮

（1.杭州市地鐵集團有限責任公司，300018，杭州；2.中鐵二局股份有限公司，610031，成都∥第一作者，工程師）

1 概況

在城市地鐵建設中，為了提高盾構機在曲線段施工的操作性能，將盾構機分成前后兩個部分，中間采用千斤頂有效連接，盾構機可以進行一定角度的擺動，即實現了盾構機的鉸接功能［1］。但盾構機掘進過程中，在水土壓力作用下，盾構機的鉸接功能頻繁使用，因此，盾構機鉸接處較易形成滲漏。

杭州地鐵某區間隧道掘進工程中，盾構機鉸接處出現了漏水、漏砂險情。該區間單線總長1102.177 m；隧道平面設有1組曲線，半徑為350m；縱坡為V字形坡，最大坡度為28‰；隧道埋深在9.7～18.8m范圍。隧道左右線分別采用2臺直徑6450mm的海瑞克土壓平衡盾構機進行掘進。

區間線路場區淺層地下水屬孔隙性潛水，主要賦存于表層填土及③2～③7－3層砂質粉土、粉砂中，由大氣降水和地表水徑流補給，地下水位隨季節變化。工程區深部孔隙承壓含水層主要分布于深部的⑦夾層粉砂、⑧3層粉砂、⑨2層粉砂中。

盾構機出現漏水、漏砂的位置處于③7－1砂質粉土夾淤泥質粉質黏土地層。該地層物理狀態為流塑狀，含水率為29.6%，孔隙比0.85，無承壓水。淤泥質粉質黏土呈層狀或團塊狀分布，且淤泥質粉質黏土單層厚度為0.5～1.5cm，含云母、貝殼碎屑。振搖反應緩慢，切面粗糙，干強度低，韌性低，標性貫入擊數平均值為7.5擊／30cm，屬中等偏高壓縮性土。

2 盾構機鉸接結構

盾構機前后兩部分采用鉸接千斤頂連接。鉸接千斤頂沿盾構周邊整環布置，其兩端的鉸銷處都裝有球鉸，以保證盾構機軸線與鉸接千斤頂軸線之間有一定的擺動角度。根據盾構推進千斤頂在盾構機上固定位置的不同，鉸接裝置可分為主動型和被動型兩種。該工程采用的海瑞克土壓平衡盾構機為被動鉸接。

盾構機鉸接結構的工作原理為：鉸接千斤頂的伸縮完全依靠外力作用，可在曲線推進過程中使盾構機前后部分發生彎折，從而順利進行曲線段盾構推進［1］。如圖1所示，鉸接處密封裝置由1道橡膠密封圈和1道應急氣囊組成。

圖1 鉸接密封裝置詳圖

3 鉸接漏水漏砂現象

區間左線盾構機掘進至346環時，沿掘進方向盾構鉸接處發生了較大漏水漏砂險情，涌入盾構隧道的泥沙量約為30m3。施工單位通過盾構機機身徑向注漿孔及盾尾管片壓注聚氨酯，暫時控制住了漏水漏砂險情。險情造成盾構機“栽頭”現象嚴重，首尾垂直偏差分別為－507mm、－387mm（正常情況下應控制在±50mm內）。由于盾構機“栽頭”，帶動管片向下移動，致使已拼裝好的第345、344、343環管片發生了大面積碎裂和錯臺，最大錯臺量約為10cm。由于大量泥砂涌入隧道內，地表出現了較大沉陷，形成“沉降漏斗”，最大沉降值為29cm。為保障安全，封閉了1側機動車道、非機動車道及人行道，從而影響了地面交通。

4 險情原因分析

險情發生后，建設單位立即邀請上海和杭州地區盾構施工與機械設備方面專家召開專家會。根據施工單位對盾構機鉸接位置中盾與盾尾相對位置測量情況，發現漏砂位置附近鉸接密封間隙明顯大于其他部位，最大間隙達到10mm。具體位置及間隙情況如圖2所示。

圖2 鉸接處測量示意圖

根據專家分析，從設備測量情況來看，可能由于盾尾變形引起盾尾局部徑向偏移量變大，從而致使中盾、盾尾間隙增大，超出了密封裝置正常密封范圍，進而導致部分密封失效，密封裝置無法阻擋盾構機外部泥沙的水土壓力，最終造成漏水漏砂險情。同時，據施工單位反映，在盾構機拼裝時，中盾和盾尾拼裝較困難，雖最終完成拼裝卻并未進行盾尾真圓度檢測，這與專家分析的原因相互印證。

5 盾構鉸接處漏水漏砂事故的處理

5.1 加強鉸接處漏水漏砂封堵

（1）對盾構機鉸接處應急氣囊進出口進行改造，壓注潤滑油脂（EP2），使其充分填充氣囊，造成氣囊膨脹，從而起到封堵的效果。鉸接處氣囊位置示意圖見圖3。

圖3 鉸接處氣囊位置示意圖

（2）逐步清理盾尾處泥砂，同時，依次在鉸接處的預留球閥上壓注聚氨酯，以封堵鉸接之間的縫隙，為后續工作提供時間保障。為充分確保堵漏效果，鉸接處的每孔聚氨酯壓注量不少于450L。

（3）氣囊填充和聚氨酯壓注完成后，采用1cm厚鋼板將鉸接接縫滿焊封閉。焊接前可在鋼板與機身之間增設3道遇水膨脹橡膠止水條，以增強止水效果。鉸接處細部構造如圖4所示。

圖4 鉸接處細部構造圖

（4）為防止盾構機鉸接處焊縫在后續推進中被拉裂，用連接鋼板更換部分鉸接油缸。即將14組鉸接油缸中的8組用6cm厚鋼板制成的連接鋼板替代，使鉸接處成為剛性連接，棄用鉸接功能。鉸接油缸位置如圖5所示。經過現場測量，盾構機鉸接兩邊拉環中心距離58cm，拉環內徑10cm。由此確定連接鋼板尺寸如圖6所示。連接鋼板采用普通鋼。

圖6 連接鋼板制作示意圖

（5）為提高鉸接處連接保險系數，均勻布置12塊5cm寬的預制鐵塊，將中盾和盾尾焊接在一起。這也可增強鉸接處焊接鋼板的牢固性。預制鐵塊焊接示意圖見圖7。經檢算，連接鋼板拉力大于原鉸接拉力，滿足盾構機正常推進要求。

圖7 預制鐵塊焊接示意圖

5.2 處理受損管片

（1）受損管片采用臨時支撐加固。由于盾尾后5環受損管片位于盾構連接橋處，無法直接在管片頂部與下部之間加設內支撐。因此，可利用盾構機連接橋處周邊空擋架設3榀工字鋼門架。首先，門架下部與管片連接螺栓處焊接，并沿縱向采用工字鋼焊接，以確保門架穩定；然后，將門架與管片之間空隙用方木頂緊；同時使用5cm寬扁鐵及14號槽鋼水平連接盾尾后的15環管片，以加強縱向連接。

（2）采用注漿加固。盾構鉸接處的焊接工作完成后，盾構機準備恢復掘進前，對盾尾后的12環受影響管片從下向上、左右對稱、逐孔壓注雙液漿。雙液漿的水灰比為0.8∶1；水泥漿∶水玻璃＝1∶1，水玻璃波美度為38.5。注漿采取注漿量和注漿壓力雙指標控制。每個孔理論注漿量為0.5m3。施工時根據現場情況及注漿壓力確定是否繼續注漿：當注漿壓力小于0.2MPa時持續注入；當注漿壓力大于0.35MPa且注不進去時，停止注漿；注漿的同時對管片進行監測，如管片收斂變形超過10mm或地表監測達到預警值則停止注漿。

5.3 處理地表沉降

盾構機鉸接處的漏水漏砂導致地表出現了沉降。沉降區域為行車道和人行道，最大累計沉降值為29cm。漏水漏砂事故發生后，第一時間內將沉降區域及影響區域進行封閉，并設置警示標志，通知交警部門配合組織交通。洞內盾構機鉸接處漏水漏砂險情得到及時控制后，雖然地面道路已出現嚴重開裂、沉降，但地表沉降已基本趨于穩定，此時對沉降區域道路進行破除開挖、充填沉降區域，并重新施做道路路面。

處理沉降過程中對地表、管線及建筑物均加強監測及巡視，并延長監測時間，直至監測數據完全穩定。

5.4 調整線路平縱斷面

由于盾構機“栽頭”現象較為嚴重，且已棄用盾構機鉸接功能，盾構機掘進小半徑曲線能力減弱，需對線路平、縱曲線進行調整。根據對已拼裝完成管片的測量情況，將線路縱坡由11‰調整為15.5‰，線路平曲線半徑由368m調整為375m。

5.5 恢復掘進施工方案

在盾構機鉸接處焊接、受損管片加固、線路平、縱曲線調整等工作完成后，盾構機具備了恢復掘進條件。恢復掘進的具體方法為：

（1）垂直方向按照調整后的線路掘進。為更好地擬合線路保證管片質量，盾構機每環糾偏量不超過1cm，且盾構機機身的每環玻璃調整值不大于2‰。

（2）前5環掘進完成后，盾構機的姿態已基本穩定，此時停止盾構的掘進，進行盾構機管片的姿態測量，將測量出的數據反饋設計院。設計院根據具體情況再做跟蹤調整方案。

（3）嚴格控制推進速度不超過2cm／min，糾偏遵循“緩糾慢糾”原則。

（4）恢復掘進后10環為調整段。應提高調整段防水等級，采用過江隧道相應的防水措施。

（5）調整好盾尾間隙，防止盾尾刷與管片間隙過小遭到破壞。加強盾尾刷保護、及時清理油脂倉。使用優質油脂、加大油脂注入量且保證均勻壓注。

（6）掘進過程中若盾尾出現泥漿、砂漿或清水滲漏，盾構司機應立即停止掘進，并采用手動注脂方式在發生滲漏的位置和相鄰位置增加油脂注入量，若泄漏較大，則調大油脂注入量直至完全密封住。

6 結語

大批國際知名的盾構廠家紛紛落戶中國，使我國成為全世界最大的盾構機產業基地和應用盾構開挖隧道最多的國家［2］。盾構機掘進過程中鉸接處漏水漏砂險情時有發生，通過對險情原因及后續問題的處理情況，分析總結了應注意的事項。

（1）盾構法施工中，盾構機設備的日常保養、檢修非常重要，尤其在盾構機設備轉場、組裝時，應對關鍵部件進行必要的檢測。本案例中盾構機鉸接處漏水漏砂險情發生的主要原因就是設備組裝時未對盾尾真圓度進行測量，盾尾變形未被發現，導致出現鉸接處漏水漏砂險情。

（2）加強針對突發事件的應急演練，并配備充足人員、有效搶險物資。其中，堵漏材料的選擇十分重要。目前，應急搶險主要堵漏材料為聚氨酯堵漏劑，其市場售價為2～6萬元／t，價格高低不等，質量良莠不齊。此次應急搶險使用的聚氨酯堵漏劑為6萬元／t，封堵效果較好。而部分價格低廉的聚氨酯堵漏劑具有反應性不佳、憎水性差、易收縮等缺點，不僅達不到堵漏目的，反而會貽誤最佳堵漏時機，造成重大損失。

（3）加強參建各方的組織、協調，及時調配了技術力量、物資設備。此次險情發生后，參建各方及時調配地鐵施工單位有關技術專家和物資設備，確保了搶險工作及時有效地進行，從而減少了損失。

［1］楊乃剛.盾構機中的鉸接裝置［J］.建筑機械，2003（4）：51.

［2］張厚美.盾構隧道的理論研究與施工實踐［M］.北京：中國建筑工業出版社，2010.