盾構機盾尾刷設計及更換技術研究

楊 梅

(中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074)

1 引言

在地鐵建設中，盾構機由于具備安全、快捷、適應性廣等特點而被廣泛使用。盾構機的盾尾刷位于盾構主機尾部，由3道密封刷組成2個密封腔，密封腔通過注入盾尾油脂密封[1]，是防止水、泥漿等流進盾構內部的關鍵設施。盾構施工中，盾尾刷不可避免會發生磨損，當磨損到一定程度時，將導致盾尾發生滲漏水，漏砂，嚴重時甚至發生地面下沉坍塌事故[2－3]，所以一旦發現盾尾刷較大范圍被損壞，就需及時更換盾尾刷。

盾尾刷更換常采用加固措施來進行，主要為將盾尾周圍地層進行凍結或采用防水材料在盾尾地層中進行注漿防滲。陳馳等[4]在過江隧道盾尾刷更換前使用液氮凍結止水防滲；袁立斌等[5]介紹了冷凍鋼管片的設計以及凍結過程溫度監測，表明了冷凍鋼管片進行盾尾刷更換的有效性；姚奮宗[6]介紹了全斷面砂層中在鋼管片內側布置凍結管進行鹽水循環凍結更換盾尾刷的工法過程；陶云超[7]從盾尾刷更換位置的選擇、推進油缸長度的確定、更換盾尾刷時的注意事項等方面，闡述了盾尾刷更換技術；李家洋等[8]詳細介紹了大直徑盾構機注漿法止水的尾刷更換技術；高如超等[9]從借助風井內降水，改造拼裝機以及施作止水環等角度闡述泥水盾構盾尾刷更換技術。現有盾尾刷更換技術主要集中在對盾構周圍土體采取加固措施，對于特殊不具備加固條件地層，尚未見相關施工技術報道。本文結合西南地區某盾構項目，首次探索設計了一種全新的盾構機盾尾刷并對其更換技術進行了研究。

2 工程概況及問題分析

2.1 工程概況

某市地鐵五號線八標包含4個盾構區間，區間地表建(構)筑物繁多。盾構掘進地層主要為(3)1-3泥炭質土、(3)2-3粉質黏土、(3)3-4粉土。區間土層層厚不均，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、承載力低、靈敏度較高、易觸變等特性，工程性質差；粉土存在液化現象。盾構區間下穿眾多河流，地下水豐富，土層滲透性好，地下水與河流有一定的水力聯系，易導致地下水形成漏水通道。

2.2 問題分析

本工程在第1個盾構區間掘進時使用了傳統盾尾刷，靠近河流時采用常規技術進行了盾尾刷更換，在更換過程中顯示出一些問題，主要為:

(1)盾尾刷在更換期間，盾構需停止掘進，停機過長，盾體和刀盤易被卡住，注漿管路易被堵塞。

(2)拆除管片時，尾刷周圍出現漏水情況，安全風險特別大。

(3)盾尾刷在拆除焊接過程中，費時、費力，效率低，且作業區出現大量濃煙；此外火災風險也很大，焊渣易毀壞周圍設備[10]。

(4)河流沿線周邊建筑物密集，需提前進行加固，耗費大量人力物力。

3 盾尾刷設計及更換關鍵技術

3.1 盾尾刷設計中的關鍵結構

該結構包括易安拆盾尾刷、鋼管片、彈簧螺栓調節結構等部分，如圖1所示。

圖1 盾尾刷設計中的關鍵結構

(1)易安拆盾尾刷

在傳統盾尾刷的基礎上總結優化，設計了一種易安拆盾尾刷。該盾尾刷是由多個盾尾刷組件拼接而成。每個盾尾刷組件主要包括三片平行排列的弧形盾尾刷環片、長條形安裝孔、微調距結構和兩根平行連接滑桿(見圖2)。

圖2 單個盾尾刷組件

在每片盾尾刷環片的內環面焊接常規盾尾刷，并開設多個長條形安裝孔；兩根連接滑桿安裝在三片盾尾刷環片的外環面。連接滑桿一端為圓弧狀，另一端設有卡槽。微調距結構包括沿著盾尾刷環片環向分布的調節齒條和與齒條相互嚙合的齒輪，用于調整盾尾刷環片環向位置。

每片盾尾刷環片的兩拼接端采用相互匹配的拼接斜面，使得相鄰盾尾刷組件之間壓緊更加密實，同時使得盾尾刷之間的拼裝更加嚴實，不易產生密封薄弱點。

在盾尾外殼內壁安裝盾尾刷的位置安裝滑槽和多個緊固螺栓孔(見圖1)。滑槽的進入口呈八字形擴大口，滑槽的尾端設有彈性卡件。連接滑桿與滑槽的接觸面設置多個滑動滾珠，以方便滑桿滑動。

安裝時，每個盾尾刷組件通過滑桿圓弧端滑入盾尾外殼內壁對應的滑槽內，并用緊固螺栓將盾尾刷環片固定在盾尾外殼內壁。為保證密封性，在每片盾尾刷環片的外環面未與滑桿接觸的部位，設有密封墊片，使盾尾刷組件與盾尾外殼內壁緊密接觸。

(2)鋼管片

鋼管片采用常規的盾構鋼結構管片進行改裝，其外形與普通的盾構管片外形大小相同。其主要結構包括外環面的完整鋼板和內環面的鋼結構支撐。在外環面上開設有新盾尾刷螺栓安裝孔(以下簡稱“新安裝孔”)、舊盾尾刷螺栓拆除孔(以下簡稱“舊拆除孔”)和彈簧螺栓調節孔(見圖3)。

圖3 鋼管片

(3)彈簧螺栓調節結構彈簧螺栓調節結構用來將盾尾刷組件固定在鋼結構管片外環面上，并用來調節盾尾刷組件的高度。

該結構主要包括開設在鋼結構管片上彈簧螺栓調節孔、對應設置在滑桿上的螺桿固定槽、螺桿、調節螺母和固定有彈簧圈的鎖緊塊(見圖1)。彈簧螺栓調節結構作用過程是:先將固定有彈簧圈的鎖緊塊通過螺栓安裝到調節孔內，其彈簧圈伸出鋼管片外環面調節孔，對盾尾刷組件定位。將螺桿從鎖緊塊通孔內插入彈簧圈并延伸至螺桿固定槽，擰緊螺桿，即可將盾尾刷組件固定在鋼結構管片上。在螺桿位于鋼結構管片內環面的區域設置調節螺母，在需要調節盾尾刷組件的高度時調節螺母松緊，在彈簧圈的作用下，便可將盾尾刷組件調至適合高度。

3.2 盾尾刷更換施工技術原理

盾構掘進過程中所使用的新舊盾尾刷均為易安拆盾尾刷，通過滑槽和滑桿安裝。盾構正常掘進，將盾構管片換成改裝后的鋼管片，拼裝好第一環管片，然后在管片前部焊接側翼鋼板及接縫鋼板，形成第一道密封；盾構繼續掘進，并依次拆除舊盾尾刷的三排螺栓，同時調整新盾尾刷與盾尾滑槽的位置，準備新盾尾刷的滑動安裝；利用第二排螺栓拆除時安裝的推移繩索，將舊盾尾刷第二排螺栓孔滑移到舊拆除孔，將舊盾尾刷與鋼結構管片固定，形成第二道密封；盾構繼續前進，使盾尾滑槽尾端的彈性卡件卡入舊盾尾刷的卡槽內，形成第三道密封；三道密封與舊盾尾刷原有的密封腔同時作用，阻止外部水、泥漿進入盾體，為盾尾刷的更換以及盾構的繼續掘進提供無水環境；繼續調整新盾尾刷與盾尾滑槽位置，通過滑移使新盾尾刷安裝到位，用緊固螺栓擰緊，即完成盾尾刷更換。

3.3 施工關鍵技術

盾構在第4個盾構區間左右線掘進中使用易安拆盾尾刷，左線施工至979環時，盾尾出現漏漿，在盾尾擠出的盾尾油脂中發現尾刷鋼絲，結合前段施工漏漿情況，分析判斷盾尾刷受損，決定更換新盾尾刷后再恢復掘進。

3.3.1 易安拆盾尾刷組裝

(1)盾尾刷組件在工廠預制后，運輸到工地進行安裝。盾尾刷按照安裝程序焊接到每片盾尾刷環片內環面上，隨后在環片外環面預留位置粘貼密封墊片，涂抹潤滑油；接著進行盾尾刷油脂手工涂抹[11](見圖4)，涂抹時分層將鋼絲刷撥開后填入油脂，涂抹后每層油脂填塞飽滿，不掉落、不漏涂，經土木工程師檢驗合格后方可使用。在地面將新盾尾刷組件組裝好后，注意對其進行保護，以免損壞部件。

圖4 盾尾刷涂抹油脂

(2)將組裝好的新盾尾刷的單個盾尾刷組件，安裝到每片鋼管片的外環面。安裝過程中通過調節螺母調整盾尾刷組件的高度，使其既不影響鋼管片的安裝，也不與盾尾殼體接觸摩擦；然后采用封堵蓋將新安裝孔和舊拆除孔封住。

(3)將安裝有盾尾刷組件的鋼管片吊裝運輸至盾尾區域，盾構掘進至鋼管片可拼裝位置時，利用盾構拼裝機系統逐一拼裝鋼管片成第一環管片，盾尾刷組件也對應形成三道新盾尾刷。

3.3.2 盾尾刷第一道密封

第一環鋼管片拼裝完成后，在管片前部焊接側翼鋼板及接縫鋼板進行密封，鋼板與鋼板之間采用螺栓連接，并在連接縫隙安裝密封條，使其前部形成第一道密封(見圖5)，然后通過管片前部上通氣孔和測壓孔開始第一次前腔打壓測試。

圖5 盾尾刷第一道密封

3.3.3 盾尾刷同步拆除與安裝

(1)盾構機開始第二環掘進，打開舊拆除孔，將油缸行程推進至舊拆除孔正對舊盾尾刷的第一排緊固螺栓處，停止掘進，依次拆除舊盾尾刷的第一排螺栓。同時，將一根推移繩索一端連接到舊盾尾刷上，另一端從舊拆除孔伸出，連接手拉葫蘆，通過手拉葫蘆來控制推移繩索帶動舊盾尾刷在滑槽內滑動。繼續掘進至鋼管片的舊拆除孔正對舊盾尾刷的第二排螺栓處，停止掘進并依次拆除第二排螺栓。同時通過安裝孔觀察新盾尾刷滑桿與滑槽的位置關系，采用微調距結構，旋轉調節齒輪，帶動盾尾刷環片環向移動，進行環向位置的微調；通過彈簧螺栓調節結構調整新盾尾刷的高度，使其滑桿與滑槽的進入口對接(見圖6)。

圖6 盾尾刷同步拆除與安裝

(2)盾構機繼續向前掘進至舊盾尾刷第三排螺栓處，停止掘進并依次拆除第三排螺栓，使得舊盾尾刷與盾尾殼體解除連接。繼續觀察新盾尾刷滑桿與滑槽的位置關系，根據情況進行調整。

3.3.4 盾尾刷第二道密封

向后收緊推移繩索，帶動舊盾尾刷沿著盾尾殼體上的滑槽移動至舊盾尾刷的第二排螺栓孔與舊拆除孔對應，并通過長螺栓將舊盾尾刷與鋼管片固定，形成第二道密封(見圖7)。

圖7 盾尾刷第二道密封

3.3.5 盾尾刷第三道密封以及協同密封

盾構繼續前進，帶動舊盾尾刷沿著滑槽到達滑槽的尾端，使滑槽尾端的彈性卡件卡入舊盾尾刷滑桿上的卡槽內，形成第三道密封(見圖8)。三道密封與舊盾尾刷原有的密封腔協同密封，共同阻止外界水滲入盾體內，為新盾尾刷安裝和盾構掘進提供密封保障。

圖8 第三道密封和新盾尾刷安裝到位

3.3.6 新盾尾刷安裝到位

(1)調整彈簧螺栓調節結構使得新盾尾刷與盾尾殼體密切接觸，通過滑桿在滑槽內移動，使新盾尾刷安裝到位，且新盾尾刷的三排螺栓依次與鋼管片上的新安裝孔對應，停止掘進，通過鋼管片上通氣孔和測壓孔開始第二次后腔打壓測試。

(2)通過新安裝孔依次把新盾尾刷上的緊固螺栓擰緊(見圖8)，并拆除鋼管片與新盾尾刷之間的彈簧螺栓調節結構，開啟盾構機油脂系統，進行油脂腔填充，待油脂系統壓力達到設計值時，再次重復進行前腔打壓測試。

(3)打壓測試達標后盾構機繼續向前掘進，舊盾尾刷脫出盾尾，拆除鋼管片與舊盾尾刷的連接，完成盾尾刷的更換。接著逐一拆除鋼管片側翼鋼板，鋼管片重新換成盾構混凝土管片，恢復正常施工。掘進一段時間后，在鋼管片背后采用雙液漿作為注漿材料，進行二次注漿補強。

3.3.7 注意事項

(1)在鋼管片拼裝前必須把盾殼內的雜物清理干凈，防止對盾尾刷造成損壞。

(2)盾尾刷更換前，加強中體與盾尾鉸接處的密封檢查，及時調節密封壓板螺栓，確保密封效果。

(3)盾構施工過程中加強盾構掘進姿態監測，根據開挖面的水土壓力，及時調整油缸推力及推進速度，保持土艙壓力穩定，避免因刀盤推力波動過大對地層造成嚴重擾動。

4 施工優勢

(1)本研究設計的盾尾刷，可在地面預裝好運輸至隧道內，通過滑桿滑槽滑移安裝至盾尾，其安拆簡單方便快捷。減少了傳統盾尾刷安拆時炮焊，打磨等工序，大大降低了工人施工難度，改善了工人工作環境，降低了安全風險。

(2)鋼管片通過側翼鋼板在前端與盾尾形成第一道密封；在后端通過螺栓與舊盾尾刷固定，形成第二道密封；通過盾尾彈性卡件卡入舊盾尾刷，形成第三道密封；三道密封與舊盾尾刷原有的密封腔同時作用，使得不需要對地層進行加固也能進行施工；同時盾構機也可以正常掘進，不影響施工進度。

(3)施工中，有時候需要對盾尾刷整環進行更換，有時候只需要對部分損壞盾尾刷進行更換[12]。本設計在每個鋼管片上對應開設有多個螺栓安裝孔以及拆卸孔，既可以滿足多道盾尾刷在盾構掘進過程中同時進行更換，也可以針對部分盾尾刷進行更換，適用范圍廣。

(4)采用新盾尾刷系統施工比常規盾尾刷更換技術節省工期10 d；減少了工序，同時也減少了人員配置，直接節省盾尾刷刨除、焊接、人工費和地層加固材料成本約12.5萬元(由節省工期以及減少其他措施等帶來的間接經濟效益不含)。

(5)傳統盾尾刷更換過程中，混凝土管片被拆除后一般直接破除處理，本施工中用鋼管片代替混凝土管片，管片直接作為隧道的一部分使用，不產生建筑垃圾。

(6)該技術可適用于任何水文地質條件下的盾尾刷更換施工，尤其適用于長距離無法采取加固措施的盾構施工中。

5 結束語

本工程首次研究了易安拆的盾尾刷及施工技術，安全有效地解決了傳統施工技術中盾尾刷更換遇到的問題；施工中不需要進行地層加固措施，降低了施工難度，縮短了施工工期，節約了施工成本，拓展了盾尾刷更換技術的適用范圍，為盾尾刷更換提供了新的思路。