富水砂性土洞内更换盾尾刷施工工法

'富水砂性土洞内更换盾尾刷施工工法中铁XX局集团有限公司1、前言在富水砂性不良地质条件下进行盾构施工，特别是在长距离小半径曲线掘进时，盾尾间隙单侧较小，盾尾刷长期受管片外弧面磨损，对盾尾刷钢丝磨损极其严重，直接影响盾尾密封效果。或者是由于盾尾密封油脂加注量不足、盾构机姿态调整过猛等原因，致使盾尾密封刷损坏，影响到盾尾密封效果，产生同步注浆泄露，从而造成到整个盾构推进施工地面沉降加大。国内针对盾尾密封损坏的情况主要采取管片间隙填塞海绵条等填充物、增加盾尾密封油脂注入量及管片额外加贴防水材料等方法进行临时处理，此方法并不能从根本上较好的解决盾尾渗漏问题，给施工安全以及施工质量埋下隐患，带来不良影响。为了不影响盾构机的正常掘进，确保同步注浆量及注浆压力，控制地表沉降，盾构机洞内更换盾尾刷技术就有了很大的作用。2、工法特点2.0.1根据盾尾密封失效时盾尾渗漏水、浆的位置和渗漏量的大小来确定盾尾刷的损坏部位和损坏情况，从而确定所需更换盾尾刷的数量及需要的时间，进行合理安排。2.0.2通过对拼装机、管片尺寸等的计算，确定出更换盾尾刷时千斤顶的推进行程，在满足了拼装、拆卸管片施工要求的同时，也确保了施工的安全、质量及施工进度。2.0.3在隧道内主要采用加大同步注浆量及盾尾3～4环二次注浆，盾构机壳体、盾尾附近注聚氨酯等方法进行地下水封堵隔离及盾构机周围土层的加固改良，满足了盾尾刷更换施工时的止水效果和施工安全的要求。2.0.4利用盾尾刷更换施工技术能快速有效地完成盾尾刷更换，很好的解决了盾尾渗漏问题，起到保护道路、管线以及沿线既有构建筑物的作用，减少了盾构施工对环境的影响。3、适用范围富水、砂性土、粘性土软土地层盾构法施工。4、工艺原理更换盾尾刷施工采用洞内直接更换的施工方法，施工经过：盾尾刷更换施工位置选择的确定；盾构机周围地下水封堵隔离施工；推进及部分管片安装；更换盾尾刷施工4个步骤。其中：4.0.1根据盾尾密封失效时盾尾渗漏水、浆的位置和渗漏量的大小来确定盾尾刷的损坏部位和损坏情况，从而确定所需更换盾尾刷的数量及需要的时间，充分研究此位置需要水文地质情况，制定有针对性的技术措施，尽可能的满足盾尾刷更换施工的安全要求。4.0.2为了满足盾尾刷更换施工的要求，通过精心计算与研究盾构机设计图纸后，在千斤顶行程达到拼装下一环管片时，利用下一环整环管片的不完全拼装所提供的施工操作面，对盾尾刷逐步的进行割除更换。4.0.3根据粉砂层的地质情况，有针对性的采取注浆法（水泥-水玻璃双液浆）进行地下水的封堵隔离，并配合盾构机机壳及盾尾附件注聚氨酯等方法，为盾尾刷的更换施工创造良好的施工条件，同时也为盾尾刷更换施工后盾构机的再次启动掘进做好了准备工作。4.0.4在确认注浆止水封堵效果后，开始进行盾尾刷的更换施工。5、施工工艺流程及操作要点5.1盾尾刷破损位置及程度检查6 根据盾尾密封失效时盾尾渗漏水、浆的位置和渗漏量的大小来确定盾尾刷的损坏部位和损坏情况，从而确定所需更换盾尾刷的数量及需要的时间，进行合理安排。由于检修、更换盾尾密封刷存在一定的施工风险，所以施工前务必掌握盾构机所处的位置，结合地质条件，必要时提前进行地面加固后再筹划检查、更换盾尾刷；盾尾一共有三道密封刷，第三道(最后一道)密封刷在推进施工中是无法检修的，中间那道密封刷的检修风险较高，一般情况下，检修盾尾密封刷只检修第一道。5.2盾尾刷更换前施工措施5.2.1纠偏在更换盾尾钢丝刷前，需要保证盾构机与管片有一个较好的姿态，保证盾尾与管片四周的间隙均匀。通过4～5环左右盾构调整姿态，管片纠偏使之得以实现。5.2.2盾尾注浆由于盾构机在更换钢丝刷阶段位于软土层，停机更换盾尾刷阶段盾尾密封处于薄弱阶段。为了防止露出尾刷后，地下水从盾尾直接进人隧道，影响作业，所以要进行管片背后注浆，从在停止推进前3-4环中即加强二次注浆，从每块管片的注浆孔内进行二次注浆，停止推进后对后5-6环再次进行二次注浆，注浆配比水:水泥=1:1.2。待水泥注浆6小时后，再注入水溶性聚氨酯止水，注入压力为0.5Mpa，保证其理想状态下的整环密封，可采取跳环注浆，穿插进行。为防止盾构机涌水的风险，在停止掘进前采用注发泡聚氨酯，在盾尾后的一环管片压注聚氨酯，形成一道挡水环箍。表5.2.2水溶性聚氨酯注浆材料物理性能序号性能单位指标1比重g/cm31.067-1.0882黏度25度,No2/60rpm50-1503与水混合比g/cm31/1-1/124硬化泡沫密度g/cm30.5-15膨胀率倍数1-126混合时间与80%水混合，秒10-307硬化时间与80%水混合，秒100-1208操作温度摄氏度10-409PH值5.0-5.5图5.2.2盾尾注浆示意图5.3更换过程施工6 小松盾构机有三排尾刷，三排尾刷之间形成了2个腔，腔内注满密封油脂，它的作用是防止同步注入的砂浆与地下水通过盾尾流入隧道。采用在盾尾拼装五块临时管片（K块不安装，以方便拆除），将盾构机向前掘进，使盾尾第一道尾刷露出已成环管片外，逐块拆除及拼装临时管片，然后对第一道尾刷进行全面更换。5.3.1推进盾构机完成当前环管片掘进后继续推进，直至达到盾构机推进千斤顶的最大行程2150mm。要控制管片与密封刷的相对位置，可以通过控制油缸的行程来间接控制，即油缸行程=第一道密封刷到推进油缸撑靴的距离-管片的宽度+换密封刷的间距。5.3.2安装临时管片注浆完成后，停机12h，在第2环安装临时管片五块（K块不安装，以方便拆除），恢复掘进第3环，直到推进千斤顶伸长到S=1200mm～1250mm，使第一排尾刷完全露出第1环管片外，掘进过程停止盾尾同步注浆，并对盾尾漏水点采用海绵条封堵。5.3.3更换盾尾刷注浆完成后，需对注浆止水效果进行检查，通过2号、3号管片的注浆孔进行检查，确定无水后可实施盾尾刷更换。盾尾刷更换施工流程下图所示。施工准备拆除管片间连接螺栓管片与推进千斤顶固定油缸回缩，拆除管片盾尾刷更换若盾尾漏水可用瞬凝水泥堵水测量定位，加焊盾尾间隙支垫拼装管片顶推管片滑行，与上一环距离100mm对孔，穿螺栓顶推，新老管片对接，螺栓紧固推进，钢条支撑脱出后割除图5.3.3-1更换盾尾刷施工流程图6 1、在上述的准备工作完毕后，即可进行盾尾密封刷更换。以K块位于管环1点为例加以说明，具体更换过程见图5.3.3-2。图5.3.3-2是盾尾密封更换以K块管片位于1点为例进行说明的，实际K块位置还可能位于2、3、9、10、11点位，K块管片位于这些点位时，盾尾更换可仿照K块位于1点时进行。另外，更换顺序可以按照K-C-B-A1-A2-A3管片顺时针方向进行，也可以按照K-C-A3-A2-A1-B管片逆时针方向进行。管片绕管环中心旋转的角度以保证K块位置为准，本工程中管环顺时针旋转了720，即K块盾尾更换前位于1点位置，盾尾更换后位于3点位置，也可根据盾尾刷损坏程度决定更换局部盾尾刷。6 图5.3.3-2盾尾刷更换顺序图2、更换盾尾刷时预留出盾环向后3环范围下半圆2-3个注浆孔，并安装球阀，备用漏水后注浆或注入聚氨酯。3、暴露盾尾刷，拆除盾尾刷位置的一块管片即可暴露盾尾刷。清除盾尾刷之间密封槽内的废油脂与砂浆。4、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。耐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Φ5mm506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3mm。对盾尾刷和盾尾刷之间的密封槽重新涂抹盾尾密封油脂。5、量测盾尾四周间隙并记录，制做尾盾上加焊盾尾间隙支撑钢条，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。6、安装管片，安装管片遵循从下向上安装的顺序，封顶K块选择ll点或l点位置。当整环拼装完成后，便向后推移管片。顶推整环拼装管片，与上一环距1OOmm。在两环管片相距10mm时开始穿入螺栓，管片螺栓从已安装管片穿向新拼管片。当管片到位时，10组千斤顶同时加力，以便两环管片接触紧密，反复紧固整环所有螺栓。7、管片安装到位后，要用盾尾油脂泵泵送盾尾密封油脂，填充人工涂抹不密实的盾尾刷凹槽和盾尾刷。6 8、可设置盾尾油脂泵的工作压力，达到设定压力值后方可停止。恢复正常推进，焊接的支撑钢板脱出管片后，进行割除，对盾壳做打磨处理。9、更换中采取土压保持措施，防止机体重心前移，造成姿态、间隙、盾尾整圆度发生变化。6、材料与设备6.0.1进行盾尾刷更换施工主要的施工材料包括：气割、电焊条、新的盾尾刷、聚氨酯，以及填充盾尾间隙和盾尾刷间的人工手涂盾尾密封油脂等。6.0.2盾尾刷更换施工所使用到的设备主要包括：拼装机加长臂、螺栓扳手、电焊机、应急注聚氨酯用的注浆泵、及小风机等。采用的机具设备见下表。表6机具设备表序号设备名称设备型号单位数量用途1钻机台3开孔2手拉葫芦st台2拆卸管片3聚氨酯泵台2注聚氨酯4注浆泵台2注浆止水5轴流通风机台2通风6气保焊机KR-500S台2焊接盾尾刷7碳弧气刨台2割除废尾刷7、质量控制7.0.1通过未完全拼装的管片，将准备更换盾尾刷的范围空出。已拼装的管片必须按照规范要求进行对位，螺栓拧紧等。7.0.2首先将盾尾刷上及其盾尾密封空腔的油脂、砂浆等清除干净。将盾尾油脂注入口也进行清理，保证油脂管路的畅通。7.0.3缩回底部2个推进千斤顶，开始割除盾尾刷，其它千斤顶继续顶紧。露出的盾尾刷割除后，把盾尾刷割除的疤痕打磨干净，开始焊接新的盾尾刷。焊接完毕，在新的盾尾刷上涂抹盾尾油脂。7.0.4更换完毕后，千斤顶伸出、顶紧。再缩回2个推进千斤顶，重复上述步骤，由底部至顶部的顺序更换，直至第一道盾尾刷全部更换完毕。8、安全措施8.0.1设专职安全员和班组兼职安全员在现场24小时蹲点巡视，防止出现突发情况。8.0.2施工现场按符合防火、防触电等安全规定及安全施工要求进行布置，并完善布置各种安全标识。8.0.3除储备的应急材料外，其它材料事先预定采购点、并与材料供应单位签订协议，在盾构机更换盾尾刷期间24小时保持联系。注浆设备及打孔设备由专业施工队伍提供，在盾构机更换盾尾刷前签订协议，由专业施工队伍在抢险过程中承担注浆等任务，随时提供抢险服务。9、环保措施9.0.1增加通风设备，减小有害气体对人体的损害。9.0.2废水废气除按环境卫生指标进行处理达标外，并按当地环保要求的指定地点排放。弃渣及其它工程废弃物按工程建设指定的地点和方案进行合理堆放和处治。6 10、效益分析本工法通过对在粉砂地层中更换盾尾刷技术研究与应用，认真总结并分析了该项技术及其所涵盖的相关内容，将这一技术与工程实施紧密结合在一起，通过施工中采取适当的技术措施、合理确定施工参数，采取有效的施工措施，解决了盾构在长距离全断面砂层地质中盾尾刷更换难题，从而提高了盾尾的密封性能，保证了盾构推进过程中地面沉降的控制，避免了可能发生的地面建构筑物沉降变形等事故，提高了盾构施工的安全性，创造了良好的经济效益与社会效益。11、工程应用实例xx市轨道交通二号线5标xx区间左右线全长2345.846延米，均为单圆盾构隧道。隧道管片外径6.2m，内径5.5m，长度1.5m；管片采用全错缝拼装形式。金汉区间地质条件复杂，且盾构机多次经过小半径曲线，造成盾尾刷磨损严重，XX区间共进行2次洞内盾尾刷的更换，均取得了很好的效果，为盾构机顺利穿越建筑物创造了条件。由于区间盾构施工穿越地层状况不良，粉砂层地质对盾尾刷的损坏很严重。在此区间掘进过程中频繁发生盾尾漏水、漏浆、甚至漏砂事件。考虑到此区间段后面还要遇到全断面的粉土和粉砂地层，漏水、漏砂的危险性更大；同时此区间将穿越汉口火车站站场。对地面沉降要求极为严格，为了更好的保证隧道施工质量，保证地面建构筑物的沉降控制到设计及规范要求范围内，保证隧道及施工人员的安全，最终在粉砂层地质条件下进行了盾尾刷的更换施工。通过对更换盾尾刷期间地表沉降值得分析，盾构机再次启动进行掘进的观察，充分表明盾尾刷更换施工期间，地下水封堵隔离方法取得理想的效果，盾尾刷更换施工安全顺利，未对地面沉降造成进一步的不良影响。并且盾尾刷更换后彻底解决了盾尾渗漏问题，为盾构机顺利穿越大片民房及XX火车站站场创造了条件。6'