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浅谈盾构施工中盾尾密封装置受损的原因分析及防治措施饶彪劳繁

发表时间：2021/7/23 来源：《建筑科技》2021年8月上作者：饶彪劳繁

[导读] 在当前的隧道密封结构中，由于管片变形，管片破裂，管道不对中，灌浆压力控制和密封问题等，导致密封尾部泄漏并影响密封的正常运行。为此，本文提出了相应的对策并加以防范。由于泥浆压力过大，密封尾油脂量不足导致密封尾部泄漏，此时应采用相应的处理方法。希望通过本文的介绍，为同行提供经验，以确保隧道盾构结构的进度和质量。

佛山市铁路投资建设集团有限公司饶彪劳繁

摘要：在当前的隧道密封结构中，由于管片变形，管片破裂，管道不对中，灌浆压力控制和密封问题等，导致密封尾部泄漏并影响密封的正常运行。为此，本文提出了相应的对策并加以防范。由于泥浆压力过大，密封尾油脂量不足导致密封尾部泄漏，此时应采用相应的处理方法。希望通过本文的介绍，为同行提供经验，以确保隧道盾构结构的进度和质量。
关键词：盾构施工；盾尾刷；防治措施
        盾尾刷一般由三道钢丝刷密封和六道弹簧钢板密封组成，用以防止地层中的泥水、地下水和衬砌外围注浆材料从盾尾间隙漏入盾构机。配备有盾尾刷注脂装置，推进时在每两道密封之间自动注入密封用油脂，以提高密封效果，并减少钢丝刷密封件与隧道管片外表面之间的磨擦，延长密封件的寿命。盾尾密封是为了防止周围地层的土砂、地下水及背后的填充浆液、掘削面上的泥水、泥土从盾尾间隙流向盾构掘削舱而设置的密封措施。对泥水盾构，盾尾密封装置尤为重要。因为盾构外壁充满压力泥水，一旦密封装置损坏或密封不良，压力泥水便会从盾尾内与衬砌环结合处大量涌入盾构内，使盾构无法操作。由于盾构不断顶进，盾尾内壁与衬砌环外圈间摩擦力很大，极易将密封损坏。盾尾密封由盾尾钢丝密封刷和盾尾油脂组成。盾尾密封形式很多。尾封通常使用钢丝刷、尿烷橡胶或者两者的组合。尾封性能的好坏对管片的拼装精度的影响较大，通常要求即使在错位和曲线部位等管片易发生偏心的场合下，也必须保证尾封的质量。盾尾密封装置要能适应盾尾与衬砌间的空隙，由于施工中纠偏的频率很高，因此，要求密封材料要富有弹性、耐磨、防撕裂等，其最终目的是要能够止水。
        目前常用的是采用多道、可更换的盾尾密封装置，盾尾的道数根据隧道埋深、水位高低来定，一般取2～3道。由于钢丝为优质弹簧钢丝，钢丝束内充满了油脂，使其成为一个即有塑性又有弹性的整体，油脂保护钢丝免于生锈损坏。采用专用的盾尾油脂泵加注油脂，随着盾构机的推进，盾尾油脂持续地打进每道盾尾钢丝密封刷和管片外周边所形成的空腔内．始终保持管片外周边与盾壳之间的间隙密封良好。可保证在0.5?MPa的压力下，盾尾不会出现渗漏水和渗漏泥浆。?中铁华隧盾构机盾尾采用了3道钢丝密封刷，该密封系统可以耐受高达6?bar的水压。每条注脂管都连接到油脂腔，在盾尾区域，每一个油脂腔有3条油脂注入管。在掘进期间油脂的注入是不间断的。盾尾密封装置在加注密封油脂后能抵抗预计的操作压力，从而防止漏浆。
        一、隧道施工中盾构盾尾密封渗漏常见风险源
        （1）变形问题
        管片的组件密封尾部泄露是引起主要变形管片出现风险的主要原因。所述管片的破裂和分管片的位置偏离主要原因是由于实际的焊接条件和施工人员在施工中受到隧道密封以及专业知识水平的限制，使组装时呈现所述管片的组件与标准圆差异略大。盾构机建设过程中，管片逐渐增大使盾构机的外侧接头防水条的宽度逐渐减少，使盾构机注浆接收压力和泥浆接收压力降低，狭缝开口的纵向上逐渐超过标准值，此外，所述润滑脂不能承受压力注浆和泥浆压力从而导致出现密封尾部的泄漏问题。
        （2）突发问题
        管片破裂主要有裂纹的伤害和管片拼装伤害两种主要形式。在前者的情况下，由于在对管片的运输或存储过程中发生碰撞，或者在管片拼装完成后由于盾构机的姿态不佳或推力不均而造成管片脱出盾尾的问题，都会造成管片出现破损的问题。而后者由于在制造过程中非科学处理主要部分的步骤选择不合理以及由于不强制严格运行的规范，使在所述管片裂缝操作中出现问题、当在使用过程中经受大量插孔推力管片的精度不能满足设计要求，相对的纵向裂纹隧穿过形成所在的方向，盾尾间隙过小以及盾构机姿态不佳等因素而引起的管片与盾尾发生刚性接触而造成的裂缝。
        （3）管片脱位
        在完成每件相同的管座后，偏心负载超过可接受的限度，出现了管片与管片之间存在内弧面不平整和不均匀的问题。在管片之间存在相对位移的问题。究其原因使因为在管件的位置偏移时，选择管件的不当并且管座和密封尾部之间无法均匀的接触。因此，为了消除上述的问题，需要安装一个管接头以便于管片能够实现更便宜的径向。在这种情况下，管片的安装位置趋向于变得不准确，并且甚至不能被正确插入螺栓，这导致位置偏差的问题。其次是密封结构的该灌浆压力过大。当隧道盾构施工方法使岩石中的管片能够实现快速凝固，以隧道松软地层和陡峭的转弯部分之间形成的的环形间隙填充双组分灰浆，此时需要增大充填料浆的流速压力。但在局部层的性质改变后并未被调整到一定的压力灌浆，现场操作不处理得当，注浆压力超过一定限度就会发生错位。
        （4）灌浆问题
        密封尾部泄漏原因：注浆主要是由于在灌浆使用的盾构机壁后的浆料质量差，在灌浆步骤填料是不致密。在灌浆过程中，注浆量的控制不充分，导致灌浆不足，这导致在隧道施工的管片变形问题，它可能会导致密封尾部泄漏。
        （5）密封失效
        密封尾部泄漏主要原因是密封刷的质量问题和密封刷弹簧，构成该密封部的弯曲部分时，密封刷的强度和密封刷弹簧不足。在磨损的过程中，还会引起挤压和摩擦密封刷，密封线在密封线的操作过程中被损坏。

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        二、工程案例分析
        本区间采用的是中铁华隧土压/泥水平衡双模盾构机，隧道总长1392.939延米，从施工过程中以及盾构机出洞情况来看，盾尾刷在使用过程中未达到理想结果，盾构掘进至第758环时出现盾尾漏浆，盾尾底部5～7点位出现渗漏情况，渗漏水量大约5cm3/s，严重影响了工程质量、进度、安全，同时也存在很大的施工风险。
        1.工程概况
        某三号线首期工程3204-1标土建工程北滘站～美旗站区间位于某某市某某区的城际高架线旁。本工程一站7区间1出入段线，左右线隧道总长1377.244延米。
        2.地质概况
        隧道主要穿越地层主要为<2－1>淤泥质土、<2－2>淤泥质粉细砂、<3-1>、<3-1>、<3-2>冲洪积砂等。
        三、盾构机盾尾密封装置受损的原因分析
        1. 盾尾刷制造加工存在缺陷
        本区间使用的盾尾刷被内外两侧折行弹簧钢板密封，设计构想折行弹簧钢板为止浆板、节省盾尾油脂，因制造短边（内侧）弹簧钢板稍长，影响了注入的盾尾油脂与钢丝刷接触，加大了钢丝刷密封件与隧道管片外表面之间的磨擦，从而导致盾尾漏浆现象。
        2.盾尾密封油脂质量影响
        盾尾密封油脂的质量不好，对盾尾钢丝刷起不到保护的作用，或因油脂中含有杂质堵塞泵，使油脂压注量达不到要求。本区间因盾尾漏浆更换了盾尾油脂。
        3. 盾尾油脂量和压力不足影响
        本区间前期盾尾油脂注入5～6环/桶，后期2环/桶，因盾尾密封效果较差，壁后注浆采用由原单液浆改为双液浆，盾尾漏浆得到了改善。
        4.管片拼装质量影响
        （1）盾构姿态控制较差、管片拼装手操作不熟练及野蛮施工，造成管片拼装错台、破损，形成浆液渗漏通道，损坏盾尾刷。
        （2）盾尾刷密封装置受偏心管片过度挤压后产生塑性变形而失去弹性，密封性能下降，在压力作用下导致浆液渗漏。
        （3）管片拼装，千斤顶伸缩导致盾构机后退，造成盾尾刷与管片间发生刷毛方向相反的运动，使刷毛反卷，盾尾刷变形，密封性能下降而造成渗漏。
        四、预防措施及治理方法
        1.改进盾尾刷质量
        根据隧道施工的特点，改进盾尾刷样式，加强盾尾刷的承压能力，根据盾尾间隙和管片外轮廓形状，调整保护板、压紧板和钢丝长度，本工程对下个区间盾尾刷进行了改造，并采用两道普钢丝盾尾密封刷+一道钢板刷形式。以增强盾尾密封刷的刚度，进而增加密封刷的耐磨性
        2. 保证盾构始发前第一次油脂的涂抹质量
        盾构始发前第一次油脂涂抹必须充分涂抹到尾刷的钢丝中间，确保尾刷每根钢丝上要沾满油脂，而且要对尾刷逐块逐层进行检查，涂抹均匀，不留死角。一般要涂抹盾尾油脂2桶左右。
        3. 严格控制盾构机姿态、管片拼装质量
        盾构掘进严格控制盾构机姿态，管片合理选型，减小纠偏量，盾尾间隙均匀，减轻管片对盾尾刷的挤压程度。加强管片拼装质量管理，要求管片拼成标准圆形，减少椭圆和错台等现象。严格控制管片组装时的千斤顶伸缩量，避免盾构产生后退。
        4.管片粘贴海绵条
        在每块管片两头止水条下部粘贴海绵条封堵漏浆通，防止因盾尾漏浆影响盾尾密封性能。
        5. 控制壁后注浆压力
        注浆压力一般控制在0.2～0.5MPa，浆液凝固时间为10～15s，经常检查压力传感器，另在注浆压力剧增时应立即停止注浆，查明原因或者更换孔位后再进行注浆。
        6.在条件允许的情况下，可更换盾尾刷，以保证盾尾刷的密封性，但风险比较大。
        结束语：
        盾构机盾尾刷的保护涉及到盾构施工的注浆压力、注浆量、盾构机的掘进姿态、地质状况、盾尾油脂、管片拼装等多种因素。因此，在施工实际中必须做到细心，及时采取切实可行的措施，才能少走弯路，减少损失，保证工程的施工进度和施工质量。
参考文献：
[1]竺维彬等.复合地层中的盾构施工技术[M].北京：中国科学技术出版社，2006.
[2]周文波.编著盾构法隧道施工技术及应用，2004，11.