泥水盾構(gòu)冷凍法尾刷更換技術(shù)

鄒冠堯

(廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 412000)

1 工程概況

某地鐵區(qū)間隧道縱斷面最大坡度為27‰，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)形式為拼裝式鋼筋混凝土預(yù)制管片，結(jié)構(gòu)斷面為圓形，管片外徑為6 700 mm，管片內(nèi)徑為6 000 mm、厚度為350 mm、環(huán)寬為1 500 mm，每環(huán)分作6塊，2個(gè)連接塊，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊，1個(gè)封頂塊。采用1臺(tái)φ6 980 mm泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工。

尾刷更換位置從地面至隧道底部依次為①-1素填土(5 m),②-1B淤泥質(zhì)土(20.4 m),②-5淤泥質(zhì)土(6.3 m)，隧底1.8 m為③-4圓礫層(如圖1所示)。隧道范圍內(nèi)整體為軟土地質(zhì)，透水性弱。

2 盾尾刷設(shè)計(jì)

隧道底部水土壓力最大會(huì)達(dá)到4.76 bar，富水砂層中，水土液化嚴(yán)重，易發(fā)生涌水涌砂，為了能夠有效的阻止地下水、土砂及壁后注漿材料等進(jìn)入管片以及主體盾構(gòu)殼體之間的間隙當(dāng)中，將盾尾刷增加為4排，前兩排位數(shù)采用180 mm長(zhǎng)的盾尾刷(如圖2所示)，并且為防止盾尾姿態(tài)引起管片間隙變化的密封性，增加后保加強(qiáng)板，提高盾尾刷對(duì)管片的貼合力，同時(shí)更改后油脂腔由2個(gè)變?yōu)?個(gè)，其中第1道為可更換式[1-3]。

3 工程情況

3.1 尾刷滲漏

某工程掘進(jìn)至261環(huán)時(shí)，盾尾12號(hào)～13號(hào)油缸位置(9點(diǎn)鐘)出現(xiàn)漏漿。經(jīng)分析，漏漿成分主要為同步注入砂漿，同時(shí)夾雜少量粉細(xì)砂，漏漿量約為1 m2(如圖3所示)。

3.2 盾尾滲漏原因分析

1)同步注漿。

保證地面沉降在10 mm以內(nèi)，增加盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)同步注漿量；根據(jù)圖4顯示，該段同步注漿量均保持在9 m3左右，為理論注漿量4.84 m3的1.86倍左右。

隨著同步注漿量的提高，盾構(gòu)機(jī)同步注漿壓力較正常掘進(jìn)階段(0.65 MPa左右)有明顯上升；同步注漿壓力及同步注漿量的增加，導(dǎo)致部分漿液進(jìn)入盾尾油脂腔中，進(jìn)一步影響，也導(dǎo)致674環(huán)盾尾有砂漿泄露。根據(jù)以上情況，考慮到盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)完成下穿高壓燃?xì)夤芫€，并將沉降控制在6 mm左右，決定將同步注漿量恢復(fù)到正常水平(如圖5所示)。

2)盾尾油脂注入。

為提高盾尾油脂利用效率，在保證盾構(gòu)機(jī)安全的前提下，盾構(gòu)掘進(jìn)施工適當(dāng)控制了盾尾油脂的用量。但由于盾構(gòu)機(jī)油脂注入孔的布局存在一定的空白，6號(hào)油脂孔與7號(hào)油脂孔之間距離長(zhǎng)達(dá)4.1 m，該范圍(12號(hào)～14號(hào)油缸)內(nèi)盾尾油脂壓力不足，無(wú)法得到足夠補(bǔ)充(如圖6所示)；同時(shí)隨著下穿燃?xì)夤芫€段同步注漿量的提高，砂漿進(jìn)入油脂腔，進(jìn)一步導(dǎo)致油脂無(wú)法有效填充12號(hào)～14號(hào)油缸區(qū)域，盾尾刷存在薄弱環(huán)節(jié)，影響了盾尾的整體密封性[4-6]。

3)地層影響。

盾構(gòu)機(jī)在砂層中已累計(jì)掘進(jìn)644環(huán)，掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)1 000余米，其中圓礫地層近600 m且埋深超過25 m。長(zhǎng)時(shí)間在砂層中掘進(jìn)，由于地層特性，盾尾刷長(zhǎng)時(shí)間在高水壓環(huán)境下作業(yè)，部分地層顆粒會(huì)進(jìn)入到盾尾，對(duì)盾尾刷造成進(jìn)一步的損害。

4)其他因素。

a.線型：盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前處于R=650 m的緩和右轉(zhuǎn)曲線中，盾構(gòu)機(jī)左側(cè)盾尾間隙較小，尾刷受到擠壓。

b.管片：近期多次拼裝鋼管片，以及混凝土管片背面處理等問題，對(duì)尾刷存在一定程度的損傷。

4 冷凍法換尾刷

選擇了以水、鹽為主的循環(huán)冷卻器作為冷卻介質(zhì)，凍結(jié)盾體的兩邊土壤，并在凍土帷幕的掩護(hù)下，更換盾構(gòu)機(jī)的第一個(gè)盾尾刷。它的建造過程的中心步驟在下面的圖7中展示。

4.1 止水工藝流程

1)盾體A環(huán)注聚氨酯、第N-3環(huán)注聚氨酯。

停機(jī)后進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)周圍止水工作，在第N-2環(huán)和盾體徑向孔位置采用聚氨酯進(jìn)行止水環(huán)施工，注入順序?yàn)橄茸⒍荏w徑向孔，后注第N-2環(huán)，每個(gè)位置的注入順序按照先下部后上部對(duì)稱注入。

為有效的封堵后方注漿空間到盾尾的通道，防止注漿體裹住盾構(gòu)機(jī)盾尾外壁或者填充盾尾間隙，影響到盾構(gòu)機(jī)的脫困和掘進(jìn)，需對(duì)N-3環(huán)的徑向預(yù)留孔注入聚氨酯，使得其與管片周圍的地下水反應(yīng)，并填充盾尾管片和最后一道盾尾刷外的空隙，形成一個(gè)隔離帶，既能起到阻水作用，也可以防止后方注入的雙液漿滲入前方盾尾刷和盾構(gòu)機(jī)盾尾外壁，同時(shí)可以起到保護(hù)盾尾刷的作用。在第N-7環(huán)～第N-3環(huán)采用注入雙液漿進(jìn)行止水環(huán)施工，注入順序?yàn)橄葍啥撕笾虚g、先下部后上部對(duì)稱注入(如圖8所示)。

2)二次注漿及止水效果檢測(cè)。

在注入聚氨酯后，對(duì)其后的N-4～N-7共4環(huán)管片的二次注漿孔和增加的預(yù)留孔進(jìn)行雙液漿注漿。按照從下到上，先兩端后中間的順序注入雙液漿(采用水玻璃-水泥雙液漿，水泥漿水灰比為1∶1(質(zhì)量比)，水泥漿∶水玻璃為5∶1(體積比))，形成止水環(huán)以及一定強(qiáng)度的加固體，以確保盾尾刷更換的安全。

在上述工作完成以后，且二次注漿結(jié)束間隔12 h后，對(duì)注漿效果進(jìn)行檢測(cè)，打開第N-3環(huán)的球閥，觀察是否有稀漿流出，若無(wú)稀漿流出，則止水工作完成；若存在滲水現(xiàn)象，隨即對(duì)滲水區(qū)域預(yù)留孔補(bǔ)注聚氨酯，確保所有檢測(cè)孔無(wú)滲水才能進(jìn)行管片拆除和該區(qū)域盾尾刷更換[7-10]。

4.2 凍結(jié)施工工藝流程

1)冷凍控制體系的結(jié)構(gòu)。

該制冷方案是將凍管組的鋼管作為一個(gè)整體進(jìn)行制冷機(jī)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行換熱器，凍結(jié)管焊接在鋼管片內(nèi)側(cè)，每個(gè)管件內(nèi)部的凍管都分開并預(yù)留接頭，在裝配完成后；利用預(yù)先埋置的接頭，可以按照要求將凍管與管片圓周相連(見圖9)。

2)冷凍土體溫度監(jiān)測(cè)。

為了監(jiān)測(cè)冷凍壁的擴(kuò)展情況以及凍結(jié)壁是否達(dá)到設(shè)計(jì)溫度。如圖9所示在每塊管片(除K塊)第2號(hào)、3號(hào)管路之間都插入了溫度計(jì)。在冷凍鋼管片的背板上預(yù)留了孔，而后將一端開口一端閉口的小直徑(D=25 mm)無(wú)縫鋼管打入土體800 mm深，再將溫度計(jì)插入鋼管中。具體如圖10，圖11所示。

3)冷凍機(jī)選擇。

凍結(jié)站需冷量的計(jì)算：

Q=S×109=3 440 kcal/h。

其中，Q為需冷量；S為管片表面積。

根據(jù)計(jì)算，Q=3.14×6.7×1.5×109=3 440 kcal/h。

冷藏工位置于隧道建設(shè)中的凍管后方，冷卻器為TBSD-510.1 FJ型水冷、冷卻螺桿冷卻器(額定制冷容量11.27×104kcal/h)1個(gè)。

4)凍結(jié)系統(tǒng)輔助設(shè)備。

a.使用ISW200-400(A)型鹽水循環(huán)泵，其單相流量為243 m/h，電動(dòng)機(jī)功率37 kW，揚(yáng)程38 m。

b.利用隧道內(nèi)的盾構(gòu)機(jī)本身的循環(huán)水進(jìn)行冷卻循環(huán)。

c.采用φ159×5 mm的鋼管作為鹽水干管和集配液管。

5)積極凍結(jié)。

在主動(dòng)凍結(jié)2 d后，海水的水溫降到-28 ℃以下，并將其流向與回程的鹵水溫差限制在2 ℃以下，如果鹽水的水溫和含水量不符合要求，就需要延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間。

冷凍體壁厚度為300 mm，外部平均氣溫為-12 ℃；凍土的生長(zhǎng)速率是25 mm/d～35 mm/d，同時(shí)還需要考慮到各種原因，比如凍土的發(fā)育不均等，如果要形成凍土，那么在10 d左右的時(shí)間內(nèi)，就需要進(jìn)行有效的凍結(jié)。為了保證凍土封凍的穩(wěn)定，在凍土工程中，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)資料，全面、詳細(xì)地對(duì)凍土的影響進(jìn)行全面的、詳細(xì)的研究；而且在相對(duì)薄弱的地方，查詢孔洞可以探測(cè)到具體的冰凍作用。根據(jù)具體的條件，決定主動(dòng)停機(jī)時(shí)間。

在主動(dòng)凍結(jié)的時(shí)候，要根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)來(lái)確定凍土帷幕是否符合設(shè)計(jì)的厚度，然后再根據(jù)測(cè)試的結(jié)果來(lái)確定凍結(jié)帷幕是否符合預(yù)定的厚度，然后再通過鋼管片預(yù)留孔打探孔，在確認(rèn)了凍結(jié)帷幕質(zhì)量后，再進(jìn)行更換盾尾刷。

6)解凍及溶沉。

在卸載完畢后，必須迅速地繼續(xù)挖掘。在開挖之前，需要對(duì)掘進(jìn)器尾部護(hù)套周圍的凍土進(jìn)行解凍。也就是在此管線中導(dǎo)入開水，采用電采暖方式進(jìn)行熱水循環(huán)解凍；為了防止凍土體的溶沉化，應(yīng)按預(yù)留的孔洞進(jìn)行注漿。

7)凍結(jié)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)及盾尾刷更換。

采用智能制冷控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該資料來(lái)源是由一根內(nèi)置的溫度傳感器(0.1 ℃)的無(wú)縫管插入到該溫度測(cè)定孔徑0.8 m處而得到的，并將該資料傳送給該探測(cè)裝置。在凍結(jié)期間，將各個(gè)檢查井的資料進(jìn)行匯總和記錄，分析凍管的發(fā)展?fàn)顩r。當(dāng)資料滿足上述要求時(shí)，進(jìn)行巖心的測(cè)定。在確認(rèn)了主動(dòng)凍結(jié)完成后，進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)后的養(yǎng)護(hù)工作。

5 存在問題及解決辦法

1)拆管片時(shí)K塊難拆、損壞。冷凍后K塊管片難以拆除，可能會(huì)造成K塊管片損壞，而且由于冷凍機(jī)組的阻擋，管片進(jìn)場(chǎng)運(yùn)輸?shù)狡囱b區(qū)非常困難。應(yīng)在冷凍站組裝前先行準(zhǔn)備一塊K塊管片在拼裝區(qū)備用(如圖12所示)。

2)鋼管片冷凍管設(shè)置存在薄弱區(qū)、焊接方式傳冷效果差。按照既有的管路，由于凍結(jié)管在每塊管片端頭處提前外伸，并未頂?shù)焦芷吘?，?duì)于整個(gè)凍結(jié)壁在鋼管片接縫處可能會(huì)存在薄弱點(diǎn)。應(yīng)設(shè)置盲管，保證沿圓周凍結(jié)壁沒有薄弱點(diǎn)。凍結(jié)管與鋼管片之間的接觸面較小，傳熱效率低，影響傳冷效果，會(huì)導(dǎo)致積極凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)(如圖12所示)。

6 結(jié)論

本文論述了在富水、粉砂巖地層中，更換盾構(gòu)機(jī)尾刷的工藝特點(diǎn)，探討了尾刷更換的施工方法，保證了其順利進(jìn)行，并得到了相關(guān)的結(jié)論：

1)由于盾尾刷拆除具有較大的工程風(fēng)險(xiǎn)，因此在進(jìn)行施工前，必須制定詳細(xì)的施工計(jì)劃和應(yīng)急預(yù)案，控制好整個(gè)工程的各個(gè)環(huán)節(jié)，并采取相應(yīng)的安全和緊急措施。

2)在拆下管片之前，必須保證盾殼和盾尾達(dá)到預(yù)期的止水率，并嚴(yán)格核對(duì)確認(rèn)后，才可以實(shí)施管片拆除。

3)選擇合適的停機(jī)位置是確保尾刷順利更換的必要條件。如果出現(xiàn)泄漏，必須立即采取緊急方案，采取堵塞的方法進(jìn)行泄漏，在危險(xiǎn)得到控制的情況下，再進(jìn)行處理。