盾构机盾尾密封漏浆的原因分析及对策

海瑞克盾构机盾尾密封漏浆的原因分析及对策摘要：结合深圳地铁罗宝线土建六标区间隧道的施工，详细介绍海瑞克盾构机盾尾密封漏浆的常见原因和处理方法，盾构机盾尾漏浆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，该工程中盾构机盾尾漏浆的主要原因是由于管片拼装变形和错台而在管片纵缝处形成了漏浆通道，采用在每块管片两头止水条下部粘贴海绵条封堵漏浆管道，取得了较好效果。一、工程概况深圳地铁罗宝线土建六标有2个区间，即新安站—宝安中心站和宝安中心站—宝体公园站，单线总长1315.188m。区间最大埋深15.91m，最小埋深10.86m。隧道主要穿过砂层、粉质黏土、砂质黏土、砾质黏土层。隧道顶多在砂层范围，基础底主要落在黏性土上，部分在全风化花岗岩上。盾构区间圆形隧道外径6m，内径5.4m，管片宽1.5m，厚300mm。管片分割数是“3+2+1”，即每环3个标准块A1、A2、A3，2个邻接块分别为B、C型，1个封顶块为K块。采用2台海瑞克公司生产的EPB6250mm盾构机在左右线分别进行隧道掘进施工。在施工中右线盾构机掘进到4环时开始同步注浆，发现盾尾多处漏浆，掘进到20环时漏浆严重，注浆压力很低，注浆量也很少。后利用海绵堵塞盾尾漏浆处，掘进到36环时停机检查更换2道盾尾刷中的部分损坏的盾尾刷后，仍然漏浆严重。由于盾尾的漏浆使注浆量不足，注浆压力偏低，地表沉降超限，影响了施工进度和施工质量。经过认真分析和查找原因，采取了切实可行的措施，有效地解决了盾尾漏浆的问题，保证了工程顺利进行。二、盾构机盾尾注浆系统和盾尾密封系统的结构盾构机盾尾密封及注浆结构示意如图1所示。从图1可以看出，盾尾有3道密封刷，盾尾密封刷之间的间隙通过注入盾尾密封油脂，保证盾尾管片背后同步注浆的浆液不会从管片和盾构机之间的间隙漏出，同时防止地下水渗漏到盾构机内。如果盾尾刷损坏，导致盾尾漏浆，地表下沉严重，同时地下水流入隧道，后果将不堪设想。图1盾构密封及注浆结构示意三、盾尾注浆的目的及分类1、注浆目的1.1控制地层变形由于盾构机刀盘的开挖直径大于管片外径，管片拼装完毕并脱出盾尾后，与土体间形成一个环形间隙，简称盾尾间隙(图2)。盾尾间隙如果不及时得到填充，势必造成地层变形，使相邻地表、建(构)筑物沉降或隧道本身偏移。盾尾注浆的最重要目的就是及时填充盾尾间隙，防止因盾尾间隙的存在导致地层发生较大变形。盾尾脱离管片后，土体与管片存在着间隙，此时浆液迅速及时填充空隙，可大大减小土层的移动，从而减少地表的变形。图2管片和成洞洞体间隙示意(单位：mm)1.2提高隧道的抗渗性盾尾注浆液凝固后，一般都有一定抗渗性能，可作为隧道的第一道止水防线，从而提高隧道抗渗性能。1.3确保隧道的稳定性盾构法隧道是一种管片衬砌与围岩共同作用的结构稳定的构造物，管片背面空隙均匀密实地注入、填充浆液是确保土压力均匀作用的前提条件。具备一定早期强度的浆液及时填充盾尾间隙，可确保管片衬砌的早期和后期稳定性。2、注浆系统分类2.1根据注浆与盾构掘进的关系，从时效性上可将盾尾注浆分为三大类(1)同步注浆盾尾间隙形成的同时，立即注浆，使浆液即时填充盾尾间隙。(2)及时注浆掘进1环或数环后，盾尾已存在大量间隙空间，才对盾尾间隙进行注浆。这种注浆方式由于不能迅速对盾尾间隙进行填充，增大了对土体的扰动性，不利于地面沉降控制，而且由于早期管片脱出盾尾后处于悬空状态，受力状态较差，容易发生错台。因此，该方式仅在地质情况良好、对地表沉降要求较低时才能使用。(3)二次注浆一次注浆效果不理想时，需要通过二次注浆对前期注浆进行补充。一般在隧道发生偏移、地表沉降异常时或在一些特殊地段(盾构进出站、联络通道附近)使用。2.2根据注浆的位置不同，可将盾构注浆方式分为两大类(1)通过安装在盾构机盾尾上的注浆管注浆如图1所示，这种注浆方式大多采用同步注浆。注浆管的埋设形式有2种，可分为内凹式和外凸式，如图3所示。2种不同形式主要是从盾构机设计上考虑的。外凸式注浆管减小了盾尾内部的占用空间，可一定程度地减小盾构外径，从而减小盾尾间隙，有利于减小土体扰动和控制掘进过程的地面沉降。但由于盾壳的非圆性，不利于盾构进、出洞，且在较硬土层容易磨损，一旦磨损后无法修复。而内凹式注浆管则在一定程度上增大了盾构外径和盾尾间隙，相对而言，增加了盾构掘进过程对周围土体的扰动，但由于不易磨损，其地层适应性更为广泛。(2)通过管片上的注浆孔注浆如图4所示这种注浆方式既可进行同步注浆，也可进行及时注浆和二次注浆。图3注浆管布置形式图4通过管片注浆孔注浆3、注浆液的选择3.1尾注浆浆液分类(1)单液浆由粉煤灰、砂、水泥、水、外加剂等在搅拌机中一次拌和而成，这种浆液又可分为惰性浆液和硬性浆液。惰性浆液即浆液中没有掺加水泥等凝胶物质，早期强度和后期强度均很低的浆液。而硬性浆液即在浆液中掺加了水泥等凝胶物质，具备一定早期强度和后期强度的浆液。对于惰性浆液，浆液强度、初凝时间、泵送性能和含水量密切相关，含水量大，则强度低，泵送性好，含水量少，则反之;对于硬性浆液，浆液强度、初凝时间、泵送性能和水灰比密切相关，水灰比高，则强度低，泵送性好，水灰比低，则反之。(2)双液浆双液浆为由水泥砂浆等搅拌成的A液与由水玻璃等组成的B液混合而成的浆液。双液浆又可根据初凝时间不同分为缓结型(初凝时间30-60s)和瞬凝型(初凝时间20s)。胶凝时间越长，越容易发生向土仓泄漏和向土体内流失的情况，限定范围的填充越困难，而且在没有初凝前，容易被地下水稀释，产生材料分离，因此，目前多采用瞬凝型浆液注浆。但胶凝时间过短，也会造成注入还没结束，浆液便失去了流动性，导致填充效果不佳。3.2浆液的应用作为盾构注浆浆液，必须具备良好的和易性，不易离析、不易被地下水稀释，且要有一定的早期强度，浆液硬化后收缩率和渗透系数小，无公害。单液浆由于其施工工艺简单、易于控制、不易堵管等优点，较广泛地应用于盾尾同步注浆系统。其中惰性浆液初凝时间长，制备成本低，在长江三角洲软弱地层为主的地区应用较为广泛，但由于其强度较低，不利于隧道衬砌的早期稳定。而硬性浆液制备成本相对较高，初凝时间一般在12-16h，早期具有一定强度，对于隧道衬砌的稳定较为有利，在珠江三角洲地区地铁施工中，一般采用硬性浆液。双液浆施工工艺相对复杂，制备成本高，但浆液初凝时间短、凝固后强度较高，对隧道稳定较为有利，适用于各种地层的盾构施工，尤其是在断裂带、极软土层需要进行特殊处理的地段，采用双液浆是最佳之选。四、引起盾尾漏浆原因分析1、盾构机始发前盾尾刷的油脂涂抹盾构机始发前要在盾尾刷钢丝内涂抹WR90油脂，涂抹标准为尾刷每根钢丝上要沾满油脂。如果涂抹不到位，会影响尾刷的密封效果，严重时漏浆。一般要涂抹WR90油脂4桶左右。2、盾构机的姿态盾构机的姿态调整时纠偏量不能太大，一般1m纠偏量为5mm，纠偏过量容易使盾构机出现“蛇形”前进现象，致使盾尾间隙一边大一边小，间隙大的一边容易漏浆。盾尾间隙一般不小于35cm。如果小于35cm(标准是75cm)容易挤坏盾尾刷，造成尾刷钢丝超过其弹性变形，止浆失效而漏浆。3、注浆压力注浆压力不能超过盾尾刷的最大承载压力0.5MPa。在PLC上设定注浆最大压力时要根据地层的水土压力计算来确定注浆压力。如果注浆压力过小，克服不了水土压力注浆注不进去，如果注浆压力过大，会击穿盾尾刷而漏浆。4、注浆量根据地质性质和出土量确定注浆量，如果注浆量过大地表容易隆起，也易造成漏浆。注浆量过小地表会出现沉降。5、盾尾油脂量和压力不足在盾构掘进过程中，盾尾刷与管片的摩擦消耗的油脂与掘进速度成正比，速度过快则注入盾尾的油脂在单位时间内不能满足其消耗量，若不及时调整油脂泵注脂率，则盾尾刷内的油脂量和注入油脂的压力不够及时密封盾尾，势必造成密封效果减弱，形成盾尾漏浆。6、盾尾密封损坏或质量有缺陷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，或盾尾刷制造时质量有缺陷，承载力不够，致使盾尾刷密封性能下降，在注浆压力作用下导致浆液从盾尾漏出。7、管片拼装出现椭圆形管片拼装后标准为圆形，由于管片拼装操作手的熟练程度不够，将管片拼装成横向的椭圆形，致使管片和盾尾部分地方间隙超标造成漏浆。另一方面由于管片拼装成椭圆形，增大了管片之间止水条外缘纵缝的宽度(理论设计值为6mm)，实际在管片拼装过程中将出现两腰的管环之间的外缘纵缝开口6mm，上下部分纵缝6mm。在盾构机掘进一环至1.4m左右时，尾刷末端正好到达上一环管片，此时尾刷就正处在该环管片上，由于注浆压力都很大，而纵缝开口度d6mm，纵缝处的油脂无法承受浆液的压力，就形成一个渗漏通道，造成盾尾漏浆。盾尾和管片椭圆的关系如图5所示。图5盾尾变形(单位：mm)8、管片错台由于工人对管片拼装不熟练，造成管片错台严重，特别是在纵缝错台产生后，使得盾尾刷无法紧密包裹在整环管片，很容易形成浆液渗漏通道。虽然盾构推进时盾尾油脂仓内有盾尾油脂填充纵缝，但在较高的注浆压力作用下，极有可能将油脂冲脱而击穿盾尾刷，造成盾尾漏浆。盾尾与管片纵缝的错台关系如图6所示。图6管片错台五、解决盾尾漏浆的对策根据以上盾尾漏浆的原因分析，进行了排查，最终发现由于管片拼装变形和错台而在管片纵缝处形成漏浆通道是造成盾尾漏浆的主要原因。经在每块管片两头止水条下部粘贴海绵条封堵漏浆通道，效果比较明显，没有再发生漏浆现象，注浆压力和注浆量都正常了，地面沉降也得到了有效控制。如图7所示。图7止水条下部粘贴海绵条的管片六、结语盾构机盾尾漏浆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，在施工实际中必须细心分析漏浆原因，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。