盾构机盾尾密封漏浆的原因分析及应对措施

盾构机盾尾密封漏浆的原因分析及应对措施摘要：结合南京纬三路N线过江隧道的施工，详细介绍大直径泥水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、盾尾刷自身质量等多种因素。关键词：纬三路；盾尾；漏浆；管片；原因；措施Abstract:combiningtheNanjingweftthreewayNlinerivertunnelconstructionareintroducedindetail,largediametermuddywatershieldmachineshieldtailsealleakslurrycommoncausesandtreatmentmethod,shieldmachineshieldtailleakslurryshieldconstructioninvolvesthegroutingpressure,groutingquantity,shieldtunnelingattitude,geologicalcondition,theshieldtailoil,segmentassembly,shieldtailbrushtheirownqualityandsoonthemanykindsoffactors.Keywords:weftthreeway;Shieldtail;Leakslurry;Segment;Reason;measures一、工程概况南京市纬三路过江通道位于纬七路过江通道下游5km、南京长江大桥上游4.5km处，连接南京主城区与浦口规划新市区中心。通道采用X型8车道双管盾构隧道过江方案。盾构隧道外径为14.5m，内径为13.3m，环宽2m。江底最大水压达0.74Mpa。隧道主要穿过淤泥质粉质粘土、粉质黏土、砂层、卵石圆砾地层及部分岩层。管片为双边楔形量为48mm的通用环管片每环分10块即：“7+2+1”（B1—B7共7块标准块、L1和L2两块邻接块及一块封顶块F块）。N线盾构施工采用一台三菱、JTSC和中交天和机械联合生产的泥水加压平衡式盾构机，其中盾构机直径为14.93m，刀盘开挖直径为15.02m。在施工中盾构机始发及正常掘进至195环—215环时，发现盾尾出现漏浆现象。此时泥水仓压力为0.40Mpa，注浆压力为0.20—0.40Mpa。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5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外壳体之间的间隙漏出，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，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管片和盾构机开挖边界间隙示意图(单位：mm)1.2提高隧道的抗渗性盾尾同步注浆的浆液凝固后，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)二次注浆同步注浆效果不理想时，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(盾构进出洞、联络通道附近、地面有重要建筑物存在)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)通过在盾构机制造期间预先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及盾尾壳体的厚度，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。纬三路盾构机注浆系统便是采用第二种内凹式的布置方式。(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。一般用来进行二次注浆，可以防止管片脱出盾尾后的上浮以及减小地表的后期沉降。图3注浆管布置形式图4通过管片注浆孔注浆四、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（特殊场合还需要用阻燃型的），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。纬三路越江隧道盾构机共有5道盾尾刷，每道盾尾刷有5道钢丝刷，前四道钢丝刷长度为300mm，第五道长350mm。按照每米25—30Kg的涂抹量，盾尾手涂油脂共使用26桶（250Kg/桶）。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30mm。如果小于30mm(理论值是50mm)容易挤坏盾尾刷，造成尾刷钢丝及弹簧钢板超过其弹性变形，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1.0MPa（每道盾尾刷设计承压值为0.2Mpa）。在PLC程序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，会击穿盾尾密封而漏浆。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，对地表及周边建筑物造成危害。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，推进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速率，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或者盾尾刷块与块之间的拼接处存在质量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，耐压力设计值不够，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。如果盾尾刷块与块之间的拼接或者焊接质量有缺陷（例如：焊缝不连续存在气孔等等），浆液在压力作用下也会沿着气孔泄露。纬三路盾构机前两道盾尾刷为螺栓固定，块与块的拼接处密封程度不够，导致浆液沿拼接缝隙泄露。7、管片拼装出现椭圆形管片拼装后标准为圆形，但是可能由于管片拼装操作手的熟练程度不够或者盾构机掘进姿态不好及管片上浮等原因，会导致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，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管片椭圆(单位：mm)8、管片错台由于操作人员对管片拼装不熟练或者管片脱出盾尾后上浮，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、纬三路盾尾漏浆的原因分析应对措施依据以上盾尾漏浆的各种原因分析，纬三路盾构施工技术小组结合盾尾漏浆时盾构机的掘进工况对所有可能的原因进行了排查，最终确定造成漏浆的原因主要有以下几点：1、盾构机姿态与管片姿态不统一导致盾尾间隙偏大，下部间隙最大达到12cm（标准间隙为5cm），从而造成局部盾尾密封失效，产生漏浆现象。2、管片拼装完成后在自身重力和外力的共同作用下成为“横椭圆”形状（盾尾间隙为：上部：2.5cm、下部：12cm、左侧：4.5cm、右侧：4cm），管片的失圆将直接导致两侧纵缝的张开量变大，在外界水土压力和注浆压力下形成水力通道，造成漏浆。3、盾尾刷的自身弹簧钢板的刚性不足，在压缩后不能很好的弹回压紧在管片外表面上，给浆液的泄露提供了通道。针对以上漏浆原因，我们在严格控制盾构机姿态的同时，辅助进行二次注浆（由管片顶部注入，防止管片上浮），并手动对盾尾刷油脂不足处及时补充注入。经过这种全方位多管齐下的针对性措施的使用，在接下来10环的掘进过程中，盾尾间隙沿圆周方向大部分位置已恢复正常值，只有CD环拼缝处及后补盾尾刷安装间隙处不好控制，漏浆现象已不存在。小结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，在施工实际中必须依据漏浆时的具体情况细心分析漏浆原因，对症下药，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。