盾构机盾尾刷损坏失效原因分析及更换技术

杨才兴

身份证号码：440903199201150939

摘要：盾构施工作为一种封闭式地下隧道掘进施工工法，为保证盾构盾壳体内外完全封闭、保障盾构施工人员的安全，盾构机一般由盾尾密封、铰接密封和主轴承密封三大密封系统组成。其中盾尾密封起到防止地层中的砂土、地下水、管片壁后注浆浆液、掌子面上的碴土、泥浆从盾尾与管片之间的间隙流向盾构内部的作用。盾尾刷损坏失效是导致盾尾渗漏涌水涌沙甚至引发工程事故的直接原因，将会对施工人员、设备及隧道结构造成严重影响。

关键词：泥水平衡盾构机；盾尾刷失效；渗漏；壁后注浆

1、盾尾刷设计参数

以海瑞克盾构机为例，盾尾密封通常设计2~4排不锈钢钢丝刷加钢片压板组合而成，盾尾密封的道数可根据隧道埋深、水土压力等来定。钢丝刷中充满油脂，既有弹性又有塑性。盾尾刷的使用寿命一般为2km左右，特殊情况下使用寿命更低。

2、盾尾刷损坏判定

当掘进过程中盾尾间隙位置出现涌水涌沙、漏浆现象，发生异常的部位相对固定，通过增加注入盾尾油脂无明显改善即可判断为局部盾尾刷损坏失效。盾尾刷失效前一般都有先兆，如多次出现小的渗漏，通过观察渗漏时间、渗漏物质、切口压力等综合可判定是否形成渗漏通道。  

3、盾尾刷损坏失效原因分析

3.1始发前盾尾刷安装质量缺陷

盾尾刷选用材质不合格、焊材品质不合格、焊接作业人员素质不高、搭接长度不足等导致脱落，始发前机电工程师未做好对盾尾刷的材质及焊接质量的检查验收。

3.2始发前盾尾刷手涂填塞油脂不到位

始发前盾尾刷需要撬开钢丝内间隙人工填塞专用手涂型油脂，涂抹要做到饱满均匀、不漏填，加强盾尾刷的密封效果，一般盾构机掘进时油泵无法有效进入钢丝内测，所以前期工作至关重要。

3.3掘进中的损坏变形

3.3.1非弹性破坏

盾构机在前段250-380m转弯半径掘进中，盾尾刷与管片外弧面长时间压迫挤压、接触磨擦，盾尾刷存在一定磨损变形，尤其在盾构姿态不佳、掘进纠偏幅度过猛的情况下，局部盾尾间隙过小，盾尾刷弹性钢片因受到过分挤压造成回弹性能减弱甚至非弹性变形，局部刷片甚至因摩擦受力过大损坏脱落。掘进过程中须严格控制盾构机掘进姿态及每环的盾尾间隙，确保盾尾间隙均衡，不出现极大及极小盾尾间隙，进而造成盾尾刷受挤压损坏。

3.3.2挤压破坏形成通道

盾尾间隙控制不当时，靠近盾尾刷位置盾壳环梁突起20mm台阶会挤压管片外弧面导致管片破损，混凝土碎块掉落损害盾尾刷形成缺口，导致漏浆通道；拼装前未对盾尾碴石、杂物进行彻底清理，盾尾管片底部杂物挤压破坏盾尾刷。

3.4油脂注入控制不佳

操作手须对每环注入油脂进行严格监控统计，确保油脂实际注入，施工过程中，盾尾油脂的消耗与盾构推进速度成正比，推进速度过快则单位时间内油脂注入量不能满足消耗量，若未能及时调整注入量，将导致盾尾密封效果减弱，加速盾尾刷损坏。

3.5壁后注浆控制不当

掘进过程中须严格控制管片壁后注浆，遵循“定量、定压”的原则，避免注浆超量及注浆压力长期偏大（≥3.0bar），会造成盾尾刷击穿漏浆风险。壁后注浆压力要根据地层的水土压力计算确定，压力过大可能导致浆液击穿盾尾止浆板、侵入盾尾刷钢丝及油脂腔位置，导致密封效果降低甚至漏浆；侵入钢丝内的浆液凝固后，造成刷体弹性降低、盾尾刷与管片外弧面形成半刚性接触，导致盾尾刷损坏加速。速凝型浆液（双液浆）注入时，要控制浆液凝固时间，避免盾尾空隙浆液凝固堆积导致注入压力增高而击穿损坏盾尾刷。注意盾构下坡段和二次注浆距离盾尾小于3环内注浆也会导致浆液回流。

4、盾尾刷失效处理措施

盾尾突发渗漏时，应结合盾构姿态、油脂注入情况等因素综合分析判断渗漏原因，并有针对性的进行调整。轻微渗漏可临时利用海绵条或涂抹盾尾油脂的钢丝球填塞处理，必要情况下对盾尾区域二次注浆止漏，渗漏严重时需用沙袋在漏点处填压抢险并启动相关应急预案。

5、盾尾刷更换技术

本次研究的海瑞克S-1060盾构机盾尾设计为四道盾尾刷、一道止浆板最高承压能力5bar。

5.1准备工作

5.1.1 停机保压

盾构机到达计算停机置后先做好停机保压工作。须向泥水仓底部8点位阀口注入膨润土35~40m3（根据顶部12点位连通阀出浆判断是否置换完成），膨润土配比为：配制1m3的泥浆所需的膨润土量为75kg(3包)，每立方泥浆按膨润土量的1％添加增凝剂。泥浆粘度要求达到80~100S形成泥膜。

5.1.2停机位置选择

更换盾尾刷应选择相对稳定的地层停机，盾构机在掘进至预定位置后进行地下水封堵，然后拆除封顶块及其相邻块管片，露出盾尾刷后按计划的顺序逐个更换盾尾刷。

5.1.3千斤顶行程计算及管片拼装

盾尾长度为3635mm，推进千斤顶最大伸出长度为S=2000mm，现场按1900mm极限控制，正常掘进无法露出盾尾刷，因此采取拆1环管片的方式进行盾尾刷更换。盾构机装完成最后一环后再掘进1752mm即可露出2道盾尾刷。  

5.1.4盾体上方地层加固及止水

掘进到达计算停机更换尾刷位置后，通过径向孔及超前注浆孔在盾体注入聚氨酯，每孔注入了不少于200L。

5.1.5盾尾5-10环管片背后地层加固及止水

对盾尾5-10环管片进行双液注浆形成止水环。注浆时可打开相邻环附近管片吊装孔作为泄压孔（卸压孔一般位于注浆孔上方），以达到将管片背后空隙填充密实的目的。

双液桨配比为：水泥浆水灰比为1：1，水：水玻璃为3：1（体积比），水泥浆：水玻璃溶液为1：1（体积比），参数可根据实际情况调整。

5.1.6加固止水环注浆效果检查

在盾尾管片10环位置注浆孔位置进行开孔检查，开孔检查采用冲击钻钻穿注浆孔进行检查，注浆孔无明显流水时则注浆合格，反之注浆不合格须继续补注双液浆止水加固。

同时，通过盾尾顶部径向孔、管片孔施打300mm探孔，探测该位置盾尾的加固、止水效果以及地质情况，如探查无涌水涌砂现象时可进行正常更换。

5.2拆除管片

拆除管片前应对盾尾附近10环管片拉结连接，防止收千斤顶后管片发生应力释放，由于盾尾刷存在漏浆现象，根据方案审查意见是全部更换还是保留一道尾刷。

管片拆除时需先拆除K快（可不拼装封顶块，但须在方案中注明并经专家论证可行。优点：可观察盾尾刷位置；避免封顶块管片难以拆除及破坏。缺点：存在漏浆、喷涌风险）；再拆C、B块，最后依次拆除剩余的A3、A1、A2块管片。

每拆除一块管片，应及时加撑千斤顶，防止尾刷更换过程中盾构机在仓内压力作用下出现后退，确保盾尾和管片之间不发生相对位移。

5.3清理盾壳及油脂仓

管片拆除完成后，露出待更换的盾尾刷，将盾壳、油脂仓内附着的砂浆、油脂等杂物清理干净。在清理杂物同时，检查油脂注入孔是否畅通。

5.4盾尾刷拆除及安装

盾尾刷拆装应按照“速战速决”的原则，按方案要求对盾尾刷整环进行切除，切除时由下往上，逐个取出损坏的盾尾刷。

在焊接时，先焊接内侧盾尾刷。如在新盾尾刷焊接时起点位置为3点位，收点位置同样为3点位。盾尾刷安装顺序为依次搭接安装，在最后1块焊接时，尾刷稍宽，经过仔细量测后按尺寸切除，确保两块尾刷之间有足够搭接长度。盾尾刷内对应的油脂出口位置需进行适当的修整，要确保尾刷被下压后盾尾油脂可正常注入至盾尾刷间油脂仓内。

焊接采用二氧化碳保护焊，焊接质量经过土木工程师及监理工程师验收后进行油脂涂抹。

5.7管片二次拼装及恢复正常掘进

尾刷全部焊接完成后开始盾尾油脂涂抹工作，涂抹时分层将盾尾刷拨开后填入油脂，涂抹后每层油脂填塞饱满，不掉落、不漏涂。经工程师检验合格后方可进行管片二次拼装，拼装时要在连接螺栓安装紧固后确认盾构机油缸撑靴已作用于管片无误后，拼装机方可脱离并开始下一块管片安装，从而完成整个循环过程。

整环管片全部安装完成恢复后，开启油脂泵泵送油脂填充盾尾密封仓，填充压力达到设计压力值12bar后方可开始盾构掘进。

5.8测量与风险管控

期间做好地面围蔽及沉降监测，应急物资准备到位，落实应急联动及领导值班制度。

6、结束语

地下工程是一个复杂多变的环境，近几年因为盾尾刷失效导致的事故往往都是惨痛教训，在富水软弱地层且长距离穿越细砂、中粗砂、圆砾层，地层渗透系数大、无法提前进行预加固或加固效果不佳等情况下更换盾尾刷施工风险极高，采用冷冻法更换盾尾刷是一种安全、合理、快捷的辅助功法。部分新型盾构机盾尾处自带环形冷冻管，还可定制加工1环具备冷冻功能的特殊钢管片，各管片内的冷冻管相互连接形成冷冻回路，通过外部冷冻机将低温冷冻液输送至冷冻管，并将能量传递至土层，从而将盾构机尾部处的土层进行冻结，形成具有密封效果的环形冻土加固区域。