泥水平衡盾构机盾尾渗漏原因分析及预防措施

1概述

广州市轨道交通三号线某盾构区间隧道工程,采用2台泥水平衡式盾构机进行施工,其基本原理是通过支撑环前面装置隔板的泥水舱中注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜,支承正面土体,并由安装在正面的大刀盘切削土体表层泥膜,与泥水混合后,形成高密度泥浆,然后由泥浆泵及管道把泥浆输送到地面处理。在泥水舱内和掌子面间建立泥水平衡是泥水盾构机掘进的根本要求,另外由于盾构掘进过程中,采用管片背填双液同步注浆方式来填充管片与围岩的间隙,从而达到减小地层沉降,限制管片位移和变形,提高结构稳定性,加强隧道防水性能的目的。

因此,若盾尾发生渗漏,就会破坏泥水平衡和注浆质量,并污染盾构管片安装的工作面,给管片安装造成不便,严重影响盾构的正常掘进。本工程盾构区间左右线掘进中就曾多次发生渗漏、窜浆现象,严重影响到施工进度,经仔细认真的分析和查找原因,制定切实可行的办法,有效解决和预防盾尾渗漏问题,保证了工程的顺利进行。

2盾尾渗漏原因分析及预防措施

2.1管片组装

⑴管片变形：管片拼装后要求形成一个标准的圆,管片之间采用错缝拼装,但由于操作不熟练而往往拼装成椭圆形,实际施工中由于自重等因素影响,横向椭圆较为多见,这就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度d>6mm,上下部纵缝d<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,由于注浆压力和泥水压力都较大,而纵缝开口度d>6mm,纵缝处的油脂无法承受浆液和泥水的压力,就形成一个渗漏通道,造成盾尾渗漏。盾尾与椭圆管片的关系如图1a所示。

⑵管片错台：由于管片拼装操作不熟练,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整环管片,很易形成渗水通道,虽然盾构推进时盾尾仓内有盾尾油脂填充纵缝,但在较高的注浆压力和泥水压力等作用下,极有可能将油脂冲脱而击穿盾尾刷,造成管片渗漏。盾尾与纵缝错台的管片关系如图1b所示。

⑶管片碎裂：在轴心线未产生较大偏差的状态下,组装工艺不合理或野蛮施工,K块管片安装时没有足够的空间,采用盾构千斤顶强行顶进,造成相邻管片外壁处(尤其螺栓孔、角根部)在千斤顶高压状态下顶裂或破碎,而带进盾尾舱,损坏盾尾刷,形成渗水通道而造成漏浆。

⑷防治措施

①加强拼装施工培训,提高拼装人员的技术水平,要求管片不拼成椭圆形,且一环管片安装后必须使用整圆器进行整圆,以减少椭圆和纵缝、环缝错台的现象。

②在每次管片安装前,应清除盾体内的渣土,避免安装管片时难以对位,造成错台现象。

③封顶K块拼装前,必须调整好开口尺寸,使封顶块能顺利插入到位。

④管片构造可减小管环纵缝沿止水条外缘的构造缝宽度和高度(原设计分别为33.2mm和6mm),建议高度<20mm,以减少渗漏水力通道。

2.2背填注浆

盾构机在掘进过程中,由于操作人员技术不熟练或双液浆配比不合理,使浆液凝固时间过短,造成浆液不能充分填充管片后空隙,而是堆积在注浆口附近,造成注浆通道受限制,后续浆液压力(一般控制在切口压力 (0.6~1.0)kg)必然剧增,当浆液压力高于盾尾刷和油脂的抗压力时,就会击穿盾尾刷和油脂衬背而造成窜浆。因此在施工中必须严格控制双液浆的配比,经常进行试验和现场抽检,确保其凝固时间为12～14s,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。

2.3泥水压力过大

由于在环流系统操作时开挖面的泥水压力设定值过高,或切削下来的岩块堵塞排泥管道口或泥水舱,都有可能导致泥水舱内泥水压力过高,超过盾尾刷的抗压能力,瞬间击穿盾尾刷而造成漏浆。

在泥水加压式盾构工法中,切口水压设定通常应与作用在开挖面上的土压保持平衡,水压与开挖面上含水土体垂直作用的重力和土的内摩擦角有关。设P0为土压(含水压),即自然状态下盾构机头部2/3高度处的压力,则切口水压=P0 (0.01~0.02)MPa。动工前应在隧道线路上的多个地点进行土质和地下水调查,决定每个地点的设定切口水压。

在管道发生堵塞时,若开挖面水压高于上限值则应立即暂停掘进,通过旁路调节使压力从逸流阀卸掉,开挖面水压恢复正常后逸流阀自动关闭,再把泥水送进土仓进行逆洗清通管路,或通过检查判断具体堵塞位置后人工清除岩块。

2.4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密封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能及时密封盾尾,势必造成尾刷的密封效果减弱,形成盾尾渗漏。

在地铁三号线盾构施工中,我们有针对性地采取了以下措施:①采用法国产的优质盾尾油脂,可耐负压5kg/cm2;②采用正确方法补充油脂,并合理保养维护,按理论计算正常补油脂单孔约为36s,每隔5R补充一次。但考虑到管片外壁质量,管片姿态和组装质量等问题,一般在2R~3R要补充一次,但发生漏浆后必须进行漏浆处局部打油脂,如背填浆液漏浆,则最好进行局部清洗;③当发生严重渗漏或窜浆现象时,采用盾尾全舱处理法,以确保油脂舱内有足够的量和压力,并清除盾尾舱内的杂物。具体做法是从内圈开始,也就是千斤顶推至1505mm处,从上往下在内圈单孔打油脂,把相邻孔逆止阀打开至干净油脂溢出后停机,再从溢出孔处继续打油后把相邻孔打开,依次环向进行一周,再将千斤顶推至1877mm处,在外圈进行上述操作。

2.5盾尾密封损坏

其原因如下:①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;②泥水盾构停止掘进时,土舱内有泥水的压力作用,管片组装时很易导致盾尾后退,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。防治措施包括:①严格控制盾构推进的纠偏量,尽量使管片四周的盾尾间隙均匀一致,减轻管片对盾尾刷的挤压程度;②控制盾构姿态,严格控制管片组装时的千斤顶伸缩量,避免盾构产生后退;③在条件允许的情况下,可更换第3道即最里面一道盾尾刷,以保证盾尾刷的密封性。

3结束语

泥水盾构盾尾渗漏涉及到管片拼装、切口泥水压力、盾尾注浆压力、盾尾油脂等多种因素,因此施工中必须在认真分析原因后采取切实可行的措施,慎重对待,以确保工程施工的进度与质量。