广东华隧建设集团股份有限公司 阳东升 曾干
摘要：本文通过工程实际应用“软弱地层特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术”，针对性的在软弱地层中采取特殊制造的冷冻钢管片进行地层预冻结，继而更换盾尾密封刷。为该项目解决盾构在掘进期间安全高效的更换盾尾密封刷的方法。为推进整体工期、节省项目开支、降低隧道施工难度和风险，积极推进城市整体基础设施建设，为广大人民带来福祉。
关键词：冷冻钢管片；盾尾密封刷；安全高效
一、软弱地层中盾构机更换盾尾密封刷危害分析
近年来，我国正在进行大规模的基础建设。其中城市轨道交通工程更是遍地开花，根据相关文件查找可知，现阶段的城市轨道建设大多采用盾构法施工，不可避免的在盾构施工过程中需要进行盾构机盾尾密封刷的更换，但在采用盾构法施工的沿海发达地区，均存在大量的软弱地层，并伴随着隧道穿越，其周边也会存在着密集的建构筑物群。这就为盾构机更换尾刷作业时盾尾周边土体的稳固工作带来了严峻的考验，如未能做好，这将对更换尾刷作业带来不可预知的灾难。
沿海地区的软弱地层，大部分土体松散、承载力低、自稳性差、物理性质极不稳定，容易发生流变、塌陷。此环境下地铁盾构施工，极易磨损盾尾密封刷，形成局部渗水通道，造成地层水土流失。“千里之堤毁于蚁穴”，轻则地面形成不均匀沉降，重则渗水通道进一步扩大，盾构机底部的软弱土层会随着涌水流失，以至下部被掏空，使盾构机和成型管片结构向下位移、变形。隧道结构破坏后，巨量泥沙突然涌入隧道，猛烈冲断了盾构机后配套台车连接件，使盾构机台车在泥沙流的裹挟下突然冲击破坏盾尾管片，至使管片崩裂引起地面塌陷造成机毁人亡。
二、目前盾尾密封刷更换方法现状分析
目前国内针对于富水软弱地层盾构长距离掘进施工，所面临的尾刷破损形成的盾尾渗漏水问题，通常做法有：
1、避重就轻，加大盾尾油脂注入，同时在盾尾间隙填塞泡沫条，在末环管片焊接止浆板进行封堵。这种方式短期内可以起到一定的止水效果，但长距离掘进后尾刷持续磨损；继续加油脂注入，耐不住地层高压水的击穿，同时止浆板安拆频繁掘进过程易造成磨损失效。
2、采用注浆法封水，用同步注浆辅以双液注浆，或者在混凝土管片内开设注浆孔，注浆加固盾尾土体，形成不透水固结地层。虽然短期内能起到一定的止水作用，但受地层影响大，均匀性差，具有很大的不确定性，给换刷作业带来了极大的安全隐患。若在粉细砂层中则易造成水泥浆液流失，起不到止水加固效果；若在淤泥质土层同步注浆量把控不到位，容易造成换刷后盾体被水泥浆液握裹，盾构无法推进的窘境。
3、预先拟定停机位置，采用地面注浆预加固方式，盾构继续掘进一定距离后到达加固土体进行更换尾刷作业。该工法虽然较为便捷，但工期长，所需经费高，效果受到地质影响大，加固体均匀性差，同时受到地面约束性较大，而且盾构需要继续掘进一段，期间风险不可预估。
4、在混凝土管片或盾尾筒体增设开孔，采用轴向（竖向）的冷冻插管进行地层冻结，形成环向的冻结壁以备止水。该工法需要轴向管路横、纵向布置较多，才能起到有效的止水效果，冻结效果不均匀、时间长、投资大、技术复杂、施工难度大，该方法最大的弊端是容易破坏混凝土管片自身的结构。
.png)
相比之下，采用预制冷冻功能的特殊钢管片拼装于盾尾，预先进行人工地层冻结法形成环向冻土帷幕强度高、均匀性好、交圈效果理想，可以做到滴水不漏，完全可以保证检盾尾密封刷更换期间人、材、机和整体作业环境安全。
该项技术在国内外轨道交通工程中，首次采用，解决了大直径盾构机盾尾密封刷更换风险的技术难题。有着技术先进、环境影响小、工期短、资金投入少、施工风险低、操作简便、环境适应性强等特点。
三、软弱地层特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术
（一）技术简介
软弱地层特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术是以冷冻功能的管片为载体，若干管片拼接形成完整的环形隧道管片，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，盾构机在此保护下可在任何地层进行盾尾刷更换作业，从而保证施工安全，且结构简单，施工成本低。
.png)
(1)其中1#、2#、3#、4#、6#、7#、8#为冷冻管。1#冷冻管为备用管视情况使用。
.png)
(2)其中5#、9#为撑杆，可以分别将3#、7#冷管推出（不做回收）。
.png)
(3)本钢管片主结构总厚度为380mm，最外侧覆盖30mm厚钢板。外侧覆板与钢管片外结构中间设置有支撑筋板并填充保温材料。
.png)
（二）技术难题及解决措施
本课题需要解决的技术难题主要有以下三点：
1、在盾构法施工的隧道中，不可避免的由于掘进施工作业而造成盾尾密封刷磨损，当出现此类事件时，如何在复杂的地层中为盾构法施工研发一个安全、高效的尾刷更换工法。在目前日益发展的盾构施工中显得十分重要，也成为影响整个隧道工程安全质量的关键所在。
2、因采用是采用钢管片作为冷冻管路的载体，钢管片背土面存在着隔舱，这将大大会弱冷冻作业的效率，只有提高冷冻作业的效率才能保证冷冻作业的快速开展保障后续工艺的展开。
3、在冷冻钢管片进行完成冷冻施工作业后，紧接着就是需要进行盾尾密封刷的更换，虽然冷冻管片已能提供一个安全的更换尾刷环境，但由于地层环境的复杂性，作业环境需要更高的安全保障系数。
通过研究分析解决技术难题的相应措施主要为：
1、采用特制钢管片与冷冻机组连接，进行管片外部地层预冻结加固，形成冻土壁后进行盾尾密封刷更换，能有效快速的解决更换盾尾刷过程中的地层持力软弱、切断了透水涌砂通道等难题，保证盾尾密封刷更换作业期间安全。
2、为确保钢管片内冷冻管路与钢管片充分的接触和导热，采用导热性能良好的材料充填冻结管所在的钢管片隔舱，以增加冻结管与钢管片换热面积，管片内侧敷设保温层。
3、在拆除预拆管片环后，在盾尾间隙填塞泡沫，并在冷冻钢管片内侧预留活动螺孔，并用螺栓固定止浆压板，整体环向布置。
三、软弱地层特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术成果
成果一：冻结管路载体的选用、布置和冷冻作业的成功应用
通过本次研究实验对比得出，采用经过特殊改造的钢管片作为冷冻管路的载体，其相对于混凝土管片具备有能和管路更好接触、良好的可塑造性和导热性。
冷冻功能的钢管片，若干管片拼接形成完整的环形隧道管片，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，盾构机在此保护下可在任何地层进行盾尾刷更换作业，从而保证施工安全，且结构简单，施工成本低。
.png)
本钢管片主结构总厚度为380mm，最外侧覆盖30mm厚钢板。外侧覆板与钢管片外结构中间设置有支撑筋板并填充保温材料。
进行环外地层预冻结加固，形成冻壁后进行盾尾密封刷更换，能有效快速的解决换刷过程中的地层持力软弱、持续渗漏水等难题，保证了盾尾密封刷更换作业期间安全。通过特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术在设计和施工阶段应用，形成总结，形成一整套的通用与适用软土地层下冷冻钢管片换尾刷的工艺、工法。
成果二：冷冻钢管片导热与保温问题的解决
在采用钢管片为冷冻管路的载体后，冷冻效果虽然达到了土体冻结的要求，但因钢管片不同于普通混凝土管片为密实的一个整体，钢管片背土面存在着隔舱，这将大大会弱冷冻作业的效率，只有提高冷冻作业的效率才能保证冷冻作业的快速开展保障后续工艺的展开。经过研究实验对比采用导热性能良好的材料充填冻结管所在的钢管片隔舱，可增加冻结管与钢管片换热面积。而且使用的填充材料造价低廉实用，操作简便，可在减低工程费用投入的同时也减少人员的投入。
.png)
成果三：安全双保险--止浆压板的应用
考虑到盾构施工地层富含丰富的地下水，而预拆管片环时下部很可能发生冒水的险情，为了尽可能安全、高效的把损坏的盾尾刷更换掉，预拆除环的管片的拆卸需分步进行，将由上至下逐片拆除；经过研究实验对比当对拆除管片的盾尾间隙填塞泡沫，并在冷冻钢管片上用螺栓固定止浆压板,可有效的防止地下水通过盾尾间隙进入隧道，进而保证后续盾尾密封刷更换时的作业安全。
.png)
四、软弱地层特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术的应用
通过应用的创新工艺“特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术”，该技术具备先进、安全可靠、环境影响小、工期短、资金投入少、施工风险低、操作简便、环境适应性强等特点。在整体工期、节省项目开支、降低隧道施工难度和风险，有显著成效。
对于在隧道掘进期间盾构机盾尾密封刷更换工程，在类似的情况下，与传统解决方案投入对比如下：
.png)
通过应用软弱地层特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术，避难了传统更换方案需要进行地面加固或止水效果差的问题，充分做到既安全又高效，节约了昂贵地面场地费用和宝贵的工期；另外，本技术相对于传统的更换方法，已形成一整套的设备，环境适应性强。
城市轨道交通工程建设具有投资大、技术复杂、施工难度大、风险高等特点，目前国内盾构法施工相关规范中尚无关于盾构机盾尾刷设计、制造、验收方面的内容，也无盾尾密封耐水压密封性能的测试方法和检验标准；盾构工法没有制订相关危险预警标准。
盾尾密封刷的损坏是一个不可控、不可避免的因素，而损坏后所带来的巨大全风险也是未可预测的，也是无法承受的。
通过深入分析沿海地区富水软土地层的性质，研究制定了针对软弱地层特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术。该技术具备先进、安全可靠、环境影响小、工期短、资金投入少、施工风险低、操作简便、环境适应性强等特点。这将更利于助建地铁项目，推进整体工期、节省项目开支、降低隧道施工难度和风险，“软弱地层特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术”对未来城市交通提速建设具有重大意义。
五、结语
随着城市轨道交通事业的兴起，全国各地都在大规模地进行轨道交通建设。特别在人口密集的珠三角、长三角区域需进行大量的轨道交通建设，并且大多采用盾构法施工，不可避免的在盾构施工过程中需要进行盾构机盾尾密封刷的更换，但大部分沿海发达地区均存在大量的软弱地层，并且隧道穿越区域的周边也会不可避免的有着大量的建构筑物存在。这就为在做更换作业时盾尾周边土体的稳固工作带来了严峻的考验，如未能做好，这将对更换作业带来不可预知的灾难。而“软弱地层特殊钢管片冻结法更换盾尾密封刷技术”能高效、安全的解决此类问题。
参考文献
[1]郭建强,李长春,徐源,等;南京地铁盾构隧道盾尾刷更换过程地表变形分析[J].城市轨道交通研究,2010年01期.
[2]王亚丽,代勇;盾构机盾尾刷更换施工技术[J].科技资讯,2015年05期.
[3]孙善辉;李风远;盾构尾刷洞内更换技术[J];建筑机械化;2012年04期.
[4]陈茂坤;钟志全;保障盾尾密封有效性的技术措施[J];建筑机械化;2012年06期.
[5]王永贵;冷冻法更换盾尾刷技术[J];建筑机械化;2019年06期.
[6]李中锡;用冷冻法在软土中挖隧道(续)[J];工程质量;2007年12期