1 引言
盾构法施工以其质量好、施工安全、掘进快速、对环境影响小等优点，迅速在大型公路隧道施工中得到广泛应用。随着城市建设发展的要求，公路隧道越来越长，满足长距离掘进是公路隧道修建中提出的重要技术要求。然而，盾构长距离施工存在的难题之一就是盾尾密封刷的磨耗与更换问题[1] 。盾构机主要密封部位之一的盾尾刷，是非常容易损坏且难以修复的部件[2] 。近期施工的几条超大断面盾构隧道，在盾构掘进 1200 ～ 1500m 后，盾尾尾刷密封将大部分失效，特别是经过较小半径的转弯段掘进后，盾尾左右两侧尾刷将被严重磨损，如图 1所示。如何在盾构施工中途进行尾刷更换，是解决盾构长距离掘进的关键技术之一。
图 1 变形破坏的盾尾钢丝刷护板
2 工程概况
上海北横通道西起北虹路，东至内江路，贯穿上海中心城区北部区域，工程Ⅱ标段范围为威宁路接地点（K1+570.73）～长安路接地点（K9+359.50），全长 7788.77m。主线盾构隧道段分为两段，自西向东分别是中江路工作井至中山公园工作井盾构段 2761m，中山公园工作井至筛网厂工作井盾构段3665m。通道采用德国海瑞克公司直径 15.56m 超大型泥水气平衡式盾构掘进机。为确保盾构穿越苏州河防汛墙及长距离苏州河下推进的安全，盾尾密封设置了 3 道钢丝刷、1 道钢板刷和 1 道防漏挡砂板。隧道管片外径 15000mm，内径 13700mm，环宽2000mm，管片厚度为650mm，每环由10块管片构成。其中标准块 7 块 (B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7)，邻接块 2 块 (L1、L2)，封顶块 1 块 (F)。
2.1 第一道盾尾刷更换的必要性分析
第一、第二、第三道盾尾钢丝刷紧贴管片并通过油脂泵和盾尾油脂管路注入油脂，使盾尾钢丝刷充满油脂，防止盾尾渗漏，盾尾刷结构示意如图 2所示。在第 225 环掘进完成后，将千斤顶推足行程，第一道盾尾刷露出，对露出部位盾尾刷进行了检查，发现如下问题：14 号、15 号千斤顶区域外层钢板破损，钢丝漏出；底部区域由于盾尾油脂较多，无法进行肉眼观察，通过粗略手触发现钢板遗失，第225 环第一道钢丝刷检查情况示意如图 3 所示。为保证后续长距离盾构掘进施工以及多次穿越苏州河的安全，拟更换全部第一道盾尾钢丝刷。
图 2 盾尾刷结构图
图 3 第 225 环第一道钢丝刷检查情况示意图
由于检修、更换盾尾密封刷存在一定的施工风险，所以施工前务必掌握盾构机所处的位置，结合地质条件，必要时提前进行地面加固后再筹划检查、更换盾尾刷；盾尾一共有 3 道密封刷，第三道（最后面一道）密封刷在推进施工中是无法检修的，中间道密封刷的检修风险较高，一般情况下，检修盾尾密封刷仅限于第一道。
拆除盾尾内的管片及检修钢丝刷工作原则：拆除 1 块管片，更换管片处的第一道盾尾钢丝刷，更换钢丝刷后涂抹盾尾油脂，再安装拆除的 1 块管片，以此循环。严禁拆除 2 块以上管片（除封顶块 F 块外）。第一道盾尾刷更换的总数为 237 把，更换的盾尾刷采用加强型盾尾刷。
2.2 换盾尾刷的位置及地质条件
在盾构下穿大渡河路桥引桥段、火花收藏馆、人工湖浮桥后，下穿防汛墙及长距离下穿苏州河之前完成盾尾刷更换工作。隧道轴线平面上为 R2000右曲转弯，垂直方向上为 R2500 竖曲线接 0.5% 上坡。根据地质报告，225 ～ 425 环隧道断面内为⑤ 3灰色粉质黏土夹粉砂、⑥暗绿色粉质黏土、⑦ 1 草黄～灰色粉砂、⑦ 2 草黄～灰色粉细砂及⑧ 1-1 灰色黏土，盾构机下卧土层为⑧ 1-1 灰色黏土，该土层分布稳定，厚度在3.7～18.8m，其土质一般，软塑～可塑状，中压缩性。综合 225 ～ 425 环地质纵剖面图，以及结合施工实际考虑，更换盾尾刷位置选定310 ～ 315 环，隧道顶覆土约 33m。225 ～ 425 环地质情况如表 1、图 4 所示。
表 1 盾尾刷更换段地基土构成与特征一览表
图 4 225 ～ 425 环地质纵剖面图
3 第一道盾尾刷更换施工
3.1 施工流程
第一道盾尾刷更换流程如图 5 所示，每更换一个千斤顶位置的盾尾刷所用时间约为 2 ～ 3h。整个过程 4d 完成。
图 5 盾尾刷更换施工流程
3.2 施工前准备工作
由于更换盾尾钢丝刷时间长，涉及工序、工作面较多，将采取如下措施保证盾构开挖面及地面环境的稳定。更换盾尾刷前需进行开挖舱泥水更换、壳体注浆克泥效、盾尾油脂提前 2 环更换微膨胀性油脂、浆桶预留 20m 3 同步浆液等准备。
1）泥水置换
使用高分子材料及膨润土拌制新浆对前舱内泥水进行置换，加入堵漏剂 8m 3 （每方水内加 3 包HS-2、1 包 HS-1），前舱放出的泥水黏度达到 30s以上，确保开挖面的稳定。
2）壳体注克泥效
通过盾壳上预留的垂直注浆孔压注克泥效，防止泥水后窜，共计 14 个孔位，理论每孔压注量约为0.1 ～ 0.2m 3 ，压力不超过 7 ～ 8bar。实际根据压力控制，高于 8bar 停止注入，实际注入总量为 2m 3 ，克泥效水灰比 5:1，压注 A 液：B 液 =20:1。提前进行配比试验，检查效果。
3）在盾构停止推进前的最后 2 环管片推进过程中，通过盾尾内油脂管在盾尾前三舱压注特殊遇水膨胀盾尾油脂，油脂注入量控制在 200kg。
3.3 盾尾刷更换施工
拆除盾尾内的管片及检修钢丝刷工作原则：拆除 1 块管片，即检修该位置处的盾尾钢丝刷，更换钢丝刷后涂抹盾尾油脂，再恢复拆除的 1 块管片，以此循环。
施工过程中做好管片拼装系统的检修，确保拆除下来的管片能立即拼装到位。
3.3.1 更换流程
考虑到隧道上半部分处于⑦ 1 、⑦ 2 粉砂层承压水层，为保证更换盾尾刷的安全，故检修工作从盾构机下半部分开始，拟选择 8 号千斤顶区域拼装点位开始。
1）在第 310 环完成 6 ～ 10 号千斤顶区域的第一道尾刷更换。
2）在第 311 环完成 11 ～ 13 号千斤顶区域的第一道尾刷更换。
3）在第 312 环完成 14 ～ 16 号千斤顶区域的第一道尾刷更换。
4）在第 313 环完成 17 ～ 19 号千斤顶区域的第一道尾刷更换。
5）在第 314 环完成 1 ～ 3 号千斤顶区域的第一道尾刷更换。
6）在第 315 环完成 4 ～ 5 号千斤顶区域的第一道尾刷更换。
3.3.2 盾尾钢丝刷更换步骤
拆除的盾尾钢丝刷应及时从盾尾移走。在重新安装盾尾钢丝刷前，必须将盾尾清理干净，并检查盾尾油脂压注管路是否通顺。盾尾钢丝刷更换完成后在钢丝刷内人工嵌入盾尾油脂，盾尾油脂填充要完全充满，不要有漏点。
人工填充盾尾油脂完成后及时拼装管片，待成环后利用油脂泵向盾尾内压注盾尾油脂，直到各盾尾油脂压力传感器显示的压力值达到密封要求为止。
1）盾尾刷更换步骤如表2所示（以310环为例）。
表 2 盾尾刷更换步骤表
2）涂抹盾尾油脂相关要求：更换完成后，对修复的盾尾刷在拼装管片前拼装范围内手涂盾尾油脂，油脂涂抹分4层，盾尾刷前后外侧钢片处各一层，中间钢丝网两侧各一层，每层均要涂抹到底部；在钢丝刷根部涂抹油脂，同时将钢丝刷之间的间隙也填充满。人工涂抹的油脂型号为康耐特 90 号油脂。
3.3.3 其它注意事项
1）盾尾刷更换时必须高度注意施工安全。在施工过程中出现一定渗漏水现象，必须立即压注后两道盾尾油脂和同步浆液，若出现涌水、冒泥现象需立即安装管片，情况得不到改善则需压注聚氨酯堵漏，管片环面安装挡泥钢板。
2）在隧道内更换盾尾刷时，要做好隧道内通风和防火、防涌水等。准备足够的灭火器集中放置在焊接部位附近，并就近引入水管，当发现有燃物体时及时用灭火器扑灭，在盾尾安装大流量抽水泵作为紧急措施。
3.4 施工监测
3.4.1 隧道沉降
隧道最大沉降 20mm，未超过 50mm，满足规范要求，处于受控状态。
3.4.2 盾尾间隙控制
盾尾理论间隙 115mm，310 ～ 315 环盾尾间隙最大 132mm，最小 98mm，控制在 115±20mm 内，处于受控状态，如图 6 所示。
图 6 310 ～ 315 环盾尾间隙示意图
图 6 中右上半部的盾尾间隙较理论间隙偏小，左下部的盾尾间隙偏大，但偏差值并不大。盾尾间隙的变化在合理范围内，未发现渗漏。
3.5 盾尾刷更换应急预案
由于盾尾刷更换范围土层为⑦ 1 、⑦ 2 层（第一承压水层），而且附近存在地质钻探孔，为防止承压水击穿盾尾密封的风险，针对盾尾渗漏制定了周全可靠的应急预案，如表 3 所示。若更换盾尾刷期间发生盾尾渗漏，应立即停止更换工作，采取应急措施，待无渗漏后再继续盾尾刷更换工作。
表 3 更换盾尾刷应急措施
4 结论
盾尾刷密封效果的好坏直接关系到盾构密封效果，所以在盾尾刷磨损严重时，应对其进行更换。更换中需要考虑必要的安全条件，并在检修过程中做好保护与预防措施，保证更换时人员、设备的安全及周边环境的稳定。
1）合适的地层中选定更换盾尾刷位置，可保证盾尾封闭效果，盾尾的有效封堵是盾尾刷更换期间重要的安全保障。
2）盾构施工前选择质量高的盾尾刷，推进过程中根据隧道线形和地质条件合理制定推进参数，对盾尾间隙及时进行调整，保证油脂注入量充足，可有效保护盾尾刷，延长盾尾刷的使用寿命，从而使盾构推进顺利完成。
3）通过盾构机壳体上预留的垂直注浆孔压注克泥效，保证止水效果。
4）严格按照拆除 1 块管片，更换钢丝刷后涂抹盾尾油脂，再恢复拆除的 1 块管片，严禁拆除 2块以上管片（除封顶块 F 块外），分 6 环更换第一道盾尾刷，安全保障性强。
摘自《盾构隧道科技》