超大断面矩形顶管抗风险止水装置

1  概述

郑州市纬四路下穿中州大道隧道工程采用矩形顶管施工4条区间隧道，机动车道和非机动车道各2条。4条区间隧道各长110 m，机动车道采用10.4 m7.5 m矩形顶管施工，完工后内部尺寸宽9 m、高6.1 m；非机动车道采用6.9 m4.2 m矩形顶管施工，完工后的内部尺寸宽6 m、高3 m。由于采用常规止水装置，在矩形顶管始发施工过程中易出现漏水，漏浆、涌泥沙等现象，会导致土压失稳造成地面沉降，故在工程中采用了新型止水抗风险装置，见图1。

2  新型抗风险止水装置

2.1  常规止水装置存在的问题

常规止水装置仅由橡胶帘布（袜套）和弧形压板组成，结构单一，容易漏浆、漏水，导致减摩泥浆套损失。

⑴ 顶管机始发过程中接近弧形压板，容易撕裂橡胶帘布；

⑵ 顶管机在顶进过程中，弧形压板易卡在管节与管节拼装缝之间，从而拉断橡胶帘布；

⑶ 由于顶管机和管节一直处于顶进的运动状态，止水装置的止水效果不明显。

2.2  新型抗风险止水装置的结构

新型抗风险止水装置由弧形压板、橡胶帘布（袜套）、止水钢丝刷、止水钢板束、止水箱体和盾尾油脂压注系统等6个部分组成，见图2。

新型抗风险止水装置较常规止水装置增加了带有钢板刷和钢丝刷的止水箱体和盾尾油脂压注系统，保证了密封的可靠性，同时通过压注盾尾油脂，润滑了顶管机机头和管节，可有效形成保护层，降低摩阻力。

2.2.1  止水箱体

止水箱体采用Q235材质、10 mm厚钢板焊接而成，包括左翼缘板、右翼缘板、连接板、主筋板和副筋板等。

止水箱体尺寸为：左翼缘板高400 mm，右翼缘板高200 mm，连接板长800 mm。左、右翼板上均设置一个Ф25螺栓孔，左侧翼板通过螺栓与钢洞圈连接，右侧翼板通过螺栓与弧形压板连接。整个止水箱体连接板上共计开设16个Ф25压注孔，用以压注盾尾油脂。图3为止水箱体结构示意图。

弧形压板由矩形压板和梯形压板2种，如图4所示。通过高强度螺栓固定于止水箱体上。2种压板均由Q235材质钢材（钢板厚12 mm）切割而成，尺寸见图4。弧形压板可将橡胶帘布（袜套）固定于止水箱体上，梯形压板布置于止水箱体弧形段，以便于圆角安装。

2.2.3  橡胶帘布（袜套）

橡胶止水帘布（袜套）材质为氯丁橡胶，其作用是密封顶进过程中的顶管机和管节，防止地下水及浆液从顶管机和管节与始发钢洞圈的间隙流出。橡胶止水帘布（袜套）容易被撕裂拉断，顶进过程中要根据顶进工况调节弧形压板位置，以保证橡胶止水帘布（袜套）的完整性，并使橡胶止水帘布（袜套）密贴于顶管机的机头和管节上。图5为橡胶止水帘布（袜套）的剖面图示意图。

2.2.4  止水钢板束和止水钢丝刷

止水钢板束和止水钢丝刷宽20cm、长35cm，通过焊接连接于止水箱体上。从左到右依次安装钢丝刷、钢板束（见图2所示）。钢丝刷和钢板束可将压注的盾尾油脂均匀地涂抹于顶管机和管节的外侧，形成保护层，降低摩阻力。

2.2.5  盾尾油脂压注系统

盾尾油脂压注系统（包括盾尾油脂泵、压力传感器、球阀等）采用自动化的手段，通过布置传感器检测油脂孔压力，通过电动控制球阀切换压注孔，进而循环压注高止水性油脂，从而保证止水密封。顶管机顶进过程中，根据油脂压力及时进行补充，当发现洞圈有漏浆时，对漏浆部位及时进行补压盾尾油脂。如图6所示，8组球阀分别控制止水箱体上16个压注孔，没组球阀控制箱体上的2个压注孔。图6为盾尾油脂泵与球阀连接示意图。

2.3  新型抗风险止水装置制作、安装及使用注意事项

1）止水箱体制作过程中，钢丝刷置于内侧、钢板束置于外侧，以保证顶管机或管节与洞圈间的止水密封性；

2）止水箱体定位安装过程中，要精确进行放线、复核，确保安装精确；

3）顶管机进入止水箱体前，在钢板刷和钢丝刷之间空隙均匀涂抹油脂；

4）顶管机靠上加固区后，通过操作台内PLC，控制盾尾油脂的压注，保证止水密封；

5）顶管机通过止水箱体时，谨防刀盘的周边刀具划破橡胶帘布。

3  结语

新型止水装置经过5 d的制作、安装，就应用在郑州市下穿中州大道隧道工程2标纬四路下穿隧道工程中。

1）该装置止水安全系数高，有效避免顶管在始发过程中出现漏水、漏浆、涌泥沙现象；

2）该装置实施过程中止水效果良好，始发段的地面沉降有了明显改善，并且实现了顶进过程中的浆液保压、密封，控制地面沉降；

3）新型抗风险止水装置压注的盾尾油脂，既可止水，又可润滑管节，减小摩阻力；

4）该装置安装、拆卸方便；一次制作，可多次循环使用，具有很强的实用性，经济可靠。可在其他大断面矩形顶管机施工中推广应用。