0.65 MPa高水壓盾構(gòu)機(jī)新型盾尾密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

安曉科，賈莉莉，郝雅茹，常喜平，于麗麗

中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

1.引言

盾構(gòu)施工法中，盾尾密封系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)正常掘進(jìn)的一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)。它是防止地下泥水、土砂和注漿漿液從盾尾侵入盾構(gòu)機(jī)的重要部分，由盾構(gòu)鋼絲刷和盾構(gòu)油脂組成。一般情況下，盾構(gòu)鋼絲刷在盾構(gòu)殼內(nèi)共布置3道[1]。

由于鋼絲刷與泥水和漿液的接觸，并在盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)與管片外周不斷發(fā)生摩擦，使得密封鋼絲刷易于損壞并失效。由于盾構(gòu)機(jī)盾尾密封形式的不適宜、盾構(gòu)施工操作方法、施工參數(shù)控制和地下巖層情況等各種條件的影響，有時(shí)盾構(gòu)只掘進(jìn)數(shù)百米就能使盾構(gòu)密封刷損壞。盾尾刷的壽命對(duì)隧道質(zhì)量、控制地表變形和加快施工進(jìn)度都有較深遠(yuǎn)的影響[2]。鑒于盾尾密封的重要性，筆者主要從地層影響、盾尾設(shè)計(jì)、盾構(gòu)滲漏和油脂消耗4個(gè)因素對(duì)海瑞克M971盾構(gòu)機(jī)盾尾密封系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，使其滿足高水壓施工要求。

2.工程和地質(zhì)概況

南京盾構(gòu)區(qū)間全長(zhǎng)1984 m，內(nèi)徑3.08 m，工程采用泥水平衡盾構(gòu)工法穿越長(zhǎng)江，采用海瑞克M971盾構(gòu)機(jī)承擔(dān)掘進(jìn)任務(wù)，隧道在南京市六合區(qū)玉帶鎮(zhèn)玉帶村與棲霞區(qū)甘家巷金陵石化廠區(qū)之間進(jìn)行穿越。穿越所經(jīng)地層主要為粉細(xì)砂層，含卵石礫砂層，強(qiáng)、中風(fēng)化砂礫巖層，地質(zhì)條件復(fù)雜多變。

南京盾構(gòu)江底(約785 m處)最大水壓達(dá)0.65 MPa，該水壓對(duì)盾構(gòu)機(jī)盾尾密封的可靠性要求極高，同時(shí)在富水的粉細(xì)砂層中盾構(gòu)設(shè)備無(wú)換刀條件，刀具必須一次性穿越長(zhǎng)江。

鑒于此，筆者以南京盾構(gòu)施工為例，在原盾尾密封預(yù)估不能滿足施工要求的前提下，開(kāi)始新型密封系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，確保盾構(gòu)設(shè)備在約2000 m的掘進(jìn)施工中盾尾無(wú)泄漏，并在最高水壓0.65 MPa下，完成盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)任務(wù)。

3.高水壓松散地層對(duì)盾尾密封裝置影響分析

在盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)機(jī)設(shè)備與地層之間的連接通道主要靠盾尾密封裝置阻斷，阻止地層中的水、砂土等涌入盾構(gòu)機(jī)和成型的隧道中，盾尾密封裝置的結(jié)構(gòu)、性能和使用方式直接影響到盾構(gòu)施工的安全。

在0.5～0.65 MPa水壓松散地層中，盾構(gòu)密封裝置對(duì)施工影響是至關(guān)重要的，要求盾構(gòu)密封裝置具有較高的密封性能。高水壓松散地層對(duì)密封裝置的影響主要有以下幾點(diǎn)：

1) 在高水壓松散地層中施工時(shí)，為保證施工安全，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度較快，盾尾油脂的注入量和壓力很難滿足要求，當(dāng)漿液壓力高于盾尾刷和油脂的抗壓力時(shí)，就會(huì)擊穿盾尾刷和油脂襯背而造成竄漿，加快盾尾刷的磨損，嚴(yán)重影響到盾尾刷的壽命[3]。

2) 在高水壓松散地層中施工時(shí)，由于地層中水土壓力高，為抗衡高水土壓力，注入盾尾密封裝置中的油脂需要較高的性能。

3) 一般情況下，盾構(gòu)機(jī)盾尾密封裝置中，盾構(gòu)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮具有更換2道盾尾密封刷的功能[4]。但在高水壓松散地層中施工時(shí)，由于水壓高、地層松散，在施工過(guò)程中，不具備更換盾尾密封刷的條件。

為此，在0.5～0.65 MPa水壓松散地層中，盾尾密封裝置的結(jié)構(gòu)、性能、使用壽命和盾尾油脂的選擇、注入壓力、注入量就顯得十分重要。通過(guò)改進(jìn)盾尾密封結(jié)構(gòu)、布置方式，選擇合適的油脂注入壓力和注入量，能夠有效延長(zhǎng)盾尾密封裝置的使用壽命，并使高水壓下更換盾尾密封得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)消除盾尾涌砂涌水的安全隱患，使盾構(gòu)機(jī)可在高水壓松散地層中進(jìn)行長(zhǎng)距離安全掘進(jìn)。

4.新型盾尾密封裝置設(shè)計(jì)因素分析

針對(duì)0.65 MPa水壓，AVND3080AH盾構(gòu)機(jī)在盾尾部分設(shè)置了4道密封刷，形成3道密封腔，如圖1所示。在正常水壓下，能夠起到很好的防水作用。

Figure 1.The original design of shield tail seal圖1.盾尾密封原設(shè)計(jì)圖

在高水壓松散地層中施工時(shí)，為保證盾尾密封裝置具備更換前2道密封刷的功能，同時(shí)具備涌砂涌水時(shí)的緊急處理能力，增加1道充氣密封；同時(shí)為保證油脂的充分利用和盾尾密封裝置盡可能與地層隔離，增加1道L型橡膠襪套密封，如圖2所示。

Figure 2.The shield seal design after modificaiton圖2.盾尾密封改造后設(shè)計(jì)圖

新設(shè)計(jì)實(shí)施后，緊急充氣橡膠密封在盾尾出現(xiàn)涌水涌砂和更換盾尾密封刷時(shí)，起到了很好的密封保護(hù)作用。L型橡膠襪套密封一方面阻止泥漿進(jìn)入密封刷的空隙中，另一方面起到收集盾尾油脂的作用。

5.盾尾滲漏和油脂消耗量試驗(yàn)

在盾構(gòu)施工中，盾尾油脂注入密封刷后，一方面起到密封地層中漿液的作用，另一方面起到對(duì)密封刷潤(rùn)滑、防腐蝕的作用。

在松散地層中掘進(jìn)時(shí)，為保證掘進(jìn)面的穩(wěn)定性，需保持較快的掘進(jìn)速度，速度過(guò)快則需要注入盾尾的密封油脂量在單位時(shí)間內(nèi)較大，若不及時(shí)調(diào)整油脂泵注脂效率，則盾尾刷內(nèi)的油脂量和注入油脂的壓力不能及時(shí)滿足密封盾尾的要求，勢(shì)必造成盾尾刷的密封效果減弱，容易形成盾尾滲漏；若油脂注入量過(guò)大，一方面造成油脂浪費(fèi)，另一方面由于油脂腔內(nèi)壓力過(guò)高，導(dǎo)致密封刷作用在管片上的摩擦力增大，增加密封刷的磨損，進(jìn)而減少密封刷壽命。

通過(guò)模擬試驗(yàn)確定掘進(jìn)速度、地層水壓、油脂注入量三者的關(guān)系，優(yōu)化在不同掘進(jìn)速度、地層水壓情況下油脂的合理注入量，確保盾尾密封裝置的可靠性和安全型。

5.1.新型和原盾尾密封系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治?/h3>

通過(guò)分析高水壓松散地層對(duì)密封裝置的影響，對(duì)盾尾密封裝置進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)升級(jí)，改進(jìn)后的盾尾密封裝置由4道密封刷密封、1道充氣密封和1道L型橡膠襪套密封構(gòu)成。新型和原盾尾密封試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃陀椭刂茍D對(duì)比如圖3、圖4所示。

根據(jù)改進(jìn)后密封裝置的結(jié)構(gòu)和尺寸，建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用軟件?duì)新型密封裝置進(jìn)行模擬試驗(yàn)，觀察、分析在高水壓條件下，上述問(wèn)題是否得到改善。

5.1.1.試驗(yàn)裝置說(shuō)明

1) 試驗(yàn)裝置工作原理與盾構(gòu)機(jī)實(shí)際工作原理相同。

2) 試驗(yàn)裝置中所有運(yùn)動(dòng)部件、控制部件的動(dòng)作全部由計(jì)算機(jī)控制，各種邏輯關(guān)系按照設(shè)備原理和盾構(gòu)施工工藝流程設(shè)定，提前編程、輸入計(jì)算機(jī)。

3) 該試驗(yàn)裝置能夠真實(shí)反映在盾構(gòu)施工過(guò)程中，盾尾油脂注入壓力與地層水土壓力的關(guān)系、推進(jìn)速度與油脂注入量的關(guān)系、盾尾油脂的填充效果、油脂孔數(shù)量及布局的合理性、盾尾鋼絲密封刷的磨損量等，滿足驗(yàn)證盾尾密封裝置安全性的要求。

5.1.2.試驗(yàn)原理

1) 盾構(gòu)機(jī)。自動(dòng)情況下依次循環(huán)進(jìn)行注入，手動(dòng)情況下根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況點(diǎn)對(duì)點(diǎn)注入。

2) 試驗(yàn)臺(tái)。手動(dòng)情況下根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)注入，自動(dòng)情況下根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓力變化范圍注入，設(shè)定高限值、中間值、底限值。壓力達(dá)到高限值時(shí)油脂分配閥關(guān)閉，壓力達(dá)到中間值時(shí)依次循環(huán)進(jìn)行注入，壓力達(dá)到底限值時(shí)同時(shí)注入，所有油脂分配閥都達(dá)到高限值時(shí)則油脂泵停止注入，如有中間值和底限值同時(shí)出現(xiàn)，則以底限值為主，當(dāng)?shù)紫拗颠_(dá)到中間值時(shí)則與其他中間值同時(shí)循環(huán)注入。壓力設(shè)定值隨時(shí)可調(diào)。

Figure 3.The comparison between the test model (a) of original shield seal and test model (b) of the new shield tail seal圖3.原盾尾密封裝置試驗(yàn)?zāi)Ｐ?a)與新型盾尾密封裝置試驗(yàn)?zāi)Ｐ?b)對(duì)比圖

Figure 4.The comparison between the grease control chart (a) of original shield seal test model and the grease control chart (b) of a new shield tail seal test model圖4.原盾尾密封裝置試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀椭刂茍D(a)與新型盾尾密封裝置試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀椭刂茍D(b)對(duì)比圖

3) 水土壓力與油脂注入總壓力的比例設(shè)定。

5.2.原密封和新型密封裝置試驗(yàn)

新型盾尾密封裝置指的是4道鋼絲密封刷、3道密封油脂、1道橡膠簾布、1道充氣密封圈。原盾尾密封裝置指的是單純3道鋼絲密封刷和2道密封油脂。

1) 靜止?fàn)顟B(tài)試驗(yàn)。在管片、盾尾保持靜止?fàn)顟B(tài)，觀察水壓從0 MPa逐漸加大過(guò)程中密封裝置滲漏情況，并嘗試調(diào)節(jié)盾尾油脂壓力進(jìn)行封堵，最終得到該密封裝置的最大承受水壓滿足0.72 MPa的要求。

2) 推進(jìn)過(guò)程試驗(yàn)。在模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，觀察水壓從0 MPa逐漸加大過(guò)程中密封裝置滲漏情況，并嘗試調(diào)節(jié)盾尾油脂壓力進(jìn)行封堵，最終得到該密封裝置的最大承受水壓滿足0.72 MPa的要求。

3) 自動(dòng)化控制系統(tǒng)試驗(yàn)。推進(jìn)前，設(shè)定密封油脂最高注入壓力值；推進(jìn)過(guò)程中觀察密封泄漏情況、油脂注入量情況和補(bǔ)給速度情況，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整壓力設(shè)定值，每次調(diào)整量為10 bar (1 bar = 0.1 MPa)。

5.3.原密封和新型密封裝置試驗(yàn)實(shí)績(jī)對(duì)比

原密封和新型密封裝置試驗(yàn)實(shí)績(jī)對(duì)比如表1～4所示。

Table 1.The static test data of original shield seal表1.原盾尾密封裝置靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Table 2.The propelling test data of original shield seal表2.原盾尾密封裝置推進(jìn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Continued

Table 3.The static test data of new shield tail seal表3.新型盾尾密封裝置靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Table 4.The propelling test data of new shield tail seal表4.新型盾尾密封裝置推進(jìn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.4.盾尾密封油脂用量標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以分別得出不同水壓下的油脂用量。

5.4.1.靜態(tài)試驗(yàn)

對(duì)表1和表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以推算出靜態(tài)壓力下地層水壓與油脂注入量關(guān)系：

原密封裝置 油脂注入量 = 2.0429 × 地層水壓 ? 0.1484。

新型密封裝置 油脂注入量 = 2.0086 × 地層水壓 ? 1.3353。

地層水壓與油脂注入量的關(guān)系如圖5所示。

Figure 5.The relationship between formation water pressure and grease injection under static pressure圖5.靜態(tài)壓力下地層水壓與油脂注入量關(guān)系圖

5.4.2.動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

根據(jù)表2和表4的數(shù)據(jù)，可以推算出動(dòng)態(tài)情況下推進(jìn)速度與油脂注入量的關(guān)系，匯總表如表5所示。具體關(guān)系圖如圖6所示。

Table 5.The summary of the relationship between grease injection and propelling velocity under different water pressures表5.不同水壓下油脂注入量與推進(jìn)速度關(guān)系匯總表

5.5.試驗(yàn)結(jié)論

1) 在模擬管片脫離盾尾時(shí)，必須控制速度，同時(shí)及時(shí)補(bǔ)充油脂，減少滲漏水。

2) 原盾尾密封裝置與新型盾尾密封裝置都能滿足0.72 MPa水壓下的封水要求，即使有滲透水，水流也很小，并且通過(guò)補(bǔ)充油脂是可以控制的。

Figure 6.The relationship between grease injection and propelling velocity under different water pressures圖6.不同水壓下油脂注入量與推進(jìn)速度關(guān)系圖

3) 新型盾尾密封裝置在相同條件下比原密封裝置封水所需油脂量更少，說(shuō)明新型密封裝置擁有更好的密封性能。

4) 在同樣的外部條件下，新型盾尾密封裝置油脂腔的油脂壓力高于原盾尾密封裝置，表明了新型盾尾密封裝置對(duì)油脂擁有更好的保壓性，可以更好地降低油脂的消耗量。

6.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)M971盾構(gòu)機(jī)盾尾密封進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和升級(jí)，確保盾構(gòu)設(shè)備在約2000 m富水的粉細(xì)砂層中掘進(jìn)施工時(shí)盾尾無(wú)泄漏，保證了隧道的安全高效進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了最高水壓0.65 MPa下，2000 m隧道掘進(jìn)施工不更換密封的技術(shù)目標(biāo)，隧道順利貫通，并提前總工期15天。該次研究成果，將盾構(gòu)施工穿越高水壓松散地層的能力由0.5 MPa提高到0.65 MPa，擴(kuò)大了目前在用盾構(gòu)設(shè)備的適應(yīng)范圍，拓寬了能源管道路由選擇的范圍，對(duì)非開(kāi)挖技術(shù)發(fā)展具有重大意義。