盾構(gòu)機(jī)盾尾密封模擬試驗(yàn)

顧建江（上海隧道工程有限公司，上海 200137）

目前，在盾構(gòu)法隧道施工中，一旦發(fā)生管片外弧側(cè)環(huán)縫和縱縫之間存在縫隙、盾構(gòu)姿態(tài)不正確、盾構(gòu)密封膏少等情況，就會(huì)出現(xiàn)漏漿、漏泥、漏水等問題[1-2]。盾尾密封刷的使用可以防止周圍地層的沙土、地下水、背后注入漿液、開挖面上的泥水、泥土從盾尾間隙流入盾構(gòu)機(jī)[3-4]。密封刷一般采用多層鋼絲刷，并在鋼絲刷之間的空隙處加壓注入密封油脂作為填充以增加密封效果[5]，而外部水壓力和盾尾間隙的大小是影響盾尾密封刷設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

在整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)中，其后部為盾尾，是由盾殼鋼板延長(zhǎng)構(gòu)成。盾尾如圖 1 所示。盾尾與管片之間存在一定間隙，此間隙的大小與管片的選型、隧道所須轉(zhuǎn)彎半徑以及地質(zhì)情況等因素有關(guān)。

圖1 盾尾示意圖

盾尾密封主要是通過多道盾尾刷形成密封腔，向密封腔內(nèi)注入油脂來(lái)阻止土體中的水分進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部。外部水壓力和盾尾間隙的大小是影響盾尾密封設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)如今盾構(gòu)法施工朝著大直徑斷面、長(zhǎng)距離、高水壓等趨勢(shì)發(fā)展，盾尾密封性能直接關(guān)系到施工的效率和安全，一旦盾尾密封失效，將出現(xiàn)漏水、漏漿等[6-8]情況，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)管片失穩(wěn)，甚至隧道坍塌[1]。盾尾密封構(gòu)造如圖 2 所示。

圖2 盾尾密封構(gòu)造示意圖

盾尾密封用到的重要部件是盾尾刷。盾尾刷一般由上下2 塊鋼板內(nèi)夾鋼絲刷組成。下部鋼板主要作用是減小鋼絲刷的磨損量，被稱為前保護(hù)板。上部鋼板的主要作用是使得鋼絲刷與管片外壁緊密結(jié)合，被稱為后保護(hù)板。前后保護(hù)板、金屬網(wǎng)篩通過銷釘連接固定。盾尾刷的構(gòu)造如圖 3 所示。施工前與盾殼焊接，使得相鄰盾尾刷之間的壓緊板形成有效的搭接，所有鋼絲處于壓緊狀態(tài)，形成盾尾密封。盾尾密封進(jìn)入工作狀態(tài)前須先填充盾尾油脂，采用手涂法將油脂均勻地涂抹在盾尾刷四周（按照?qǐng)D 3 中的順序進(jìn)行涂抹）。當(dāng)管片與其擠壓時(shí)，在后保護(hù)板彈性形變的作用下，盾尾刷整個(gè)端面與管片面接觸，從而起到密封防水作用。

圖3 盾尾刷的構(gòu)造示意圖

在本次試驗(yàn)所依托的項(xiàng)目中， 6.7 m 直徑的盾構(gòu)中盾尾間隙為 50 mm 的指標(biāo)，需要重新設(shè)計(jì)盾尾密封刷的結(jié)構(gòu)尺寸，本文將通過試驗(yàn)的手段對(duì)盾尾密封性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由內(nèi)徑 1 900 mm 鋼質(zhì)模擬盾尾和外徑 1 800 mm 鋼質(zhì)模擬管片組成。外管節(jié)后部為封閉容器，在試驗(yàn)中封閉容器的主要功能為貯存水，保持及控制水壓等。盾尾密封試驗(yàn)裝置如圖 4 所示。

圖4 盾尾密封試驗(yàn)裝置

盾尾內(nèi)設(shè)置 3 道鋼絲刷，每道刷間距為 415 mm，通過在 3 道鋼絲刷的管體外部設(shè)置注油脂孔注入盾尾油脂。油脂注入原理如圖 5 所示。封閉容器包含進(jìn)水孔、出水孔、溢流閥孔和水壓表孔。水注入原理如圖 6 所示。

為了模擬盾尾管片姿態(tài)，在試驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)螺桿來(lái)控制模擬管片的位置。螺桿孔的數(shù)量為 8 個(gè)，后部的 4 個(gè)調(diào)節(jié)螺桿正位于模擬管片與封頭管節(jié)油封構(gòu)成的密封腔體處，試驗(yàn)中加入水并加壓后，這 4 個(gè)調(diào)節(jié)螺桿勢(shì)必將受到與密封腔體內(nèi)相同的水壓。鑒于此，這 4 個(gè)螺桿與模擬盾尾之間需要較好的密封，以免除在試驗(yàn)過程中發(fā)生螺桿處密封失效繼而影響或破壞試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。該螺桿安裝部件由直徑 60 mm的螺桿、固定件及 1 道密封墊圈構(gòu)成。

圖 5 盾尾油脂注入原理圖

圖6 水注入原理圖

1.2 盾尾密封泄漏原因

隧道襯砌的外形質(zhì)量和拼裝施工中會(huì)出現(xiàn)各種不利的情況，都將導(dǎo)致盾尾密封泄漏。

(1) 襯砌拼裝精度不足，外弧面表面產(chǎn)生不平整的凸臺(tái)。凸臺(tái)尺寸為 200 mm×50 mm×2 mm，間距 200 mm。

(2) 襯砌拼裝中導(dǎo)致外弧表面缺損，產(chǎn)生齒形缺口。缺口寬度為 200 mm，齒深 2 mm。

(3) 襯砌表面存在一條通長(zhǎng)的漏水槽，漏水寬度為 4 mm，槽深 5 mm。

(4) 襯砌表面存在分布均勻的凹坑。凹坑尺寸為100 mm×50 mm×2 mm，間距 200 mm。

選擇以上 4 種不利工況進(jìn)行試驗(yàn)，可以針對(duì)性地了解盾尾密封裝置和油脂的優(yōu)劣。4 種情況按截面十字段設(shè)置（間隔 90° 布置），圖 7 為部分設(shè)計(jì)圖。

圖7 外弧面凸臺(tái)及漏水槽設(shè)計(jì)

1.3 鋼絲刷

針對(duì)本次 50 mm 的盾尾間隙，重新設(shè)計(jì)了 2 種盾尾密封鋼絲刷，其規(guī)格分為 2 種，尺寸如圖 8、圖 9 所示。

圖 8 第 1 種鋼絲刷

圖9 第 2 種鋼絲刷

2 試驗(yàn)工況及結(jié)果分析

2.1 靜壓狀態(tài)

完成盾尾鋼絲刷和鋼板刷的手涂油脂后，安裝模擬管片，調(diào)節(jié)前后螺桿使模擬管片前部由居中位置下移 20 mm，后部上移 20 mm，整體呈前低后高的角度偏移。向盾尾模擬艙壓水，同時(shí)開啟排氣閥，壓水的同時(shí)將水艙內(nèi)空氣排出，壓水直至排氣口有水排出為止。將艙內(nèi)空氣排完，關(guān)閉排氣口，開始加壓。水壓加至 0.10 MPa 開始出現(xiàn)漏水，初步判斷為油脂加注量不足，停止注水，繼續(xù)加注油脂。繼續(xù)壓水，當(dāng)水壓至 0.30 MPa，未出現(xiàn)漏水，保壓 2 min 后開始滲漏，漏點(diǎn)在模擬管片下側(cè)。

調(diào)整后側(cè)螺桿使管片后部居中，前部螺桿位置不變，即總體仍呈前低后平的小角度偏移，補(bǔ)注油脂，填充因模擬管片位移產(chǎn)生的空隙。補(bǔ)注油脂完成后，開始加水壓（進(jìn)行施加水壓操作）。水壓加至 0.30 MPa，未出現(xiàn)漏水點(diǎn)，保持水壓 1 h，無(wú)滲漏情況。繼續(xù)開始加注水壓至 0.50 MPa。水壓達(dá)到 0.56 MPa，仍不漏水，保持水壓（水壓從 0 MPa 加至 0.56 MPa 未見明顯漏水現(xiàn)象），一段時(shí)間后水壓出現(xiàn)微量下降，但盾尾未出現(xiàn)漏水，分析原因可能為部分管道或螺桿位置密封不夠，并非盾尾刷與管片間漏水。

調(diào)整前部螺桿位置，由中間位置下降 20 mm，模擬管片總體位置呈往下偏移 20 mm，并且無(wú)傾斜。開始補(bǔ)注油脂，填充空隙。開始加注水壓，目標(biāo)水壓 0.50 MPa。水壓加注至 0.50 MPa，保壓 5 min 后出現(xiàn)微量滲漏，滲漏點(diǎn)主要在 12:00～3：00 。加注油脂，同時(shí)把水壓卸至 0.40 MPa，滲漏點(diǎn)基本停止漏水。

2.2 推進(jìn)狀態(tài)

推進(jìn)初始時(shí)水壓為 0.40 MPa，此時(shí)盾尾不漏水；推進(jìn)過程中開啟泄壓閥泄壓，保持水壓 0.40 MPa，此過程中盾尾依舊未出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。隨后減少泄壓閥泄水量，使水壓升至 0.50 MPa，在盾尾上部出現(xiàn)少量漏水。繼續(xù)控制泄壓閥泄水量，使水壓升至 0.60 MPa，水壓最大值達(dá)到 0.67 MPa，此過程中持續(xù)存有少量漏水，但并未出現(xiàn)嚴(yán)重漏水現(xiàn)象。漏水點(diǎn)主要仍在 2：00 方向。

2.3 補(bǔ)充工況

針對(duì)以上情況，補(bǔ)充 3 組工況。① 靜壓工況：調(diào)節(jié)前后螺桿使模擬管片前部由居中位置下移 30 mm，后部上移30 mm，整體呈前低后高的角度偏移。② 靜壓及推進(jìn)工況：調(diào)整后側(cè)螺桿使管片整體處于中心位置。③ 靜壓及推進(jìn)工況：調(diào)節(jié)前后螺桿使模擬管片前部由居中位置下移 30 mm，后部上移 30 mm，整體呈前低后高的角度偏移。

由試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在靜壓條件下，充分加注油脂的情況下，無(wú)論是模擬管片如何傾斜或者偏移，均能滿足 0.75 MPa 水壓的密封要求。若油脂加注不完全，在水壓未達(dá)到0.75 MPa 的情況下便會(huì)出現(xiàn)漏水，此時(shí)繼續(xù)補(bǔ)注油脂便能減少滲漏直至完全實(shí)現(xiàn)滲水停止。在推進(jìn)條件下，模擬管片處于居中位置和下偏 30 mm 位置均可能出現(xiàn)漏水，此漏水現(xiàn)象并非一直持續(xù)，在繼續(xù)推進(jìn)的過程中漏水會(huì)減小或者停止，但可能會(huì)出現(xiàn)新的漏水點(diǎn)。分析其原因可能為模擬管片或者盾尾刷并非完全均勻平滑，在推進(jìn)的過程中盾尾刷與模擬管片間發(fā)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得密封效果在某個(gè)位置出現(xiàn)薄弱的情況，出現(xiàn)漏水，隨后此薄弱位置脫離出盾尾刷，漏水停止。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 在鋼絲刷與盾殼內(nèi)壁焊接質(zhì)量滿足止水效果的前提下，盾尾密封系統(tǒng)能夠滿足水壓為 0.75 MPa 的要求，即使出現(xiàn)少量滲水，仍可通過封堵和補(bǔ)注油脂進(jìn)行控制。

(2) 部分油脂滲過鋼板刷進(jìn)入盾尾模擬艙，盾尾滲水也帶走了部分油脂，就造成過多的補(bǔ)注油脂，使得油脂試驗(yàn)壓注量大于理論值。

(3) 模擬管片位于盾尾正中時(shí)，可以承受超過 0.80 MPa的水壓，但角度偏差較大時(shí)，盾尾密封性能會(huì)下降。

(4) 實(shí)際施工中需要提高管片拼裝精度，對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)軸線左右偏差和高程進(jìn)行控制，避免 4 種不利狀況出現(xiàn)，并避免管片在偏心狀況下脫出盾尾。