盾構機盾尾密封模擬試驗

顧建江（上海隧道工程有限公司，上海 200137）

目前，在盾構法隧道施工中，一旦發生管片外弧側環縫和縱縫之間存在縫隙、盾構姿態不正確、盾構密封膏少等情況，就會出現漏漿、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機[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計的關鍵因素。

在整個盾構機的結構中，其后部為盾尾，是由盾殼鋼板延長構成。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、隧道所須轉彎半徑以及地質情況等因素有關。

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，向密封腔內注入油脂來阻止土體中的水分進入盾構機內部。外部水壓力和盾尾間隙的大小是影響盾尾密封設計的關鍵因素?，F如今盾構法施工朝著大直徑斷面、長距離、高水壓等趨勢發展，盾尾密封性能直接關系到施工的效率和安全，一旦盾尾密封失效，將出現漏水、漏漿等[6-8]情況，嚴重時出現管片失穩，甚至隧道坍塌[1]。盾尾密封構造如圖 2 所示。

圖2 盾尾密封構造示意圖

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，被稱為前保護板。上部鋼板的主要作用是使得鋼絲刷與管片外壁緊密結合，被稱為后保護板。前后保護板、金屬網篩通過銷釘連接固定。盾尾刷的構造如圖 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，形成盾尾密封。盾尾密封進入工作狀態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（按照圖 3 中的順序進行涂抹）。當管片與其擠壓時，在后保護板彈性形變的作用下，盾尾刷整個端面與管片面接觸，從而起到密封防水作用。

圖3 盾尾刷的構造示意圖

在本次試驗所依托的項目中， 6.7 m 直徑的盾構中盾尾間隙為 50 mm 的指標，需要重新設計盾尾密封刷的結構尺寸，本文將通過試驗的手段對盾尾密封性進行驗證。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置

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

圖4 盾尾密封試驗裝置

盾尾內設置 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，在試驗過程中通過調節螺桿來控制模擬管片的位置。螺桿孔的數量為 8 個，后部的 4 個調節螺桿正位于模擬管片與封頭管節油封構成的密封腔體處，試驗中加入水并加壓后，這 4 個調節螺桿勢必將受到與密封腔體內相同的水壓。鑒于此，這 4 個螺桿與模擬盾尾之間需要較好的密封，以免除在試驗過程中發生螺桿處密封失效繼而影響或破壞試驗的風險。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

隧道襯砌的外形質量和拼裝施工中會出現各種不利的情況，都將導致盾尾密封泄漏。

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

(2) 襯砌拼裝中導致外弧表面缺損，產生齒形缺口。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 種不利工況進行試驗，可以針對性地了解盾尾密封裝置和油脂的優劣。4 種情況按截面十字段設置（間隔 90° 布置），圖 7 為部分設計圖。

圖7 外弧面凸臺及漏水槽設計

1.3 鋼絲刷

針對本次 50 mm 的盾尾間隙，重新設計了 2 種盾尾密封鋼絲刷，其規格分為 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 試驗工況及結果分析

2.1 靜壓狀態

完成盾尾鋼絲刷和鋼板刷的手涂油脂后，安裝模擬管片，調節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，同時開啟排氣閥，壓水的同時將水艙內空氣排出，壓水直至排氣口有水排出為止。將艙內空氣排完，關閉排氣口，開始加壓。水壓加至 0.10 MPa 開始出現漏水，初步判斷為油脂加注量不足，停止注水，繼續加注油脂。繼續壓水，當水壓至 0.30 MPa，未出現漏水，保壓 2 min 后開始滲漏，漏點在模擬管片下側。

調整后側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，補注油脂，填充因模擬管片位移產生的空隙。補注油脂完成后，開始加水壓（進行施加水壓操作）。水壓加至 0.30 MPa，未出現漏水點，保持水壓 1 h，無滲漏情況。繼續開始加注水壓至 0.50 MPa。水壓達到 0.56 MPa，仍不漏水，保持水壓（水壓從 0 MPa 加至 0.56 MPa 未見明顯漏水現象），一段時間后水壓出現微量下降，但盾尾未出現漏水，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，并且無傾斜。開始補注油脂，填充空隙。開始加注水壓，目標水壓 0.50 MPa。水壓加注至 0.50 MPa，保壓 5 min 后出現微量滲漏，滲漏點主要在 12:00～3：00 。加注油脂，同時把水壓卸至 0.40 MPa，滲漏點基本停止漏水。

2.2 推進狀態

推進初始時水壓為 0.40 MPa，此時盾尾不漏水；推進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漏水現象。隨后減少泄壓閥泄水量，使水壓升至 0.50 MPa，在盾尾上部出現少量漏水。繼續控制泄壓閥泄水量，使水壓升至 0.60 MPa，水壓最大值達到 0.67 MPa，此過程中持續存有少量漏水，但并未出現嚴重漏水現象。漏水點主要仍在 2：00 方向。

2.3 補充工況

針對以上情況，補充 3 組工況。① 靜壓工況：調節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 靜壓及推進工況：調整后側螺桿使管片整體處于中心位置。③ 靜壓及推進工況：調節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。

由試驗結果發現，在靜壓條件下，充分加注油脂的情況下，無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，在水壓未達到0.75 MPa 的情況下便會出現漏水，此時繼續補注油脂便能減少滲漏直至完全實現滲水停止。在推進條件下，模擬管片處于居中位置和下偏 30 mm 位置均可能出現漏水，此漏水現象并非一直持續，在繼續推進的過程中漏水會減小或者停止，但可能會出現新的漏水點。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，在推進的過程中盾尾刷與模擬管片間發現相對運動，使得密封效果在某個位置出現薄弱的情況，出現漏水，隨后此薄弱位置脫離出盾尾刷，漏水停止。

3 結 語

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

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

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

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