張培康，馬元帥，李曉仕，趙雪峰，王新建

中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

1. 引言

近年來，采用盾構(gòu)法建造隧道或各種地下管道日益普及，盾構(gòu)掘進(jìn)施工中盾尾密封裝置是隔絕地層機(jī)體與地下水的關(guān)鍵部位，將直接影響盾構(gòu)工程的安全與工程質(zhì)量[1] [2]。盾尾密封裝置的選用必須根據(jù)工程地質(zhì)和水文等條件確定[3] [4]。針對不同的地質(zhì)條件及隧道長度，如何科學(xué)、合理、有效地改進(jìn)密封裝置來減少盾尾涌砂、涌水現(xiàn)象和延長密封刷的使用壽命，則顯得尤為重要。

2. 工程概況

金陵石化南京長江盾構(gòu)工程位于江蘇省南京市境內(nèi)，隸屬于金陵石化物料管道穿江項(xiàng)目。工程采用泥水平衡盾構(gòu)法穿越長江，隧道全長2000 m，內(nèi)徑3.08 m。隧道建成后，鋪設(shè)11根管道及2條光纜。工程投入的設(shè)備為德國海瑞克公司生產(chǎn)制造的AVND3080AH泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)。

隧道穿越地層的地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水和基巖孔隙、裂隙水，孔隙潛水上部含水介質(zhì)為黏性土、淤泥質(zhì)土及粉土，滲透性差。中下部為粉細(xì)砂巖、礫砂巖及礫巖層。地下水直接與江水相通，透水性好。該工程隧道穿越地層主要為粉細(xì)砂巖、含卵石礫砂巖、中風(fēng)化砂礫巖及粉質(zhì)黏土層等。根據(jù)勘探報(bào)告顯示，水壓大于0.6 MPa的掘進(jìn)地層長度約800 m，掘進(jìn)面最高水壓達(dá)0.65 MPa，掘進(jìn)長度約400 m。因此，盾尾密封裝置的防水性能是該工程的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

3. 盾尾密封裝置作用

盾構(gòu)法隧道是將預(yù)制好的混凝土管片成環(huán)拼裝，再不斷地循環(huán)掘進(jìn)和拼裝，逐漸形成隧道。在盾構(gòu)機(jī)行進(jìn)過程中，管片拼裝是在盾殼的保護(hù)下進(jìn)行的，而盾殼與管片外壁間存有間隙，該間隙為盾殼內(nèi)徑與管片外徑之差。為此，在盾尾和管壁之間裝有盾尾密封裝置，防止地層中的泥水及填補(bǔ)盾尾間隙而同步壓注的材料滲入，以保證盾構(gòu)的正常施工。

4. 以往盾尾密封裝置及盾尾漏水原因

1) 盾尾密封油脂填充不密實(shí)。以往工程在盾尾密封裝置安裝后，需要人工壓入盾尾密封油脂，而密封油脂又不能完全填充所有的空隙，這就會使同步注漿的砂漿及地層中砂石進(jìn)入密封刷內(nèi)部，砂漿凝固后造成密封刷損壞。

2) 密封刷內(nèi)油脂壓力低。盾尾密封油脂泵故障或油脂泵管路堵塞，造成密封刷內(nèi)油脂壓力降低或密封油脂壓入量不足，無法形成一圈密封環(huán)，起不到保壓密封作用，造成盾尾涌砂、涌水。

3) 油脂壓力未隨水土壓力同步變化。隨著開挖面不同地層的水土壓力的變化而沒有及時調(diào)整盾尾油脂泵的注入壓力，致使盾尾油脂量不足，造成盾尾涌砂、涌水。

4) 油脂泵送性差。盾尾油脂的耐水性(又稱水密性)、耐水沖刷性、可泵性，與金屬附著力、保油性等直接影響盾尾密封裝置的密封情況，往往可泵性差的油脂用泵注入時堵塞管路及泵，不能有效填充鋼絲刷空隙，造成盾尾油脂量不足致使盾尾出現(xiàn)滲漏水。

5) 盾尾密封刷損壞。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)完成后，拼裝管片過程中推進(jìn)油缸可能由于受力不均勻，管片局部受到擠壓，致使邊角碎裂掉入密封刷后未及時取出，導(dǎo)致密封刷損壞，出現(xiàn)盾尾涌砂、涌水。

6) 管片電腦選型與盾構(gòu)姿態(tài)偏差較大。由于AVND3080AH盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的軸線是根據(jù)測量導(dǎo)向系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的，具有自動進(jìn)行管片拼裝選型的功能，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程時，姿態(tài)微量調(diào)整，管片自動拼裝測量系統(tǒng)有時會出現(xiàn)非正常拼裝模式，導(dǎo)致盾尾間隙偏小，造成管片與盾尾密封硬性擠壓，致使鋼絲密封刷損壞。

5. 盾尾密封裝置研制與改進(jìn)及成果

該工程掘進(jìn)面最高水壓達(dá)0.65 MPa，若盾尾一但漏水，將會造成盾尾涌砂、涌水，甚至人員和設(shè)備都會受到損失，為了從根本上解決盾尾密封涌水、涌砂問題，首先制定詳細(xì)的操作規(guī)程和盾構(gòu)機(jī)維修保養(yǎng)手冊，明確規(guī)定管片拼裝手、盾構(gòu)掘進(jìn)司機(jī)等應(yīng)該掌握的知識和操作技能以及施工中的注意事項(xiàng)，并采取有效的防范措施，保證盾構(gòu)機(jī)的順利掘進(jìn)。

針對盾構(gòu)機(jī)盾尾密封刷設(shè)計(jì)缺陷，在第3道與第4道密封刷增加1道緊急充氣橡膠密封。緊急充氣橡膠密封在盾尾出現(xiàn)涌水、涌砂和更換密封時，能起到很好的作用。同時在第4道密封刷外側(cè)增加1道L型橡膠襪套密封，即將盾尾焊接鋼圈加長，直徑與盾尾殼體相同，在鋼圈上均勻分布固定橡膠密封圈的螺栓孔，將橡膠密封圈用壓板固定安裝，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程時，可避免砂漿進(jìn)入密封刷的空隙，同時也起到了良好的防水作用(圖1)。

在盾尾密封刷安裝前，把密封刷直接浸泡在加熱溶化后的油脂中，使其內(nèi)部全部充滿油脂，可有效地阻止水泥砂漿進(jìn)入密封結(jié)構(gòu)。針對盾構(gòu)機(jī)在拼裝過程中計(jì)算機(jī)提示管片拼裝位置錯誤信息問題，采用人工計(jì)算和曲線及直線拼裝模式法可有效解決。

Figure 1. The sketch of shield tail seal device圖1. 盾尾密封裝置示意圖

6. 結(jié)語

通過分析掘進(jìn)過程中盾尾涌水、涌砂及密封刷損壞等諸多原因，對設(shè)計(jì)缺陷及操作進(jìn)行改進(jìn)，可有效地解決盾尾密封在高水壓強(qiáng)透水地層環(huán)境下掘進(jìn)施工的技術(shù)難題。在金陵石化長江盾構(gòu)隧道施工中，掘進(jìn)2000 m，未出現(xiàn)盾尾涌砂、涌水，為盾構(gòu)掘進(jìn)施工創(chuàng)造了良好的安全工作環(huán)境。隧道貫通，盾構(gòu)機(jī)吊裝出井后對盾尾密封進(jìn)行檢測，所有密封刷磨損量均小于20%，按使用壽命計(jì)算還能繼續(xù)使用500 m以上。

[1] 李勝新, 劉廣仁, 張平. 盾構(gòu)法隧道掘進(jìn)中盾尾密封涌水、涌砂防治技術(shù)[J]. 石油工程建設(shè), 2009, 35(2): 79-80.

[2] 朱祖熹. 盾構(gòu)法隧道的盾尾防水密封與盾尾密封油脂[J]. 中國建筑防水, 2009, 30(7): 2-6.

[3] 汪名鵬. 南京上游過江通道盾構(gòu)隧道段巖土工程評價[J]. 西部探礦工程, 2008, 20(8): 188-191.

[4] 鄭永軍. 施工測量技術(shù)在盾構(gòu)法電纜隧道中的應(yīng)用研究[J]. 礦山測量, 2016, 44(2): 21-24.