安曉科，賈莉莉，郝雅茹，常喜平，于麗麗

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

盾構施工法中，盾尾密封系統(tǒng)是實現盾構正常掘進的一個關鍵系統(tǒng)。它是防止地下泥水、土砂和注漿漿液從盾尾侵入盾構機的重要部分，由盾構鋼絲刷和盾構油脂組成。一般情況下，盾構鋼絲刷在盾構殼內共布置3道[1]。

由于鋼絲刷與泥水和漿液的接觸，并在盾構推進時與管片外周不斷發(fā)生摩擦，使得密封鋼絲刷易于損壞并失效。由于盾構機盾尾密封形式的不適宜、盾構施工操作方法、施工參數控制和地下巖層情況等各種條件的影響，有時盾構只掘進數百米就能使盾構密封刷損壞。盾尾刷的壽命對隧道質量、控制地表變形和加快施工進度都有較深遠的影響[2]。鑒于盾尾密封的重要性，筆者主要從地層影響、盾尾設計、盾構滲漏和油脂消耗4個因素對海瑞克M971盾構機盾尾密封系統(tǒng)進行深入研究，使其滿足高水壓施工要求。

2.工程和地質概況

南京盾構區(qū)間全長1984 m，內徑3.08 m，工程采用泥水平衡盾構工法穿越長江，采用海瑞克M971盾構機承擔掘進任務，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)之間進行穿越。穿越所經地層主要為粉細砂層，含卵石礫砂層，強、中風化砂礫巖層，地質條件復雜多變。

南京盾構江底(約785 m處)最大水壓達0.65 MPa，該水壓對盾構機盾尾密封的可靠性要求極高，同時在富水的粉細砂層中盾構設備無換刀條件，刀具必須一次性穿越長江。

鑒于此，筆者以南京盾構施工為例，在原盾尾密封預估不能滿足施工要求的前提下，開始新型密封系統(tǒng)進行設計和試驗，確保盾構設備在約2000 m的掘進施工中盾尾無泄漏，并在最高水壓0.65 MPa下，完成盾構隧道的掘進任務。

3.高水壓松散地層對盾尾密封裝置影響分析

在盾構施工中，盾構機設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、砂土等涌入盾構機和成型的隧道中，盾尾密封裝置的結構、性能和使用方式直接影響到盾構施工的安全。

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

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

2) 在高水壓松散地層中施工時，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，盾構機盾尾密封裝置中，盾構機在設計時只考慮具有更換2道盾尾密封刷的功能[4]。但在高水壓松散地層中施工時，由于水壓高、地層松散，在施工過程中，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，盾尾密封裝置的結構、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。通過改進盾尾密封結構、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現，同時消除盾尾涌砂涌水的安全隱患，使盾構機可在高水壓松散地層中進行長距離安全掘進。

4.新型盾尾密封裝置設計因素分析

針對0.65 MPa水壓，AVND3080AH盾構機在盾尾部分設置了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.盾尾密封原設計圖

在高水壓松散地層中施工時，為保證盾尾密封裝置具備更換前2道密封刷的功能，同時具備涌砂涌水時的緊急處理能力，增加1道充氣密封；同時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.盾尾密封改造后設計圖

新設計實施后，緊急充氣橡膠密封在盾尾出現涌水涌砂和更換盾尾密封刷時，起到了很好的密封保護作用。L型橡膠襪套密封一方面阻止泥漿進入密封刷的空隙中，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

在盾構施工中，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，另一方面起到對密封刷潤滑、防腐蝕的作用。

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

通過模擬試驗確定掘進速度、地層水壓、油脂注入量三者的關系，優(yōu)化在不同掘進速度、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)試驗模型分析

通過分析高水壓松散地層對密封裝置的影響，對盾尾密封裝置進行針對性改進升級，改進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型橡膠襪套密封構成。新型和原盾尾密封試驗模型和油脂控制圖對比如圖3、圖4所示。

根據改進后密封裝置的結構和尺寸，建立試驗模型，利用軟件對新型密封裝置進行模擬試驗，觀察、分析在高水壓條件下，上述問題是否得到改善。

5.1.1.試驗裝置說明

1) 試驗裝置工作原理與盾構機實際工作原理相同。

2) 試驗裝置中所有運動部件、控制部件的動作全部由計算機控制，各種邏輯關系按照設備原理和盾構施工工藝流程設定，提前編程、輸入計算機。

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

5.1.2.試驗原理

1) 盾構機。自動情況下依次循環(huán)進行注入，手動情況下根據現場情況點對點注入。

2) 試驗臺。手動情況下根據現場點對點注入，自動情況下根據現場壓力變化范圍注入，設定高限值、中間值、底限值。壓力達到高限值時油脂分配閥關閉，壓力達到中間值時依次循環(huán)進行注入，壓力達到底限值時同時注入，所有油脂分配閥都達到高限值時則油脂泵停止注入，如有中間值和底限值同時出現，則以底限值為主，當底限值達到中間值時則與其他中間值同時循環(huán)注入。壓力設定值隨時可調。

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模型(a)與新型盾尾密封裝置試驗模型(b)對比圖

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模型油脂控制圖(a)與新型盾尾密封裝置試驗模型油脂控制圖(b)對比圖

3) 水土壓力與油脂注入總壓力的比例設定。

5.2.原密封和新型密封裝置試驗

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) 靜止狀態(tài)試驗。在管片、盾尾保持靜止狀態(tài)，觀察水壓從0 MPa逐漸加大過程中密封裝置滲漏情況，并嘗試調節(jié)盾尾油脂壓力進行封堵，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) 推進過程試驗。在模擬盾構掘進過程中，觀察水壓從0 MPa逐漸加大過程中密封裝置滲漏情況，并嘗試調節(jié)盾尾油脂壓力進行封堵，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) 自動化控制系統(tǒng)試驗。推進前，設定密封油脂最高注入壓力值；推進過程中觀察密封泄漏情況、油脂注入量情況和補給速度情況，并根據實際情況調整壓力設定值，每次調整量為10 bar (1 bar = 0.1 MPa)。

5.3.原密封和新型密封裝置試驗實績對比

原密封和新型密封裝置試驗實績對比如表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)試驗數據

Table 2.The propelling test data of original shield seal表2.原盾尾密封裝置推進試驗數據

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)試驗數據

Table 4.The propelling test data of new shield tail seal表4.新型盾尾密封裝置推進試驗數據

5.4.盾尾密封油脂用量標準優(yōu)化

通過對上述試驗數據進行分析，可以分別得出不同水壓下的油脂用量。

5.4.1.靜態(tài)試驗

對表1和表3的數據進行分析，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系圖

5.4.2.動態(tài)試驗

根據表2和表4的數據，可以推算出動態(tài)情況下推進速度與油脂注入量的關系，匯總表如表5所示。具體關系圖如圖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速度關系匯總表

5.5.試驗結論

1) 在模擬管片脫離盾尾時，必須控制速度，同時及時補充油脂，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，并且通過補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速度關系圖

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.結語

通過對M971盾構機盾尾密封進行重新設計和升級，確保盾構設備在約2000 m富水的粉細砂層中掘進施工時盾尾無泄漏，保證了隧道的安全高效進行，實現了最高水壓0.65 MPa下，2000 m隧道掘進施工不更換密封的技術目標，隧道順利貫通，并提前總工期15天。該次研究成果，將盾構施工穿越高水壓松散地層的能力由0.5 MPa提高到0.65 MPa，擴大了目前在用盾構設備的適應范圍，拓寬了能源管道路由選擇的范圍，對非開挖技術發(fā)展具有重大意義。