高 墅

（大連理工大學，遼寧 大連 116024）

0 引言

2018年2月7日，佛山某在建盾構(gòu)工程在臨近強透水的中粗砂層盾尾密封被外部水土壓力擊穿，產(chǎn)生透水涌砂通道沖入隧道，地面大范圍坍塌，并造成11人遇難的安全事故。盾尾密封作為盾構(gòu)機抵抗盾尾及管片外部地下水、同步注漿的三大密封系統(tǒng)之一，發(fā)揮著重要的作用。盾尾密封一旦失效，極易造成盾尾涌水涌砂、地表坍塌事故。

1 盾尾密封結(jié)構(gòu)原理及問題

1.1 常見的盾尾密封結(jié)構(gòu)

（1）盾尾刷

如圖1所示，盾尾刷是采用多道彈簧鋼片與鋼絲刷充填密封油脂的裝置，保證了盾尾與管片之間的良好密封作用[1]。為了實現(xiàn)盾尾密封（如圖2所示）的效果，需要在刷形盾尾密封的鋼絲刷之間充填盾尾油脂。掘進時，由于盾尾密封處的油脂會逐漸減少，因此，為保持密封性能，必須及時加注盾尾油脂。圖3、圖4和圖5分別是常規(guī)盾構(gòu)3道盾尾刷樣式、大直徑盾構(gòu)采用的2螺栓固定+3道焊接盾尾刷樣式、始發(fā)狀態(tài)的盾尾刷及止?jié){板。

圖1 盾尾刷實物圖Fig.1 Physical drawing of shield tail brush

圖2 盾尾密封結(jié)構(gòu)Fig.2 Shield tail seal structure

圖3 常規(guī)盾構(gòu)3道盾尾刷Fig.3 Three shield tail brushes for conventional shield

圖4 大直徑盾構(gòu)2螺栓固定+3道焊接盾尾刷Fig.4 Large diameter shield with 2 bolts and 3welding shield tail brushes

圖5 始發(fā)狀態(tài)的盾尾刷及止?jié){板Fig.5 Shield tail brush and slurry stop plate in starting state

（2）油脂注入系統(tǒng)

盾尾油脂作為盾構(gòu)機三大油脂之一，在盾構(gòu)掘進過程中通過盾構(gòu)機控制系統(tǒng)不斷從油脂泵注入到幾道盾尾刷間的油脂腔中，達到一定壓力以平衡盾尾外部壓力。盾尾密封系統(tǒng)控制分手動和自動控制（行程控制、壓力控制）[2]，如圖6、圖7所示為某盾尾密封系統(tǒng)控制界面及電路圖。

圖6 盾構(gòu)機盾尾密封控制界面Fig.6 Shield tail seal control interface of shield machine

圖7 盾尾密封控制電路圖Fig.7 Shield tail seal control circuit diagram

1.2 土壓盾構(gòu)機盾尾密封

盾構(gòu)機主體盾尾部最末端設有3道鋼絲刷，如圖8所示。部分盾構(gòu)機盾尾密封安裝有鋼束板；為防止同步砂漿從盾構(gòu)刀盤超挖間隙竄至刀盤艙，盾尾外部安裝有1道止?jié){板。

圖8 土壓盾構(gòu)機盾尾刷尺寸圖Fig.8 Size diagram of shield tail brush for earth pressure shield machine

1.3 大直徑泥水盾構(gòu)機盾尾密封

大直徑盾構(gòu)機，尤其是下穿水體工程的盾構(gòu)機，一般單條區(qū)間掘進距離較長，中途可能需要更換盾尾刷，因此盾尾密封普遍設計成2道通過螺栓固定的可拆卸盾尾刷和3道焊接固定的盾尾刷，如圖9所示。

圖9 大直徑盾構(gòu)2+3道盾尾刷Fig.9 2+3 shield tail brushes for large diameter shield

2 盾尾噴涌及密封失效原因分析

盾尾刷焊接不牢、盾尾刷磨損過大、掘進過程中油脂加注不及時和數(shù)量不足、同步注漿壓力過高擊穿盾尾密封、盾構(gòu)機姿態(tài)不良導致局部盾尾間隙過大等，均可造成密封效果降低、失效。由此將直接引起盾構(gòu)機外部泥水、流砂等涌入盾體，可能造成盾構(gòu)機整機被淹或掌子面、盾體及管片支撐面失穩(wěn)等情況，導致地面坍塌、成型隧道變形報廢、盾構(gòu)機整機被埋及重大人員傷亡等惡劣后果。

盾構(gòu)掘進1200～1500m后，盾尾刷將大部分失效[3]，尤其是小曲線半徑線路，左右兩側(cè)尾刷易磨損嚴重[4]。因此，對于盾尾密封失效區(qū)域較為嚴重的情況，需要進行尾刷更換作業(yè)。尾刷更換過程中處于盾尾密封能力較為薄弱期間，盾尾處注漿密封、加固止水效果差可能會導致更換尾刷期間出現(xiàn)較大滲漏，導致盾構(gòu)機被淹，嚴重時導致隧道坍塌的風險。

2.1 盾尾噴涌原因分析

盾構(gòu)機盾尾漏漿噴涌的常見原因包括盾尾刷損壞、盾構(gòu)施工的注漿壓力、注漿量、盾構(gòu)機的掘進姿態(tài)、地質(zhì)狀況、盾尾油脂、管片拼裝質(zhì)量等多種因素[5]，如圖10所示；盾尾噴涌情況如圖11所示。具體情況分析如下：

圖10 盾尾噴涌原因分析Fig.10 Analysis of shield tail gushing

圖11 盾尾涌泥Fig.11 Mud gushing from shield tail

①同步注漿量和注漿壓力大于盾尾密封抗力；

②機打油脂壓力小，注入量不足（注入位置：兩道盾尾刷之間的腔體中）；

③手工涂摸油脂不到位，人工油脂保壓不及時（涂抹位置：盾尾刷結(jié)構(gòu)內(nèi)部）；

④二次注漿位置小于規(guī)定環(huán)數(shù)，盾尾刷被注漿體包裹；

⑤盾尾內(nèi)部有雜物，管片拼裝時雜物進入盾尾刷；

⑥盾尾刷焊接或者機械連接不牢固；

⑦管片間隙過小，盾構(gòu)姿態(tài)糾偏過急，盾尾刷密封裝置受擠壓后產(chǎn)生塑性變形而失去彈性；

⑧管片組裝時盾構(gòu)機后退，造成盾尾刷與管片間發(fā)生刷毛方向相反的運動，刷毛反卷、變形[6]。

其中盾尾刷損壞主要有兩方面原因：鋼絲組受泥砂、注漿和其他異物的污染；彈簧板（前保護板和后保護板）因為機械外力導致的彈性失效、磨損消耗和刮掉。

2.2 盾尾密封失效的原因分析

第一，如圖12所示，目前大多數(shù)盾尾刷受力試驗僅能模仿單一管片下壓力造成的受力效果，未考慮盾尾刷外部同步注漿或水土壓力對盾尾刷外側(cè)和盾尾油脂對盾尾刷內(nèi)側(cè)的作用。

圖12 盾尾刷受力試驗Fig.12 Force test of shield tail brush

第二，對盾尾密封，尤其是盾尾刷磨損情況的重視程度只停留在從產(chǎn)品本身角度提高使用耐久性方面，并未像重視刀盤刀具那樣對施工過程中盾尾密封效果引起重視。

3 現(xiàn)有盾尾密封監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)控盾尾油脂注入量和注入壓力

當盾尾密封結(jié)構(gòu)良好時，盾尾油脂注入壓力和注入量數(shù)值相對穩(wěn)定；當盾尾密封結(jié)構(gòu)損壞時，盾尾油脂注入壓力和注入量發(fā)生一定變化。盾構(gòu)機停止掘進時，盾尾密封損壞位置的油脂腔壓力降低速率會出現(xiàn)異常。盾尾油脂注入量、注入壓力及壓力降速率的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可以預測盾尾密封結(jié)構(gòu)性能。

在盾尾刷油脂腔中埋設壓力傳感器，通過監(jiān)測油脂腔壓力變化判斷盾尾密封狀態(tài)，目前正在試驗中。

3.2 監(jiān)測盾尾刷彈簧板的磨損量（液壓和電路檢測方式）

盾構(gòu)刀具液壓和電路檢測方法已在大型滾刀中應用，檢測系統(tǒng)由磨損探測器[7]、發(fā)射器、接收器組成，一般采用有線連接。盾尾刷檢測可參照此原理，在盾尾刷上部彈簧板內(nèi)側(cè)或盾尾刷鋼絲內(nèi)設置多根絲狀電子傳感器，一旦絲狀傳感器磨損到一定程度，即進行報警。磨損探測器可埋在盾尾刷鋼絲內(nèi)，同時布置多個磨損探測器。

3.3 監(jiān)測盾尾刷彈簧板的翻折角度變化

以盾尾管片標準間隙上下左右3cm為例，如圖13所示，管片正常間隙3cm，管片極限位置為0cm和6cm，盾尾刷彈簧板與盾構(gòu)內(nèi)壁夾角在0°~15°變化。

圖13 盾尾刷位置變化圖1-未安裝管片時；2-盾尾間隙6cm時；3-盾尾間隙3cm時；4-盾尾間隙0cm時Fig.13 Shield tail brush position change chart 1-No segment installed；2-Shield tail gap 6cm；3-Shield tail gap 3cm；4-Shield tail gap 0cm

監(jiān)控盾尾刷彈簧板彎折角度變化可以判斷盾尾刷的工作性能。通過在彈簧板正反面貼電阻式應變片，彎折不同角度時測點電流值，由實驗標定出電流和角度的關(guān)系曲線，選擇盾尾3，6，9和12點位置盾尾刷彈簧板黏貼電阻片。隨著管片與盾尾內(nèi)壁間隙的變化，盾尾刷彈簧板彈開的角度相應變化，角度變化影響彈簧板正反面電阻絲的電流值[8]。根據(jù)室內(nèi)實驗標定的電流-角度曲線推算出彈簧板的角度值（能否標定電流和角度的非線性關(guān)系，尚需實驗驗證）。

3.4 監(jiān)測盾尾油脂腔中是否有水流通過（水分傳感器）

在中間一道盾尾刷內(nèi)設置小型水分傳感器或濕度傳感器（厘米級），如圖14所示，當盾尾刷內(nèi)水分變量變化增大時發(fā)出預警。

圖14 盾尾刷內(nèi)的水分傳感器Fig.14 Water Sensor in shield tail brush

4 一種基于既有數(shù)據(jù)的盾尾密封預警方法

現(xiàn)有的盾尾密封方法基本都是借助于盾構(gòu)既有傳感器外安裝其他傳感器，如壓力傳感器、光纖傳感器、電子傳感器、水分傳感器等。這種方式更適用于新建盾構(gòu)機或新安裝盾尾刷的情況下，而且傳感器安裝存在一定的人工成本、設備成本，而且需要一套傳輸設備及新開發(fā)用于傳輸和集成采集的模塊。

考慮到我國現(xiàn)有盾構(gòu)機接近2000臺，在盾構(gòu)機原有傳感器的基礎上采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化情況來推斷、評價盾尾密封效果更具有推廣價值。

4.1 數(shù)據(jù)采集

盾尾密封失效和多種因素相關(guān)，目前有明確的量化指標和模型，但普遍認為和外界水土壓力、盾尾刷磨損、油脂艙油脂填充效果、管片與盾尾間隙相關(guān)性較大。具體分析如下：

（1）盾尾油脂效果

不同廠家、不同型號的盾尾油脂對密封效果影響很大，目前不能做到統(tǒng)一量化。

（2）盾尾刷與管片位置關(guān)系（管片姿態(tài)）

在角度偏差較大時，盾尾密封性能會下降。在管片位于盾尾正中時（前提是盾尾各位置盾尾刷、盾尾油脂均正常工作），可以承受較大的水壓。

（3）油脂注入壓力、注入量

有學者針對不同品牌盾構(gòu)機盾尾密封油脂注入量進行過統(tǒng)計[9-10]，以廣州用海瑞克S266盾構(gòu)機、深圳用法馬通NTU032.1為統(tǒng)計對象，數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同盾構(gòu)機盾尾油脂消耗對比Table1 Comparison of grease consumption at shield tail of different shield machines

不同地質(zhì)條件、盾構(gòu)機、油脂品牌，盾構(gòu)機盾尾油脂使用量也不同，所以油脂注入量不能進行橫向比較。在無法對地質(zhì)條件、盾構(gòu)機油脂系統(tǒng)做出量化的情況下，目前只適合使用縱向進行比較，即對該區(qū)間前期掘進情況進行對比。

（4）同步注漿量、注漿壓力

盾構(gòu)施工過程中的同步注漿對盾尾密封產(chǎn)生多種影響：①同步注漿固結(jié)后可封堵管片后部來水；②同步注漿壓力增大到一定程度后會加劇盾尾刷磨損，甚至是擊穿盾尾密封造成盾尾內(nèi)漏漿[11]。

4.2 數(shù)據(jù)分析模型

數(shù)據(jù)包絡分析DEA是使用數(shù)學規(guī)劃（包括線性規(guī)劃、多目標規(guī)劃、具有錐形結(jié)構(gòu)的廣義最優(yōu)化、半無限規(guī)劃、隨機規(guī)劃等）模型，評價具有多個輸入、特別是多個輸出的“部門”或“單位”（稱為“決策單元”，簡記DMU）間的相對有效性。

在DEA中一般稱被衡量績效的組織為決策單元（Decision Making Unit，DMU）。

設：n個決策單元（j=1，2，…，n）；

每個決策單元有相同的m項投入（輸入）（i=1，2，…，m）；

每個決策單元有相同的s項產(chǎn)出（輸出）（r=1，2，…，s）；

Xij——第j決策單元的第i項投入；

yrj——第j決策單元的第r項產(chǎn)出；

衡量第j0決策單元是否DEA有效。

4.3 盾尾密封狀態(tài)評價預警

筆者認為，在不增加額外監(jiān)測設備和線路的情況，基于既有的盾構(gòu)機傳感器參數(shù)數(shù)據(jù)綜合評價施工過程中盾構(gòu)機盾尾密封狀態(tài)是可行的，且更易于實際操作。但目前存在的問題是針對密封狀態(tài)評價的量化模型沒有相關(guān)研究和數(shù)據(jù)支撐。

既有參數(shù)是直接通過盾構(gòu)機既有傳感器和控制系統(tǒng)進行采集，主要有：刀盤艙水土壓力（即常說的盾構(gòu)掘進保壓值）；盾尾油脂注入量、注入壓力；盾尾同步注漿量、注漿壓力。因為評價模型的復雜性取決于其采用的參數(shù)種類和數(shù)量，并直接決定模型評價的準確性，在這里，本文主要討論2個模型。

（1）模型應用背景

模型應用于評價設備狀態(tài)隨運行時間增加而不斷變差。數(shù)據(jù)是采集掘進和油脂注入的階段，關(guān)鍵的輸出結(jié)果是盾尾密封效果的評價指標。

（2）模型特點

①多參數(shù)輸入，且各參數(shù)間存在關(guān)聯(lián)及影響；

②不確定結(jié)果；

③模型結(jié)果始終隨時間增加而不斷變差；

④部分輸入?yún)?shù)會存在離散性較大偏差，偏差不會持續(xù)過多時間。

（3）模型假設

①當盾尾密封狀態(tài)（如圖15所示）位于P1時，盾尾密封狀態(tài)達到預警狀態(tài)；位于P2時達到臨界狀態(tài)。t1、t2是分別對應的時間。

圖15 盾尾密封狀態(tài)評價預警模型示意圖Fig.15 Schematic diagram of evaluation model

②P1和P2不是有效求解，無法定量進行確定，只能定性說明。

（4）簡單模型

平均值指標模型（不考慮盾構(gòu)管片拼裝姿態(tài)；另外，目前管片拼裝盾尾間隙需要人工測量輸入，不能從盾構(gòu)系統(tǒng)中直接采集），此評價模型相對穩(wěn)定、簡單，受盾構(gòu)掘進姿態(tài)影響較小，本評價模型如下：

①取單位掘進距離為基礎（折算成環(huán)，因為盾構(gòu)施工是循環(huán)工藝，每環(huán)掘進前會進行一定的油脂注入，掘進過程中基本上是穩(wěn)定地持續(xù)注入，結(jié)束后會進行一定油脂注入），最終取每環(huán)作為評價基礎單元。盾構(gòu)機油脂注入量也可以按環(huán)統(tǒng)計，通過打開/關(guān)閉盾構(gòu)機拼裝模式來確定兩環(huán)之間掘進循環(huán)的分界。

②每環(huán)掘進距離不會絕對相同，所以通過掘進距離按1.2m（1.5m）比例折算。

③評價函數(shù)P的計算公式：

P=a1*a2*油脂注入量/油脂壓力

式中的修正系數(shù)a1、a2分別表示刀盤艙保壓水平、同步注漿水平。

④評價對比

當每環(huán)推進過程的評價函數(shù)P與歷史值不斷對比，當小于某一閾值時，即判定盾尾密封出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損失，繼而發(fā)出預警。

（5）考慮管片盾尾間隙因素

管片每環(huán)拼裝質(zhì)量和掘進姿態(tài)及糾偏情況不同，造成盾尾間隙（即盾尾盾殼內(nèi)部和管片背部直接的距離）時大時小。以某型中鐵裝備為例，盾尾間隙一般會在20mm至80mm之間變化，不同的盾尾間隙會直接對盾尾刷的彎折角度、盾尾刷間油脂腔體積及壓力造成影響，進而會影響盾尾密封效果，因此精確評價盾尾密封效果時必須對盾尾間隙予以考慮。

②立即啟動盾構(gòu)機應急防洪系統(tǒng)，對盾尾內(nèi)的積水及漿液進行抽排。

③采用鉗錐將棉紗、防滲海綿強制填塞滲漏區(qū)域，采用弧形鋼板將封堵區(qū)域壓緊，通過管片縱向螺栓孔插入螺栓進行焊接固定[12]。

④盾尾后方管片快速壓注聚胺脂材料，使聚胺脂材料在管片背面封閉成環(huán)。

⑤在盾尾利用同步注漿系統(tǒng)進行砂漿補注。

⑥如果上述措施無法滿足施工安全時，制作特殊管片，進行盾尾刷更換。

4.4 盾尾密封失效后的控制措施

①利用手動強制開閥模式集中在滲漏位置鄰近的3個點位加大盾尾油脂的注入。

5 結(jié)語

隨著盾構(gòu)施工行業(yè)對安全生產(chǎn)越來越重視和盾構(gòu)施工安全風險辨識、評估技術(shù)不斷提高，盾尾密封的重要性越顯突出。但受施工條件復雜、地下圍巖不確定性、人員技術(shù)發(fā)展滯后等影響，盾構(gòu)行業(yè)對盾尾刷使用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展緩慢，本文希望通過對盾尾刷監(jiān)測技術(shù)的論述為盾構(gòu)施工技術(shù)人員提供一些借鑒。