孫志洪， 王 寧

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450000)

0 引言

盾構(gòu)法隧道成型技術(shù)是利用集開挖、支護(hù)、推進(jìn)、襯砌等多種作業(yè)于一體的大型隧道掘進(jìn)機(jī)來完成隧道開挖的現(xiàn)代施工工法[1]。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，尾盾支護(hù)與隧道襯砌結(jié)構(gòu)(管片)之間會(huì)形成一定尺寸的間隙(150 mm以內(nèi))[2]，該間隙連通著具有一定壓力的隧道土層與盾體內(nèi)的安全空間，故需要相應(yīng)的密封裝置進(jìn)行隔斷?，F(xiàn)階段，大部分的盾構(gòu)都采用鋼絲刷涂抹盾尾密封油脂實(shí)現(xiàn)尾盾密封的目的[3]，但由于復(fù)雜的地下環(huán)境(富水中粗砂地層)和密封結(jié)構(gòu)形式的固有缺陷，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中不可避免地發(fā)生漏水、漏泥、漏漿等危險(xiǎn)[4]。近年來，我國城市軌道交通進(jìn)入高速發(fā)展期，隨之而來的安全事故也不斷增加[5]。例如，2007年11月20日南京某地鐵項(xiàng)目發(fā)生掩埋盾構(gòu)事故； 2016年7月17日，武漢某地鐵跨江隧道發(fā)生大規(guī)模盾尾密封泄漏事件； 2018年2月7日佛山某地鐵項(xiàng)目發(fā)生大規(guī)模地陷事故[3]。故對(duì)盾尾密封系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在發(fā)生危險(xiǎn)之前作出安全預(yù)警就顯得尤為重要。

目前，對(duì)盾尾密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒有嚴(yán)格意義的理論支撐，國內(nèi)外對(duì)于密封狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警也幾乎是空白。針對(duì)盾構(gòu)在承壓含水層內(nèi)易發(fā)生泄漏的情況，通過增加盾尾刷道數(shù)、改造油脂管路、改變注脂方式、優(yōu)化同步注漿、改變油脂成分可增強(qiáng)盾尾密封能力，這些方法可操作性較強(qiáng)、密封效果響應(yīng)及時(shí)，但仍然是一類粗放型的解決方案，會(huì)造成資源的浪費(fèi)和施工成本的增加[4-8]。另外，由管片、尾刷、尾盾組成的盾尾油脂腔是一個(gè)密封腔體，腔體內(nèi)充滿盾尾密封油脂，其內(nèi)部空間狹小、油脂處于流動(dòng)狀態(tài)，時(shí)常發(fā)生漏漿現(xiàn)象，壓力波動(dòng)較大[9-10]。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種基于多種監(jiān)測(cè)技術(shù)相融合的綜合預(yù)警系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法。為了攻克該預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)難題——盾尾油脂腔多點(diǎn)連續(xù)壓力監(jiān)測(cè)，制定了一套基于光纖光柵傳感的盾尾油脂腔體壓力多點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)方案，并通過中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司研制的尾刷密封性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行前期的泄漏試驗(yàn)，能夠測(cè)量出雙道尾刷單個(gè)油脂腔圓周方向上某點(diǎn)發(fā)生泄漏前后，油脂腔內(nèi)各個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化規(guī)律，以期為盾尾密封安全預(yù)警綜合系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)儲(chǔ)備。

1 泄漏試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

1.1 尾刷試驗(yàn)臺(tái)的基本概況

中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司所研制的尾盾尾刷密封性能試驗(yàn)臺(tái)[11-13]，如圖1所示，擁有1個(gè)加壓腔(P0)、3道尾刷(環(huán))、密封腔1(P2)、密封腔2(P2)、密封腔3(P3)，管片直徑約1 900 mm，整體結(jié)構(gòu)可承受1 200 kPa的壓力。

圖1 尾刷密封性能試驗(yàn)臺(tái)

本論文中需要監(jiān)測(cè)油脂腔發(fā)生泄漏時(shí)，圓周方向上的壓力變化和響應(yīng)時(shí)間，故增加了腔體內(nèi)的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)和3個(gè)油脂進(jìn)口處的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并將所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

每個(gè)腔體在保持原有的4個(gè)電法壓力傳感器之外，為了驗(yàn)證光纖光柵壓力傳感器的有效性，在同一位置油脂腔內(nèi)壁，增加4個(gè)光纖光柵壓力傳感器。為了得到油脂腔圓周方向上壓力薄弱點(diǎn)的壓力變化，在現(xiàn)有傳感器之間的位置也各增加1個(gè)光纖光柵壓力傳感器。為了精確監(jiān)控，每一路油脂管路在油脂腔進(jìn)口處增加一個(gè)電法壓力傳感器對(duì)該處壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各個(gè)傳感器分布情況如圖2所示。

圖2 傳感器分布圖

1.2 盾尾密封泄漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案及步驟

1.2.1 單道尾刷背壓值測(cè)試

該試驗(yàn)主要反映尾刷的反向承壓(相反于盾構(gòu)掘進(jìn)方向，本試驗(yàn)中為垂直于地面向上)性能，是確定相鄰2個(gè)油脂腔壓力差的主要參數(shù)，具體步驟如下：

1)試驗(yàn)前，對(duì)尾刷試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，拆除試驗(yàn)臺(tái)上的密封蓋，便于觀察油脂溢出情況。

2)第1道尾刷和第2道尾刷均涂覆油脂，使密封腔1成為密閉腔體。

3)加壓腔、密封腔2、密封腔3與外界相通，處于常壓狀態(tài)。

4)全用盾尾密封油脂充填密封腔1，逐級(jí)加壓至0.02、0.05、0.07、0.10、0.12、0.15、0.20 MPa，每一級(jí)保壓10 min，記錄該腔在每一級(jí)壓力下油脂上溢時(shí)各點(diǎn)的壓力。

1.2.2 雙道尾刷的泄漏監(jiān)測(cè)測(cè)試

該試驗(yàn)主要反映單道油脂腔發(fā)生泄漏時(shí)，利用光纖光柵壓力傳感器結(jié)合傳統(tǒng)的電法傳感器監(jiān)測(cè)油脂腔圓周方向上各點(diǎn)的壓力變化，可為后續(xù)多點(diǎn)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力傳感的分布提供數(shù)據(jù)支持。由于盾尾密封系統(tǒng)泄漏位置的不確定性，無法滿足本試驗(yàn)單一變量的要求，故本試驗(yàn)中，當(dāng)油脂腔壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，采用人為產(chǎn)生泄放來制造壓差，模擬由于壓差而產(chǎn)生泄漏的真實(shí)工況，具體操作步驟如下。

1)試驗(yàn)前，對(duì)尾刷試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，安裝上端密封蓋，形成加壓腔，用液壓管將加壓腔與密封腔1連通，對(duì)設(shè)備進(jìn)行安裝調(diào)試。

2)第2道尾刷和第3道尾刷均涂覆油脂，使密封腔2成為密閉腔體。

3)密封腔2進(jìn)行注脂加壓，使其壓力達(dá)到設(shè)定值(0.2、0.3、0.4 MPa)； 在對(duì)密封腔2注脂加壓的過程中，需同時(shí)對(duì)加壓腔進(jìn)行注水加壓，使其壓力與密封腔2保持一致，保證第2道尾刷兩側(cè)的壓力差小于背壓值，防止第3道油脂腔的油脂冒向加壓腔，當(dāng)加壓腔壓力達(dá)到相應(yīng)級(jí)別的設(shè)定值后，保持壓力恒定不變。

4)人為使密封腔2某個(gè)地方發(fā)生泄放，使該處周圍的壓力逐漸下降直至發(fā)生泄漏，分別記錄腔體內(nèi)各個(gè)傳感器的壓力變化情況。在進(jìn)行每個(gè)壓力等級(jí)的泄漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)之前，需對(duì)油脂腔進(jìn)行反復(fù)注脂和泄放，以確保每次試驗(yàn)前，油脂充滿整個(gè)腔體。

1.3 光纖光柵傳感器油脂標(biāo)定及誤差分析

由于光纖光柵壓力傳感器具有尺寸小、安裝便捷、無需現(xiàn)場供電、信號(hào)傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，比較適合應(yīng)用于高壓、高濕的惡劣環(huán)境中[14]，故將其首次應(yīng)用于盾尾油脂腔多點(diǎn)連續(xù)壓力監(jiān)測(cè)的研究中，本試驗(yàn)中所用的光纖光柵壓力傳感器出廠參數(shù)如表1所示。

表1 光纖光柵壓力傳感器出廠參數(shù)

每個(gè)光纖光柵壓力傳感器出廠前都會(huì)進(jìn)行Kp值標(biāo)定，其標(biāo)定所用壓力罐、高精度壓力表及光纖光柵解調(diào)儀如圖3所示，高精度壓力表的精度等級(jí)為0.25，滿足標(biāo)定要求。

在進(jìn)行誤差分析之前，需對(duì)光纖光柵壓力傳感器在油脂中和水中的測(cè)量壓力進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定。

1)將2個(gè)光纖光柵壓力傳感器和2個(gè)光纖光柵溫度傳感器固定于金屬盒底部，如圖4(a)所示，直接放入壓力罐內(nèi)，將壓力罐上蓋鎖緊并充滿水，觀測(cè)高精度壓力表實(shí)數(shù)，然后進(jìn)行逐級(jí)增壓，記錄每個(gè)壓力等級(jí)下光纖光柵解調(diào)儀所顯示的穩(wěn)定波長值。

圖3 標(biāo)定設(shè)備

2)將2個(gè)光纖光柵壓力傳感器和2個(gè)光纖光柵溫度傳感器固定于金屬盒底部，表面涂抹1層10 cm厚的油脂并壓實(shí)，如圖4(b)所示，采用相同的測(cè)試方法，進(jìn)行記錄。

(a) (b)

圖4 傳感器固定

Fig. 4 Fixation of sensor

由于整個(gè)試驗(yàn)過程中，在油脂和水中所測(cè)溫度的波長幾乎沒有變化，故本次試驗(yàn)忽略了溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。為了減小系統(tǒng)誤差，本試驗(yàn)中對(duì)油脂中傳感器的測(cè)試值進(jìn)行重復(fù)標(biāo)定，通過對(duì)水標(biāo)波長的線性擬合，得到如圖5所示的初始標(biāo)定線性擬合曲線。

圖5 初始標(biāo)定線性擬合曲線

根據(jù)圖5擬合曲線，得到線性曲線的解析公式

ps= 0.706 4p+ 1 546.901 5。

(1)

式中：ps為測(cè)量波長；p為壓力等級(jí)。

對(duì)式(1)進(jìn)行多項(xiàng)式變換得

p= 1.415 6×(ps-1 546.901 5) 。

(2)

由式(2)得壓力與波長的比例系數(shù)為1.415 6，即表1中Kp值。據(jù)式(2)對(duì)油脂中的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 光纖光柵壓力傳感器在油脂中的測(cè)量誤差

Table 2 Measurement error of FBG pressure sensor in grease %

由表2的誤差計(jì)算可知，每個(gè)壓力等級(jí)下光纖光柵壓力傳感器的平均誤差均小于1%，符合本試驗(yàn)的測(cè)量要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單道尾刷背壓試驗(yàn)的結(jié)果與分析

本試驗(yàn)的目的為確定背壓值，防止油脂反向上冒。根據(jù)1.2.1節(jié)單道尾刷背壓試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，如圖6所示。

圖6中光纖傳感器1—6號(hào)曲線分別表示尾刷密封腔1內(nèi)壁所布置的光纖光柵壓力傳感器，電法傳感器2號(hào)曲線表示光纖光柵傳感器6所對(duì)應(yīng)的電法傳感器。由光纖傳感器6號(hào)曲線和電法傳感器2號(hào)曲線的數(shù)據(jù)對(duì)比可得，同一位置，光纖光柵壓力傳感器所測(cè)壓力數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)跟傳統(tǒng)電法壓力傳感器一致性較高，也進(jìn)一步證明光纖光柵壓力傳感器可用于本論文中的安全預(yù)警多點(diǎn)連續(xù)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)密封腔1壓力達(dá)到0.05、0.07 MPa左右時(shí)，觀察腔(加壓腔)沒有發(fā)生油脂上冒的狀況。當(dāng)壓力達(dá)到0.10～0.12 MPa時(shí)，加壓腔圓周方向上有3處油脂上冒(如圖7所示)，證明該壓力范圍為所用型號(hào)尾刷在6 cm盾尾間隙條件下的背壓值范圍。

圖6 背壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖

(a) (b) (c)

圖7 油脂冒向加壓腔

Fig. 7 Shield tail seal grease rises into pressure chamber

觀察圖6中0.05、0.07 MPa壓力等級(jí)在保壓時(shí)間段內(nèi)的壓力趨勢(shì)曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)腔體內(nèi)壓力到達(dá)0.05、0.07 MPa壓力等級(jí)，保壓10 min，油脂腔圓周方向上的壓力值并不會(huì)趨于一致，而是會(huì)在±0.005 MPa均勻分布，該現(xiàn)象是由于油脂的黏性較大，0.01 MPa所引起的壓力差不足以克服其內(nèi)部的剪切應(yīng)力。

2.2 雙道尾刷單個(gè)油脂腔泄漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)的目的為確定不同壓力等級(jí)條件下油脂腔發(fā)生泄漏時(shí)，圓周方向上的壓降規(guī)律。根據(jù)1.2.2小節(jié)雙道尾刷單個(gè)油脂腔泄漏試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟，分別進(jìn)行0.2、0.3、0.4、0.5 MPa壓力等級(jí)的相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果如圖8—10所示。

在進(jìn)行0.2 MPa壓力等級(jí)下的漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)時(shí)，加壓腔壓力始終維持在0.2 MPa。當(dāng)油脂腔壓力達(dá)到0.2 MPa時(shí)，保壓10 min，打開泄壓口3(14:37)，油脂慢慢向外擠出。此階段，泄放口3擠出的為純油脂，如圖11(a)所示。油脂腔圓周方向上的光纖光柵壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力傳感器同時(shí)感應(yīng)到泄漏所引起的壓力變化，開始慢慢下降，由于與泄壓口3距離不同，造成各個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)下降幅度有所不同，如圖8所示。5 min后，泄壓口3所擠出的為油脂和工業(yè)染料水的混合物，如圖11(b)所示。各個(gè)光纖光柵壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力開始驟降，同時(shí)，泄放口3所流出的全部為工業(yè)燃料水，如圖11(c)所示，證明該地方發(fā)生了完全泄漏，圓周方向上的光纖光柵壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力開始慢慢下降趨于穩(wěn)定。從打開泄放口產(chǎn)生壓差到發(fā)生完全泄漏的整個(gè)過程所用時(shí)間為6 min。

圖8 0.2 MPa等級(jí)泄漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

圖9 0.3 MPa級(jí)泄漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

圖10 0.4 MPa級(jí)泄漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

如圖9所示，當(dāng)密封腔2和加壓腔壓力達(dá)到0.3 MPa設(shè)定值時(shí)，保壓10 min后，打開泄壓口3(10:22)，其整個(gè)泄漏過程和0.2 MPa壓力級(jí)基本保持一致，其從打開泄放口產(chǎn)生壓差到完全發(fā)生泄漏所用時(shí)間為4.5 min。

(a) (b) (c)

如圖10所示，當(dāng)密封腔2和加壓腔壓力達(dá)到0.4 MPa設(shè)定值時(shí)，保壓10 min后，打開泄壓口3(17:03)，其整個(gè)泄漏過程和0.2 MPa壓力級(jí)基本保持一致，其從打開泄放口產(chǎn)生壓差到完全發(fā)生泄漏所用時(shí)間為2 min。

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別對(duì)0.2、0.3、0.4 MPa壓力等級(jí)下距泄放口不同距離壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到的趨勢(shì)如圖12所示。由圖12可得，打開泄放口到發(fā)生完全泄漏的時(shí)間段內(nèi)，隨著距泄放口距離的增加，泄漏所引起的壓降越來越小，且基本呈線性關(guān)系，隨著壓力等級(jí)的增大，發(fā)生泄漏所產(chǎn)生的壓差也逐漸呈增大趨勢(shì)。

圖12 不同壓力等級(jí)下不同泄放口距離與壓力差關(guān)系

Fig. 12 Relationship of pressure variation with the location of pressure release under diller outlet ent pressure levels

3 結(jié)論與建議

針對(duì)盾構(gòu)盾尾密封系統(tǒng)容易產(chǎn)生漏水、漏漿等施工危險(xiǎn)，本文提出了一種多參量監(jiān)測(cè)的綜合預(yù)警方法。為了解決該預(yù)警方法中的尾刷腔多點(diǎn)連續(xù)壓力測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)問題，進(jìn)行了一系列基于光纖光柵傳感的盾尾密封泄漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到如下結(jié)論：

1)由于光纖光柵壓力傳感技術(shù)具有安裝方便、無需現(xiàn)場供電、可串接等優(yōu)點(diǎn)，且其在油脂中的測(cè)量誤差可滿足本系統(tǒng)要求，故可將其應(yīng)用于尾刷腔多點(diǎn)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2)單道尾刷的背壓值為0.10～0.12 MPa，由此可得，盾尾密封系統(tǒng)中前后腔體之間應(yīng)為0.10～0.12 MPa。

3)當(dāng)尾刷腔體某點(diǎn)發(fā)生泄漏前，有一個(gè)壓力緩慢下降的階段，壓降階段的時(shí)間隨著油脂腔壓力的增大而降低，一旦泄露發(fā)生，油脂腔各點(diǎn)的壓力會(huì)出現(xiàn)驟降，且響應(yīng)時(shí)間幾乎相同。

4)當(dāng)油脂腔某個(gè)泄放點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)，隨著距泄放口距離的增大，其在發(fā)生泄漏前的緩慢壓降階段的壓差逐漸減??； 隨著油脂腔泄漏前壓力的不斷增加，同一壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于泄漏所產(chǎn)生的壓降逐漸升高。

由以上結(jié)論可得，可以將多點(diǎn)連續(xù)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)于盾構(gòu)盾尾油脂腔內(nèi)壁。當(dāng)某點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)，通過對(duì)油脂腔圓周方向上不同位置壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，找出壓力異常點(diǎn)，再結(jié)合盾尾間隙測(cè)量、盾構(gòu)周邊壓力場，做出安全預(yù)警。

由于本文只進(jìn)行了單道尾刷低水壓的泄漏特性探究，為進(jìn)一步探究多道尾刷發(fā)生泄漏時(shí)尾刷腔的特性變化規(guī)律、高水壓下尾刷的泄漏特性、多道尾刷多點(diǎn)連續(xù)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性等問題，今后將修改試驗(yàn)平臺(tái)和試驗(yàn)方案，對(duì)以上問題進(jìn)行驗(yàn)證和探究。