王昊宇
（上海隧道工程有限公司）

　　摘　要：文章針對(duì)武漢軌道交通7號(hào)線三陽(yáng)路長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)尾刷損傷情況，通過數(shù)值模擬及破壞實(shí)驗(yàn)分析研究超大直徑泥水氣平衡盾構(gòu)在復(fù)雜地層中掘進(jìn)盾尾密封失效的原因，并結(jié)合實(shí)際施工過程中可能存在的其它外部因素造成的尾刷損傷，給出了實(shí)際有效的改進(jìn)措施，為今后類似工程避免盾尾密封失效提供可供借鑒的參考。
　　1　引言
　　盾尾刷配合適量盾尾油脂的壓注，隔離盾構(gòu)外部壓力環(huán)境與內(nèi)部常壓工作區(qū)域，起到密封盾尾的作用。超大直徑泥水氣平衡盾構(gòu)廣泛應(yīng)用于穿越江河湖海的大型水底隧道建設(shè)，通常具有掘進(jìn)距離長(zhǎng)、水頭壓力高、穿越土層復(fù)雜等特點(diǎn)，相較于其它類型盾構(gòu)，超大直徑盾構(gòu)盾尾間隙大、距離長(zhǎng)、腔體多，密封效果的優(yōu)劣對(duì)于工程安全尤為重要，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)距離推進(jìn)導(dǎo)致盾尾密封裝置的損傷幾乎無(wú)可避免。文章依托武漢市軌道交通7號(hào)線三陽(yáng)路長(zhǎng)江隧道工程實(shí)例，針對(duì)超大直徑泥水氣平衡盾構(gòu)在長(zhǎng)江底部高水頭復(fù)合地層環(huán)境中施工特點(diǎn)，分析總結(jié)盾尾刷損傷的機(jī)理原因，并提出了有針對(duì)性的改進(jìn)措施，為今后盾尾密封裝置的選型優(yōu)化與施工保護(hù)，給出了可供借鑒的參考。
　　2　盾構(gòu)機(jī)的盾尾密封
　　盾尾密封是通過油脂注入孔使得盾尾4個(gè)密閉的油脂腔內(nèi)充滿油脂，并維持一定的壓力，形成大氣壓及自然地層的壓力傳遞區(qū)間，同時(shí)防止砂漿、地下水及土壤通過盾尾進(jìn)入到常壓工作環(huán)境。
　　盾尾密封Z早為橡膠唇形密封，在工程實(shí)踐中逐漸發(fā)展為如今廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)型盾尾刷，前板為平行彈簧鋼板，后板為交錯(cuò)的彈簧鋼板。瑞典哈蘭德斯鐵路隧道項(xiàng)目為承受大于1MPa的水土壓力，產(chǎn)生代加強(qiáng)型盾尾刷，前板改進(jìn)為交錯(cuò)的彈簧鋼板。2014年土耳其伊斯坦布爾博斯普魯斯海峽隧道在Z深點(diǎn)發(fā)生了盾尾滲漏，對(duì)盾尾刷進(jìn)一步改進(jìn)，產(chǎn)生第二代加強(qiáng)型盾尾刷，前板改為兩層交錯(cuò)的彈簧鋼板再外覆一道彈簧鋼板。盾尾密封裝置發(fā)展過程如表1所示。

表1 盾尾密封裝置發(fā)展過程表

　　3　武漢三陽(yáng)路長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)機(jī)盾尾密封
　　武漢三陽(yáng)路長(zhǎng)江隧道工程是國(guó)內(nèi)首條公鐵合建且直徑Z大的盾構(gòu)法隧道。采用2臺(tái)直徑15.76m泥水氣平衡盾構(gòu)先后同向始發(fā)掘進(jìn)左右兩線，盾構(gòu)段單線長(zhǎng)度2590m，Z大縱坡30‰，Z小轉(zhuǎn)彎半徑R=1200m。盾構(gòu)在高水頭復(fù)合地層環(huán)境中掘進(jìn)，切口中心Z大覆土深度達(dá)到49m。所處地層“上軟下硬”，地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越土層主要有：③2粉質(zhì)黏土、④2粉細(xì)砂、④3中粗砂、（15）a-1強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、（15）b-1弱膠結(jié)礫巖、（15）a-2弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。地下水主要為基巖裂隙水，接受其上部含水層中地下水的下滲及側(cè)向滲流補(bǔ)給。管片采用通用楔形管片錯(cuò)縫拼裝，管片外徑15.2m，環(huán)寬2m，厚0.65m。
　　工程盾構(gòu)機(jī)頭設(shè)計(jì)為錐形，盾體由前盾、中盾及尾盾組成。盾尾鋼板厚度120mm，盾尾鋼板內(nèi)側(cè)與管片間隙110mm。盾尾共設(shè)置4道盾尾鋼絲刷及1道鋼板刷形成4個(gè)密閉的油脂腔，每腔凈空長(zhǎng)度520mm，盾尾刷前側(cè)彈簧鋼板完全平鋪后寬410mm，每道腔體均勻布置22個(gè)油脂壓注孔，分別由4臺(tái)油脂泵控制盾尾油脂壓注。組成盾尾刷的主要結(jié)構(gòu)為：固定底板、后側(cè)厚1.5mm交錯(cuò)彈簧鋼板、鋼絲刷、前側(cè)厚1mm平鋪彈簧鋼板，由壓板及螺釘固定在盾尾上。盾尾密封及盾尾刷形式如圖1所示。

圖1 盾尾密封及盾尾刷形式圖

　　4　盾尾密封損傷及原因分析
　　4.1事件經(jīng)過
　　右線盾構(gòu)推進(jìn)至183環(huán)時(shí)，同步砂漿從盾尾下部涌出，滲漏量約6m3，此時(shí)切口為全斷面④2粉細(xì)砂，大量補(bǔ)壓盾尾油脂，同時(shí)減少漏漿位置的砂漿注入量，推進(jìn)完成后拼裝時(shí)開始在管片外弧面整環(huán)填塞海綿，未再出現(xiàn)漏漿情況。清理盾尾時(shí)發(fā)現(xiàn)有盾尾刷前側(cè)彈簧鋼板被帶出，鋼板發(fā)生彎曲變形，如圖2所示，此情況可判斷盾尾刷已經(jīng)發(fā)生損傷，盾尾密封存在與外界連通的滲漏通道，故在221環(huán)檢查滲漏位置的Z內(nèi)道盾尾刷：不拼裝封頂塊繼續(xù)推進(jìn)，直接推至Z內(nèi)一道盾尾刷暴露，發(fā)現(xiàn)盾尾刷前側(cè)彈簧鋼板全部缺失，鋼絲刷出現(xiàn)翻折現(xiàn)象，如圖3所示。

圖2 斷裂的盾尾刷前側(cè)鋼板；圖3 滲漏位置盾尾刷檢查

　　4.2前側(cè)板變形斷裂原因分析
　　4.2.1模擬試驗(yàn)
　　檢查發(fā)現(xiàn)Z內(nèi)一道盾尾刷存在前側(cè)彈簧鋼板全部缺失的情況后，對(duì)使用的標(biāo)準(zhǔn)型盾尾刷分別進(jìn)行了數(shù)值模擬和破壞實(shí)驗(yàn)。
　　（1）數(shù)值模擬分析
　　根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化和處理，分析前板受力，采用有限元計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算，前板厚度1mm，材料為新歐標(biāo)DD11型鋼，密度為7850kg/m³，彈性模量為206000MPa，泊松比為0.3，極限強(qiáng)度為440MPa。
　　前板根據(jù)實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，約束條件為上部的剛性板完全約束自由度，下部的剛性板約束除豎向位移自由度之外的所有自由度，并且在分析步驟中設(shè)置強(qiáng)制豎向位移，迫使下部剛性板向上位移，使得兩部分的剛性板之間的距離符合盾構(gòu)殼體和管片之間的距離。上部和下部剛性板之間的距離設(shè)置為110mm，壓力差設(shè)定為0.5MPa。計(jì)算模型按實(shí)際尺寸設(shè)置，均設(shè)為殼單元，單元類型為S4，單元尺寸為5mm。
　　計(jì)算分析步驟：1、設(shè)置強(qiáng)制位移約束，迫使下部剛性板向上位移；2、在前后板x正方向一側(cè)施加垂直于板面的均布荷載，模擬2個(gè)腔室填充油脂壓力差。
　　如圖4所示，前板固定端局部應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到1652MPa，從材料本構(gòu)上來說早已進(jìn)入塑性，變形呈現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)，構(gòu)件早已破壞。由計(jì)算結(jié)果可以看出，在0.5MPa的壓力下，盾尾刷在盾尾管片正常間隙110mm時(shí)，前板很有可能發(fā)生斷裂。

圖4 前側(cè)鋼板有限元計(jì)算結(jié)果

　　（2）模擬破壞實(shí)驗(yàn)
　　為研究盾尾刷發(fā)生破壞的具體原因，針對(duì)單個(gè)尾刷進(jìn)行了模擬破壞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置選用YES-100數(shù)顯管剛度壓力試驗(yàn)機(jī)，為模擬實(shí)際施工工況，設(shè)計(jì)了一個(gè)反力架，由2塊厚1cm鋼板組成，分別模擬盾尾鋼結(jié)構(gòu)及管片約束，尾刷根部通過螺桿及壓板固定在一塊鋼板上，約束3個(gè)方向的位移，另一塊鋼板接觸尾刷鋼絲，限制其垂直于鋼板面的位移，通過調(diào)整2塊鋼板的間距模擬盾尾鋼結(jié)構(gòu)與管片之間的間隙，加壓裝置為圓柱剛體，模擬油脂腔油脂壓力，將面荷載簡(jiǎn)化成線荷載，如圖5所示。

圖5 盾尾刷模擬破壞實(shí)驗(yàn)裝置圖

　　由于實(shí)際施工中盾尾與管片并非同心圓，通常盾尾間隙在85～135mm之間變化，故進(jìn)行間距85mm、110mm、135mm三個(gè)工況的加載試驗(yàn)。按照實(shí)際施工中荷載限額為0.6MPa，因此本試驗(yàn)理論加載限額為16.2kN，即是0.6MPa×試件的豎直投影面積（試件的前板寬度×試驗(yàn)間距）。模擬破壞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表2所示。

　　由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，在正常的盾尾間隙110mm下，盾尾刷兩側(cè)的壓力差達(dá)到0.52MPa即會(huì)發(fā)生前板斷裂的情況，盾尾間隙越大越易發(fā)生破壞。模擬破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了數(shù)值模擬分析結(jié)論較為準(zhǔn)確。
　　4.2.2其他可能原因
　?。?）異物破壞
　　不均勻或者粗糙的管片外表面與尾刷接觸可能會(huì)造成盾尾刷的磨損加劇，造成盾尾刷的破壞。管片拼裝和推進(jìn)過程中的磕碰可能造成管片部分破損，破損的混凝土碎片如果未清理干凈進(jìn)入盾尾，也可能造成盾尾刷的破壞。
　　（2）油脂注入量及壓力
　　盾尾油脂通過油脂注入孔進(jìn)入密閉的油脂腔形成一定的壓力，推進(jìn)過程中盾尾刷與管片外表面接觸造成1～2mm的油脂損耗，合理的油脂注入量及注入壓力能夠起到盾尾密封、潤(rùn)滑及防止盾尾變形的作用。過高的油脂注入壓力使盾尾刷兩側(cè)壓力差過大造成塑性變形，而過低的油脂注入量及注入壓力可能使同步漿液竄入盾尾，凝固后造成盾尾刷破壞。
　?。?）同步漿液注入壓力
　　該工程同步漿液為單液惰性砂漿，推進(jìn)過程中同步注入砂漿填充28cm的盾尾間隙，由于主要在密實(shí)的砂性土和軟弱基巖中推進(jìn)，實(shí)際注漿量與理論間隙量基本一致，注漿壓力1.2MPa左右。如果注漿壓力過高，砂漿填充土體間隙的反作用力會(huì)擊穿鋼板刷，砂漿進(jìn)入盾尾對(duì)盾尾刷造成破壞。
　　4.2.3分析結(jié)論
　　根據(jù)數(shù)值分析和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，造成盾尾密封失效的原因主要在于鋼絲刷兩側(cè)壓力差過大超過其承載能力。在實(shí)際施工中，Z內(nèi)道鋼絲刷由于單側(cè)受力（一側(cè)為油脂腔，一側(cè)為空載），油脂腔壓力過高，壓力差大于鋼絲刷承載力，造成盾尾鋼絲刷破壞，前側(cè)板斷裂。
　　4.3改進(jìn)措施
　　根據(jù)盾尾刷檢查的情況及上述分析結(jié)論，應(yīng)對(duì)措施主要應(yīng)從盾尾刷前板剛度加強(qiáng)和油脂注入量及壓力控制兩方面著手。
　　4.3.1盾尾刷改進(jìn)
　　采用第二代加強(qiáng)型盾尾刷整環(huán)更換Z內(nèi)道盾尾刷，前板由2塊平行的厚1.5mm鋼板改為5塊厚1mm彈簧鋼板，5塊板布置形式為鋼絲刷上覆2層平行鋼板，搭接處覆1塊鋼板，同時(shí)搭接處進(jìn)行改進(jìn)，與后板相同，根部形成倒角，使得每塊盾尾鋼絲刷之間形成一定的搭接。加強(qiáng)型盾尾刷和原標(biāo)準(zhǔn)型盾尾刷形式如圖6所示。

圖6 加強(qiáng)型盾尾刷與原標(biāo)準(zhǔn)盾尾刷比較圖

（左為加強(qiáng)型，右為原標(biāo)準(zhǔn)型）

　　4.3.2油脂注入量及壓力階梯式控制
　　適量壓注盾尾油脂，每環(huán)油脂基礎(chǔ)壓注量VRing=Da×Pi×L×T，（Da=隧道外徑15.2m，Pi取3.14，L=環(huán)寬2m，T=油脂密封厚度，該工程取2mm），另外還需考慮油脂管阻損耗和管片環(huán)縫縱縫損耗等，所以每環(huán)實(shí)際油脂壓注量通常在基礎(chǔ)壓注量的120%～140%之間。
　　前一階段施工過程中，主要以油脂注入量為控制標(biāo)準(zhǔn)，保證每環(huán)推進(jìn)過程中每道油脂腔的注入量，油脂注入壓力控制以不低于外界水土壓力為準(zhǔn)，每道油脂腔注入量及壓力基本一致。

　　吸取盾尾密封損壞的教訓(xùn)后，在后期施工過程中，油脂壓注根據(jù)每道油脂腔壓力合理設(shè)置壓注速度，保持每腔油脂壓力由內(nèi)至外階梯狀均勻遞增，通常每腔壓力差0.2～0.3MPa，Z外道油脂壓力略高于注漿壓力。盾尾密封壓力階梯狀遞增示意如圖7所示。

圖7 盾尾密封壓力階梯狀遞增

　　4.4改進(jìn)效果
　　目前，對(duì)加強(qiáng)型盾尾刷同樣進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置及工況與模擬實(shí)驗(yàn)中一致，針對(duì)盾尾間隙85mm、110mm及135mm3種工況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在外部荷載0.6MPa的作用下，前側(cè)板均未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形及斷裂情況；實(shí)際施工中，右線盾構(gòu)在380環(huán)進(jìn)行了盾尾Z內(nèi)道盾尾鋼絲刷的更換，后續(xù)推進(jìn)均未發(fā)現(xiàn)盾尾泄露情況。
　　5　結(jié)語(yǔ)
　　在實(shí)際施工過程中盾尾密封的損壞是由多種復(fù)雜因素共同作用而形成的結(jié)果，通過數(shù)值模擬分析和模擬破壞實(shí)驗(yàn)可以較直觀的判斷盾尾刷抗損能力，采用符合工程所需強(qiáng)度的盾尾密封裝置，結(jié)合合理的密封油脂量和腔體壓力設(shè)定，可以Z大限度地保護(hù)盾尾刷有效密封。以前的研究通常集中于盾尾密封損壞后的更換修復(fù)技術(shù)，而從根本上找出盾尾刷損壞的原因，在源頭上采取措施避免盾尾密封的失效，能夠大大降低施工風(fēng)險(xiǎn)并提高經(jīng)濟(jì)效益。但現(xiàn)有的數(shù)值分析和破壞實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法完全模擬出盾尾刷在真實(shí)的復(fù)雜地下水土壓力環(huán)境中受力損壞的情況，尚有待進(jìn)一步完善。