高 墅

（大連理工大學(xué)，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(qiáng)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(jī)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(wèn)題

1.1 常見(jiàn)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(shí)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(jìn)時(shí)，由于盾尾密封處的油脂會(huì)逐漸減少，因此，為保持密封性能，必須及時(shí)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(shí)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(jī)三大油脂之一，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)盾構(gòu)機(jī)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(dá)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(dòng)和自動(dòng)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(jī)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(jī)盾尾密封

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

圖8 土壓盾構(gòu)機(jī)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(jī)盾尾密封

大直徑盾構(gòu)機(jī)，尤其是下穿水體工程的盾構(gòu)機(jī)，一般單條區(qū)間掘進(jìn)距離較長(zhǎng)，中途可能需要更換盾尾刷，因此盾尾密封普遍設(shè)計(jì)成2道通過(guò)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(guò)大、掘進(jìn)過(guò)程中油脂加注不及時(shí)和數(shù)量不足、同步注漿壓力過(guò)高擊穿盾尾密封、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不良導(dǎo)致局部盾尾間隙過(guò)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(jī)外部泥水、流砂等涌入盾體，可能造成盾構(gòu)機(jī)整機(jī)被淹或掌子面、盾體及管片支撐面失穩(wěn)等情況，導(dǎo)致地面坍塌、成型隧道變形報(bào)廢、盾構(gòu)機(jī)整機(jī)被埋及重大人員傷亡等惡劣后果。

盾構(gòu)掘進(jìn)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(yán)重[4]。因此，對(duì)于盾尾密封失效區(qū)域較為嚴(yán)重的情況，需要進(jìn)行尾刷更換作業(yè)。尾刷更換過(guò)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(huì)導(dǎo)致更換尾刷期間出現(xiàn)較大滲漏，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)被淹，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致隧道坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 盾尾噴涌原因分析

盾構(gòu)機(jī)盾尾漏漿噴涌的常見(jiàn)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(jī)的掘進(jìn)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(jī)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(shí)（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(shí)雜物進(jìn)入盾尾刷；

⑥盾尾刷焊接或者機(jī)械連接不牢固；

⑦管片間隙過(guò)小，盾構(gòu)姿態(tài)糾偏過(guò)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(shí)盾構(gòu)機(jī)后退，造成盾尾刷與管片間發(fā)生刷毛方向相反的運(yùn)動(dòng)，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(hù)板和后保護(hù)板）因?yàn)闄C(jī)械外力導(dǎo)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(yàn)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(duì)盾尾刷外側(cè)和盾尾油脂對(duì)盾尾刷內(nèi)側(cè)的作用。

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

第二，對(duì)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(pán)刀具那樣對(duì)施工過(guò)程中盾尾密封效果引起重視。

3 現(xiàn)有盾尾密封監(jiān)測(cè)方案

3.1 監(jiān)控盾尾油脂注入量和注入壓力

當(dāng)盾尾密封結(jié)構(gòu)良好時(shí)，盾尾油脂注入壓力和注入量數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)盾尾密封結(jié)構(gòu)損壞時(shí)，盾尾油脂注入壓力和注入量發(fā)生一定變化。盾構(gòu)機(jī)停止掘進(jìn)時(shí)，盾尾密封損壞位置的油脂腔壓力降低速率會(huì)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(jì)，可以預(yù)測(cè)盾尾密封結(jié)構(gòu)性能。

在盾尾刷油脂腔中埋設(shè)壓力傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)油脂腔壓力變化判斷盾尾密封狀態(tài)，目前正在試驗(yàn)中。

3.2 監(jiān)測(cè)盾尾刷彈簧板的磨損量（液壓和電路檢測(cè)方式）

盾構(gòu)刀具液壓和電路檢測(cè)方法已在大型滾刀中應(yīng)用，檢測(cè)系統(tǒng)由磨損探測(cè)器[7]、發(fā)射器、接收器組成，一般采用有線連接。盾尾刷檢測(cè)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(shè)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(jìn)行報(bào)警。磨損探測(cè)器可埋在盾尾刷鋼絲內(nèi)，同時(shí)布置多個(gè)磨損探測(cè)器。

3.3 監(jiān)測(cè)盾尾刷彈簧板的翻折角度變化

以盾尾管片標(biāo)準(zhǔn)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(shí)；2-盾尾間隙6cm時(shí)；3-盾尾間隙3cm時(shí)；4-盾尾間隙0cm時(shí)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(guò)在彈簧板正反面貼電阻式應(yīng)變片，彎折不同角度時(shí)測(cè)點(diǎn)電流值，由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定出電流和角度的關(guān)系曲線，選擇盾尾3，6，9和12點(diǎn)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(kāi)的角度相應(yīng)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(shí)驗(yàn)標(biāo)定的電流-角度曲線推算出彈簧板的角度值（能否標(biāo)定電流和角度的非線性關(guān)系，尚需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）。

3.4 監(jiān)測(cè)盾尾油脂腔中是否有水流通過(guò)（水分傳感器）

在中間一道盾尾刷內(nèi)設(shè)置小型水分傳感器或濕度傳感器（厘米級(jí)），如圖14所示，當(dāng)盾尾刷內(nèi)水分變量變化增大時(shí)發(fā)出預(yù)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(yù)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(jī)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(shè)備成本，而且需要一套傳輸設(shè)備及新開(kāi)發(fā)用于傳輸和集成采集的模塊。

考慮到我國(guó)現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)接近2000臺(tái)，在盾構(gòu)機(jī)原有傳感器的基礎(chǔ)上采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化情況來(lái)推斷、評(píng)價(jià)盾尾密封效果更具有推廣價(jià)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(biāo)和模型，但普遍認(rèn)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(hào)的盾尾油脂對(duì)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(shí)，盾尾密封性能會(huì)下降。在管片位于盾尾正中時(shí)（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(xué)者針對(duì)不同品牌盾構(gòu)機(jī)盾尾密封油脂注入量進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)[9-10]，以廣州用海瑞克S266盾構(gòu)機(jī)、深圳用法馬通NTU032.1為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

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

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

（4）同步注漿量、注漿壓力

盾構(gòu)施工過(guò)程中的同步注漿對(duì)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(lái)水；②同步注漿壓力增大到一定程度后會(huì)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(luò)分析DEA是使用數(shù)學(xué)規(guī)劃（包括線性規(guī)劃、多目標(biāo)規(guī)劃、具有錐形結(jié)構(gòu)的廣義最優(yōu)化、半無(wú)限規(guī)劃、隨機(jī)規(guī)劃等）模型，評(píng)價(jià)具有多個(gè)輸入、特別是多個(gè)輸出的“部門(mén)”或“單位”（稱為“決策單元”，簡(jiǎn)記DMU）間的相對(duì)有效性。

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

設(shè)：n個(gè)決策單元（j=1，2，…，n）；

每個(gè)決策單元有相同的m項(xiàng)投入（輸入）（i=1，2，…，m）；

每個(gè)決策單元有相同的s項(xiàng)產(chǎn)出（輸出）（r=1，2，…，s）；

Xij——第j決策單元的第i項(xiàng)投入；

yrj——第j決策單元的第r項(xiàng)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(píng)價(jià)預(yù)警

筆者認(rèn)為，在不增加額外監(jiān)測(cè)設(shè)備和線路的情況，基于既有的盾構(gòu)機(jī)傳感器參數(shù)數(shù)據(jù)綜合評(píng)價(jià)施工過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)盾尾密封狀態(tài)是可行的，且更易于實(shí)際操作。但目前存在的問(wèn)題是針對(duì)密封狀態(tài)評(píng)價(jià)的量化模型沒(méi)有相關(guān)研究和數(shù)據(jù)支撐。

既有參數(shù)是直接通過(guò)盾構(gòu)機(jī)既有傳感器和控制系統(tǒng)進(jìn)行采集，主要有：刀盤(pán)艙水土壓力（即常說(shuō)的盾構(gòu)掘進(jìn)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?yàn)樵u(píng)價(jià)模型的復(fù)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(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，在這里，本文主要討論2個(gè)模型。

（1）模型應(yīng)用背景

模型應(yīng)用于評(píng)價(jià)設(shè)備狀態(tài)隨運(yùn)行時(shí)間增加而不斷變差。數(shù)據(jù)是采集掘進(jìn)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(píng)價(jià)指標(biāo)。

（2）模型特點(diǎn)

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(shí)間增加而不斷變差；

④部分輸入?yún)?shù)會(huì)存在離散性較大偏差，偏差不會(huì)持續(xù)過(guò)多時(shí)間。

（3）模型假設(shè)

①當(dāng)盾尾密封狀態(tài)（如圖15所示）位于P1時(shí)，盾尾密封狀態(tài)達(dá)到預(yù)警狀態(tài)；位于P2時(shí)達(dá)到臨界狀態(tài)。t1、t2是分別對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

圖15 盾尾密封狀態(tài)評(píng)價(jià)預(yù)警模型示意圖Fig.15 Schematic diagram of evaluation model

②P1和P2不是有效求解，無(wú)法定量進(jìn)行確定，只能定性說(shuō)明。

（4）簡(jiǎn)單模型

平均值指標(biāo)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(cè)量輸入，不能從盾構(gòu)系統(tǒng)中直接采集），此評(píng)價(jià)模型相對(duì)穩(wěn)定、簡(jiǎn)單，受盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)影響較小，本評(píng)價(jià)模型如下：

①取單位掘進(jìn)距離為基礎(chǔ)（折算成環(huán)，因?yàn)槎軜?gòu)施工是循環(huán)工藝，每環(huán)掘進(jìn)前會(huì)進(jìn)行一定的油脂注入，掘進(jìn)過(guò)程中基本上是穩(wěn)定地持續(xù)注入，結(jié)束后會(huì)進(jìn)行一定油脂注入），最終取每環(huán)作為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)單元。盾構(gòu)機(jī)油脂注入量也可以按環(huán)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)打開(kāi)/關(guān)閉盾構(gòu)機(jī)拼裝模式來(lái)確定兩環(huán)之間掘進(jìn)循環(huán)的分界。

②每環(huán)掘進(jìn)距離不會(huì)絕對(duì)相同，所以通過(guò)掘進(jìn)距離按1.2m（1.5m）比例折算。

③評(píng)價(jià)函數(shù)P的計(jì)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(pán)艙保壓水平、同步注漿水平。

④評(píng)價(jià)對(duì)比

當(dāng)每環(huán)推進(jìn)過(guò)程的評(píng)價(jià)函數(shù)P與歷史值不斷對(duì)比，當(dāng)小于某一閾值時(shí)，即判定盾尾密封出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損失，繼而發(fā)出預(yù)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(jìn)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(shí)大時(shí)小。以某型中鐵裝備為例，盾尾間隙一般會(huì)在20mm至80mm之間變化，不同的盾尾間隙會(huì)直接對(duì)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(jìn)而會(huì)影響盾尾密封效果，因此精確評(píng)價(jià)盾尾密封效果時(shí)必須對(duì)盾尾間隙予以考慮。

②立即啟動(dòng)盾構(gòu)機(jī)應(yīng)急防洪系統(tǒng)，對(duì)盾尾內(nèi)的積水及漿液進(jìn)行抽排。

③采用鉗錐將棉紗、防滲海綿強(qiáng)制填塞滲漏區(qū)域，采用弧形鋼板將封堵區(qū)域壓緊，通過(guò)管片縱向螺栓孔插入螺栓進(jìn)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(jìn)行砂漿補(bǔ)注。

⑥如果上述措施無(wú)法滿足施工安全時(shí)，制作特殊管片，進(jìn)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(dòng)強(qiáng)制開(kāi)閥模式集中在滲漏位置鄰近的3個(gè)點(diǎn)位加大盾尾油脂的注入。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著盾構(gòu)施工行業(yè)對(duì)安全生產(chǎn)越來(lái)越重視和盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、評(píng)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(fù)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(duì)盾尾刷使用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展緩慢，本文希望通過(guò)對(duì)盾尾刷監(jiān)測(cè)技術(shù)的論述為盾構(gòu)施工技術(shù)人員提供一些借鑒。