王昊宇
（上海隧道工程有限公司）

　　摘　要：文章針對武漢軌道交通7號線三陽路長江隧道盾構(gòu)尾刷損傷情況，通過數(shù)值模擬及破壞實驗分析研究超大直徑泥水氣平衡盾構(gòu)在復雜地層中掘進盾尾密封失效的原因，并結(jié)合實際施工過程中可能存在的其它外部因素造成的尾刷損傷，給出了實際有效的改進措施，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)，通常具有掘進距離長、水頭壓力高、穿越土層復雜等特點，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、腔體多，密封效果的優(yōu)劣對于工程安全尤為重要，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，長距離推進導致盾尾密封裝置的損傷幾乎無可避免。文章依托武漢市軌道交通7號線三陽路長江隧道工程實例，針對超大直徑泥水氣平衡盾構(gòu)在長江底部高水頭復合地層環(huán)境中施工特點，分析總結(jié)盾尾刷損傷的機理原因，并提出了有針對性的改進措施，為今后盾尾密封裝置的選型優(yōu)化與施工保護，給出了可供借鑒的參考。
　　2　盾構(gòu)機的盾尾密封
　　盾尾密封是通過油脂注入孔使得盾尾4個密閉的油脂腔內(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，同時防止砂漿、地下水及土壤通過盾尾進入到常壓工作環(huán)境。
　　盾尾密封Z早為橡膠唇形密封，在工程實踐中逐漸發(fā)展為如今廣泛使用的標準型盾尾刷，前板為平行彈簧鋼板，后板為交錯的彈簧鋼板。瑞典哈蘭德斯鐵路隧道項目為承受大于1MPa的水土壓力，產(chǎn)生代加強型盾尾刷，前板改進為交錯的彈簧鋼板。2014年土耳其伊斯坦布爾博斯普魯斯海峽隧道在Z深點發(fā)生了盾尾滲漏，對盾尾刷進一步改進，產(chǎn)生第二代加強型盾尾刷，前板改為兩層交錯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　武漢三陽路長江隧道盾構(gòu)機盾尾密封
　　武漢三陽路長江隧道工程是國內(nèi)首條公鐵合建且直徑Z大的盾構(gòu)法隧道。采用2臺直徑15.76m泥水氣平衡盾構(gòu)先后同向始發(fā)掘進左右兩線，盾構(gòu)段單線長度2590m，Z大縱坡30‰，Z小轉(zhuǎn)彎半徑R=1200m。盾構(gòu)在高水頭復合地層環(huán)境中掘進，切口中心Z大覆土深度達到49m。所處地層“上軟下硬”，地質(zhì)條件復雜，穿越土層主要有：③2粉質(zhì)黏土、④2粉細砂、④3中粗砂、（15）a-1強風化粉砂質(zhì)泥巖、（15）b-1弱膠結(jié)礫巖、（15）a-2弱風化粉砂質(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)向滲流補給。管片采用通用楔形管片錯縫拼裝，管片外徑15.2m，環(huán)寬2m，厚0.65m。
　　工程盾構(gòu)機頭設(shè)計為錐形，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個密閉的油脂腔，每腔凈空長度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個油脂壓注孔，分別由4臺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)推進至183環(huán)時，同步砂漿從盾尾下部涌出，滲漏量約6m3，此時切口為全斷面④2粉細砂，大量補壓盾尾油脂，同時減少漏漿位置的砂漿注入量，推進完成后拼裝時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，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
　　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，對使用的標準型盾尾刷分別進行了數(shù)值模擬和破壞實驗。
　?。?）數(shù)值模擬分析
　　根據(jù)工程實際情況進行簡化和處理，分析前板受力，采用有限元計算軟件ABAQUS進行計算，前板厚度1mm，材料為新歐標DD11型鋼，密度為7850kg/m³，彈性模量為206000MPa，泊松比為0.3，極限強度為440MPa。
　　前板根據(jù)實際尺寸進行建模，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。計算模型按實際尺寸設(shè)置，均設(shè)為殼單元，單元類型為S4，單元尺寸為5mm。
　　計算分析步驟：1、設(shè)置強制位移約束，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)達到1652MPa，從材料本構(gòu)上來說早已進入塑性，變形呈現(xiàn)流動狀態(tài)，構(gòu)件早已破壞。由計算結(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，前板很有可能發(fā)生斷裂。

圖4 前側(cè)鋼板有限元計算結(jié)果

　?。?）模擬破壞實驗
　　為研究盾尾刷發(fā)生破壞的具體原因，針對單個尾刷進行了模擬破壞實驗，實驗裝置選用YES-100數(shù)顯管剛度壓力試驗機，為模擬實際施工工況，設(shè)計了一個反力架，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，將面荷載簡化成線荷載，如圖5所示。

圖5 盾尾刷模擬破壞實驗裝置圖

　　由于實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，故進行間距85mm、110mm、135mm三個工況的加載試驗。按照實際施工中荷載限額為0.6MPa，因此本試驗理論加載限額為16.2kN，即是0.6MPa×試件的豎直投影面積（試件的前板寬度×試驗間距）。模擬破壞實驗的結(jié)果如表2所示。

　　由表2實驗結(jié)果可見，在正常的盾尾間隙110mm下，盾尾刷兩側(cè)的壓力差達到0.52MPa即會發(fā)生前板斷裂的情況，盾尾間隙越大越易發(fā)生破壞。模擬破壞實驗結(jié)果也驗證了數(shù)值模擬分析結(jié)論較為準確。
　　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入盾尾，也可能造成盾尾刷的破壞。
　?。?）油脂注入量及壓力
　　盾尾油脂通過油脂注入孔進入密閉的油脂腔形成一定的壓力，推進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，推進過程中同步注入砂漿填充28cm的盾尾間隙，由于主要在密實的砂性土和軟弱基巖中推進，實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擊穿鋼板刷，砂漿進入盾尾對盾尾刷造成破壞。
　　4.2.3分析結(jié)論
　　根據(jù)數(shù)值分析和模擬實驗結(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改進措施
　　根據(jù)盾尾刷檢查的情況及上述分析結(jié)論，應(yīng)對措施主要應(yīng)從盾尾刷前板剛度加強和油脂注入量及壓力控制兩方面著手。
　　4.3.1盾尾刷改進
　　采用第二代加強型盾尾刷整環(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，同時搭接處進行改進，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。加強型盾尾刷和原標準型盾尾刷形式如圖6所示。

圖6 加強型盾尾刷與原標準盾尾刷比較圖

（左為加強型，右為原標準型）

　　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準，保證每環(huán)推進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，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改進效果
　　目前，對加強型盾尾刷同樣進行了模擬實驗，實驗裝置及工況與模擬實驗中一致，針對盾尾間隙85mm、110mm及135mm3種工況，實驗結(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；實際施工中，右線盾構(gòu)在380環(huán)進行了盾尾Z內(nèi)道盾尾鋼絲刷的更換，后續(xù)推進均未發(fā)現(xiàn)盾尾泄露情況。
　　5　結(jié)語
　　在實際施工過程中盾尾密封的損壞是由多種復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驗可以較直觀的判斷盾尾刷抗損能力，采用符合工程所需強度的盾尾密封裝置，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險并提高經(jīng)濟效益。但現(xiàn)有的數(shù)值分析和破壞實驗條件無法完全模擬出盾尾刷在真實的復雜地下水土壓力環(huán)境中受力損壞的情況，尚有待進一步完善。