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EPB盾构机盾尾刷密封防水效果研究李远荣

发表时间：2020/9/10 来源：《基层建设》2020年第14期作者：李远荣

[导读] 摘要：盾构法施工是城市地铁隧道主要的施工方法，如果在盾构掘进过程中发生盾尾漏水等施工风险，必然会对隧道的安全、质量和进度产生一定的威胁。

        中煤第三建设（集团）有限责任公司安徽省合肥市 230000
        摘要：盾构法施工是城市地铁隧道主要的施工方法，如果在盾构掘进过程中发生盾尾漏水等施工风险，必然会对隧道的安全、质量和进度产生一定的威胁。本文通过对盾尾刷漏水工程风险进行研究，盾尾密封装置盾尾刷进行工作原理介绍及结构加强设计，就土压平衡盾构机盾尾漏水原因进行分析，根据施工经验和技术标准找到针对性的应对措施。提出应对措施将对盾尾密封刷漏水问题提供一定的理论指导和参考意见。
        关键词：盾构法施工；盾尾刷；漏水；加强设计
        0 引言
        盾构机－也称为隧道掘进机，配有各种不同的挖掘、顶进、转向、支护、排渣、衬砌、运输机械等，其和自身配备的传感、测量和控制装置一起形成一个完整的施工机械系统[1]。盾构机具有适于大埋深、高水压施工条件、掘进速度快，机械化程度高和投入人员少等优点得到广泛应用[2]。由于盾构机的盾尾内径大于管片的外径，所以两者之间存在一定的空隙，称为盾尾间隙。所以盾构机在掘进阶段，经常在盾构机盾尾刷部位出现漏水等施工风险，其将威胁到施工人员的安全、影响盾构隧道的施工质量以及隧道的后期使用情况[3]。为了防止盾尾间隙发生漏水风险，需要在盾尾间隙中安装密封装置，目前普遍使用的密封装置是盾尾刷，所以盾尾刷在防止盾尾漏水中发挥着至关重要的作用。因此，在面对漏水工程风险时，盾构机盾尾密封装置漏水的应对措施是亟待解决的问题。
        目前，国内对盾构机盾尾刷的研究较多。钟波等[4]采用ABAQUS分析软件对盾尾刷进行有限元分析，得到盾尾刷的变形规律以及在不同压力下的位移量。董亚岭等[5]通过对盾尾刷进行优化设计，得到盾尾刷合理的密封方法。朱祖熹等[6]通过分析盾构施工中盾尾密封，并结合实际施工经验推断出盾构机推进每环盾尾油脂大约的使用量。杨兴昆等[7]通过对土压平衡盾构机的介绍，对盾尾渗漏问题进行原因分析，并提出相应的预防措施。
        从目前的研究成果来看，还鲜有对盾尾刷漏水原因及应对方案的研究。本文通过对盾尾刷进行加强设计，使其回弹性、耐磨性和抗拉强度等得到明显提高，然后对盾尾刷漏水的原因进行分析，并根据施工经验和施工标准提出一定的应对措施。
        1 盾尾密封技术
        在解决盾尾漏水问题中，最早的盾尾密封装置是橡胶密封件，基本形式是将密封橡胶环绕在盾尾钢板内部，依靠管片和盾尾钢板之间的压紧力起到密封的效果。但这种密封装置对橡胶的耐磨性要求较高，需具有良好的使用寿命。在实际施工过程中橡胶密封件的密封效果不佳，经常出现漏水风险。目前盾尾密封普遍采用的方法是多道密封刷，施工过程中和盾尾油脂配合使用，保证盾尾良好的密封性能，以防盾尾发生漏水风险。盾尾油脂对密封刷的密封和润滑起到很大的改进作用，选择盾尾油脂需要具有金属粘黏性、耐水压性、保油性等特点。
        2 盾构机盾尾刷密封原理、结构组成及优化设计
        采用盾尾刷的密封方法，可以对水起到隔绝效果，防止盾构机内部发生漏水、漏浆等。
        2.1盾尾刷密封系统的工作原理
        盾构机密封装置由图1所示，目前盾构机盾尾密封的主要结构是盾尾刷，一般分为三组，平行安装在盾构机盾尾处，用来防止地下水渗透到盾构隧道内。盾构机盾尾密封系统主要有盾尾、盾尾刷、管片和盾尾油脂等部分组成。盾尾刷1、盾尾刷2和盾尾刷3位于盾构机盾尾和管片之间，三组盾尾刷组成两个密封腔，在施工前和施工中需要通过向两个密封腔中注入盾尾油脂来保持盾尾的水土压力平衡，以确保水不会从盾尾间隙泄漏到盾构机内。

        图1盾构机盾尾刷密封结构图
        盾尾刷的结构如图2所示，组成部分包括机座板、销钉、前保护板、压紧板和钢丝刷等。保护板的作用是防止管片对钢丝产生磨损作用；压紧板具有一定的压紧力，可使钢丝刷很好的和管片贴近接触；机座板的作用是通过销钉对前保护板、压紧板和钢丝刷进行固定；钢丝刷的作用是使盾尾刷和管片紧密接触，具有强度高，耐腐蚀的优点。

        图2 盾尾刷结构示意图
        2.2盾尾刷强化设计及试验分析
        盾尾刷在盾构掘进时需要承受管片的滑动摩擦力和盾尾间隙之间的压紧力，假如密封刷在承受的压力过大时导致其发生破坏和脱离现象，进而导致盾尾漏水和漏浆风险，产生的施工风险后果将不堪设想。所以在实际施工中需要对盾尾刷进行加强设计，以满足施工安全要求。
        2.2.1 盾尾刷强化方法
        普通的盾尾刷采用的材质一般为65Mn，本文加强型盾尾刷保护板和压紧板采用进口弹簧板SAE1566材质，加工时采取弹簧板在退火状态下加工成型，然后再进行热处理的工艺，这样，最大限度的避免了先热处理后加工所造成的缺陷（如果热处理后加工，在弹簧板折弯时会形成裂纹，尾刷受力后容易出现弹簧板断板现象）。对盾尾刷结构进行改进，将保护板改为2层1.0+1.0 mm钢板，压紧板改为双层1.0 mm钢板，这样既增强了盾尾刷的弹力和盾尾刷的密封效果，又增强了前保护板的耐磨性，提高了盾尾刷的使用寿命。
        2.2.2 试验设备及方法
        （1）回弹性试验设备采用液压压缩机，测量设备采用角度尺，试验方法如表1所示。

        （2）磨损试验采用的设备的砂轮，试验方法是砂轮转动≧2500 次，即周长≧3750 m，测量设备是千分尺。
        （3）抗拉试验采用设备是专用的抗拉设备，试验方法是铁滚转动≧2500 次管片，即周长≧3750 m。
        2.2.3 盾尾刷试验结果分析
        （1）经过压缩试验，双层加强型的盾尾刷比单层加强型的盾尾刷回弹性增加了2°，双层加强型的盾尾刷比普通型的盾尾刷回弹性增加了5°。结果表明：加强型的盾尾刷回弹性明显增强，在经过压缩后加强型的盾尾刷密封性会起到更好的效果。
        （2）将加强型的盾尾刷和普通的盾尾刷进行磨损试验对比，结果表明：加强型的盾尾刷磨损量为0.29 mm，普通盾尾刷磨损量为0.32 mm，相对普通型的盾尾刷耐磨性有明显的提高，加强型盾尾刷耐磨性完全满足盾尾刷的使用要求。
        （3）抗拉试验结果表明：加强盾尾刷没有出现松动变化，说明盾尾刷满足抗拉要求。
        3 盾构机盾尾刷密封漏水原因及应对措施
        在盾构机掘进过程中为了防止盾尾发生漏水风险，应在以下几个环节进行针对性的控制。
        3.1 盾尾刷磨损因素
        普通盾尾刷有一定的使用寿命，一般掘进2000 m盾尾刷将会发生破损，需要在盾构始发前对其进行更换或盾构机掘进过程中进行更换。
        应对措施：通过对盾尾刷保护板和压紧板进行加强设计，使盾尾刷的寿命大约提高了88%，其满足盾尾刷的耐磨性标准要求。
        3.2 注浆因素
        使盾尾刷发生破坏的主要原因有：注浆位置和实际需要注浆位置不符、导致注浆压力过大、注浆量过大等。总之就是这些原因导致对盾尾刷的压力超过其承受范围，盾尾刷发生破坏，进而导致盾尾漏水现象。但是，注浆量过小将引起地层沉降现象，所以注浆量应控制在一定的范围之内。
        应对措施：施工中对注浆量进行控制，根据盾构机开挖直径、管片直径和长度等，对单环注浆量和注浆压力进行控制。根据盾构机的施工要求，盾构机掘进到第五环后进行二次注浆。
        3.3 盾构机的姿态偏差因素
        盾构机姿态偏差的因素有测量、设备、地质和操作等因素，如果盾构机的姿态调整纠偏量过大，盾构机姿态发生变化将引起推进前进路线不规则，盾尾间隙小的一边产生的挤压力挤压盾尾刷，严重时损坏盾尾刷结构，盾尾间隙大的一边将直接导致盾尾漏水现象。
        应对措施：盾构机盾尾和管片之间的间隙应在施工要求的范围内，严格控制盾构机的姿态，特别在曲线段盾构机应缓慢掘进，控制每环纠偏量，盾尾间隙应控制在20-40mm范围内。防止盾构机轴线与隧道管片轴线间夹角过大和管片四周盾尾间隙不均匀。
        3.4 盾尾油脂因素
        盾尾油脂质量问题、始发前涂抹不到位、盾尾油脂注入量不足等，将导致盾尾密封发生漏水现象。
        应对措施：施工中采用专用的盾尾油脂、盾构始发前对盾尾刷和间隙均匀填充、盾尾油脂按规范涂满钢丝刷、严格控制盾尾油脂注入量。
        3.5 管片因素
        管片发生错台时，隧道的使用寿命以及质量将受到很大的影响。管片错台将导致盾尾刷受到极大的挤压力，如果压力达到一定限度，盾尾刷将发生变形损坏以及脱离现象，或者导致盾尾刷无法与管片正常抱紧，从而发生漏水风险。
        隧道管片标准形式为圆形，如果在拼装管片时操作不规范或者技术不成熟，管片拼装成不规则的形状，结果将导致破坏盾尾刷或盾尾间隙过大等问题，导致盾尾密封发生漏水风险。
        应对措施：施工过程中管片拼装要规范，按照由下至上左右交叉、最后封顶的拼接顺序；在掘进过程中，盾构姿态控制妥当，在线路的小曲率半径部位要保证盾构机平稳掘进。
        管片拼装控制标准：轴向允许偏差：高程偏差±50 mm，平面偏差±50 mm；管片错台小于5 mm，管片接缝开口小于3 mm，管片拼装无贯穿裂缝，无大于0.3 mm宽的裂缝及剥落现象；椭圆度：水平直径和垂直直径允许偏差小于50 mm。
        3.6 地下水过多
        针对地下水比较丰富的地方，如果盾尾刷结构有一定的缝隙，水就会沿着缝隙进入盾构机，水中夹杂的泥沙将加快盾尾刷磨损，一旦盾尾刷磨损到其使用寿命期限，将失去密封效果，导致地下水大量流入隧道。
        应对措施：在实际施工时，通过盾尾长度、盾尾刷长度和盾尾间隙将盾尾刷调整一定的角度，使盾尾刷和管片之间产生较好的抱紧效果。
        4 结论
        本文通过对密封技术、盾尾刷密封原理和密封结构进行介绍。优化设计一种强化版的盾尾刷，同时和普通的盾尾刷就耐磨性、抗拉性和回弹性进行试验对比，结果表明加强型的盾尾刷性能得到极大的提高，且满足施工要求。最后提出盾尾刷6种漏水的原因，并根据施工经验和施工要求给出针对性的应对措施。
        应对盾构施工盾尾密封漏水风险，提高我们的技术水平，做好各项准备工作，在施工过程中必须精细化管理，执行方案得力。本文的研究结果将在盾构机盾尾密封发生漏水风险时，提供一定的实践经验和理论指导。
        参考文献：
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        [4]钟波，张光辉，魏林春.盾构盾尾金属刷有限元分析[J].建材世界，2018，v.39；No.196（3）：82-4.
        [5]董亚岭，高文梁.土压平衡盾构机盾尾密封优化设计及可靠性研究[J].
        [6]朱祖熹.盾构法隧道的盾尾防水密封与盾尾密封油脂[J].中国建筑防水，2009，000（7）：2-6.
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