盾構(gòu)鉸接密封故障處理及預(yù)防措施探析

趙 旭/ZHAO Xu

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

盾構(gòu)法是城市地下隧道施工最常用、最有效的工法，盾構(gòu)通過保壓系統(tǒng)建立適宜的壓力來平衡地下的水土壓力，同時通過主驅(qū)動密封、鉸接密封、盾尾密封等密封系統(tǒng)，在盾構(gòu)內(nèi)部形成與地層隔絕的封閉空間，以保證作業(yè)人員的安全，具有安全、高效、環(huán)保，對地面建筑及交通影響較小的特點。但盾構(gòu)密封系統(tǒng)如果出現(xiàn)故障失效，盾構(gòu)內(nèi)部與外部地層連通，在地層水土壓力作用下，會發(fā)生漏水漏砂險情，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致地面塌陷、設(shè)備被淹、隧道被毀、人員傷亡等嚴(yán)重后果。近些年來，在采用盾構(gòu)法施工的工程中，已經(jīng)發(fā)生了多起因為盾構(gòu)密封系統(tǒng)失效導(dǎo)致的嚴(yán)重事故，損失巨大。

本文以哈爾濱市軌道交通2 號線一期工程五標(biāo)段冰雪大世界站-太陽島站區(qū)間土壓盾構(gòu)施工為例，闡述一種盾構(gòu)鉸接密封故障失效后的修復(fù)方法，并分析總結(jié)此類故障的預(yù)防措施，為類似故障處理提供一種新的思路。

1 鉸接系統(tǒng)介紹

盾構(gòu)鉸接系統(tǒng)主要是應(yīng)對小轉(zhuǎn)彎半徑曲線施工或盾構(gòu)姿態(tài)偏離軸線時進行糾偏的最有效的設(shè)備系統(tǒng)。鉸接系統(tǒng)通常分為前后兩個部分，中間用千斤頂連接，形成一個鉸接裝置，這樣可以使盾構(gòu)主機前后彎折，以適應(yīng)曲線段的掘進。根據(jù)盾構(gòu)推進油缸固定位置的不同，盾構(gòu)的鉸接方式主要分為被動鉸接（圖1）和主動鉸接（圖2）：被動鉸接的鉸接千斤頂依靠外力自由伸縮，從而使盾構(gòu)前后部分發(fā)生彎折，盾構(gòu)推進油缸的后端頂在盾構(gòu)的前部，油缸的前端擱置在擺動支承上，推進油缸的推力直接作用在盾構(gòu)前部；主動鉸接依靠鉸接千斤頂?shù)闹鲃由炜s使盾構(gòu)主機前后部分發(fā)生彎折，盾構(gòu)推進油缸固定在盾構(gòu)的后部，推進油缸的推力作用在盾構(gòu)的后部再通過鉸接千斤頂傳遞到盾構(gòu)前部。盾構(gòu)主機的前后彎折會導(dǎo)致盾體前后兩部分產(chǎn)生縫隙，為了保證盾體內(nèi)部安全的工作環(huán)境，設(shè)備必須達到實時與外部隔離的效果，因此需要在盾體鉸接部位添加密封裝置來保證盾體內(nèi)部空間與盾體外土層的隔離。盾構(gòu)鉸接密封的主要作用為防止盾體外的泥土、砂礫等進入盾體內(nèi)，如果密封失效，盾體內(nèi)部與外部土層連通，會引發(fā)嚴(yán)重后果。

作為縣級城市，揚中市智慧城市建設(shè)不能盲目跟風(fēng)，必須從自身實際特點出發(fā)，以實際發(fā)展需求為導(dǎo)向，進行智慧城市某一領(lǐng)域的重點建設(shè)，打造出“智慧揚中”的特色。作為全國聞名的“工程電氣島”和“新能源產(chǎn)業(yè)島”，揚中電力電氣產(chǎn)業(yè)基地是江蘇省首批特色產(chǎn)業(yè)基地。近年來揚中正努力實現(xiàn)由電力電氣產(chǎn)業(yè)基地向智能電氣產(chǎn)業(yè)基地的跨越，智慧電氣小鎮(zhèn)建設(shè)也取得了重大進展，接下來揚中應(yīng)著力打造高水平的智慧電氣特色小鎮(zhèn)，以智慧產(chǎn)業(yè)推進揚中智慧城市建設(shè)進程。

圖2 主動鉸接系統(tǒng)示意圖

2 鉸接密封故障概況

2.1 工程簡介

哈爾濱市軌道交通2 號線一期工程五標(biāo)段包括一站二區(qū)間土建施工。冰雪大世界站～太陽島站區(qū)間總長度為1 750m，由2 臺土壓平衡盾構(gòu)從太陽島站向冰雪大世界站掘進。區(qū)間隧道外徑6 200mm，內(nèi)徑5 500mm，管片厚350mm，環(huán)寬1 200mm。

2.2 鉸接密封設(shè)計

1）此處鉸接密封雖然已經(jīng)擠出，但與密封擋板及密封槽內(nèi)凝固的砂漿一起作用，仍能起到暫時的穩(wěn)固密封作用，如果將擋板拆除，清理密封槽內(nèi)凝固的砂漿，存在涌水涌砂風(fēng)險。

圖3 鉸接密封示意圖

2.3 鉸接密封故障情況

左線盾構(gòu)在掘進施工過程中，突然發(fā)現(xiàn)掘進方向11 點位置盾尾鉸接處噴出一股砂漿，隨即出現(xiàn)涌水涌砂險情。現(xiàn)場立即停止掘進，停止同步注漿，加大鉸接密封油脂注入量，涌水現(xiàn)象有所減弱，后漸漸只有小股清水流出。事后檢查發(fā)現(xiàn)，噴涌處鉸接密封呈180°翻轉(zhuǎn)后擠出密封槽，環(huán)向長度約20cm（圖4）。

圖4 鉸接密封擠出失效

經(jīng)過檢查，鉸接其他位置沒有出現(xiàn)類似情況，測量整圈鉸接位置間隙，此處間隙最大，約2cm 左右，鉸接密封反轉(zhuǎn)180°后擠出。綜合檢查結(jié)果，初步判斷：此鉸接系統(tǒng)只設(shè)置一道鉸接密封，嵌入鉸接密封槽內(nèi)，外側(cè)有擋板固定，由于鉸接密封與盾尾鉸接密封槽契合度不夠，沒有緊貼密封槽，密封活動余量較大；尾盾與中盾鉸接位置橢圓度不同，導(dǎo)致此處縫隙較大；在同步注漿壓力和潤滑油脂壓力作用下，鉸接密封受外力作用翻過密封擋板擠出。

3 鉸接密封故障修復(fù)

3.1 故障修復(fù)方案

現(xiàn)場采取撬棍等工具嘗試將鉸接密封復(fù)位，經(jīng)反復(fù)嘗試，無法復(fù)位。一是密封壓板與盾殼之間的縫隙只有2cm 左右，而鉸接密封厚度約4cm且呈180°反轉(zhuǎn)，縫隙太小，無法通過外力強行復(fù)位；二是密封翻出后，密封槽內(nèi)已被后部砂漿填充堵塞，砂漿已經(jīng)凝固，沒有復(fù)位空間。

經(jīng)咨詢，此類事故鮮有案例可查，處理經(jīng)驗欠缺。經(jīng)研究，只能采取臨時封水措施，排除涌水涌砂風(fēng)險，把鉸接密封擋板拆除后，將密封槽內(nèi)凝固的砂漿清理干凈，然后將鉸接密封復(fù)位。此處理方案存在以下風(fēng)險及困難。

4）拆除密封擋板 由于密封擋板為半圓式，半圈全部拆除存在鉸接密封整體脫落風(fēng)險。經(jīng)研究，將作業(yè)需求范圍內(nèi)的擋板割斷后拆除，盡量減少對其他部位的擾動。如圖5 所示，割斷密封擋板時，要先拆除割斷部位附近的擋板螺栓，用撬棍將密封擋板撬出，使密封擋板與鉸接密封分離，并在鉸接密封與密封擋板之間填充膠皮、鋼板等阻燃隔熱材料，防止割斷時對鉸接密封造成損傷。密封擋板割斷后，將故障部位的整段密封擋板拆除。

本工程盾構(gòu)采用被動鉸接，設(shè)置1 道鉸接密封，外側(cè)設(shè)置壓板以固定密封，由盾構(gòu)集中潤滑系統(tǒng)通過注脂孔注入油脂進行潤滑（圖3）。

鉸接密封故障修復(fù)的關(guān)鍵在于能夠在密封外地層中建立有效的隔水屏障，給密封故障處理工作提供安全條件，但這也是最難的一步，尤其在富水地層中，處理將極為困難。因此必須從源頭上預(yù)防鉸接密封故障。

高校內(nèi)部控制由高校所有成員共同參與，目標(biāo)是實現(xiàn)高效合理地運用資產(chǎn)，合法合規(guī)、高效率、有效地經(jīng)營，提供真實可靠的財務(wù)報告等。內(nèi)部控制是以制度、預(yù)算為主要手段而進行的動態(tài)管理活動，包含內(nèi)部環(huán)境、風(fēng)險管理、控制活動、信息溝通和監(jiān)督等五個要素，五要素的關(guān)系如圖2。

2）鉸接密封擋板不是分段式，而是半圓式，如果拆除，需要將半圈擋板全部拆除，存在鉸接密封整體脫落的風(fēng)險。

3）此次事故說明盾構(gòu)的鉸接密封設(shè)計或安裝存在缺陷，但目前已無法更換，后期如果避免此類故障的再次發(fā)生是重點。

1）應(yīng)急物資準(zhǔn)備 準(zhǔn)備棉紗、棉被、注漿機、撬棍、快干水泥等應(yīng)對涌水涌沙的應(yīng)急物資。

3.2 故障處理

針對以上風(fēng)險點，技術(shù)人員反復(fù)研究，制定了完善可靠的處理方案。

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2）排除涌水涌沙風(fēng)險 盾構(gòu)鉸接密封槽處有注脂孔，注脂孔旁有?50mm 預(yù)留通孔。首先將故障部位附近幾個注脂管路拆除，逐個疏通注脂孔，經(jīng)查看沒有水流出；其次加工?50mm 帶球閥的堵頭備用，逐個打開注脂孔旁?50mm 預(yù)留通孔盲板，小心疏通，經(jīng)查看也沒有水流出。至此，暫時排除涌水涌砂的風(fēng)險。

從直覺、經(jīng)驗走向理性是數(shù)學(xué)教育的追求。教學(xué)中，我們要從具體直覺和經(jīng)驗出發(fā)，對問題進行診斷、分析、抽象、綜合，進而走向理性思維的問題概括，要將學(xué)生的注意力由具體知識引向知識背后的思想方法。而數(shù)學(xué)內(nèi)容問題化是實現(xiàn)這一目標(biāo)十分有效的手段或途徑。

3）清理密封槽內(nèi)凝固的砂漿 用撬棍將鉸接密封再撬出一部分，使鉸接密封與擋板之間露出約4cm 空隙，打開作業(yè)空間。使用撬棍等工具將密封槽內(nèi)的砂漿搗碎，使用高壓清洗機將密封槽內(nèi)的砂漿清理出來。將?50mm 預(yù)留通孔盲板打開，前后配合清理，將密封槽清理干凈。

集成數(shù)據(jù)庫建立以后，需要利用生物信息軟件對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行進一步的集成處理。FLUDW中關(guān)于流感病毒數(shù)據(jù)的集成處理包括基因組標(biāo)注和序列的對齊。

圖5 密封擋板拆除示意圖

5）鉸接密封復(fù)位 作業(yè)區(qū)域留出后，迅速利用撬棍及自制工具等將鉸接密封擠出部分反轉(zhuǎn)復(fù)原，然后壓入密封槽內(nèi)，并安裝密封擋板。

3.3 鉸接密封加固預(yù)防

盾構(gòu)鉸接密封是盾構(gòu)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，因此在盾構(gòu)設(shè)計制造時就要考慮安全、可靠的設(shè)計方案。目前大多數(shù)盾構(gòu)鉸接系統(tǒng)都會采用兩道鉸接密封，或者1 道鉸接密封+1 道緊急氣囊的設(shè)計，起到雙保險的作用，這樣在靠近中盾側(cè)的鉸接密封故障時，依靠第2 道密封或者緊急氣囊仍然可以起到密封作用，為修復(fù)故障密封提供安全條件。

圖6 鉸接密封固定示意圖

4 鉸接密封故障預(yù)防措施

據(jù)《后漢書》《三國志》載，陶謙與曹操對戰(zhàn)地點是在徐州，治所后來遷到山東郯城；陶謙死后，劉備接任徐州牧?xí)r，治所應(yīng)已移至下邳，因為呂布是從劉備手中奪了下邳，并自封徐州刺史，治所就在下邳。直到魏明帝時，徐州刺史部治所才移到彭城（徐州）。但《三國演義》中，說劉備、呂布的治所都是在徐州，這樣，為了解釋呂布何以是在下邳被縊死，就不得不添補一些情節(jié)。《三國演義》作者被認(rèn)為是明朝吳貫中；明洪武年間，下邳縣已屬邳州，并另建新城，古下邳城的重要性大大降低。吳貫中不知是誤會，還是有意，將戰(zhàn)爭重心移到了徐州，這與歷史不符。

4.1 合理的鉸接密封系統(tǒng)設(shè)計

為防止再次發(fā)生上述故障，在密封擋板位置每隔20cm 焊接一個鋼板加工而成的“7”型鉤，如圖6 所示，可有效減小盾尾鉸接間隙，并穩(wěn)固鉸接密封。處理完成，恢復(fù)注脂管路，并適量注入潤滑油脂。繼續(xù)掘進，未出現(xiàn)漏水情況，現(xiàn)場加強注漿壓力控制，安排專人定期巡檢，后續(xù)施工中未再出現(xiàn)此類故障。

鉸接密封必須采用可靠的材料制作，保證足夠的壓力承載性能、可靠的耐磨性能及耐久度等，以確保使用安全。鉸接密封位置還要設(shè)置自動潤滑系統(tǒng)，使密封始終處于潤滑狀態(tài)，減少密封在活動時的磨損。

鉸接密封安裝時必須與盾尾鉸接密封槽完全契合緊貼，不能有活動余量。盾尾和中盾的鉸接位置要盡量保證同圓，防止對接后出現(xiàn)密封間隙大小不一的情況，間隙大的位置密封效果會較為薄弱，極易出現(xiàn)故障，目前已知的大多數(shù)鉸接密封故障都是此原因引起。

4.2 加強鉸接密封使用過程中的保護

掘進過程中加強盾構(gòu)姿態(tài)控制，糾偏時避免有較大的姿態(tài)變化，做到勤糾緩糾，減少對鉸接密封的擠壓損傷；加強同步注漿（壓力）控制，一是防止鉸接密封承受過高的壓力，二是防止砂漿反竄至鉸接位置，嵌入密封間隙內(nèi)，對鉸接密封造成損傷；加強鉸接密封潤滑油脂注入量控制，注入過少，會減弱潤滑效果，密封磨損加快，注入過多或壓力過高，會擠壓鉸接密封。

4.3 適宜的鉸接密封系統(tǒng)優(yōu)化改造

為防止鉸接密封和緊急氣囊損壞后產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，可事先對鉸接密封系統(tǒng)進行適宜的改造，在密封故障時，可有效的進行緊急處理。

利用鉸接密封注脂通道、緊急密封加氣通道或者鉸接密封處預(yù)留的通道等加裝1″高壓三通與球閥，在盾尾油脂氣動球閥處加裝1″高壓三通與球閥，用1″軟管將兩個球閥連通。正常狀態(tài)下不啟用該改造系統(tǒng)，在鉸接密封或緊急氣囊出現(xiàn)故障且不控時，可打開球閥，利用盾尾密封油脂泵通過改造管路向鉸接密封處、緊急氣囊內(nèi)、中盾和尾盾的間隙中注入盾尾密封脂，盾尾油脂具有較好的黏稠度，可以有效填充中盾、尾盾的空隙，在鉸接密封處形成一道保護屏障，起到隔水阻砂的作用，可以有效遏制事態(tài)惡化。

5 結(jié)論與討論

通過可靠的設(shè)計、良好的使用保護、適當(dāng)?shù)膽?yīng)急處理措施，可以有效的避免鉸接密封故障。本工程所用盾構(gòu)鉸接系統(tǒng)密封設(shè)計較為薄弱，出現(xiàn)故障后，通過完善的處理措施恢復(fù)了密封功能，避免了事態(tài)擴大，可為同類故障的處理及鉸接密封設(shè)計提供參考。

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第四，應(yīng)站在動態(tài)、發(fā)展的立場，而非采用機械、固化的眼光去審視民法基本原則。基本原則是民法基本理念的立法確認(rèn)，而民法基本理念是其所處特定時代特色的法律展現(xiàn)。“綠色原則”作為《民法典》對日益嚴(yán)峻的自然資源、生態(tài)環(huán)境危機的有力回應(yīng)，統(tǒng)領(lǐng)民事立法和民事裁判的實踐面向，引導(dǎo)著民事主體選擇低能耗、環(huán)境友好的生產(chǎn)、生活方式，彰顯了立法者對當(dāng)前自然資源、環(huán)境問題的價值取向。

鉸接密封故障的處理必須在保證安全的前提下進行，文中所述的方法是否最優(yōu)，還需后繼研究中繼續(xù)實踐、完善。