盾尾鋼絲刷受力性能模擬試驗(yàn)研究

魏林春

(上海隧道工程有限公司，上海 200082)

0 引言

近年來(lái)，隨著盾構(gòu)法隧道工程越來(lái)越多，遇到的地質(zhì)環(huán)境也日趨復(fù)雜。盾構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)用雖已較為成熟，但在長(zhǎng)距離掘進(jìn)施工、不同地層地質(zhì)條件下施工時(shí)，因較大的施工差異性，難免會(huì)出現(xiàn)盾尾刷密封失效[1-3]等問(wèn)題。2018年2月7日，佛山市軌道交通2號(hào)線1期工程土建1標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間右線工地由于盾尾透水涌砂，引發(fā)隧道及路面坍塌，造成11人死亡、1人失蹤、8人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約5 323.8萬(wàn)元[4]。盾尾泄漏對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)影響極大，通常在盾尾剛開(kāi)始出現(xiàn)局部滲水、漏漿時(shí)，采取調(diào)整盾尾油脂注入?yún)?shù)、管片后墊海綿條[5]等施工措施；一旦出現(xiàn)盾尾刷嚴(yán)重滲漏、涌砂冒水的情況，則必須進(jìn)行盾尾刷更換才能恢復(fù)掘進(jìn)。這方面已有一些研究文獻(xiàn)。陳成等[6]以杭州慶春路過(guò)江隧道為例，論述了高承壓含水層中更換盾尾刷長(zhǎng)距離液氮凍結(jié)技術(shù)。李陶朦[7]以南京地鐵3號(hào)線TA03標(biāo)土壓盾構(gòu)盾尾漏沙、漏漿為例，對(duì)土壓盾構(gòu)盾尾滲漏的原因及處置措施進(jìn)行了研究。姚夢(mèng)威等[8]結(jié)合南京緯三路過(guò)江通道長(zhǎng)距離盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中盾尾刷嚴(yán)重滲漏、涌砂冒水工程實(shí)例，提出了液氮凍結(jié)止水及盾尾刷更換方案。

目前，盾尾絕大部分是采用鋼絲刷+鋼板刷的密封構(gòu)造形式。由于盾尾設(shè)計(jì)不合理或盾構(gòu)施工過(guò)程控制不當(dāng)，盾尾刷較容易發(fā)生破壞，導(dǎo)致盾尾滲漏事故。例如： 盾構(gòu)姿態(tài)糾偏過(guò)猛，盾尾油脂參數(shù)不合理[9]或盾尾間隙中混入較大的混凝土碎塊等均可能導(dǎo)致盾尾刷損壞。通常盾構(gòu)制造廠商會(huì)在同類級(jí)別的盾構(gòu)上采用較統(tǒng)一的盾尾刷型號(hào)，但由于每臺(tái)盾構(gòu)的盾尾間隙設(shè)置和盾尾密封工作壓力不同，導(dǎo)致盾尾刷的工作適應(yīng)性不同。現(xiàn)有研究?jī)H局限于盾尾刷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10]、耐磨性和彈性性能[11-12]及盾尾更換方案[13-15]等方面，而在盾尾密封失效誘因等方面認(rèn)識(shí)不夠深入、全面，對(duì)特定盾尾刷在不同盾尾間隙下的正常工作壓力差范圍和適應(yīng)性的研究存在欠缺。

本文對(duì)依托盾構(gòu)工程采用的盾尾刷進(jìn)行模擬試驗(yàn)分析，研究其在不同的盾尾間隙下的工作性能，探討盾尾刷破壞機(jī)制、盾尾密封失效誘因等，以期為今后類似工程的盾尾刷密封止水效果評(píng)估提供技術(shù)支持和參考借鑒。

1 工程背景

1.1 盾尾密封結(jié)構(gòu)

某越江隧道工程采用泥水平衡盾構(gòu)施工，穿越地層主要為粉細(xì)砂、中粗砂、強(qiáng)(中)風(fēng)化泥巖和礫巖等，隧道最大水頭約0.65 MPa。盾尾密封采用4道鋼絲刷和1道鋼板刷組成，設(shè)計(jì)盾尾間隙為110 mm，管片在盾尾內(nèi)可調(diào)節(jié)范圍為±50 mm，即盾尾間隙浮動(dòng)范圍為60～160 mm。盾尾密封構(gòu)造示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 盾尾密封構(gòu)造示意圖(單位： mm)

盾尾鋼絲刷由前保護(hù)板、后壓緊板、金屬鋼絲刷和基座板組成。本工程盾構(gòu)盾尾刷構(gòu)造及尺寸如圖2所示。單塊鋼絲刷底座長(zhǎng)275 mm，寬200 mm。鋼絲刷前保護(hù)板由2塊200 mm(長(zhǎng))×150 mm(寬)且相互搭接50 mm的彈簧鋼板組成，總寬度為250 mm；后壓緊板由2塊274.9 mm(長(zhǎng))×150 mm(寬)且相互搭接50 mm的彈簧鋼板組成，總寬度為250 mm；前后彈簧鋼板間由4層彈性鋼絲填充，填充鋼絲總寬為200 mm，長(zhǎng)度為230～275 mm。

1.2 盾尾滲漏原因分析

在依托工程左線隧道盾構(gòu)推進(jìn)至174環(huán)、千斤頂行程為2 000 mm時(shí)，盾尾5點(diǎn)鐘位置首次出現(xiàn)同步漿液漏漿，立即暫停盾構(gòu)推進(jìn)，補(bǔ)壓盾尾油脂，對(duì)滲漏漿液進(jìn)行清理。清理油脂過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)推進(jìn)方向5點(diǎn)鐘位置有1塊1 mm厚盾尾刷鋼板被帶出，斷裂鋼板發(fā)生彎曲變形，如圖3所示。

在盾尾出現(xiàn)滲漏后，采取全斷面填塞海綿進(jìn)行管片拼裝。為防止海綿在推進(jìn)過(guò)程中外溢，在管片底部90°范圍內(nèi)安放插板。插板長(zhǎng)度為1.75 m，安放在2組千斤頂之間。為保證后續(xù)過(guò)江段盾構(gòu)推進(jìn)施工安全，在221環(huán)檢查滲漏點(diǎn)處第4道鋼絲刷破損情況。將10#封頂塊(對(duì)應(yīng)推進(jìn)方向5點(diǎn)鐘位置)位置空出，繼續(xù)推進(jìn)千斤頂，使封頂塊位置范圍內(nèi)的第4道盾尾鋼絲刷暴露出來(lái)，檢查發(fā)現(xiàn)該處鋼絲刷前保護(hù)板翻出和缺失，且鋼絲大部分翻出，但管片后填充的海綿及油脂密封效果較好，未見(jiàn)同步漿液滲漏，如圖4所示。

(a) 實(shí)物照片

(b) 平面尺寸圖

(c) C向視圖

(d) B向視圖

從盾尾清理出的斷裂鋼板破壞形態(tài)和盾尾刷檢查情況分析，初步確定為盾尾刷鋼板受外力影響向外翻折，造成盾尾刷前保護(hù)板根部沿壓板位置齊根斷裂，從而形成滲漏通道，導(dǎo)致盾尾油脂外漏。

圖3 斷裂的盾尾刷鋼板

圖4 盾尾刷檢查照片

2 盾尾刷模擬試驗(yàn)

采用依托工程盾構(gòu)施工中的盾尾刷進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并專門設(shè)計(jì)了可以模擬盾尾間隙和盾尾油脂壓力等盾尾刷工作環(huán)境的模擬試驗(yàn)裝置。通過(guò)模擬不同的盾尾間隙和盾尾油脂壓力差下的盾尾刷工作性能和變形狀態(tài)，評(píng)估盾尾刷的工作狀態(tài)。

2.1 試驗(yàn)加載方案

盾尾刷反力架模擬試驗(yàn)裝置如圖5所示。通過(guò)設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)間距的活板1和活板2來(lái)模擬盾尾內(nèi)弧面和管片外弧面間隙，盾尾刷試件通過(guò)錨板固定在活板2上；利用T字形壓桿模擬盾尾油脂壓力(將盾尾油脂給盾尾刷底部鋼板的面壓力轉(zhuǎn)換為集中線性荷載)，施加給盾尾刷底部鋼板，從而模擬盾尾油脂壓力環(huán)境。試驗(yàn)加載儀器為YES-100數(shù)顯管剛度壓力試驗(yàn)機(jī)，其加載范圍為±100 kN，測(cè)試精度為±1 N，上下工作臺(tái)間最大距離為3 000 mm，加載速度為2 ～20 000 mm/min。

本次試驗(yàn)試件為實(shí)際工程中所采用的盾尾鋼絲刷，共有5個(gè)，編號(hào)為1—5。對(duì)試件1—5分別進(jìn)行盾尾間隙為60 mm、85 mm、110 mm、135 mm和160 mm的加載試驗(yàn)，如圖6所示。加載試驗(yàn)采用位移控制，加載速度為5 mm/min。試驗(yàn)終止條件為模擬盾尾油脂壓力超過(guò)0.6 MPa或鋼絲刷彈簧鋼板斷裂失效。本次試驗(yàn)采用DH5921動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀和XL2118A靜態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和采集。

(a) 模型圖

(b) 結(jié)構(gòu)圖

2.2 測(cè)點(diǎn)布置及檢測(cè)內(nèi)容

在盾尾鋼絲刷試件的前保護(hù)板、后壓緊板同一側(cè)分別粘貼3個(gè)軸向應(yīng)變片，如圖7所示。前保護(hù)板前部、中部和根部分別編號(hào)為Qa、Qb、Qc，后壓緊板前部、中部和根部分別編號(hào)為Ha、Hb、Hc。

圖7 前、后板應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

本文以盾尾間隙110 mm和135 mm為例對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析。

盾尾間隙為110 mm時(shí)的試驗(yàn)加載過(guò)程及現(xiàn)象如下： 開(kāi)始加載后，所有應(yīng)變測(cè)點(diǎn)通道均連通、有讀數(shù)，試件3以較快速度向下彎曲變形，呈倒“S”形，盾尾刷前保護(hù)板的中部、端部與活板快速緊密貼合； 當(dāng)反力架壓桿位移為160 mm時(shí)，聽(tīng)到鋼板破壞的響聲，此時(shí)荷載為11.58 kN，同時(shí)觀察到試件3前保護(hù)板已經(jīng)破壞，隨即停止加載并開(kāi)始卸載； 取出試件3，發(fā)現(xiàn)試件前板右側(cè)1塊鋼板根部已經(jīng)斷裂，同時(shí)中部發(fā)生塑性彎曲變形，另一塊鋼板根部接近斷裂并伴有中部塑性彎曲變形，如圖8所示。

(a) (b) (c)

盾尾間隙為135 mm時(shí)的試驗(yàn)加載過(guò)程及現(xiàn)象如下： 開(kāi)始加載后，所有應(yīng)變測(cè)點(diǎn)通道均連通、有讀數(shù)，試件4以很快速度向下彎曲變形，呈倒“S”形，盾尾刷前保護(hù)板的端部與活板快速緊密貼合； 直到壓桿位移為120 mm時(shí)，盾尾刷試件出現(xiàn)破壞響聲，觀察到試件已經(jīng)破壞，隨即停止加載并開(kāi)始卸載； 取出試件4，發(fā)現(xiàn)試件前板左側(cè)1塊鋼板斷裂、右側(cè)中部發(fā)生塑性彎曲變形，并伴有后板中部塑性彎曲變形，如圖9所示。

(a) (b) (c)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次模擬試驗(yàn)通過(guò)T字形壓桿將盾尾油脂給盾尾刷底部鋼板的面壓力轉(zhuǎn)換為集中線性荷載，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)盾尾刷后壓緊板受力狀態(tài)和變形影響較大，而對(duì)前保護(hù)板的影響相對(duì)較小。從試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果來(lái)看，盾尾刷前保護(hù)板破壞形態(tài)與實(shí)際工程較為一致，因此，本次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)探討實(shí)際工程中盾尾滲漏原因具有較強(qiáng)的參考性。

從模擬試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，盾尾刷前、后板的根部c點(diǎn)的應(yīng)變讀數(shù)最大，符合盾尾刷倒“S”形變形特征。5種工況下的前、后板c點(diǎn)應(yīng)變?nèi)鐖D10所示。前保護(hù)板、后壓緊板最大應(yīng)變均出現(xiàn)在c點(diǎn)，根據(jù)盾尾刷使用鋼材應(yīng)力-應(yīng)變特性，在彈性變形范圍內(nèi)應(yīng)變較大部位的應(yīng)力水平也較高。即說(shuō)明在所有應(yīng)變測(cè)點(diǎn)中，均是c點(diǎn)更容易產(chǎn)生塑性變形或者破壞。

(a) 前保護(hù)板

(b) 后壓緊板

從不同盾尾間隙工況下的試驗(yàn)結(jié)果可以看出： 1)相同荷載作用下，盾尾間隙越大，前、后板c點(diǎn)應(yīng)變?cè)酱螅芪菜摪逡哺菀装l(fā)生破壞； 2)在較小盾尾間隙工況下，前保護(hù)板和后壓緊板的協(xié)調(diào)變形能力更強(qiáng)，部分工況后壓緊板比前保護(hù)板測(cè)得應(yīng)變更大，但均在鋼板正常工作范圍內(nèi)。

加載試驗(yàn)極限荷載與破壞特征如表1所示。

表1 加載試驗(yàn)極限荷載與破壞特征

由模擬加載試驗(yàn)極限荷載與破壞特征來(lái)看(見(jiàn)表1)，盾尾間隙越小，則盾尾刷可以承受較大荷載水平，而盾尾間隙較大的試驗(yàn)工況下盾尾刷可以承受的極限荷載則相對(duì)較小。加載荷載-壓桿位移曲線如圖11所示。

圖11 加載荷載-壓桿位移曲線

從表1中盾尾刷試件的破壞特征與圖11可知，相同荷載時(shí)，盾尾間隙越大，壓桿位移基本上也越大，盾尾刷整體變形越明顯。結(jié)合模擬試驗(yàn)測(cè)試應(yīng)變和試件破壞特征可得： 1)在盾尾間隙為60 mm和85 mm工況時(shí)，盾尾刷前、后鋼板協(xié)調(diào)變形能力較強(qiáng)，盾尾刷在承受0.6 MPa左右的壓力荷載水平時(shí)，盾尾刷鋼板基本處于彈性或局部微小塑性變形階段，盾尾刷工作正常； 2)當(dāng)盾尾間隙增大到110 mm工況時(shí)，隨著荷載水平增加，盾尾刷變形逐漸變大，在對(duì)應(yīng)壓力達(dá)0.53 MPa時(shí)，盾尾刷鋼板局部逐步由彈性變形階段過(guò)渡到塑性變形階段，直至鋼板根部斷裂； 3)而當(dāng)盾尾間隙繼續(xù)增大到135 mm和160 mm工況時(shí)，只需要較小的荷載水平，盾尾刷即產(chǎn)生較大變形，盾尾刷前保護(hù)板根部產(chǎn)生極大的塑性變形并斷裂破壞，與盾尾刷壓板完全分離，盾尾刷鋼絲外翻，從而導(dǎo)致盾尾失效。

4 結(jié)論與建議

本次模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)了專用試驗(yàn)裝置，采用依托工程盾尾刷作為試件，在不同盾尾間隙工況下進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，盾尾鋼絲刷工作狀態(tài)與盾尾間隙大小、盾尾油脂壓力參數(shù)等關(guān)系密切。在相同作用壓力下，盾尾間隙越大，盾尾刷越容易產(chǎn)生變形。在盾尾間隙較小時(shí)，盾尾刷能承受較大荷載而不破壞。隨著盾尾間隙的增大，盾尾刷破壞特征由前保護(hù)板產(chǎn)生微小塑性變形，到產(chǎn)生塑性變形并且根部斷裂。當(dāng)盾尾間隙增大到一定程度時(shí)，較小的荷載即可造成前保護(hù)板根部產(chǎn)生極大的塑性變形，甚至是保護(hù)板根部斷裂，從而導(dǎo)致盾尾刷無(wú)法正常工作。

盾尾滲漏是盾構(gòu)法隧道工程施工中的常見(jiàn)現(xiàn)象，一旦發(fā)生，極容易導(dǎo)致重大工程事故發(fā)生。因此，盾構(gòu)新(舊)機(jī)應(yīng)在投入工程項(xiàng)目前，針對(duì)性進(jìn)行盾尾密封止水專項(xiàng)驗(yàn)算，以確定現(xiàn)有盾尾密封止水構(gòu)造是否滿足工程需求；盾構(gòu)施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制盾尾各腔體盾尾油脂壓力呈梯度分布，確保盾尾刷前、后保護(hù)鋼板受到的壓力差在設(shè)計(jì)承受水平；嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)偏差，確保盾尾刷工作正常；防止管片拼裝區(qū)混凝土碎塊、金屬異物等在拼裝過(guò)程中混入盾尾，導(dǎo)致盾尾刷損傷。