孫志洪， 王 寧

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450000)

0 引言

盾構法隧道成型技術是利用集開挖、支護、推進、襯砌等多種作業(yè)于一體的大型隧道掘進機來完成隧道開挖的現(xiàn)代施工工法[1]。在盾構掘進過程中，尾盾支護與隧道襯砌結構(管片)之間會形成一定尺寸的間隙(150 mm以內)[2]，該間隙連通著具有一定壓力的隧道土層與盾體內的安全空間，故需要相應的密封裝置進行隔斷。現(xiàn)階段，大部分的盾構都采用鋼絲刷涂抹盾尾密封油脂實現(xiàn)尾盾密封的目的[3]，但由于復雜的地下環(huán)境(富水中粗砂地層)和密封結構形式的固有缺陷，盾構在掘進過程中不可避免地發(fā)生漏水、漏泥、漏漿等危險[4]。近年來，我國城市軌道交通進入高速發(fā)展期，隨之而來的安全事故也不斷增加[5]。例如，2007年11月20日南京某地鐵項目發(fā)生掩埋盾構事故； 2016年7月17日，武漢某地鐵跨江隧道發(fā)生大規(guī)模盾尾密封泄漏事件； 2018年2月7日佛山某地鐵項目發(fā)生大規(guī)模地陷事故[3]。故對盾尾密封系統(tǒng)提供實時監(jiān)測，并在發(fā)生危險之前作出安全預警就顯得尤為重要。

目前，對盾尾密封系統(tǒng)的設計沒有嚴格意義的理論支撐，國內外對于密封狀態(tài)的監(jiān)測和預警也幾乎是空白。針對盾構在承壓含水層內易發(fā)生泄漏的情況，通過增加盾尾刷道數(shù)、改造油脂管路、改變注脂方式、優(yōu)化同步注漿、改變油脂成分可增強盾尾密封能力，這些方法可操作性較強、密封效果響應及時，但仍然是一類粗放型的解決方案，會造成資源的浪費和施工成本的增加[4-8]。另外，由管片、尾刷、尾盾組成的盾尾油脂腔是一個密封腔體，腔體內充滿盾尾密封油脂，其內部空間狹小、油脂處于流動狀態(tài)，時常發(fā)生漏漿現(xiàn)象，壓力波動較大[9-10]。

針對以上問題，本文提出了一種基于多種監(jiān)測技術相融合的綜合預警系統(tǒng)及監(jiān)測方法。為了攻克該預警系統(tǒng)的技術難題——盾尾油脂腔多點連續(xù)壓力監(jiān)測，制定了一套基于光纖光柵傳感的盾尾油脂腔體壓力多點連續(xù)監(jiān)測方案，并通過中鐵工程裝備集團有限公司研制的尾刷密封性能試驗臺進行前期的泄漏試驗，能夠測量出雙道尾刷單個油脂腔圓周方向上某點發(fā)生泄漏前后，油脂腔內各個壓力監(jiān)測點的壓力變化規(guī)律，以期為盾尾密封安全預警綜合系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持和技術儲備。

1 泄漏試驗裝置及測試方法

1.1 尾刷試驗臺的基本概況

中鐵工程裝備集團有限公司所研制的尾盾尾刷密封性能試驗臺[11-13]，如圖1所示，擁有1個加壓腔(P0)、3道尾刷(環(huán))、密封腔1(P2)、密封腔2(P2)、密封腔3(P3)，管片直徑約1 900 mm，整體結構可承受1 200 kPa的壓力。

圖1 尾刷密封性能試驗臺

本論文中需要監(jiān)測油脂腔發(fā)生泄漏時，圓周方向上的壓力變化和響應時間，故增加了腔體內的壓力監(jiān)測點和3個油脂進口處的壓力監(jiān)測點，并將所有監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行記錄。

每個腔體在保持原有的4個電法壓力傳感器之外，為了驗證光纖光柵壓力傳感器的有效性，在同一位置油脂腔內壁，增加4個光纖光柵壓力傳感器。為了得到油脂腔圓周方向上壓力薄弱點的壓力變化，在現(xiàn)有傳感器之間的位置也各增加1個光纖光柵壓力傳感器。為了精確監(jiān)控，每一路油脂管路在油脂腔進口處增加一個電法壓力傳感器對該處壓力進行監(jiān)測，各個傳感器分布情況如圖2所示。

圖2 傳感器分布圖

1.2 盾尾密封泄漏監(jiān)測試驗方案及步驟

1.2.1 單道尾刷背壓值測試

該試驗主要反映尾刷的反向承壓(相反于盾構掘進方向，本試驗中為垂直于地面向上)性能，是確定相鄰2個油脂腔壓力差的主要參數(shù)，具體步驟如下：

1)試驗前，對尾刷試驗臺進行調整，拆除試驗臺上的密封蓋，便于觀察油脂溢出情況。

2)第1道尾刷和第2道尾刷均涂覆油脂，使密封腔1成為密閉腔體。

3)加壓腔、密封腔2、密封腔3與外界相通，處于常壓狀態(tài)。

4)全用盾尾密封油脂充填密封腔1，逐級加壓至0.02、0.05、0.07、0.10、0.12、0.15、0.20 MPa，每一級保壓10 min，記錄該腔在每一級壓力下油脂上溢時各點的壓力。

1.2.2 雙道尾刷的泄漏監(jiān)測測試

該試驗主要反映單道油脂腔發(fā)生泄漏時，利用光纖光柵壓力傳感器結合傳統(tǒng)的電法傳感器監(jiān)測油脂腔圓周方向上各點的壓力變化，可為后續(xù)多點壓力監(jiān)測系統(tǒng)壓力傳感的分布提供數(shù)據(jù)支持。由于盾尾密封系統(tǒng)泄漏位置的不確定性，無法滿足本試驗單一變量的要求，故本試驗中，當油脂腔壓力達到設定值時，采用人為產生泄放來制造壓差，模擬由于壓差而產生泄漏的真實工況，具體操作步驟如下。

1)試驗前，對尾刷試驗臺進行調整，安裝上端密封蓋，形成加壓腔，用液壓管將加壓腔與密封腔1連通，對設備進行安裝調試。

2)第2道尾刷和第3道尾刷均涂覆油脂，使密封腔2成為密閉腔體。

3)密封腔2進行注脂加壓，使其壓力達到設定值(0.2、0.3、0.4 MPa)； 在對密封腔2注脂加壓的過程中，需同時對加壓腔進行注水加壓，使其壓力與密封腔2保持一致，保證第2道尾刷兩側的壓力差小于背壓值，防止第3道油脂腔的油脂冒向加壓腔，當加壓腔壓力達到相應級別的設定值后，保持壓力恒定不變。

4)人為使密封腔2某個地方發(fā)生泄放，使該處周圍的壓力逐漸下降直至發(fā)生泄漏，分別記錄腔體內各個傳感器的壓力變化情況。在進行每個壓力等級的泄漏監(jiān)測試驗之前，需對油脂腔進行反復注脂和泄放，以確保每次試驗前，油脂充滿整個腔體。

1.3 光纖光柵傳感器油脂標定及誤差分析

由于光纖光柵壓力傳感器具有尺寸小、安裝便捷、無需現(xiàn)場供電、信號傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點，比較適合應用于高壓、高濕的惡劣環(huán)境中[14]，故將其首次應用于盾尾油脂腔多點連續(xù)壓力監(jiān)測的研究中，本試驗中所用的光纖光柵壓力傳感器出廠參數(shù)如表1所示。

表1 光纖光柵壓力傳感器出廠參數(shù)

每個光纖光柵壓力傳感器出廠前都會進行Kp值標定，其標定所用壓力罐、高精度壓力表及光纖光柵解調儀如圖3所示，高精度壓力表的精度等級為0.25，滿足標定要求。

在進行誤差分析之前，需對光纖光柵壓力傳感器在油脂中和水中的測量壓力進行對比標定。

1)將2個光纖光柵壓力傳感器和2個光纖光柵溫度傳感器固定于金屬盒底部，如圖4(a)所示，直接放入壓力罐內，將壓力罐上蓋鎖緊并充滿水，觀測高精度壓力表實數(shù)，然后進行逐級增壓，記錄每個壓力等級下光纖光柵解調儀所顯示的穩(wěn)定波長值。

圖3 標定設備

2)將2個光纖光柵壓力傳感器和2個光纖光柵溫度傳感器固定于金屬盒底部，表面涂抹1層10 cm厚的油脂并壓實，如圖4(b)所示，采用相同的測試方法，進行記錄。

(a) (b)

圖4 傳感器固定

Fig. 4 Fixation of sensor

由于整個試驗過程中，在油脂和水中所測溫度的波長幾乎沒有變化，故本次試驗忽略了溫度對測量結果的影響。為了減小系統(tǒng)誤差，本試驗中對油脂中傳感器的測試值進行重復標定，通過對水標波長的線性擬合，得到如圖5所示的初始標定線性擬合曲線。

圖5 初始標定線性擬合曲線

根據(jù)圖5擬合曲線，得到線性曲線的解析公式

ps= 0.706 4p+ 1 546.901 5。

(1)

式中：ps為測量波長；p為壓力等級。

對式(1)進行多項式變換得

p= 1.415 6×(ps-1 546.901 5) 。

(2)

由式(2)得壓力與波長的比例系數(shù)為1.415 6，即表1中Kp值。據(jù)式(2)對油脂中的標定數(shù)據(jù)進行誤差計算，結果如表2所示。

表2 光纖光柵壓力傳感器在油脂中的測量誤差

Table 2 Measurement error of FBG pressure sensor in grease %

由表2的誤差計算可知，每個壓力等級下光纖光柵壓力傳感器的平均誤差均小于1%，符合本試驗的測量要求。

2 試驗結果與分析

2.1 單道尾刷背壓試驗的結果與分析

本試驗的目的為確定背壓值，防止油脂反向上冒。根據(jù)1.2.1節(jié)單道尾刷背壓試驗的試驗步驟進行相關測試，并對試驗數(shù)據(jù)進行記錄，如圖6所示。

圖6中光纖傳感器1—6號曲線分別表示尾刷密封腔1內壁所布置的光纖光柵壓力傳感器，電法傳感器2號曲線表示光纖光柵傳感器6所對應的電法傳感器。由光纖傳感器6號曲線和電法傳感器2號曲線的數(shù)據(jù)對比可得，同一位置，光纖光柵壓力傳感器所測壓力數(shù)據(jù)及變化趨勢跟傳統(tǒng)電法壓力傳感器一致性較高，也進一步證明光纖光柵壓力傳感器可用于本論文中的安全預警多點連續(xù)壓力監(jiān)測系統(tǒng)。當密封腔1壓力達到0.05、0.07 MPa左右時，觀察腔(加壓腔)沒有發(fā)生油脂上冒的狀況。當壓力達到0.10～0.12 MPa時，加壓腔圓周方向上有3處油脂上冒(如圖7所示)，證明該壓力范圍為所用型號尾刷在6 cm盾尾間隙條件下的背壓值范圍。

圖6 背壓試驗數(shù)據(jù)分析圖

(a) (b) (c)

圖7 油脂冒向加壓腔

Fig. 7 Shield tail seal grease rises into pressure chamber

觀察圖6中0.05、0.07 MPa壓力等級在保壓時間段內的壓力趨勢曲線可以發(fā)現(xiàn)，當腔體內壓力到達0.05、0.07 MPa壓力等級，保壓10 min，油脂腔圓周方向上的壓力值并不會趨于一致，而是會在±0.005 MPa均勻分布，該現(xiàn)象是由于油脂的黏性較大，0.01 MPa所引起的壓力差不足以克服其內部的剪切應力。

2.2 雙道尾刷單個油脂腔泄漏監(jiān)測試驗結果與分析

本試驗的目的為確定不同壓力等級條件下油脂腔發(fā)生泄漏時，圓周方向上的壓降規(guī)律。根據(jù)1.2.2小節(jié)雙道尾刷單個油脂腔泄漏試驗的試驗步驟，分別進行0.2、0.3、0.4、0.5 MPa壓力等級的相關試驗測試，結果如圖8—10所示。

在進行0.2 MPa壓力等級下的漏監(jiān)測試驗時，加壓腔壓力始終維持在0.2 MPa。當油脂腔壓力達到0.2 MPa時，保壓10 min，打開泄壓口3(14:37)，油脂慢慢向外擠出。此階段，泄放口3擠出的為純油脂，如圖11(a)所示。油脂腔圓周方向上的光纖光柵壓力監(jiān)測點的壓力傳感器同時感應到泄漏所引起的壓力變化，開始慢慢下降，由于與泄壓口3距離不同，造成各個壓力監(jiān)測點下降幅度有所不同，如圖8所示。5 min后，泄壓口3所擠出的為油脂和工業(yè)染料水的混合物，如圖11(b)所示。各個光纖光柵壓力監(jiān)測點的壓力開始驟降，同時，泄放口3所流出的全部為工業(yè)燃料水，如圖11(c)所示，證明該地方發(fā)生了完全泄漏，圓周方向上的光纖光柵壓力監(jiān)測點的壓力開始慢慢下降趨于穩(wěn)定。從打開泄放口產生壓差到發(fā)生完全泄漏的整個過程所用時間為6 min。

圖8 0.2 MPa等級泄漏監(jiān)測試驗

圖9 0.3 MPa級泄漏監(jiān)測試驗

圖10 0.4 MPa級泄漏監(jiān)測試驗

如圖9所示，當密封腔2和加壓腔壓力達到0.3 MPa設定值時，保壓10 min后，打開泄壓口3(10:22)，其整個泄漏過程和0.2 MPa壓力級基本保持一致，其從打開泄放口產生壓差到完全發(fā)生泄漏所用時間為4.5 min。

(a) (b) (c)

如圖10所示，當密封腔2和加壓腔壓力達到0.4 MPa設定值時，保壓10 min后，打開泄壓口3(17:03)，其整個泄漏過程和0.2 MPa壓力級基本保持一致，其從打開泄放口產生壓差到完全發(fā)生泄漏所用時間為2 min。

根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)，分別對0.2、0.3、0.4 MPa壓力等級下距泄放口不同距離壓力監(jiān)測點的壓差進行統(tǒng)計分析得到的趨勢如圖12所示。由圖12可得，打開泄放口到發(fā)生完全泄漏的時間段內，隨著距泄放口距離的增加，泄漏所引起的壓降越來越小，且基本呈線性關系，隨著壓力等級的增大，發(fā)生泄漏所產生的壓差也逐漸呈增大趨勢。

圖12 不同壓力等級下不同泄放口距離與壓力差關系

Fig. 12 Relationship of pressure variation with the location of pressure release under diller outlet ent pressure levels

3 結論與建議

針對盾構盾尾密封系統(tǒng)容易產生漏水、漏漿等施工危險，本文提出了一種多參量監(jiān)測的綜合預警方法。為了解決該預警方法中的尾刷腔多點連續(xù)壓力測量關鍵技術問題，進行了一系列基于光纖光柵傳感的盾尾密封泄漏監(jiān)測試驗，并進行數(shù)據(jù)分析得到如下結論：

1)由于光纖光柵壓力傳感技術具有安裝方便、無需現(xiàn)場供電、可串接等優(yōu)點，且其在油脂中的測量誤差可滿足本系統(tǒng)要求，故可將其應用于尾刷腔多點壓力監(jiān)測系統(tǒng)。

2)單道尾刷的背壓值為0.10～0.12 MPa，由此可得，盾尾密封系統(tǒng)中前后腔體之間應為0.10～0.12 MPa。

3)當尾刷腔體某點發(fā)生泄漏前，有一個壓力緩慢下降的階段，壓降階段的時間隨著油脂腔壓力的增大而降低，一旦泄露發(fā)生，油脂腔各點的壓力會出現(xiàn)驟降，且響應時間幾乎相同。

4)當油脂腔某個泄放點發(fā)生泄漏時，隨著距泄放口距離的增大，其在發(fā)生泄漏前的緩慢壓降階段的壓差逐漸減?。?隨著油脂腔泄漏前壓力的不斷增加，同一壓力監(jiān)測點由于泄漏所產生的壓降逐漸升高。

由以上結論可得，可以將多點連續(xù)壓力監(jiān)測系統(tǒng)布設于盾構盾尾油脂腔內壁。當某點發(fā)生泄漏時，通過對油脂腔圓周方向上不同位置壓力的實時監(jiān)測，找出壓力異常點，再結合盾尾間隙測量、盾構周邊壓力場，做出安全預警。

由于本文只進行了單道尾刷低水壓的泄漏特性探究，為進一步探究多道尾刷發(fā)生泄漏時尾刷腔的特性變化規(guī)律、高水壓下尾刷的泄漏特性、多道尾刷多點連續(xù)壓力監(jiān)測系統(tǒng)的可行性等問題，今后將修改試驗平臺和試驗方案，對以上問題進行驗證和探究。