盾构铰接密封故障处理及预防措施探析

赵 旭/ZHAO Xu

(中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450003)

盾构法是城市地下隧道施工最常用、最有效的工法，盾构通过保压系统建立适宜的压力来平衡地下的水土压力，同时通过主驱动密封、铰接密封、盾尾密封等密封系统，在盾构内部形成与地层隔绝的封闭空间，以保证作业人员的安全，具有安全、高效、环保，对地面建筑及交通影响较小的特点。但盾构密封系统如果出现故障失效，盾构内部与外部地层连通，在地层水土压力作用下，会发生漏水漏砂险情，严重的还会导致地面塌陷、设备被淹、隧道被毁、人员伤亡等严重后果。近些年来，在采用盾构法施工的工程中，已经发生了多起因为盾构密封系统失效导致的严重事故，损失巨大。

本文以哈尔滨市轨道交通2 号线一期工程五标段冰雪大世界站-太阳岛站区间土压盾构施工为例，阐述一种盾构铰接密封故障失效后的修复方法，并分析总结此类故障的预防措施，为类似故障处理提供一种新的思路。

1 铰接系统介绍

盾构铰接系统主要是应对小转弯半径曲线施工或盾构姿态偏离轴线时进行纠偏的最有效的设备系统。铰接系统通常分为前后两个部分，中间用千斤顶连接，形成一个铰接装置，这样可以使盾构主机前后弯折，以适应曲线段的掘进。根据盾构推进油缸固定位置的不同，盾构的铰接方式主要分为被动铰接（图1）和主动铰接（图2）：被动铰接的铰接千斤顶依靠外力自由伸缩，从而使盾构前后部分发生弯折，盾构推进油缸的后端顶在盾构的前部，油缸的前端搁置在摆动支承上，推进油缸的推力直接作用在盾构前部；主动铰接依靠铰接千斤顶的主动伸缩使盾构主机前后部分发生弯折，盾构推进油缸固定在盾构的后部，推进油缸的推力作用在盾构的后部再通过铰接千斤顶传递到盾构前部。盾构主机的前后弯折会导致盾体前后两部分产生缝隙，为了保证盾体内部安全的工作环境，设备必须达到实时与外部隔离的效果，因此需要在盾体铰接部位添加密封装置来保证盾体内部空间与盾体外土层的隔离。盾构铰接密封的主要作用为防止盾体外的泥土、砂砾等进入盾体内，如果密封失效，盾体内部与外部土层连通，会引发严重后果。

作为县级城市，扬中市智慧城市建设不能盲目跟风，必须从自身实际特点出发，以实际发展需求为导向，进行智慧城市某一领域的重点建设，打造出“智慧扬中”的特色。作为全国闻名的“工程电气岛”和“新能源产业岛”，扬中电力电气产业基地是江苏省首批特色产业基地。近年来扬中正努力实现由电力电气产业基地向智能电气产业基地的跨越，智慧电气小镇建设也取得了重大进展，接下来扬中应着力打造高水平的智慧电气特色小镇，以智慧产业推进扬中智慧城市建设进程。

图2 主动铰接系统示意图

2 铰接密封故障概况

2.1 工程简介

哈尔滨市轨道交通2 号线一期工程五标段包括一站二区间土建施工。冰雪大世界站～太阳岛站区间总长度为1 750m，由2 台土压平衡盾构从太阳岛站向冰雪大世界站掘进。区间隧道外径6 200mm，内径5 500mm，管片厚350mm，环宽1 200mm。

2.2 铰接密封设计

1）此处铰接密封虽然已经挤出，但与密封挡板及密封槽内凝固的砂浆一起作用，仍能起到暂时的稳固密封作用，如果将挡板拆除，清理密封槽内凝固的砂浆，存在涌水涌砂风险。

图3 铰接密封示意图

2.3 铰接密封故障情况

左线盾构在掘进施工过程中，突然发现掘进方向11 点位置盾尾铰接处喷出一股砂浆，随即出现涌水涌砂险情。现场立即停止掘进，停止同步注浆，加大铰接密封油脂注入量，涌水现象有所减弱，后渐渐只有小股清水流出。事后检查发现，喷涌处铰接密封呈180°翻转后挤出密封槽，环向长度约20cm（图4）。

图4 铰接密封挤出失效

经过检查，铰接其他位置没有出现类似情况，测量整圈铰接位置间隙，此处间隙最大，约2cm 左右，铰接密封反转180°后挤出。综合检查结果，初步判断：此铰接系统只设置一道铰接密封，嵌入铰接密封槽内，外侧有挡板固定，由于铰接密封与盾尾铰接密封槽契合度不够，没有紧贴密封槽，密封活动余量较大；尾盾与中盾铰接位置椭圆度不同，导致此处缝隙较大；在同步注浆压力和润滑油脂压力作用下，铰接密封受外力作用翻过密封挡板挤出。

3 铰接密封故障修复

3.1 故障修复方案

现场采取撬棍等工具尝试将铰接密封复位，经反复尝试，无法复位。一是密封压板与盾壳之间的缝隙只有2cm 左右，而铰接密封厚度约4cm且呈180°反转，缝隙太小，无法通过外力强行复位；二是密封翻出后，密封槽内已被后部砂浆填充堵塞，砂浆已经凝固，没有复位空间。

经咨询，此类事故鲜有案例可查，处理经验欠缺。经研究，只能采取临时封水措施，排除涌水涌砂风险，把铰接密封挡板拆除后，将密封槽内凝固的砂浆清理干净，然后将铰接密封复位。此处理方案存在以下风险及困难。

4）拆除密封挡板 由于密封挡板为半圆式，半圈全部拆除存在铰接密封整体脱落风险。经研究，将作业需求范围内的挡板割断后拆除，尽量减少对其他部位的扰动。如图5 所示，割断密封挡板时，要先拆除割断部位附近的挡板螺栓，用撬棍将密封挡板撬出，使密封挡板与铰接密封分离，并在铰接密封与密封挡板之间填充胶皮、钢板等阻燃隔热材料，防止割断时对铰接密封造成损伤。密封挡板割断后，将故障部位的整段密封挡板拆除。

本工程盾构采用被动铰接，设置1 道铰接密封，外侧设置压板以固定密封，由盾构集中润滑系统通过注脂孔注入油脂进行润滑（图3）。

铰接密封故障修复的关键在于能够在密封外地层中建立有效的隔水屏障，给密封故障处理工作提供安全条件，但这也是最难的一步，尤其在富水地层中，处理将极为困难。因此必须从源头上预防铰接密封故障。

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2）铰接密封挡板不是分段式，而是半圆式，如果拆除，需要将半圈挡板全部拆除，存在铰接密封整体脱落的风险。

3）此次事故说明盾构的铰接密封设计或安装存在缺陷，但目前已无法更换，后期如果避免此类故障的再次发生是重点。

1）应急物资准备 准备棉纱、棉被、注浆机、撬棍、快干水泥等应对涌水涌沙的应急物资。

3.2 故障处理

针对以上风险点，技术人员反复研究，制定了完善可靠的处理方案。

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2）排除涌水涌沙风险 盾构铰接密封槽处有注脂孔，注脂孔旁有∅50mm 预留通孔。首先将故障部位附近几个注脂管路拆除，逐个疏通注脂孔，经查看没有水流出；其次加工∅50mm 带球阀的堵头备用，逐个打开注脂孔旁∅50mm 预留通孔盲板，小心疏通，经查看也没有水流出。至此，暂时排除涌水涌砂的风险。

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3）清理密封槽内凝固的砂浆 用撬棍将铰接密封再撬出一部分，使铰接密封与挡板之间露出约4cm 空隙，打开作业空间。使用撬棍等工具将密封槽内的砂浆捣碎，使用高压清洗机将密封槽内的砂浆清理出来。将∅50mm 预留通孔盲板打开，前后配合清理，将密封槽清理干净。

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图5 密封挡板拆除示意图

5）铰接密封复位 作业区域留出后，迅速利用撬棍及自制工具等将铰接密封挤出部分反转复原，然后压入密封槽内，并安装密封挡板。

3.3 铰接密封加固预防

盾构铰接密封是盾构的关键系统之一，因此在盾构设计制造时就要考虑安全、可靠的设计方案。目前大多数盾构铰接系统都会采用两道铰接密封，或者1 道铰接密封+1 道紧急气囊的设计，起到双保险的作用，这样在靠近中盾侧的铰接密封故障时，依靠第2 道密封或者紧急气囊仍然可以起到密封作用，为修复故障密封提供安全条件。

图6 铰接密封固定示意图

4 铰接密封故障预防措施

据《后汉书》《三国志》载，陶谦与曹操对战地点是在徐州，治所后来迁到山东郯城；陶谦死后，刘备接任徐州牧时，治所应已移至下邳，因为吕布是从刘备手中夺了下邳，并自封徐州刺史，治所就在下邳。直到魏明帝时，徐州刺史部治所才移到彭城（徐州）。但《三国演义》中，说刘备、吕布的治所都是在徐州，这样，为了解释吕布何以是在下邳被缢死，就不得不添补一些情节。《三国演义》作者被认为是明朝吴贯中；明洪武年间，下邳县已属邳州，并另建新城，古下邳城的重要性大大降低。吴贯中不知是误会，还是有意，将战争重心移到了徐州，这与历史不符。

4.1 合理的铰接密封系统设计

为防止再次发生上述故障，在密封挡板位置每隔20cm 焊接一个钢板加工而成的“7”型钩，如图6 所示，可有效减小盾尾铰接间隙，并稳固铰接密封。处理完成，恢复注脂管路，并适量注入润滑油脂。继续掘进，未出现漏水情况，现场加强注浆压力控制，安排专人定期巡检，后续施工中未再出现此类故障。

铰接密封必须采用可靠的材料制作，保证足够的压力承载性能、可靠的耐磨性能及耐久度等，以确保使用安全。铰接密封位置还要设置自动润滑系统，使密封始终处于润滑状态，减少密封在活动时的磨损。

铰接密封安装时必须与盾尾铰接密封槽完全契合紧贴，不能有活动余量。盾尾和中盾的铰接位置要尽量保证同圆，防止对接后出现密封间隙大小不一的情况，间隙大的位置密封效果会较为薄弱，极易出现故障，目前已知的大多数铰接密封故障都是此原因引起。

4.2 加强铰接密封使用过程中的保护

掘进过程中加强盾构姿态控制，纠偏时避免有较大的姿态变化，做到勤纠缓纠，减少对铰接密封的挤压损伤；加强同步注浆（压力）控制，一是防止铰接密封承受过高的压力，二是防止砂浆反窜至铰接位置，嵌入密封间隙内，对铰接密封造成损伤；加强铰接密封润滑油脂注入量控制，注入过少，会减弱润滑效果，密封磨损加快，注入过多或压力过高，会挤压铰接密封。

4.3 适宜的铰接密封系统优化改造

为防止铰接密封和紧急气囊损坏后产生严重的后果，可事先对铰接密封系统进行适宜的改造，在密封故障时，可有效的进行紧急处理。

利用铰接密封注脂通道、紧急密封加气通道或者铰接密封处预留的通道等加装1″高压三通与球阀，在盾尾油脂气动球阀处加装1″高压三通与球阀，用1″软管将两个球阀连通。正常状态下不启用该改造系统，在铰接密封或紧急气囊出现故障且不控时，可打开球阀，利用盾尾密封油脂泵通过改造管路向铰接密封处、紧急气囊内、中盾和尾盾的间隙中注入盾尾密封脂，盾尾油脂具有较好的黏稠度，可以有效填充中盾、尾盾的空隙，在铰接密封处形成一道保护屏障，起到隔水阻砂的作用，可以有效遏制事态恶化。

5 结论与讨论

通过可靠的设计、良好的使用保护、适当的应急处理措施，可以有效的避免铰接密封故障。本工程所用盾构铰接系统密封设计较为薄弱，出现故障后，通过完善的处理措施恢复了密封功能，避免了事态扩大，可为同类故障的处理及铰接密封设计提供参考。

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铰接密封故障的处理必须在保证安全的前提下进行，文中所述的方法是否最优，还需后继研究中继续实践、完善。