盾构机的传感器 “强国号”超大直径盾构机，又有新功能

发布时间：2024-10-06 14:10:57

“强国号”超大直径盾构机，又有新功能

来源：科技日报

◎ 科技日报记者 矫阳

11月20日，由中铁二十二局与铁建重工联合打造的超大直径泥水平衡盾构机“强国号”，在铁建重工园区准备向穗莞深城际“前海至皇岗口岸段三工区”项目运发。

中铁二十二局供图

“强国号”是目前国内最先进的超大直径盾构机，被誉为同类产品的“天花板”和集大成者。“强国号”有哪些新功能？

“‘强国号’总长126米，总重3300吨，采用常压复合式刀盘，配备国内最先进的电气系统、泥水环流系统。开挖直径13.27米，多项配置为全国之最。同时首次在国内采用掘进开挖管理系统，大大提高了盾构操作智能化水平，通过精密分析、精确计算掘进开挖出土量，可以有效避免盾构机超挖问题。”中铁二十二局集团轨道分公司穗莞深城际项目负责人刘自明说。

中铁二十二局供图

据介绍，穗莞深城际前皇段三工区盾构隧道，是深圳市城际铁路首个大直径盾构隧道。“盾构区间全长3511米，为双线隧道，具有开挖断面大、地质条件差、建设标准高、关键技术多等特点，沿线中高风险源28处，下穿管线多达一百余处，多次上跨、下穿、并行既有线路，施工难度在国内盾构施工中首屈一指。”刘自明说，盾构机下穿的地层为海冲积至冲洪积平原地貌，靠近深圳湾、深圳河，下穿新洲河，场区属于填海造陆区域，建筑密布。在这种情况下，盾构下穿作业，犹如在“豆腐块”里挖隧道。

然而，采用超大直径盾构机在上软下硬地层中掘进，极易出现地表沉降、刀具磨损等难题。如何在上软下硬地层中控制掘进参数、判断刀具磨损及仓内状况，成为盾构施工管理的最大难点。

面对挑战，中铁二十二局集团联合铁建重工研发团队，有针对性地为“强国号”搭载了多项智能化、人性化创新设计。

针对地层岩体不均匀，裂隙发育，局部因裂隙密集程度及充填情况差异较大的问题，设计选用了泥水平衡盾构机，靠闭路管路输送渣土，极大提升了密封性能。

在盾构机刀盘设计上，研发团队采用了高耐磨和抗冲击设计。“纵深方向开口采用倒锥形设计，即‘严进宽出’结构。”刘自明说，这个设计利于渣土进入泥水舱，达到提高渣土流动效率的目标，继而降低滞磨率。

“强国号”配装了一系列顶尖的智慧化系统，拥有一个“最强大脑”。

“刀盘上的每把滚刀，都配装了一系列传感器、简易信息浮窗和报警系统等一系列装置。”刘自明说，每把刀具如同长了“眼睛和耳朵”，确保操作人员及时准确地获得刀具工作状态、磨损情况等信息。

施工作业及指挥，也全部实现智能化。

据技术人员介绍，注浆智能监控系统则利用探测雷达和智能分析软件，实现隧道壁后注浆图像自动识别，代替传统靠人工、经验进行的判断，实现对壁后注浆的精细化控制。而在地面盾构指挥中心，技术人员则利用盾构施工大数据平台和智能数据分析系统，实现项目智能管理、设备状态智能监测、施工风险管控、智能辅助掘进等功能。

“掘进期间，‘强国号’还将采用专业设计的控制箱进行全站仪的通讯和电源管理，实现真正的无线缆作业。”刘自明说。

据悉，全长21.167公里的穗莞深城际前海至皇岗口岸段，途经深圳市前海合作区、南山区、福田区，建成后，对完善深圳滨海地区城际轨道骨干网络，支持前海自贸区、东莞滨海新城等重点发展片区快速建设，打造粤港澳大湾区城际铁路网具有重要意义。

来源：科技日报

如何防止盾构机盾尾喷涌？通过安装传感装置，监测油脂腔压力变化

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文 |克己释法

编辑 |克己释法

前言

盾尾密封是盾构机关键的防护装置，其作用是防止地面土层和地下水进入盾构管道，保证施工环境的稳定与安全。

然而，由于施工条件的复杂性和盾构机工作环境的恶劣性，盾尾密封 存在着一些问题，例如密封结构磨损、渗漏、变形等。

盾尾密封结构原理及问题

1.1常见的盾尾密封结构

（1）盾尾刷

盾尾刷是采用多道弹簧钢片与钢丝刷充填密封油脂的装置，保证了盾尾与管片之间的良好密封作用。

为了实现盾尾密封的效果，需要在刷形盾尾密封的钢丝刷之间充填盾尾油脂。

掘进时，由于盾尾密封处的油脂会逐渐减少，因此，为保持密封性能 ，必须及时加注盾尾油脂。

常规盾构3道盾尾刷样式、大直径盾构采用的2螺栓固定+3道焊接盾尾刷样式、始发状态的盾尾刷及止浆板。

（2）油脂注入系统

盾尾油脂作为盾构机三大油脂之一，在盾构掘进过程中通过盾构机控制系统不断从油脂泵注入到几道盾尾刷间的油脂腔中，达到一定压力以平衡盾尾外部压力。

盾尾密封系统控制分手动和自动控制（行程控制、压力控制）。

1.2土压盾构机盾尾密封

盾构机主体盾尾部最末端设有3道钢丝刷 ，部分盾构机盾尾密封安装有钢束板。

为防止同步砂浆从盾构刀盘超挖间隙窜至刀盘舱，盾尾外部安装有1道止浆板。

1.3大直径泥水盾构机盾尾密封

大直径盾构机，尤其是下穿水体工程的盾构机，一般单条区间掘进距离较长，中途可能需要更换盾尾刷 。

因此盾尾密封普遍设计成2道通过螺栓固定的可拆卸盾尾刷和3道焊接固定的盾尾刷。

盾尾喷涌及密封失效原因分析

盾尾刷焊接不牢、盾尾刷磨损过大、掘进过程中油脂加注不及时和数量不足、同步注浆压力过高击穿盾尾密封、盾构机姿态不良导致局部盾尾间隙过大等。

均可造成密封效果降低、失效，由此将直接引起盾构机外部泥水、流砂等涌入盾体，可能造成盾构机整机被淹或掌子面、盾体及管片支撑面失稳等情况，导致地面坍塌、成型隧道变形报废、盾构机整机被埋及重大人员伤亡等恶劣后果。

盾构掘进1200～1500m后，盾尾刷将大部分失效，尤其是小曲线半径线路，左右两侧尾刷易磨损严重 ，因此，对于盾尾密封失效区域较为严重的情况，需要进行尾刷更换作业，尾刷更换过程中处于盾尾密封能力较为薄弱期间。

盾尾处注浆密封、加固止水效果差可能会导致更换尾刷期间出现较大渗漏，导致盾构机被淹，严重时导致隧道坍塌的风险。

2.1盾尾喷涌原因分析

盾构机盾尾漏浆喷涌的常见原因包括盾尾刷损坏、盾构施工的注浆压力、注浆量、盾构机的掘进姿态、地质状况、盾尾油脂、管片拼装质量等多种因素。

①同步注浆量和注浆压力大于盾尾密封抗力。

②机打油脂压力小，注入量不足（注入位置：两道盾尾刷之间的腔体中）。

③手工涂摸油脂不到位，人工油脂保压不及时（涂抹位置：盾尾刷结构内部）。

④二次注浆位置小于规定环数，盾尾刷被注浆体包裹。

⑤盾尾内部有杂物，管片拼装时杂物进入盾尾刷。

⑥盾尾刷焊接或者机械连接不牢固。

⑦管片间隙过小，盾构姿态纠偏过急，盾尾刷密封装置受挤压后产生塑性变形而失去弹性；

⑧管片组装时盾构机后退，造成盾尾刷与管片间发生刷毛方向相反的运动，刷毛反卷、变形。

其中盾尾刷损坏主要有两方面原因 ：钢丝组受泥砂、注浆和其他异物的污染；弹簧板（前保护板和后保护板）因为机械外力导致的弹性失效、磨损消耗和刮掉。

2.2盾尾密封失效的原因分析

第一，目前大多数盾尾刷受力试验仅能模仿单一管片下压力造成的受力效果 ，未考虑盾尾刷外部同步注浆或水土压力对盾尾刷外侧和盾尾油脂对盾尾刷内侧的作用。

第二，对盾尾密封，尤其是盾尾刷磨损情况的重视程度只停留在从产品本身角度提高使用耐久性方面，并未像重视刀盘刀具那样对施工过程中盾尾密封效果引起重视。

现有盾尾密封监测方案

3.1监控盾尾油脂注入量和注入压力

当盾尾密封结构良好时，盾尾油脂注入压力和注入量数值相对稳定。

当盾尾密封结构损坏时，盾尾油脂注入压力和注入量发生一定变化。

盾构机停止掘进时，盾尾密封损坏位置的油脂腔压力降低速率会出现异常，盾尾油脂注入量、注入压力及压力降速率 的数据统计，可以预测盾尾密封结构性能。

在盾尾刷油脂腔中埋设压力传感器，通过监测油脂腔压力变化判断盾尾密封状态，目前正在试验中。

3.2监测盾尾刷弹簧板的磨损量

盾构刀具液压和电路检测方法已在大型滚刀中应用，检测系统由磨损探测器、发射器、接收器组成，一般采用有线连接 ，盾尾刷检测可参照此原理。

在盾尾刷上部弹簧板内侧或盾尾刷钢丝内设置多根丝状电子传感器，一旦丝状传感器磨损到一定程度，即进行报警，磨损探测器可埋在盾尾刷钢丝内，同时布置多个磨损探测器。

3.3监测盾尾刷弹簧板的翻折角度变化

以盾尾管片标准间隙上下左右3cm为例，管片正常间隙3cm，管片极限位置为0cm和6cm，盾尾刷弹簧板与盾构内壁夹角在0°~15°变化。

监控盾尾刷弹簧板弯折角度变化可以判断盾尾刷 的工作性能，通过在弹簧板正反面贴电阻式应变片，弯折不同角度时测点电流值。

由实验标定出电流和角度的关系曲线，选择盾尾3，6，9和12点位置盾尾刷弹簧板黏贴电阻片，随着管片与盾尾内壁间隙的变化，盾尾刷弹簧板弹开的角度相应变化。

角度变化影响弹簧板正反面电阻丝的电流值 ，根据室内实验标定的电流-角度曲线推算出弹簧板的角度值（能否标定电流和角度的非线性关系，尚需实验验证）。

3.4监测盾尾油脂腔中是否有水流通过

在中间一道盾尾刷内设置小型水分传感器或湿度传感器（厘米级），当盾尾刷内水分变量变化增大时发出预警。

一种基于既有数据的盾尾密封预警方法

现有的盾尾密封方法基本都是借助于盾构既有传感器外安装其他传感器，如压力传感器、光纤传感器、电子传感器、水分传感器等。

这种方式更适用于新建盾构机或新安装盾尾刷的情况下，而且传感器安装 存在一定的人工成本、设备成本，而且需要一套传输设备及新开发用于传输和集成采集的模块。

考虑到我国现有盾构机接近2000台，在盾构机原有传感器的基础上采集数据，并根据数据变化情况来推断、评价盾尾密封效果更具有推广价值。

4.1数据采集

盾尾密封失效和多种因素相关，目前有明确的量化指标和模型 ，但普遍认为和外界水土压力、盾尾刷磨损、油脂舱油脂填充效果、管片与盾尾间隙相关性较大，具体分析如下：

（1）盾尾油脂效果

不同厂家、不同型号的盾尾油脂对密封效果影响很大，目前不能做到统一量化。

（2）盾尾刷与管片位置关系（管片姿态）在角度偏差 较大时，盾尾密封性能会下降，在管片位于盾尾正中时（前提是盾尾各位置盾尾刷、盾尾油脂均正常工作），可以承受较大的水压。

（3）油脂注入压力、注入量有学者针对不同品牌盾构机盾尾密封油脂注入量进行过统计，以广州用海瑞克S266盾构机、深圳用法马通NTU032.1为统计对象。

不同地质条件、盾构机、油脂品牌，盾构机盾尾油脂使用量也不同，所以油脂注入量 不能进行横向比较。

在无法对地质条件、盾构机油脂系统做出量化的情况下，目前只适合使用纵向进行比较，即对该区间前期掘进情况进行对比。

同步注浆量、注浆压力盾构施工过程中的同步注浆对盾尾密封 产生多种影响：

①同步注浆固结后可封堵管片后部来水。

②同步注浆压力增大到一定程度后会加剧盾尾刷磨损，甚至是击穿盾尾密封造成盾尾内漏浆。

4.2数据分析模型

数据包络分析DEA是使用数学规划（包括线性规划、多目标规划、具有锥形结构的广义最优化、半无限规划、随机规划等）模型。

评价具有多个输入、特别是多个输出的“部门”或“单位”（称为“决策单元”，简记DMU）间的相对有效性。

在DEA中一般称被衡量绩效的组织为决策单元（DecisionMakingUnit，DMU）。

设：n个决策单元（j=1，2，…，n）；每个决策单元有相同的m项投入（输入）（i=1，2，…，m）。

每个决策单元有相同的s项产出（输出）（r=1，2，…，s）。

Xij———第j决策单元的第i项投入，

yrj———第j决策单元的第r项产出。

衡量第j0决策单元是否DEA有效。

4.3盾尾密封状态评价预警

在不增加额外监测设备和线路的情况，基于既有的盾构机传感器参数数据综合评价施工过程中盾构机盾尾密封状态是可行的，且更易于实际操作。

但目前存在的问题是针对密封状态评价的量化模型 没有相关研究和数据支撑。

既有参数是直接通过盾构机既有传感器和控制系统进行采集，主要有：刀盘舱水土压力（即常说的盾构掘进保压值）；盾尾油脂注入量、注入压力。

盾尾同步注浆量、注浆压力，因为评价模型的复杂性 取决于其采用的参数种类和数量，并直接决定模型评价的准确性。

结论

随着盾构施工行业对安全生产越来越重视和盾构施工安全风险辨识、评估技术不断提高，盾尾密封的重要性越显突出，但受施工条件复杂、地下围岩不确定性、人员技术发展滞后等影响，盾构行业对盾尾刷使用状态监测技术发展缓慢。

本文希望通过对盾尾刷监测技术的论述为盾构施工技术人员提供一些借鉴。

参考文献：

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