盾尾密封油脂與盾構(gòu)機及施工地層的適應(yīng)性研究

王德乾 鄭筱彥 斯芳芳 謝宇飛 王明杰

（1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600；2.中鐵建設(shè)集團有限公司 北京 100040）

1 引言

21世紀初，隨著國內(nèi)城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，國家對裝備制造業(yè)大力扶持下，盾構(gòu)機整機通過引進、消化、吸收和再創(chuàng)新，實現(xiàn)了創(chuàng)新后的國產(chǎn)化。但是，由于盾構(gòu)施工行業(yè)發(fā)展迅猛，以盾尾密封油脂為代表的施工配套消耗性材料的需求量在短時間內(nèi)劇增。目前，該類產(chǎn)品主要由國內(nèi)中小企業(yè)生產(chǎn)，為了滿足市場需求，中小企業(yè)對國外技術(shù)引進之后，來不及系統(tǒng)地消化吸收就大量生產(chǎn)并推向市場［1－2］。雖然前幾年國內(nèi)生產(chǎn)盾尾密封油脂的公司有幾十家，但是其核心技術(shù)仍然掌握在日本和法國的幾家大型企業(yè)中，國內(nèi)鮮有機構(gòu)對盾尾密封油脂等產(chǎn)品進行深入系統(tǒng)地研究，并且僅有少量公開發(fā)表的相關(guān)研究成果［3－6］。目前國產(chǎn)產(chǎn)品大都用于低水壓的盾構(gòu)施工中，然而揚州瘦西湖、南京和武漢等過江隧道的高水壓盾構(gòu)施工所用的盾尾密封油脂幾乎全部被進口產(chǎn)品壟斷［7－8］。

鑒于此，中鐵五院在北京市科委重大辦的資助下，開展了耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂產(chǎn)品的研制，基于課題《耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂研制》［9－10］的研究成果，以及課題所研制產(chǎn)品已經(jīng)在成都地鐵6號線和10號線2期15個標段、鄭州豫機線城際、深圳穗莞深城際、長春地鐵2號線和廣州地鐵18號線和22號線等大量使用情況，針對盾尾密封油脂在實際使用中遇到的“堵管”、“消耗大”、“打不動”和“漏水漏漿”等問題，本文重點開展了盾尾密封油脂與盾構(gòu)機、施工地層等匹配性的研究工作，為施工單位提供與現(xiàn)場情況匹配的盾尾密封油脂的依據(jù)，協(xié)助施工單位獲得性價比高的盾尾密封油脂產(chǎn)品，保證施工順利進行，縮短施工工期，節(jié)省材料費用。

2 盾尾密封油脂與盾構(gòu)機的適應(yīng)性研究

2.1 盾構(gòu)機

盾構(gòu)機是盾構(gòu)法隧道施工的最重要設(shè)備［11］。根據(jù)盾構(gòu)機直徑的不同，可以分為以下幾類：盾構(gòu)機直徑0.2～2 m，稱為微型盾構(gòu)機；盾構(gòu)機直徑2～4 m，稱為小型盾構(gòu)機；盾構(gòu)機直徑4～7 m，稱為中型盾構(gòu)機（常規(guī)盾構(gòu)機）；盾構(gòu)機直徑7～12 m稱為大型盾構(gòu)機，盾構(gòu)機直徑12 m以上稱為超大直徑盾構(gòu)機。

中鐵五院安達盾尾密封油脂目前大都用在直徑為6.28 m的常規(guī)盾構(gòu)機、直徑為8.8 m的大型盾構(gòu)機和直徑為12.81 m的超大直徑盾構(gòu)機中。通過技術(shù)人員現(xiàn)場跟蹤統(tǒng)計，在同樣的配方、同樣的環(huán)境溫度下，不同型號盾構(gòu)機正常掘進一延米實際消耗盾尾密封油脂量如表1所示。

表1 盾構(gòu)機與盾尾密封油脂消耗量的匹配性

由表1可知，直徑8.8 m的盾構(gòu)機正常推進一延米的實際消耗量約為直徑6.28 m的盾構(gòu)機油脂消耗量的2.4倍，大于兩者的直徑比1.4；而直徑為12.81 m的盾構(gòu)機正常推進一延米的實際消耗量約為直徑8.8 m的盾構(gòu)機油脂消耗量的1.6倍，約等于兩者的直徑比1.5。研究發(fā)現(xiàn)影響盾尾密封油脂消耗量的因素主要為盾構(gòu)機直徑、盾尾間隙大小、盾尾刷的完好率、同步注漿壓力、管片理論連接縫的大小、管片拼裝質(zhì)量、施工曲線半徑和坡度大小、盾構(gòu)機施工姿態(tài)控制、地質(zhì)條件、施工環(huán)境溫度以及不確定的人為因素等。盾構(gòu)機直徑和盾尾間隙大小直接影響著盾尾密封油脂的消耗量，盾構(gòu)機直徑越大，其對應(yīng)的管片直徑越大，其管片的側(cè)面積越大，附著在其側(cè)面上的油脂量越大，油脂消耗量越大；另外，盾尾間隙越大，盾構(gòu)機姿態(tài)不易調(diào)整，容易出現(xiàn)盾尾間隙不均勻的問題，導致油脂通過間隙進入到漿液中去，使得油脂消耗量大大增加。

2.2 盾尾間隙

盾尾與管片之間的間隙叫盾尾間隙。直徑為6.28 m的地鐵盾構(gòu)機的盾尾內(nèi)徑為6 150 mm，管片外徑為6 000 mm。因此，在直線段施工時，標準盾尾間隙為75 mm。實際盾尾間隙是30 mm，因為盾尾處有一高為45 mm的凸臺。盾尾間隙是管片選擇的依據(jù)之一。如果間隙過小，則盾構(gòu)機在推進過程中盾尾會與管片發(fā)生干擾。輕則增加盾構(gòu)機向前掘進的阻力，降低掘進速度，重則盾尾管片損壞，造成盾尾漏漿漏水。因此，在拼裝管片之前，必須對上一環(huán)管片的上、下、左、右四個位置的盾尾間隙進行測量。如發(fā)現(xiàn)有一方向上盾尾間隙過小，采用轉(zhuǎn)彎環(huán)調(diào)整盾尾間隙，如果不及時調(diào)整，易形成管片錯臺。調(diào)整的基本原則是，哪邊的盾尾間隙過小，就選擇拼裝反方向的轉(zhuǎn)彎環(huán)。拼裝1環(huán)左轉(zhuǎn)彎環(huán)之后，左邊盾尾間隙將減小，右邊盾尾間隙將增大。同時，通過不同的拼裝點位，還可以調(diào)節(jié)上、下方向的盾尾間隙。如果此時盾構(gòu)機在直線段的掘進，則必須注意在拼裝完1環(huán)左轉(zhuǎn)彎環(huán)后，選擇適當?shù)臅r機，再拼裝1環(huán)右轉(zhuǎn)彎環(huán)將之調(diào)整回來，否則左邊盾尾間隙將越來越小，直至盾尾與管片發(fā)生干擾。當盾構(gòu)機處于曲線段，則應(yīng)根據(jù)線路的特點進行綜合考慮［12］。

2017年1月，穗莞深中鐵16局9標項目采用直徑為8.8 m的奧村盾構(gòu)機施工，其盾尾間隙比直徑為6.28 m的常規(guī)盾構(gòu)機大。盾構(gòu)掘進中，在油脂注入的四區(qū)和五區(qū)部位，出現(xiàn)大量漏漿現(xiàn)象。此時采用中鐵五院安達盾尾密封油脂的20161112配方。經(jīng)實地考察，該盾構(gòu)機盾尾已出現(xiàn)了橢圓形，即頂部盾尾間隙很小，底部盾尾間隙很大。盾構(gòu)姿態(tài)一直調(diào)整，但收效甚微，管片錯臺嚴重。理論上講，頂部盾尾間隙小、底部盾尾間隙大，所需要的盾尾密封油脂流動性要提高，易擠滿頂部小的間隙；所需要的盾尾密封油脂粘度提高，與四周管片、尤其是底部大間隙部位管片的粘結(jié)力提高，防止被同步注漿的漿液沖走。

根據(jù)理論分析，本課題組對盾尾密封油脂進行配方調(diào)整，如表2所示。

表2 穗莞深項目三種配方的主要性能指標

2.3 盾尾密封鋼絲刷

盾構(gòu)掘進時，管片是靜止的，盾殼向前移動，所以盾殼和管片外壁之間存在間隙，盾尾密封系統(tǒng)就是為了防止盾殼外部地下水和同步注漿漿液等流體進入盾構(gòu)機內(nèi)部而設(shè)置。目前，絕大多數(shù)的盾構(gòu)機都采用在多道鋼絲刷與盾殼、管片形成的密封腔中注入盾尾密封油脂，形成一道牢固的密封層，防止盾殼外部地下水和同步注漿漿液等流體的滲入，盾尾密封結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 盾尾密封結(jié)構(gòu)原理

2018年1月，在成都地鐵6號線3標尚紅區(qū)間右線，頭200環(huán)用安達產(chǎn)品未發(fā)生漏漿，200環(huán)之后多家油脂產(chǎn)品混合使用，出現(xiàn)輕微漏漿，440環(huán)時出現(xiàn)大面積漏漿，并于1月19日盾尾刷被擊穿。針對此問題，對盾尾刷開展了調(diào)查，據(jù)項目部調(diào)查結(jié)果，鋼絲刷鋼絲彈性不好，強度不夠，是被擊穿的主要因素。正是由于盾尾刷被擊穿，涌水通道形成，導致漏漿漏水。為了封堵水和同步注漿漿液，只能持續(xù)注入盾尾密封油脂，導致盾尾密封油脂消耗量由33 kg/m提高到83 kg/m，使得施工成本大幅提高。鑒于此，施工單位一方面通過在盾尾刷擊穿處塞入海綿，用以輔助止?jié){；另一方面本課題組提供和現(xiàn)場相匹配的盾尾密封油脂，爭取實現(xiàn)盡量降低漏漿量的前提下，降低盾尾密封油脂的消耗量。

根據(jù)盾尾刷被擊穿的問題，本課題組做了大量配方試驗，并優(yōu)選出兩個改進配方20180122和20180127。20180108配方是盾尾刷被擊穿之前的使用配方，通過理論分析，再結(jié)合現(xiàn)場使用要求，課題組提出增加盾尾油脂的粘度和稠度，通過提高粘度，可以增強盾尾密封油脂與管片的粘結(jié)力，盡量堵住涌水通道。經(jīng)過多次配方調(diào)整后，獲得20180122和20180127配方，并將以上三種配方進行泵送性、錐入度和粘附性的測試，測試結(jié)果如表3所示。

點 評：對于作者而言，最開心的事情不是和好朋友來一場說走就走的旅行，也不是嘗盡天下美食，而是在圖書館中盡情地遨游在書的世界里。作者以《窗邊的小豆豆》為例，將自己代入小豆豆的角色之中，運用小豆豆的視角和感官去感受她的世界。文章情感真摯，充分地表達了作者對于書的喜愛之情。

表3 成都地鐵項目三種配方的主要性能指標

結(jié)果表明，與20180108配方相比，20180122和20180127配方的流動性降低，稠度和粘附性均有了明顯提高。該兩個配方先后用在成都地鐵6號線3標尚紅區(qū)間右線，雖然室外溫度0～15℃，該兩個配方的泵送性依然良好，未曾出現(xiàn)“打不動”或“堵管”問題，被擊穿部位漏漿量明顯降低，盾尾密封油脂的消耗量也大幅下降，基本和盾尾刷被擊穿前持平。因此，20180122和20180127兩個配方獲得中鐵20局項目部認可，一直供應(yīng)直到隧道洞通。

盾尾鋼絲刷的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量對盾尾密封油脂的影響很大。盾構(gòu)掘進過程中，不管因為何種因素，導致盾尾鋼絲刷被擊穿，與之相匹配的盾尾密封油脂，泵送性在18～22 g/min、錐入度在210～220，水沖流失量在2%～3%。

2.4 盾尾油脂泵

油脂泵是將密封油脂泵入盾構(gòu)機盾尾油脂腔的設(shè)備，盾尾油脂腔是兩道盾尾鋼絲刷與盾構(gòu)機外殼、管片構(gòu)成的空腔。油脂泵壓力又稱泵頭壓力，即密封油脂通過油脂泵泵出時的壓力，一般在7～20 MPa之間，泵出油脂沿著數(shù)十米的管路到達盾尾油脂腔處，此處油脂壓力約為1.5～3.5 MPa。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計總結(jié)，直徑為6.28 m的盾構(gòu)機使用的油脂泵泵頭壓力一般在7～11 MPa之間；直徑為8.8 m的盾構(gòu)機的油脂泵泵頭壓力一般在10～15 MPa之間；直徑為12.81 m的盾構(gòu)機的油脂泵泵頭壓力一般在15～20 MPa之間。

以廣州地鐵18號線二分部二工區(qū)HB1風井～HB1盾構(gòu)井右線的泵送型盾尾密封油脂的應(yīng)用情況為例。該項目全線長2 510 m，全線1 568環(huán)，主要地層為淤泥、中、粗砂。該項目采用直徑為8.8 m的泥水盾構(gòu)機，其盾尾密封系統(tǒng)由4道鋼絲刷形成3個油脂腔，每個油脂腔設(shè)計10個注脂孔。掘進時一般采用自動模式。盾尾油脂泵為林肯泵，泵頭壓力為13 MPa，實測每個沖程約為14～16 s，如圖2所示。

圖2 盾尾油脂泵泵頭壓力

目前國內(nèi)施工單位認為進口某產(chǎn)品錐入度210～220，泵送性約40 g/min是最佳指標。按照經(jīng)驗，該進口產(chǎn)品既能充滿盾尾密封油脂腔，又具有良好的抗水壓密封性。然而在2019年廣州地鐵18號和22號線的盾構(gòu)施工中，卻出現(xiàn)了不一樣的結(jié)果。廣州地鐵18號線和22號線，盾構(gòu)機所配備的油脂泵的泵頭壓力一般在10～15 MPa。盾構(gòu)施工初期，該項目部采用進口某產(chǎn)品，但是消耗量很大，平均一桶油脂打1環(huán)左右，并且出現(xiàn)漏漿漏水現(xiàn)象。后來換用課題組研制的耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂，盾構(gòu)掘進中，平均一桶油脂打1.5環(huán)以上，并且不漏漿不漏水。通過該案例表明，盾尾密封油脂的泵送性與配套的油脂泵泵頭壓力有極大的關(guān)系。如果泵頭壓力較小，例如7～11 MPa，那么盾尾密封油脂的泵送性要大，比如某進口產(chǎn)品的泵送性40 g/min左右，與泵頭壓力較小的泵匹配性高；相反，如果泵頭壓力較大，例如10～15 MPa，那么盾尾密封油脂的泵送性要適當降低，例如課題組研制的產(chǎn)品泵送性為20 g/min左右，與泵頭壓力較大的匹配性高。因此，盾構(gòu)施工中，選擇與盾尾密封油脂泵相匹配的產(chǎn)品，至關(guān)重要。同時，該案例也說明并非進口某產(chǎn)品性能就是最優(yōu)化性能，而是與盾構(gòu)施工地層、油脂泵泵頭壓力等相匹配的盾尾密封油脂，才是保證盾構(gòu)施工不漏水、不漏漿、消耗少，安全穩(wěn)定的首選。

3 盾尾密封油脂與盾構(gòu)施工地層之間的適應(yīng)性研究

盾構(gòu)施工中常見的地層有：淤泥層、黏土層、砂層、砂卵石地層、砂礫地層、礫石地層、軟巖石地層和硬巖石地層等。

在盾構(gòu)施工中，淤泥層、黏土層和含水量少的砂層對盾尾密封油脂綜合性能的要求不高，掘進過程相對較順利，盾尾密封油脂消耗量少。然而在富水砂層、砂卵石地層、砂礫地層和礫石地層中，由于掘進速度或快或慢，不均勻，經(jīng)常因為卡刀盤而臨時停止掘進等施工中的問題，導致盾構(gòu)機盾構(gòu)姿態(tài)不穩(wěn)，盾尾間隙不均勻，盾尾刷磨損嚴重，出現(xiàn)漏水漏漿。

3.1 富水砂層、砂卵石地層

根據(jù)以上三點原因，課題組采用長、短相結(jié)合的植物纖維作為增稠增強劑、復合型黏度指數(shù)改進劑作為增粘劑開展了大量的正交試驗，其優(yōu)選配方為20180122和20180127，該兩個配方在增粘劑和增稠劑組分上有了明顯提高。其性能指標如表4所示。

表4 針對砂卵石地層調(diào)整盾尾油脂配方的主要性能指標

由表4可知，20180122和20180127配方的泵送性低于20171110配方的泵送性，但是粘度和稠度均有了很大提高，稠度大可解決應(yīng)對富水砂卵石地層的注漿壓力偏大的問題，粘度大可保證與管片間的有效粘結(jié)，可解決富水砂卵石地層掘進速度太快導致的油脂腔油脂量不夠而出現(xiàn)的漏漿問題。經(jīng)過現(xiàn)場使用，20180122和20180127配方均獲得了施工單位認可，少有漏漿現(xiàn)象，消耗量也有所降低。

因此，本課題組推薦砂卵石地層需用泵送性18～22 g/min、錐入度210～220，水沖流失量2%～3%的盾尾密封油脂。該配方產(chǎn)品粘結(jié)性強，稠度大，抗水壓密封性強，消耗量少。

3.2 高水壓盾構(gòu)施工地層

高水壓盾構(gòu)施工地層是目前盾構(gòu)施工中最有風險的施工地層。尤其是過江過河等高水壓強滲透地層的盾構(gòu)施工，盾尾密封系統(tǒng)更為至關(guān)重要。因為高水壓下盾尾密封系統(tǒng)一旦失效，將可能帶來無法預計的災(zāi)難性后果。因此構(gòu)成盾尾密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其材料必須保證安全可靠。所以，施工單位為了保證盾尾密封系統(tǒng)絕對安全可靠，寧可高價購買進口盾尾密封油脂，也不選用價格低廉的國產(chǎn)產(chǎn)品。究其原因，是因為國產(chǎn)產(chǎn)品抗高水壓密封性和泵送性這對性能矛盾體的平衡性欠佳，同時泵送性性能受環(huán)境溫度影響比較大，綜合性能落后于進口產(chǎn)品，導致目前高水壓下盾構(gòu)用盾尾密封油脂被進口產(chǎn)品壟斷。

課題組研制的耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂產(chǎn)品在合作單位中鐵建華南建設(shè)南沙產(chǎn)業(yè)園區(qū)建成了年產(chǎn)量為10 000 t自動化生產(chǎn)線，并于2018年11月投產(chǎn)。目前正廣泛應(yīng)用于廣州地鐵18號線和22號線。如廣州地鐵18號線六分部二工區(qū)沙溪站－石榴崗站過珠江隧道的盾構(gòu)施工采用了本課題組研制的耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂，如圖3所示。

圖3 耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂的現(xiàn)場使用

由于盾構(gòu)機需要過江，抗高水壓密封性和黏附性要求很高，另外泵頭壓力14 MPa，需要盾尾密封油脂稠度大，流動性適中。因此，實驗室采用長、中、短相結(jié)合的復合型植物纖維和礦物纖維作為增稠增強劑、復合型黏度指數(shù)改進劑作為增粘劑、傾點在－30℃以下的基礎(chǔ)油作流動性改進劑進一步優(yōu)化了其配方，所得產(chǎn)品的測試結(jié)果與普通盾尾密封油脂的重要性能對比見表5。

表5 耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂與普通盾尾密封油脂的主要性能指標對比

由表5可知，實驗室條件下，耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂的泵送性與普通盾尾密封油脂的泵送性基本相當，然而耐高水壓型產(chǎn)品的稠度和黏附性明顯高于普通型產(chǎn)品；尤其是耐高水壓盾尾密封油脂在實驗室條件下做靜態(tài)抗水壓密封性實驗時，最大耐壓值達6 MPa，而普通盾尾密封油脂的實驗室最大耐壓值在4 MPa左右，試驗證明耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂的粘度、稠度、流動性三個性能矛盾體更加協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

截止到2019年6月23日，右線掘進至712環(huán)、左線掘進至492環(huán)。在掘進過程中，左線從43環(huán)開始下穿珠江，至365環(huán)穿江完成，穿越河堤距離515.2 m；右線從217環(huán)開始下穿珠江，至525環(huán)穿江完成，穿越河堤距離524.8 m。穿江過程中，油脂通過輸送管道到達盾尾油脂腔部位的壓力平均在15～25 bar，每延米消耗泵送型盾尾密封油脂質(zhì)量為 62.5 kg，最高注漿壓力達到 0.7 MPa，且全程無漏水漏漿現(xiàn)象，整體使用效果良好。

通過配方調(diào)節(jié)和現(xiàn)場使用，課題組認為高水壓盾構(gòu)施工地層所需盾尾密封油脂，不僅僅需要“黏、稠、流”三個性能矛盾體相互協(xié)調(diào)、有機統(tǒng)一，還需要其性能與盾尾油脂泵、地層、環(huán)境溫度等相匹配。實踐證明，無論產(chǎn)品再好，都不能實現(xiàn)一個配方可以解決所有盾構(gòu)施工中盾尾密封問題。課題組所研制耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂在本項目中的成功應(yīng)用，為施工單位在過江過河等高水壓盾構(gòu)施工提供了一個可信任的國產(chǎn)產(chǎn)品。

4 結(jié)論與體會

（1）盾尾密封油脂與盾構(gòu)機及盾構(gòu)施工地層的匹配性非常重要。根據(jù)實驗室研究與現(xiàn)場使用經(jīng)驗，本課題組推薦：盾構(gòu)掘進過程中，不管何種因素，導致盾尾鋼絲刷被擊穿，推薦粘度大、稠度大的盾尾密封油脂；由盾尾間隙不均勻而出現(xiàn)漏水漏漿時，推薦施工單位選擇泵送性好、粘度大，稠度適中的盾尾密封油脂；砂卵石地層出現(xiàn)漏漿漏水時，需用流動性適中，粘度和稠度均大的盾尾密封油脂；高水壓盾構(gòu)施工地層中，推薦使用不僅需要“黏、稠、流”相互協(xié)調(diào)，也要使其性能與盾尾油脂泵泵頭壓力相匹配的產(chǎn)品。

（2）盾尾密封是盾構(gòu)機的三大密封之一，對盾構(gòu)安全施工尤為重要。因此選擇性價比高、與施工盾構(gòu)機、地層相匹配的產(chǎn)品，不僅可以節(jié)省施工成本，保證盾構(gòu)施工的順利進行，更重要的是保證施工安全，意義重大。