盾尾密封油脂泵送性测试仪器、测试方法与评价标准研究

王德乾， 宋世雄， 程晋国， 江玉生

(1. 中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600； 2. 中国矿业大学力学与建筑工程学院， 北京 100083)



盾尾密封油脂泵送性测试仪器、测试方法与评价标准研究

王德乾1， 宋世雄1， 程晋国2， 江玉生2

(1. 中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600； 2. 中国矿业大学力学与建筑工程学院， 北京 100083)

针对目前国内盾尾密封油脂的泵送性无精确定量测试设备、测试方法和评价标准的问题，对国内外盾尾密封油脂泵送性的测试仪器、测试方法和评价标准进行了梳理和对比。根据课题组对盾尾密封油脂的配方和性能的研究成果，结合我国盾构隧道施工中盾尾密封油脂的具体使用情况，参考ASTM D1092，研制了盾尾密封油脂泵送性的定量测试设备、给出了测试方法，并推荐了其评价标准。为我国制定盾尾密封油脂泵送性指标的行业标准提供了借鉴。

盾尾密封油脂； 泵送性； 测试仪器； 毛细管流变仪

0 引言

近年来，随着地下管廊、城市轨道交通和铁路隧道的快速发展，盾构法成为了隧道施工的主要方法[1-2]。据国家发改委报道，“十三五”期间，国内地铁施工里程将达3 700 km，轨道交通的投资将达4万亿元，其中大部分需要用盾构法施工； 在铁路和公路隧道建设中，将有1 000 km以上的隧道需要使用盾构法施工；在水利工程隧道建设中，100万kW以上的水电站引水隧道以每年100 km的速度修建，其中很多工程需要使用盾构法施工。盾尾密封油脂被用来填充盾尾钢丝刷与管片之间的空隙，是盾构尾部密封的重要材料之一，属于消耗材料，市场需求量巨大[3-4]。尤其是越江隧道所需盾构直径大、水压力高、地层渗透系数高和地质条件异常复杂，导致施工风险、盾尾密封失效风险呈指数级别增长，所以目前所用盾尾密封油脂全部为进口产品[5-7]。目前，国际上对盾尾密封油脂的性能指标还未形成统一的标准，只有部分企业和组织对该产品的主要性能进行了评定，尤其是泵送性指标，国内尚无统一的测试仪器、测试方法和评价标准[8-9]。除了上海隧道股份公司给出泵送性的定性描述以及本课题在2014年提出借用测试塑料流动性的熔融指数仪器定量测试盾尾密封油脂的泵送性[10]之外，暂无其他公司对泵送性测试仪器、方法和标准进行过研究。

研究发现，进口产品能实现“黏、稠、流”3个性能的有机统一，即进口盾尾密封油脂在保持良好流动性的前提下，具有很好的稠度和黏度，从而保证盾尾密封油脂在输送管道和油脂腔中的流动性、与管片和钢丝刷之间良好的黏附性以及抗水压密封性。其综合性能的体现就是3个性能的相互协调、有机统一。另外，产品性能受环境温度影响小、使用温度范围比较广，但价格较高，供货周期较长。而国内生产盾尾密封油脂的厂家较多，鱼龙混杂，产品质量良莠不齐，尤其是“黏、稠、流”3个性能很难达到统一，产品性能受环境温度影响较大。因此研发“黏、稠、流”3个性能有机统一的国产盾尾密封油脂和制定其性能指标的统一标准势在必行。

本文重点介绍了盾尾密封油脂泵送性能的测试仪器、测试方法和评价标准。结合国内施工单位在实际使用油脂过程中积累的经验，课题组首次研制了盾尾密封油脂泵送性能的定量测试仪器、给出了测试方法，并推荐了其评价标准，为尽早出台盾尾密封油脂性能指标的行业标准创造了条件。

1 泵送性的相关测试

盾尾密封油脂是土压或泥水盾构盾尾密封的专用产品，就其泵送性而言，国内无统一的定量测试仪器。国外一些盾尾密封油脂的生产厂家借用润滑脂表观黏度的测试仪器对其泵送性进行表征，测试装置[11]如图1所示。按照ASTM D1092标准，在温度25 ℃和空气压力1 MPa的条件下，通过一定孔径毛细管时的流量(g/min)定量表征盾尾密封油脂流动性的大小。例如，某种进口盾尾密封油脂的泵送性测试指标为40～50 g/min[12-14]。

图1 润滑脂表观黏度标准测试仪器示意图

相对于进口产品，国产盾尾密封油脂泵送性指标的评价比较混乱。有的厂家给出以g/min为单位的定量数值；有的厂家给出“中号黄油枪可打出”的定性评价；还有厂家未给出任何油脂泵送性的表征结果。而课题组在前期的研究中发现，用于测定塑料流动性的熔体流动速率仪(毛细管直径2.095 mm)是一种定量测试盾尾密封油脂泵送性的测试仪器[10]，如图2所示。在温度25 ℃和空气压力1 MPa的条件下，对某进口产品进行了性能测试，所测值为35.3 g/min，与文献[10]中的40～50 g/min接近。本课题组人员进行了深入研究后发现，该设备有3点不足： 1)25 ℃的室内温度不易精确控制，易影响测试数据的精度； 2)采用砝码加压方法，操作不便，试验数据重复性欠佳； 3)所测数值虽然接近40 g/min，但不在40～50 g/min范围内。因此，在北京市科委重大办课题的资助下，课题组人员参照ASTM D1092研制出了能精确定量测试盾尾密封油脂泵送性的测试仪器。

图2 熔体流动速率仪

2 泵送性专用测试仪器的研制

参照ASTM D1092，结合国内毛细管流变仪的设计和使用原理，本课题组人员提出了一种新型的用于定量测试盾尾密封油脂泵送性的毛细管流变仪[15]，其借鉴了ASTM D1092中润滑脂表观黏度测试仪器和测试高分子流变性能的毛细管流变仪的原理，如图3所示。该设备专用于盾尾密封油脂泵送性的定量测试，可以测试盾构用盾尾密封油脂在恒温(0～50 ℃)、恒压(0.5～5 MPa)下的泵送性，其详细结构图参照实用新型专利[15]。该设备的成功研制，将填补国内无盾尾密封油脂泵送性精确定量测试仪器的空白，为不同油脂厂家进一步研发高性价比的盾尾密封油脂提供了重要保证。

根据文献[10]，某进口产品使用ASTM D1092中润滑脂表观黏度测试仪器测得的盾尾密封油脂的泵送性值为40～50 g/min。通过研究ASTM D1092发现，流出盾尾密封油脂的质量与毛细管的长径比有很大的关系。在设计该设备时，课题组人员参考该标准，设定毛细管(材料为1Cr18Ni9Ti)的直径为0.38 cm，毛细管内孔粗糙度为1.6，长径比分别为20∶1、25∶1、30∶1和40∶1，选用文献资料中泵送性值为40～50 g/min的某进口产品作为选择毛细管长径比的试验样品。其中不同毛细管长径比条件下的泵送性测试值如表1所示。当毛细管长径比为40∶1时，该进口产品的泵送性测试值为23.8 g/min。随着长径比的减小，泵送性测试值不断增大，主要因为毛细管长径比越大，物料在毛细管中运动的距离越大，摩擦力越大，每分钟的流出量越小。当长径比为25∶1时，所测泵送性数值为42.1 g/min，能与文献资料报道中的40～50 g/min吻合。所以选择长径比为25∶1的毛细管作为毛细管流变仪的专用长径比，专用于定量测试盾尾密封油脂产品的泵送性。

图3 盾尾密封油脂泵送性测试专用毛细管流变仪

Fig. 3 Capillary rehometer dedicated to pumpability test of shield tail sealing grease

表1 不同毛细管长径比条件下的泵送性测试值

Table 1 Pumpability test values with different length-diameter ratios of capillary

毛细管长径比泵送性测试值/(g/min)20∶151．225∶142．130∶131．940∶123．8

注： 毛细管内径为0.38 cm，毛细管内孔粗糙度为1.6，测试温度为(25±0.1)℃，加载压力为(1±0.01) MPa，测试前料温保温120 min，测试物料为进口产品。

3 泵送性的测试方法

目前，国内无统一的盾尾密封油脂泵送性测试方法。结合本课题组对盾尾密封油脂的研究以及对泵送性定量测试仪器的设计、研制和使用，总结了一套盾尾密封油脂泵送性定量测试方法。

1)样品存放条件。在对盾尾油脂进行性能测试之前，将油脂在标准试验条件下放置48 h，其中标准试验条件为温度(25±2) ℃，相对湿度为(50±5)%。

2)测试步骤。第1步： 使用带有推拉活塞的盾尾密封油脂手动加料器从油脂桶中取出一定质量的盾尾密封油脂待用；启动毛细管流变仪，通过控制机械传动单元将压料杆从料筒中提出，然后将手动加料器的下端对准料筒的上端，手动推加料器的活塞，将盾尾密封油脂推入料筒中。第2步： 开启控温装置，设定温度为(25±0.1) ℃，启动手动加载，将压料杆放下至料筒中物料的上表面，排除料筒内的气体，直到有连续的物料通过毛细管挤出为止。然后设定压料杆的压力为1 MPa，物料在(25±0.1) ℃下保持120 min，启动自动加载，开始试验。从0 MPa开始逐渐加压，当加压到(1±0.01) MPa时，该设备开始自动计时，此后压力一直保持(1±0.01) MPa，直到实验结束。实验过程中，每隔1 min取1次流经毛细管的盾尾密封油脂称重，记录数值。每次试验至少取3次，并取平均值，即可得到在该测试条件下的盾尾密封油脂泵送性测试值。

4 泵送性的评价标准

就产品本身而言，目前其泵送性具有可参考性的数值即为某进口产品所提供的在(1±0.01) MPa、(25±0.1) ℃、毛细管内径为0.38 cm、毛细管内孔粗糙度为1.6和长径比为25∶1条件下的测试数值40 g/min。

进口盾尾密封油脂能达到“黏、稠、流”3个性能的有机结合，综合性能好、温度适应性强。进口产品有冬季和非冬季2个配方。根据课题组实验人员的测试发现，进口产品的冬季和非冬季配方在(1±0.01) MPa、(25±0.1) ℃、毛细管内径为0.38 cm、毛细管内孔粗糙度为1.6和长径比为25∶1的条件下的测试值均在40 g/min左右，相差不大，两者的主要区别在于稠度。

盾构所配套的盾尾密封油脂泵泵出盾尾密封油脂的压力一般为9～12 MPa，最大可达18 MPa，所以所需盾尾密封油脂的泵送性测试值有一定的范围，不仅限于40～50 g/min，该数值可能是进口产品本身比较合理的值而已。国内盾尾密封油脂厂家可以将其作为参考，不一定要与其完全一样。根据课题组人员在施工现场的了解，施工人员对盾尾密封油脂的流动性要求不一，有的施工人员倾向于流动性好的产品，担心发生堵管现象；有的施工人员则倾向于黏稠度大一些的产品，可以节约使用量，降低施工成本。为了满足不同施工人员的要求以及现场施工环境温度的变化，目前国产盾尾密封油脂一般分为冬天配方、春秋配方和夏季配方。

课题组将进一步研究国产盾尾密封油脂产品的冬天配方、春秋配方和夏季配方在(1±0.01) MPa、(25±0.1) ℃、毛细管内径为0.38 cm、毛细管内孔粗糙度为1.6和长径比为25∶1条件下的泵送性测试仪器的测试数值，为施工人员提供一个在不同季节所使用的盾尾密封油脂泵送性的范围，协助施工单位优选性价比较高的产品，整体上降低施工风险，降低材料成本。

5 结论与建议

1)参考国内外对盾尾密封油脂的研究资料，结合课题组对该产品的研发和使用情况，设计并研制了盾尾密封油脂泵送性的定量测试仪器——专用毛细管流变仪。当毛细管内径为0.38 cm、毛细管内孔粗糙度为1.6时，优选出了毛细管的长径比为25∶1，该设备的成功研制将填补国内无定量测试盾尾密封油脂泵送性性能的空白。

2)结合课题组研制的盾尾密封油脂泵送性测试设备，以及对盾尾密封油脂产品泵送性的试验测试，首次总结了一套精确测试盾尾密封油脂泵送性的试验方法，为国内盾尾密封油脂生产企业提供了借鉴。

3)建议盾尾密封油脂产品的泵送性测试值可以参考进口产品的测试指标40～50 g/min，但也要根据现场的施工需求调整配方，所调配方产品需要在(1±0.01) MPa、温度为(25±0.1) ℃、毛细管内径为0.38 cm、毛细管内孔粗糙度为1.6和长径比为25∶1 条件下使用泵送性测试仪器测试其泵送性，将所得结果与进口产品的测试值进行比对，保证产品的顺利使用。

[1] 江玉生，杨志勇，江华，等．论土压平衡盾构始发和到达端头加固的合理范围[J]．隧道建设，2009，29(3)： 263-266．(JIANG Yusheng, YANG Zhiyong, JIANG Hua， et al. Study of reasonable strata improvement scopes for EPB shield driving at its start and arrival [J]. Tunnel Construction, 2009, 29(3): 263-266. (in Chinese))

[2] 韩凤宏．润滑脂、HBW脂、盾尾密封油脂在法马通盾构机与海瑞克盾构机上的消耗比较与分析[J]．隧道建设，2011，31(3)： 405-410．(HAN Fenghong. Analysis of consumption of lubrication grease, HBW grease and tail skin sealing grease: Case study of Herrenknecht shields and NFM shields [J]. Tunnel Construction, 2011, 31(3): 405-410. (in Chinese))

[3] 陈浩．泥水平衡盾构施工中的盾尾密封保护技术探讨[J]．中国高新技术企业，2015(31)： 118-119．(CHEN Hao. Study of technology of shield tail sealing of slurry shield tunneling[J]. China High-Tech Enterprises, 2015(31): 118-119. (in Chinese))

[4] 王磊．浅谈盾尾密封更换技术[J]．石家庄铁路职业技术学院学报，2011，10(4)： 57-59．(WANG Lei. On replacing technologies of shield tail sealing [J]. Journal of Shijiazhuang Institute of Railway Technology, 2011, 10(4): 57-59. (in Chinese))

[5] 李陶朦．土压盾构盾尾渗漏原因及处理措施[J]．建筑机械化，2014(4)： 75-76．(LI Taomeng. EPB shield tail leakage reasons and treatment measures[J]. Construction Mechanization, 2014(4): 75-76. (in Chinese))

[6] 顾解桢．承压含水层中盾尾防渗漏技术研究[J]．建筑施工，2014，36(11)： 1290-1292．(GU Jiezhen. Study of anti-leakage at end section of tunnel shield in confined aquifer [J]. Building Construction, 2014, 36(11): 1290-1292. (in Chinese))

[7] 王岩，钱新，李旸，等．北京地铁无水砂卵石地层盾构施工技术难点及施工对策研究[J]．铁道标准设计，2013(8)： 97-100.(WANG Yan, QIAN Xin, LI Yang，et al. Research on technology difficulties and construction countermeasures of shield tunneling of Beijing Metro with waterless sandy gravel stratum[J]. Railway Standard Design, 2013(8): 97-100. (in Chinese))

[8] 秦素娟．高水压地层下盾尾密封的破坏及保护分析[J]．铁道建筑技术，2014(增刊1)： 164-166．(QIN Sujuan. Analysis of destruction and protection of shield tail sealing under high water pressure[J]. Railway Construction Technology, 2014(S1): 164-166. (in Chinese))

[9] 张合沛，陈馈，李凤远，等．盾尾密封油脂注入理论及控制方法研究[J]．建筑机械化，2014(9)： 69-71．(ZHANG Hepei, CHEN Kui, LI Fengyuan, et al. Research on shield tail seal oil injection theory and control method [J]. Construction Mechanization, 2014(9): 69-71.(in Chinese))

[10] 王德乾．关于盾尾密封油脂抗水压密封性和泵送性测试的探讨[J]．隧道建设，2014，34(2)： 107-110．(WANG Deqian. Study of water-tightness and pumpability of shield tail sealing grease[J]. Tunnel Construction, 2014, 34 (2): 107-110. (in Chinese))

[11] ASTM D1092-11. Standard test method for measuring apparent viscosity of lubricating greases[S]. West Consho-hocken: ASTM International, 2011: 1-8.

[12] 白传航．盾尾密封脂的泵送性和抗水密封性[J]．合成润滑材料，2007，34(2)： 23-24．(BAI Chuanhang. Pumpability and water-proof sealing ability of shield tail sealant [J]. Synthetic Lubricants, 2007, 34(2): 23-24. (in Chinese))

[13] 朱祖熹．盾构法隧道的盾尾防水密封与盾尾密封油脂[J]．中国建筑防水，2009(7)： 2-6．(ZHU Zuxi. Waterproofing and sealing of shield tail and sealing grease[J]. China Building Waterproofing, 2009(7): 2-6. (in Chinese))

[14] 朱祖熹．隧道与地铁工程中的四项防水技术新解[J]．湖北工业大学学报， 2009 (增刊)： 88-94．(ZHU Zuxi. New interpretation of four waterproof technologies in tunneling and subway engineering[J]. Journal of Hubei University of Technology, 2009(S): 88-94(in Chinese))

[15] 王德乾，孙世豪，章远方，等．一种专用毛细管流变仪： 201520790100.9[P]．2015-10-12．(WANG Deqian, SUN Shihao, ZHANG Yuanfang, et al. A special capillary rheometer: 201520790100.9[P]．2015-10-12. (in Chinese))

Study of Test Devices, Methods and Evaluation Criteria for Pumpability of Shield Tail Sealing Grease

WANG Deqian1, SONG Shixiong1, CHENG Jinguo2, JIANG Yusheng2

(1.ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Beijing102600,China; 2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)

In light of that there are not any precise and quantificational test device, method and evaluation criteria for the pumpability of shield tail sealing grease at present, therefore the test devices, methods and evaluation criteria for the pumpability of shield tail sealing grease in China and abroad are reviewed. And then, a series of test devices, methods and evaluation criteria for the pumpability of shield tail sealing grease are developed based on study results of mixing materials, properties and application of shield tail sealing grease and ASTM D1092. The results can provide reference for decision of criteria for the pumpability of shield tail sealing grease in China.

shield tail sealing grease; pumpability; test device; capillary rheometer

2016-06-13;

2016-07-26

北京市科委重大办项目(Z151100002715016)

王德乾(1981—)，男，山东潍坊人， 2011年毕业于中国科学院化学研究所，高分子化学与物理专业，博士，高级工程师，主要从事隧道工程高分子材料制品的研发工作。E-mail: wangdeqian@t5y.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.007

U 453

A

1672-741X(2017)03-0303-04