盾尾密封油脂与盾构施工温度适应性研究

2020-05-18邢鹏飞魏国鹏王德乾

铁道建筑技术 2020年1期

邢鹏飞魏国鹏王德乾

（1.中铁第五勘察设计院集团有限公司北京 102600；2.中铁十六局集团有限公司北京 101100）

1 引言

截止到2017年12月底，全国有58个城市获批城市轨道交通项目，规划总里程达到7 300 km，总投资达35 000亿元。除了开通运营的33个城市外，目前全国在建城市轨道交通的城市有48个，在建里程5 636 km。按直径为6.28 m的盾构机平均掘进（双线）1 km消耗80 t国产泵送型盾尾密封油脂计算，将消耗450 000 t，目前国产产品价格在12元/kg左右，国产盾尾密封油脂市场容量将超过54亿元。作为盾构机盾构施工用的消耗性密封材料，其性能以及与盾构施工的匹配性直接决定施工能否顺利进行，因此盾尾密封油脂与盾构施工适应性研究尤为重要。

近十多年以来，全国在建的48个城市几乎囊括了各种施工地质环境，而在这种多样的盾构施工环境中，不管是采用进口产品还是国产产品，都或大或小出现过问题。这些问题轻则影响盾构施工的正常进行，重则引起江水倒灌、地基下沉或坍塌，造成比较大的损失[1-2]。因此，经过近几年对盾尾密封油脂的深入研究、现场使用，发现了诸多问题，例如:（1）盾尾密封油脂受环境温度影响大，在春秋换季或者冬天温度较低时，容易出现盾尾油脂泵“打不动”油脂的问题[3]；（2）盾尾密封油脂受地层影响大，特别是在富水砂层或砂卵石地层，油脂消耗量偏大，还容易出现盾尾漏水漏浆的问题[4-5]；（3）盾构推进时姿态不稳，导致部分位置盾尾间隙过大，出现漏浆漏水问题[6]；（4）盾尾密封油脂的注入速度与掘进速度不匹配可能导致漏浆漏水，或者造成大量浪费的问题[7]；（5）盾尾刷质量差，磨损严重时会形成漏浆通道，导致漏浆漏水，并使得油脂消耗量增大的问题[8-9]。其中影响盾尾密封油脂正常使用的最大因素是环境温度，尤其是在春秋换季或冬天温度较低时，容易出现盾尾密封油脂泵“打不动”油脂的问题[10]。

本文重点研究了盾尾密封油脂与盾构施工环境温度的适应性。基于北京市科委重大办课题《耐高水压盾构用盾尾密封油脂研制》的研究成果[11-12]，以及课题所研制产品已经在成都地铁6号线和10号线2期15个标段使用，郑州豫机线城际和深圳穗莞深城际、长春地铁2号线等大量使用情况，提出了国内不同季节施工环境下所需盾尾密封油脂的配方与性能。

2 夏季配方

根据地域不同，即使是夏季，不同地区施工环境温度也有一定不同，从而对盾尾密封油脂的主要技术指标提出了相应的要求，如表1所示。

表1 我国不同地区的盾尾密封油脂夏季配方的主要性能指标

由表1可知，西南部地区，以成都为例，2017年4月，盾尾密封油脂在成都地铁6号线和10号线2期开始使用，其型号为ANDR P2夏季配方，此时施工环境温度一般在20～35℃。该配方的泵送性为18 g/min，锥入度为217，每桶盾尾密封油脂能打5～8环（管片宽度1.5 m），基本不漏水不漏浆，使用效果良好。经过2017年的实际经验，本文建议在黏度适中的前提下，西南地区盾尾密封油脂的夏季配方泵送性在15～20 g/min，锥入度在210～220为最佳。

华中、华东和华北地区，以北京为例，2017年5～9月，盾尾密封油脂在北京地铁16号线21标使用，其型号为ANDR P2夏季配方，此时施工环境温度一般在20～40℃。该配方的泵送性为18 g/min，锥入度为217，每桶盾尾密封油脂能打5～6环（管片宽度1.5 m），基本不漏水不漏浆，使用效果良好。经过2017年的实际使用经验，本文建议在黏度基本不变的前提下，华中、华东和华北地区盾尾密封油脂的夏季配方泵送性在15～20 g/min，锥入度在210～220为最佳。

华南地区，以深圳为例，2016～2017年，盾尾密封油脂在深圳穗莞深城际9标使用，2016年7月，本文参照北京的夏天，调制了夏季配方，该配方出厂检验中锥入度为217，泵送性为18 g/min。在实际使用中，反应黏稠度不够，因此进行了二次配方调制，第二次配方产品的锥入度为208，泵送性为12 g/min。经过现场使用，不漏浆不漏水，获得施工单位的好评。因此深圳周边每年4～10月使用夏季配方，此时气温一般在20～40℃。本文建议在黏度适中的前提下，华南地区盾尾密封油脂的夏季配方泵送性在15～20 g/min，锥入度在205～215为最佳。

东北地区，以长春为例，2016年6月，盾尾密封油脂在长春地铁2号线BT1项目使用，使用前期，本文参照北京的夏天，调制了夏季配方，该配方出厂检验中锥入度为217，泵送性为18 g/min。经过现场使用，每桶盾尾密封油脂能打8～10环（管片宽度1.2 m），不漏水不漏浆，获得施工单位的好评。因此每年5～9月，此时气温一般在20～30℃。经过2016年的实际经验，本文建议在黏度适中的前提下，东北地区盾尾密封油脂的夏季配方泵送性在15～22 g/min，锥入度在215～225为最佳。

因此，盾尾密封油脂的夏季配方，主要应用于室外温度为20～40℃条件下，基本适用于我国所有地区的夏季。该配方25℃下的锥入度为210～225，在25℃、1 MPa下的泵送性为12～22 g/min。

3 春秋配方

春秋换季的季节，温差比较大，尤其每年10月份，东北已经进入冬季，然而华南地区仍然保留着夏季的余热。因此，春秋季节对盾尾密封油脂的主要技术指标提出了更高的匹配性要求，如表2所示。

表2 我国不同地区的盾尾密封油脂春秋配方的主要性能指标

西南地区，以成都为例，2017年9月盾尾密封油脂在成都地铁6号线和10号线2期全面甲供，期间随着成都温度的不断走低，本文调制了春秋配方，第一次调试配方，产品的锥入度为234，泵送性为34.6 g/min。然而现场使用后，反应黏稠度小。课题组又进行了二次调试，产品出厂检验结果为锥入度为222，泵送性为21.5 g/min。现场使用后，效果良好，一桶盾尾密封油脂基本上平均打5～7环（管片宽度1.5 m），获得使用单位好评。因此，2017年10月至2018年4月的成都，气温一般在5～25℃，采用ANDRP2春秋配方。经过2017年、2018年的实际经验，本文建议在黏度适中的前提下，西南地区盾尾密封油脂春秋配方泵送性在20～25 g/min，锥入度在215～230为最佳。

华北、华中和华东地区，以北京、郑州为例，2017年9月底为郑州豫机线城际供应了一批锥入度217、泵送性18 g/min的夏季配方，鉴于现场原因，该批油脂一直没用，直到10月底，开始使用。使用时，出现了油脂泵打不动油脂的问题。本文提出夏季配方的油脂已经与春秋施工不匹配了，随后调制了春秋配方，产品出厂检测结果为锥入度228、泵送性24.6 g/min。经现场使用，效果良好。因此，华北、华中和华东地区的2017年10～11月、2018年4月使用春秋配方，此时气温一般在5～25℃，经过2017年、2018年的实际经验，本文建议在黏度适中的前提下，华北、华中和华东地区盾尾密封油脂的春秋配方泵送性在20～25 g/min，锥入度在220～235为最佳。

华南地区，以深圳为例，2016年～2017年，盾尾密封油脂在深圳穗莞深城际9标使用，2016年7月，本文参照北京的夏天，调制了夏季配方，该产品出厂检验中锥入度为217，泵送性为18 g/min。在实际使用中，反应黏稠度不够，因此进行了二次配方调制，第二次配方产品的锥入度为208，泵送性为12 g/min。随着温度适度降低，2017年11月至2018年3月使用春秋配方，此时气温一般在10～25℃，本文又使用锥入度217、泵送性18 g/min的配方，与环境温度匹配度很高，使用效果良好。经过2016年、2017年的实际经验，本文建议在黏度适中的前提下，华南地区在每年的11月到3月，采用ANDR P2春秋配方，其泵送性在15～20 g/min，锥入度在215～220为最佳，该数值基本与华北的夏季配方相当。

东北地区，以长春为例，2016年6月，盾尾密封油脂在长春地铁2号线BT1项目使用，使用前期，本文参照北京的夏天，调制了夏季配方，该配方出厂检验中锥入度为217，泵送性为18 g/min，使用效果良好。随着温度降低，2016年10月至2018年4月，长春的气温一般在0～20℃，所以对配方进行了调整，产品出厂检验结果为锥入度234，泵送性34.6 g/min，配方与环境温度的匹配很好，每桶盾尾密封油脂能打8环左右（管片宽度1.2 m），不漏水不漏浆。经过2016年、2017年的实际经验，本文建议在黏度适中的前提下，东北地区盾尾密封油脂春秋配方的泵送性在25～38 g/min，锥入度在225～240为最佳。

因此，盾尾密封油脂的春秋配方，主要应用于室外温度为0～25℃条件下。该配方25℃下的锥入度在215～240之间，在25℃、1 MPa下的泵送性为15～38 g/min。

4 冬季配方

冬季，环境温度偏低，盾尾密封油脂大都储存在地面，因此其流动性受到温度的考验。目前，施工人员一般提前将盾尾密封油脂放入盾构隧道中，适度保温，再开始使用，以免出现油脂泵打不动盾尾密封油脂的情况。因此，冬季对盾尾密封油脂的主要技术指标泵送性提出了更高的匹配性要求，如表3所示。

表3 我国不同地区的盾尾密封油脂冬季配方的主要性能指标

华北、华中、华东地区，以北京、郑州为例，2017年10月底，开始使用锥入度228、泵送性24.6 g/min的春秋配方，随着温度逐渐降低，2017年12月至2018年3月使用冬季配方，此时气温一般在-10～10℃，所调制的冬季配方锥入度238、泵送性32.8 g/min，使用效果良好。经过2017年、2018年郑州豫机线和北京地铁16号线的实际使用经验，本文建议在黏度适中的前提下，盾尾密封油脂的冬季配方的锥入度在225～240为最佳。

东北地区，以长春、呼和浩特为例，2017年12月底，在内蒙呼和浩特2号线中铁十六局甲供项目使用冬季配方，鉴于施工场地无保温房，此时气温一般在-20～0℃，所调制的冬季配方的锥入度248、泵送性38.8 g/min，使用效果良好。2017年11月～2018年3月，此时气温一般在-25～5℃。经过2016年、2017年的实际经验，东北地区一般在冬季设保温棚（如长春地铁2号线），保温棚温度0～10℃，本文建议在黏度适中的前提下，东北地区盾尾密封油脂的冬季配方泵送性在35～40 g/min，锥入度在230～245为最佳，假如不设保温棚（如内蒙呼和浩特2号线），本文建议在黏度适中的前提下，东北地区盾尾密封油脂的冬季配方泵送性在40～45 g/min，锥入度在245～255为最佳。

因此，盾尾密封油脂的冬季配方，主要应用于室外温度为-25～10℃条件下，基本适用于我国所有地区的冬季。该配方25℃下的锥入度在225～255之间，在25℃、1 MPa下的泵送性为30～45 g/min。