低温对盾尾油脂密封系统的影响

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

在隧道挖掘中，盾构法施工已经成为常态。盾尾油脂的作用是防止开挖后土体与管片间的水、泥、砂进入盾构内部。

盾尾油脂密封系统的作用是在油脂泵的挤压作用下不间断的填充盾尾刷间的空腔，形成几道密封油脂腔，同时通过盾构前进时盾尾油脂的不断挤出，达到保护尾刷、减小尾刷与管片接触产生的摩擦力、提高施工效率的目的。

盾尾油脂要具有以下特点：优良的可泵送性，当温度在一定范围内变化时，其泵送性不变；在各种材质表面具有良好的粘附性；良好的耐水冲失性，确保盾构对淡水及海水的水密性，阻燃、可降解的环境友好性。因此，此油脂的成分中除了基础油外还需要加入高粘度油、增粘剂、粉填料和溶剂等，这些成分按照一定比例混合后形成均匀的带纤维的膏状物。

而盾尾密封油脂中的基础油、增粘剂等受温度的影响会出现较大的物理特性改变。本文主要从盾尾密封系统的系统组成、控制原理、压力损失计算、低温的性能测试等方面进行了研究。

1 盾尾油脂系统

1.1 盾尾油脂系统介绍

本文以某型号盾构为例，盾尾油脂密封系统主要由气动油脂泵、气动球阀、压力传感器、手动球阀、连接管路等能的元器件组成，通过控制系统的传感、控制,将后配套拖车上的油脂持续不断的注入盾尾刷中，以此达到盾构安全掘进的目的。盾尾油脂密封系统原理所示如图1 所示。

图1 盾尾油脂密封系统原理

1.2 盾尾油脂的注入

盾尾油脂的注入模式，有自动和手动两种。自动情况下有行程控制模式、压力控制模式两种。压力控制模式中需要手动设置最大压力，在此模式下，程序依次对每一路进行注脂，此路注入启动后，传感器检测到压力值达到最大压力时即停止注入，进行下一路的注入，循环往复。

图2 盾尾油脂密封上位机界面

2 油脂系统沿程阻力系数

2.1 掘进工况油脂压力损失

采集现场掘进参数分析，如图3 所示，掘进过程中，盾尾油脂泵出口的压力传感器的平均压力为109bar。

图3 盾尾油脂密封上位机界面

综合分析盾尾注入气动球阀处的传感器压力，其示数如表1 所示，其压力均值为17bar，则盾尾油脂的管路损失为92bar。

表1 掘进中尾盾处压力示数 (单位：bar)

本机两传感器之间管路长度约为43.6m，则单位管路沿程损失为2.11bar/m。

根据压力降计算公式计算沿程阻力系数。

上述处理方式是目前实践中有所体现的机制，通过比较，我们发现上述几种处理机制，各有优劣，具体来说主要体现在以下几个方面：

式中 DP——沿程压力降；

r——油脂密度，1.3g/mL；

v——油脂注入速度；

D——管路直径，D=50mm。

经过式(1)计算，正常掘进情况下的沿程阻力系数l1=57781。

2.2 低温油脂压力损失

在某低温项目始发现场，同掘进过程中流量相同情况下采集系统参数，环境温度为1℃，油脂泵出口压力为240bar，尾盾处压力传感器为98bar，单位管路沿程损失为3.55bar/m。

对比得出：温度对盾尾油脂的管路损失影响较大。盾构掘进过程中不存在低温情况，但是如果冬季始发，需要就低温造成的影响进行评估，必要时可以进行油脂系统的加热。

3 不同温度对油脂泵送的影响

某盾构冬季始发时，对油脂系统进行流量、压力及系统差异等方面进行测量。

按照不同分类，进行如下对比。

3.1 不同温度下的压力损失

通过测量盾尾溢出油脂温度，在不同的温度的条件下，对系统进行分析。溢出油脂温度对应的管路沿程压力损失如图4 所示。

图4 盾尾溢出温度与沿程压力损失

采用专用橡胶加热带对油脂桶加热后，从油脂泵出口直接测量油脂温度。之后泵送油脂，使油脂从盾尾溢出，再次对油脂密封系统进行分析，油脂桶油脂温度对应的管路沿程压力损失如图5 所示。

图5 油脂桶温度与沿程压力损失

由图3 及图4 分析，油脂温度或系统所处环境的温度对管路的沿程压力损失影响较大。

3.2 同样驱动力下的泵送参数

现场测试中，将盾尾油脂泵的气源压力设置为定值，对不同温度下沿程压力损失和溢出油脂量进行分析，结果如图6 所示。

图6 同气源下不同温度的泵送参数

在同样驱动力作用下，理论排量相同。根据测量结果，在低温条件下，随着温度的升高，油脂泵送量随着泵送阻力的减小逐步增大。

4 结论

通过对盾尾油脂系统介绍，对低温始发时的系统进行分析，对不同温度下系统的压力损失及油脂泵送量进行测试，进一步验证了低温始发对盾尾油脂系统产生的较大影响，为现场施工技术人员对油脂的使用提供一定程度的借鉴。因此，盾构冬季始发时需要按设备制造商的要求：对油脂管路进行加热、采用保温材料进行包裹，对油脂桶采用专业橡胶加热带等。