盾尾密封油脂与盾构机及施工地层的适应性研究

王德乾 郑筱彦 斯芳芳 谢宇飞 王明杰

（1.中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600；2.中铁建设集团有限公司 北京 100040）

1 引言

21世纪初，随着国内城市轨道交通的蓬勃发展，国家对装备制造业大力扶持下，盾构机整机通过引进、消化、吸收和再创新，实现了创新后的国产化。但是，由于盾构施工行业发展迅猛，以盾尾密封油脂为代表的施工配套消耗性材料的需求量在短时间内剧增。目前，该类产品主要由国内中小企业生产，为了满足市场需求，中小企业对国外技术引进之后，来不及系统地消化吸收就大量生产并推向市场［1－2］。虽然前几年国内生产盾尾密封油脂的公司有几十家，但是其核心技术仍然掌握在日本和法国的几家大型企业中，国内鲜有机构对盾尾密封油脂等产品进行深入系统地研究，并且仅有少量公开发表的相关研究成果［3－6］。目前国产产品大都用于低水压的盾构施工中，然而扬州瘦西湖、南京和武汉等过江隧道的高水压盾构施工所用的盾尾密封油脂几乎全部被进口产品垄断［7－8］。

鉴于此，中铁五院在北京市科委重大办的资助下，开展了耐高水压盾构用盾尾密封油脂产品的研制，基于课题《耐高水压盾构用盾尾密封油脂研制》［9－10］的研究成果，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、郑州豫机线城际、深圳穗莞深城际、长春地铁2号线和广州地铁18号线和22号线等大量使用情况，针对盾尾密封油脂在实际使用中遇到的“堵管”、“消耗大”、“打不动”和“漏水漏浆”等问题，本文重点开展了盾尾密封油脂与盾构机、施工地层等匹配性的研究工作，为施工单位提供与现场情况匹配的盾尾密封油脂的依据，协助施工单位获得性价比高的盾尾密封油脂产品，保证施工顺利进行，缩短施工工期，节省材料费用。

2 盾尾密封油脂与盾构机的适应性研究

2.1 盾构机

盾构机是盾构法隧道施工的最重要设备［11］。根据盾构机直径的不同，可以分为以下几类：盾构机直径0.2～2 m，称为微型盾构机；盾构机直径2～4 m，称为小型盾构机；盾构机直径4～7 m，称为中型盾构机（常规盾构机）；盾构机直径7～12 m称为大型盾构机，盾构机直径12 m以上称为超大直径盾构机。

中铁五院安达盾尾密封油脂目前大都用在直径为6.28 m的常规盾构机、直径为8.8 m的大型盾构机和直径为12.81 m的超大直径盾构机中。通过技术人员现场跟踪统计，在同样的配方、同样的环境温度下，不同型号盾构机正常掘进一延米实际消耗盾尾密封油脂量如表1所示。

表1 盾构机与盾尾密封油脂消耗量的匹配性

由表1可知，直径8.8 m的盾构机正常推进一延米的实际消耗量约为直径6.28 m的盾构机油脂消耗量的2.4倍，大于两者的直径比1.4；而直径为12.81 m的盾构机正常推进一延米的实际消耗量约为直径8.8 m的盾构机油脂消耗量的1.6倍，约等于两者的直径比1.5。研究发现影响盾尾密封油脂消耗量的因素主要为盾构机直径、盾尾间隙大小、盾尾刷的完好率、同步注浆压力、管片理论连接缝的大小、管片拼装质量、施工曲线半径和坡度大小、盾构机施工姿态控制、地质条件、施工环境温度以及不确定的人为因素等。盾构机直径和盾尾间隙大小直接影响着盾尾密封油脂的消耗量，盾构机直径越大，其对应的管片直径越大，其管片的侧面积越大，附着在其侧面上的油脂量越大，油脂消耗量越大；另外，盾尾间隙越大，盾构机姿态不易调整，容易出现盾尾间隙不均匀的问题，导致油脂通过间隙进入到浆液中去，使得油脂消耗量大大增加。

2.2 盾尾间隙

盾尾与管片之间的间隙叫盾尾间隙。直径为6.28 m的地铁盾构机的盾尾内径为6 150 mm，管片外径为6 000 mm。因此，在直线段施工时，标准盾尾间隙为75 mm。实际盾尾间隙是30 mm，因为盾尾处有一高为45 mm的凸台。盾尾间隙是管片选择的依据之一。如果间隙过小，则盾构机在推进过程中盾尾会与管片发生干扰。轻则增加盾构机向前掘进的阻力，降低掘进速度，重则盾尾管片损坏，造成盾尾漏浆漏水。因此，在拼装管片之前，必须对上一环管片的上、下、左、右四个位置的盾尾间隙进行测量。如发现有一方向上盾尾间隙过小，采用转弯环调整盾尾间隙，如果不及时调整，易形成管片错台。调整的基本原则是，哪边的盾尾间隙过小，就选择拼装反方向的转弯环。拼装1环左转弯环之后，左边盾尾间隙将减小，右边盾尾间隙将增大。同时，通过不同的拼装点位，还可以调节上、下方向的盾尾间隙。如果此时盾构机在直线段的掘进，则必须注意在拼装完1环左转弯环后，选择适当的时机，再拼装1环右转弯环将之调整回来，否则左边盾尾间隙将越来越小，直至盾尾与管片发生干扰。当盾构机处于曲线段，则应根据线路的特点进行综合考虑［12］。

2017年1月，穗莞深中铁16局9标项目采用直径为8.8 m的奥村盾构机施工，其盾尾间隙比直径为6.28 m的常规盾构机大。盾构掘进中，在油脂注入的四区和五区部位，出现大量漏浆现象。此时采用中铁五院安达盾尾密封油脂的20161112配方。经实地考察，该盾构机盾尾已出现了椭圆形，即顶部盾尾间隙很小，底部盾尾间隙很大。盾构姿态一直调整，但收效甚微，管片错台严重。理论上讲，顶部盾尾间隙小、底部盾尾间隙大，所需要的盾尾密封油脂流动性要提高，易挤满顶部小的间隙；所需要的盾尾密封油脂粘度提高，与四周管片、尤其是底部大间隙部位管片的粘结力提高，防止被同步注浆的浆液冲走。

根据理论分析，本课题组对盾尾密封油脂进行配方调整，如表2所示。

表2 穗莞深项目三种配方的主要性能指标

2.3 盾尾密封钢丝刷

盾构掘进时，管片是静止的，盾壳向前移动，所以盾壳和管片外壁之间存在间隙，盾尾密封系统就是为了防止盾壳外部地下水和同步注浆浆液等流体进入盾构机内部而设置。目前，绝大多数的盾构机都采用在多道钢丝刷与盾壳、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层，防止盾壳外部地下水和同步注浆浆液等流体的渗入，盾尾密封结构原理如图1所示。

图1 盾尾密封结构原理

2018年1月，在成都地铁6号线3标尚红区间右线，头200环用安达产品未发生漏浆，200环之后多家油脂产品混合使用，出现轻微漏浆，440环时出现大面积漏浆，并于1月19日盾尾刷被击穿。针对此问题，对盾尾刷开展了调查，据项目部调查结果，钢丝刷钢丝弹性不好，强度不够，是被击穿的主要因素。正是由于盾尾刷被击穿，涌水通道形成，导致漏浆漏水。为了封堵水和同步注浆浆液，只能持续注入盾尾密封油脂，导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。鉴于此，施工单位一方面通过在盾尾刷击穿处塞入海绵，用以辅助止浆；另一方面本课题组提供和现场相匹配的盾尾密封油脂，争取实现尽量降低漏浆量的前提下，降低盾尾密封油脂的消耗量。

根据盾尾刷被击穿的问题，本课题组做了大量配方试验，并优选出两个改进配方20180122和20180127。20180108配方是盾尾刷被击穿之前的使用配方，通过理论分析，再结合现场使用要求，课题组提出增加盾尾油脂的粘度和稠度，通过提高粘度，可以增强盾尾密封油脂与管片的粘结力，尽量堵住涌水通道。经过多次配方调整后，获得20180122和20180127配方，并将以上三种配方进行泵送性、锥入度和粘附性的测试，测试结果如表3所示。

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表3 成都地铁项目三种配方的主要性能指标

结果表明，与20180108配方相比，20180122和20180127配方的流动性降低，稠度和粘附性均有了明显提高。该两个配方先后用在成都地铁6号线3标尚红区间右线，虽然室外温度0～15℃，该两个配方的泵送性依然良好，未曾出现“打不动”或“堵管”问题，被击穿部位漏浆量明显降低，盾尾密封油脂的消耗量也大幅下降，基本和盾尾刷被击穿前持平。因此，20180122和20180127两个配方获得中铁20局项目部认可，一直供应直到隧道洞通。

盾尾钢丝刷的结构和质量对盾尾密封油脂的影响很大。盾构掘进过程中，不管因为何种因素，导致盾尾钢丝刷被击穿，与之相匹配的盾尾密封油脂，泵送性在18～22 g/min、锥入度在210～220，水冲流失量在2%～3%。

2.4 盾尾油脂泵

油脂泵是将密封油脂泵入盾构机盾尾油脂腔的设备，盾尾油脂腔是两道盾尾钢丝刷与盾构机外壳、管片构成的空腔。油脂泵压力又称泵头压力，即密封油脂通过油脂泵泵出时的压力，一般在7～20 MPa之间，泵出油脂沿着数十米的管路到达盾尾油脂腔处，此处油脂压力约为1.5～3.5 MPa。据现场统计总结，直径为6.28 m的盾构机使用的油脂泵泵头压力一般在7～11 MPa之间；直径为8.8 m的盾构机的油脂泵泵头压力一般在10～15 MPa之间；直径为12.81 m的盾构机的油脂泵泵头压力一般在15～20 MPa之间。

以广州地铁18号线二分部二工区HB1风井～HB1盾构井右线的泵送型盾尾密封油脂的应用情况为例。该项目全线长2 510 m，全线1 568环，主要地层为淤泥、中、粗砂。该项目采用直径为8.8 m的泥水盾构机，其盾尾密封系统由4道钢丝刷形成3个油脂腔，每个油脂腔设计10个注脂孔。掘进时一般采用自动模式。盾尾油脂泵为林肯泵，泵头压力为13 MPa，实测每个冲程约为14～16 s，如图2所示。

图2 盾尾油脂泵泵头压力

目前国内施工单位认为进口某产品锥入度210～220，泵送性约40 g/min是最佳指标。按照经验，该进口产品既能充满盾尾密封油脂腔，又具有良好的抗水压密封性。然而在2019年广州地铁18号和22号线的盾构施工中，却出现了不一样的结果。广州地铁18号线和22号线，盾构机所配备的油脂泵的泵头压力一般在10～15 MPa。盾构施工初期，该项目部采用进口某产品，但是消耗量很大，平均一桶油脂打1环左右，并且出现漏浆漏水现象。后来换用课题组研制的耐高水压盾构用盾尾密封油脂，盾构掘进中，平均一桶油脂打1.5环以上，并且不漏浆不漏水。通过该案例表明，盾尾密封油脂的泵送性与配套的油脂泵泵头压力有极大的关系。如果泵头压力较小，例如7～11 MPa，那么盾尾密封油脂的泵送性要大，比如某进口产品的泵送性40 g/min左右，与泵头压力较小的泵匹配性高；相反，如果泵头压力较大，例如10～15 MPa，那么盾尾密封油脂的泵送性要适当降低，例如课题组研制的产品泵送性为20 g/min左右，与泵头压力较大的匹配性高。因此，盾构施工中，选择与盾尾密封油脂泵相匹配的产品，至关重要。同时，该案例也说明并非进口某产品性能就是最优化性能，而是与盾构施工地层、油脂泵泵头压力等相匹配的盾尾密封油脂，才是保证盾构施工不漏水、不漏浆、消耗少，安全稳定的首选。

3 盾尾密封油脂与盾构施工地层之间的适应性研究

盾构施工中常见的地层有：淤泥层、黏土层、砂层、砂卵石地层、砂砾地层、砾石地层、软岩石地层和硬岩石地层等。

在盾构施工中，淤泥层、黏土层和含水量少的砂层对盾尾密封油脂综合性能的要求不高，掘进过程相对较顺利，盾尾密封油脂消耗量少。然而在富水砂层、砂卵石地层、砂砾地层和砾石地层中，由于掘进速度或快或慢，不均匀，经常因为卡刀盘而临时停止掘进等施工中的问题，导致盾构机盾构姿态不稳，盾尾间隙不均匀，盾尾刷磨损严重，出现漏水漏浆。

3.1 富水砂层、砂卵石地层

根据以上三点原因，课题组采用长、短相结合的植物纤维作为增稠增强剂、复合型黏度指数改进剂作为增粘剂开展了大量的正交试验，其优选配方为20180122和20180127，该两个配方在增粘剂和增稠剂组分上有了明显提高。其性能指标如表4所示。

表4 针对砂卵石地层调整盾尾油脂配方的主要性能指标

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，稠度大可解决应对富水砂卵石地层的注浆压力偏大的问题，粘度大可保证与管片间的有效粘结，可解决富水砂卵石地层掘进速度太快导致的油脂腔油脂量不够而出现的漏浆问题。经过现场使用，20180122和20180127配方均获得了施工单位认可，少有漏浆现象，消耗量也有所降低。

因此，本课题组推荐砂卵石地层需用泵送性18～22 g/min、锥入度210～220，水冲流失量2%～3%的盾尾密封油脂。该配方产品粘结性强，稠度大，抗水压密封性强，消耗量少。

3.2 高水压盾构施工地层

高水压盾构施工地层是目前盾构施工中最有风险的施工地层。尤其是过江过河等高水压强渗透地层的盾构施工，盾尾密封系统更为至关重要。因为高水压下盾尾密封系统一旦失效，将可能带来无法预计的灾难性后果。因此构成盾尾密封系统的结构及其材料必须保证安全可靠。所以，施工单位为了保证盾尾密封系统绝对安全可靠，宁可高价购买进口盾尾密封油脂，也不选用价格低廉的国产产品。究其原因，是因为国产产品抗高水压密封性和泵送性这对性能矛盾体的平衡性欠佳，同时泵送性性能受环境温度影响比较大，综合性能落后于进口产品，导致目前高水压下盾构用盾尾密封油脂被进口产品垄断。

课题组研制的耐高水压盾构用盾尾密封油脂产品在合作单位中铁建华南建设南沙产业园区建成了年产量为10 000 t自动化生产线，并于2018年11月投产。目前正广泛应用于广州地铁18号线和22号线。如广州地铁18号线六分部二工区沙溪站－石榴岗站过珠江隧道的盾构施工采用了本课题组研制的耐高水压盾构用盾尾密封油脂，如图3所示。

图3 耐高水压盾构用盾尾密封油脂的现场使用

由于盾构机需要过江，抗高水压密封性和黏附性要求很高，另外泵头压力14 MPa，需要盾尾密封油脂稠度大，流动性适中。因此，实验室采用长、中、短相结合的复合型植物纤维和矿物纤维作为增稠增强剂、复合型黏度指数改进剂作为增粘剂、倾点在－30℃以下的基础油作流动性改进剂进一步优化了其配方，所得产品的测试结果与普通盾尾密封油脂的重要性能对比见表5。

表5 耐高水压盾构用盾尾密封油脂与普通盾尾密封油脂的主要性能指标对比

由表5可知，实验室条件下，耐高水压盾构用盾尾密封油脂的泵送性与普通盾尾密封油脂的泵送性基本相当，然而耐高水压型产品的稠度和黏附性明显高于普通型产品；尤其是耐高水压盾尾密封油脂在实验室条件下做静态抗水压密封性实验时，最大耐压值达6 MPa，而普通盾尾密封油脂的实验室最大耐压值在4 MPa左右，试验证明耐高水压盾构用盾尾密封油脂的粘度、稠度、流动性三个性能矛盾体更加协调统一。

截止到2019年6月23日，右线掘进至712环、左线掘进至492环。在掘进过程中，左线从43环开始下穿珠江，至365环穿江完成，穿越河堤距离515.2 m；右线从217环开始下穿珠江，至525环穿江完成，穿越河堤距离524.8 m。穿江过程中，油脂通过输送管道到达盾尾油脂腔部位的压力平均在15～25 bar，每延米消耗泵送型盾尾密封油脂质量为 62.5 kg，最高注浆压力达到 0.7 MPa，且全程无漏水漏浆现象，整体使用效果良好。

通过配方调节和现场使用，课题组认为高水压盾构施工地层所需盾尾密封油脂，不仅仅需要“黏、稠、流”三个性能矛盾体相互协调、有机统一，还需要其性能与盾尾油脂泵、地层、环境温度等相匹配。实践证明，无论产品再好，都不能实现一个配方可以解决所有盾构施工中盾尾密封问题。课题组所研制耐高水压盾构用盾尾密封油脂在本项目中的成功应用，为施工单位在过江过河等高水压盾构施工提供了一个可信任的国产产品。

4 结论与体会

（1）盾尾密封油脂与盾构机及盾构施工地层的匹配性非常重要。根据实验室研究与现场使用经验，本课题组推荐：盾构掘进过程中，不管何种因素，导致盾尾钢丝刷被击穿，推荐粘度大、稠度大的盾尾密封油脂；由盾尾间隙不均匀而出现漏水漏浆时，推荐施工单位选择泵送性好、粘度大，稠度适中的盾尾密封油脂；砂卵石地层出现漏浆漏水时，需用流动性适中，粘度和稠度均大的盾尾密封油脂；高水压盾构施工地层中，推荐使用不仅需要“黏、稠、流”相互协调，也要使其性能与盾尾油脂泵泵头压力相匹配的产品。

（2）盾尾密封是盾构机的三大密封之一，对盾构安全施工尤为重要。因此选择性价比高、与施工盾构机、地层相匹配的产品，不仅可以节省施工成本，保证盾构施工的顺利进行，更重要的是保证施工安全，意义重大。