盾尾密封油脂的抗水压密封性能评价标准研究

朱炜健，王德乾，廖剑平，王 静，谢宇飞，斯芳芳

(1.中铁建华南建设(广州)高科技产业有限公司，广东 广州 511458； 2.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

0 引言

随着我国城市轨道交通的发展，盾构法成为地下工程施工的主流方法[1]。盾尾密封油脂是一种以基础油、纤维、增黏剂、填充剂等为原料制备的均匀膏状物。在盾构施工过程中，盾尾油脂由油脂泵泵出，经过管路泵送至盾尾，充分填满由多道盾尾刷与管片形成的油脂腔，可以防止地层中的水以及同步注浆浆液通过盾尾间隙进入盾构内部[2]。盾尾密封油脂是盾尾密封系统的重要组成部分，是盾构安全掘进的重要前提和保证。

广州地铁18号线、22号线地质情况复杂，多次穿越江道、河道等高风险地层[3]，具有“高水压、高渗透、长距离”的特点，施工单位对盾构施工中所需的盾尾密封油脂提出了耐高水压的要求[4]。本课题依托广州地铁18号线、22号线项目，通过实验室配方升级优化，制备出了高性能盾尾密封油脂——铁箭S2盾尾密封油脂。但是，目前对于盾尾密封油脂的抗水压性能，国内外还没有形成统一的标准，只是部分企业和组织制定了标准对该类产品的主要性能进行评定[5-6]。例如： 欧洲标准采用固定的1层金属网和0.8 MPa压力进行测试，通过改变金属网网孔直径和保压时间观察是否漏水来评价抗水压密封性的好坏； 美国专利采用固定的1层1.0 mm孔径金属网和0.8 MPa压力进行测试，以保压30 min后的漏水量作为评价标准，漏水量小于10 mL记为合格，漏水量小于3 mL记为较好； 日本专利采用固定的1层0.84 mm孔径金属网和3.5 MPa压力进行测试，以保压30 min不漏水作为评价标准； 中国石油和化学工业联合会团体标准采用固定的1层0.6 mm孔径金属网和3.5 MPa压力进行测试，以是否漏水和油脂的泄漏量作为评价标准[7]。

目前，多数标准采用1层金属钢丝网进行测试，也有研究人员采用多层金属钢丝网，如本课题组早期采用3层200目金属网，文献[8-9]采用3层孔径0.85 mm金属网。经进一步研究后发现，采用多层金属网测试抗水压密封性时，不同盾尾密封油脂均不漏水，无法定量判断油脂抗水压密封性的好坏。

没有统一的测试和评价标准，容易导致市场盾尾密封油脂质量良莠不齐。因此，制定一个科学、合理的测试标准势在必行。本课题组在文献[10]的研究基础上研发出新型抗水压密封测试仪，并通过对国内外油脂产品的测试分析提出相关评价标准，以期为盾尾密封油脂性能指标行业标准和国家标准的设立提供参考。

1 抗水压密封性测试仪的研制及测试标准的提出

1.1 现有测试标准存在的问题

目前，加压方式、金属网孔径和评价方法在国内没有形成统一的标准。课题组尝试了如表1所示的不同的测试标准[11]，对不同品牌的盾尾密封油脂进行密封性能测试，测试结果如表2所示。

表1 密封油脂的不同测试标准

表2 不同标准下的油脂抗水压测试情况

由表2结果可知： 参照欧洲标准和美国专利测试，4种油脂的抗水压密封性均为最优等级，不能区分盾尾密封油脂抗水压密封性的好坏； 参照日本专利测试，只有进口品牌A未通过测试，而进口品牌A在现场使用中能满足抗水压密封要求，说明此标准制定不合理。以上标准只是对抗水压密封性作出定性分析，不能定量区分出各个品牌盾尾密封油脂抗水压密封性能的优劣。参照中国石油和化学工业联合会团体标准，4种油脂均未漏水，而油脂漏出量与油脂的泵送性有关[12]，并不能直接衡量抗水压密封性的优劣，因此以油脂漏出量作为抗水压密封性测试指标不合理。对此，利用新型抗水压密封测试仪进行了大量试验，提出新的盾尾密封油脂抗水压密封性能测试标准。

1.2 新型抗水压密封测试设备

在原有抗水压密封测试仪的基础上，本课题组研发了新型抗水压密封测试仪。此前研制的抗水压密封测试仪采用组合液压缸加压模式[13]，该模式最大可加压至6 MPa，但保压时间短，不稳定。对此，课题组提出采用柱塞泵加压模式，最大可加压至8 MPa，保压60 min，压力稳定。新型抗水压密封测试仪如图1所示。仪器包括供水装置、测量装置和控制器，其中，供水装置包括储压罐和增压泵，储压罐上设有供水管道、通气孔和阀门。试验装置包括4个如图1(c)和(d)所示的金属圆柱筒，金属圆柱筒的底部设有通孔； 控制器与增压泵信号连接； 测量系统用来测量水压及时间等参数。首先，在金属圆柱筒底部铺1层一定孔径的金属钢丝网，钢丝网上部均匀涂抹一定厚度的油脂来模拟盾尾密封油脂腔内的油脂； 然后，在油脂的上部施加恒定水压模拟盾尾地下水和同步注浆浆液的压力，测试油脂在一定水压下、保压一定时间内是否被击穿，其最小击穿压力用于定量表征盾尾密封油脂的抗水压密封性能。

(a) 测试仪结构

(b) 测试仪实物

(c) 测试仪试验装置结构

(d) 测试仪试验装置实物

1.3 抗水压密封性能测试标准的提出

抗水压密封测试仪施加的水压和金属网孔径的尺寸，对抗水压密封性测试结果有很大的影响。进口品牌A是目前盾尾油脂市场上影响力较大的国际品牌，其企业标准中泵送型油脂产品的抗水压密封性能是在3.5 MPa压力下不漏水[14]。为了与国际接轨，使测试结果与其企业标准相吻合，课题组参照进口品牌A油脂抗水压性能标准，拟通过试验测试找到能让进口品牌A油脂在3.5 MPa压力下保压30 min的钢丝网孔径。

采用不同规格的钢丝网对进口品牌A油脂进行试验： 22目(孔径0.85 mm、丝径0.3 mm)、22目(孔径0.8 mm、丝径0.35 mm)、24目(孔径0.76 mm、丝径0.30 mm)、26目(孔径0.64 mm、丝径0.34 mm)，目数=25.4/(丝径+孔径)，试验结果见表3和图2。

表3 进口品牌A油脂在3.5 MPa下的抗水压试验数据

图2 不同钢丝网孔径下进口品牌A油脂在3.5 MPa时的抗水压密封性

由图2可以看出： 1层0.76 mm孔径的金属钢丝网是进口品牌A油脂在3.5 MPa压力、保压30 min被击穿的临界点； 采用大于0.76 mm孔径的钢丝网，盾尾密封油脂将被水击穿。采用24目孔径钢丝网测试时，进口品牌A油脂能在3.5 MPa压力下，保压30 min不漏水，与其企业标准相吻合。因此，本课题组采用0.76 mm的网孔孔径作为抗水压密封测试金属钢丝网的标准孔径。

为更准确地区分出不同油脂的抗水压性能，课题组提出用水击穿压力来评价盾尾油脂的抗水压性能，并将水击穿压力定义为： 实验室25 ℃下，使用1层网孔孔径为0.76 mm、丝径为0.3 mm的金属钢丝网，300 g盾尾密封油脂被水击穿的最小压力(单位为MPa)。

2 抗水压密封定量测试

2.1 进口品牌A盾尾密封油脂抗水压定量测试

根据上述测试标准，对进口品牌A油脂进行抗水压密封测试。由图3可知，当测试压力为3.5 MPa时，随着时间的增长，油脂流出量不再增长，曲线呈“平台”趋势。这是由于油脂在钢丝网上形成了如图4所示的纤维饼阻水层，有效地阻止了油脂基质和水的流出。而随着测试压力的增大，曲线出现“平台”的时间变长，这是由于随着压力的增大，纤维更容易通过钢丝网被挤出，因此堆积形成纤维饼的时间更长。当测试压力达到4 MPa时，油脂流出量不再随保压时间的增长出现“平台”，而是接近直线式增长最后被击穿。这是由于在4 MPa压力下，短纤维随着油脂中基质一同被挤出，形成了如图5所示的漏水孔。综上所述，进口品牌A油脂的击穿压力为4 MPa。当测试压力大于或等于击穿压力时，油脂就会被击穿； 而测试压力越小于击穿压力就越容易形成纤维饼，形成良好的抗水压密封性能。

图3 不同压力下进口品牌A油脂抗水压密封性

2.2 铁箭S2盾尾密封油脂抗水压定量测试

用同样的测试标准对铁箭S2盾尾密封油脂进行抗水压密封测试。图6示出了铁箭S2密封油脂在不同水压力下的抗水压密封性，当测试水压在6.5 MPa时，保压5 min后油脂流出量基本不变，说明形成了如图7所示的抗水压密封纤维饼层。配方体系中使用了增强材料纤维素纤维(直径0.5～1 mm)、中棉纤维(直径1～2 mm)和长棉纤维(直径3～4 mm)3者的复合材料。该复合纤维与配方体系中的有机纳米复合物形成了有机纳米复合纤维增强阻水结构。该结构的形成，大大提高了盾尾密封油脂的抗水压密封性。然而，随着测试水压的不断升高，盾尾密封油脂中的液体组分和填充颗粒携带着越来越多的中、短纤维流出来，纤维饼形成所需时间越来越长。当测试水压到达6.9 MPa时，盾尾密封油脂中基质携带部分长、中、短纤维的混合物流出量达到最大值。当测试水压为7 MPa时，长、中、短纤维构建的空间网络骨架被打破，配方体系中的有机纳米复合纤维强阻水结构失效，盾尾密封油脂被水击穿。因此，铁箭S2密封油脂的水击穿压力为7 MPa，是进口品牌A油脂水击穿压力的1.75倍。测试水压力小于水击穿压力7 MPa时，铁箭S2盾尾密封油脂具有优异的抗水压密封性。

图4 进口品牌A油脂在3.5 MPa压力下形成的纤维饼

图5 进口品牌A油脂被击穿时形成的漏水孔

图6 不同水压力下铁箭S2密封油脂流出量

图7 铁箭S2盾尾密封油脂形成的纤维饼

3 抗水压密封性测试评价标准的提出

根据中铁建华南建设企业标准《盾尾密封油脂技术条件与规程》，采用自制抗水压密封测试仪，使用1层网孔孔径为0.76 mm、丝径为0.3 mm的金属钢丝网，测试不同品牌油脂在25 ℃保压30 min的条件下，油脂被水击穿的最小压力，试验结果见表4。

表4 不同品牌油脂耐水压密封性

综合不同品牌油脂的抗水压测试情况，对标进口品牌A油脂。本课题组以水击穿压力(实验室25 ℃下，使用1层网孔孔径为0.76 mm、丝径为0.3 mm的金属钢丝网，300 g盾尾密封油脂被水击穿的最小压力，单位MPa)作为油脂抗水压密封性的评价指标，并提出新的评价方法,见表5。

表5 盾尾密封油脂评价方法

4 结论与讨论

4.1 结论

1)研制的新型抗水压密封测试仪最大保压值达8 MPa，精度±0.1 MPa，并提出了盾尾密封油脂抗水压密封性的测试方法和评价标准。

2)定义了盾尾密封油脂的水击穿压力，即实验室25 ℃下，使用1层网孔孔径为0.76 mm、丝径为0.3 mm的金属钢丝网，300 g盾尾密封油脂被水击穿的最小压力(单位为MPa)，用水击穿压力定量表征盾尾密封油脂抗水压密封性的好坏。

3)测试了国内外常见盾尾密封油脂的抗水压密封性能，并根据测试结果提出了抗水压密封性能评价标准。

4.2 讨论

本文通过大量试验研究了盾尾密封油脂的水击穿压力，提出新的抗水压密封性能评价标准，可为盾尾密封油脂性能指标行业标准和国家标准的设立提供参考，但仍有需要继续深入研究的地方。

1)盾构掘进过程中，盾尾刷与管片存在相对运动，本文所使用抗水压密封测试仪是在静态条件下对油脂进行抗水压密封检测，试验装置有进一步完善和优化的空间。

2)在盾构施工的过程中，除了抗水压密封性，还需考虑盾尾密封油脂的其他性能，如泵送性、锥入度、黏附性等。单一地提高抗水压密封性有可能导致其他性能的降低，需进一步研究抗水压密封性与其他性能的相互匹配关系。