盾尾密封油脂的研究现状与发展趋势

斯芳芳

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600；2.北京中铁新材料技术有限公司 北京 102600)

1 引言

盾构法作为隧道工程技术的主要施工方法，具有对周围地层扰动小、自动化程度高、施工速度快、地层适用范围广、经济高效且安全环保等特点，在地下隧道施工中优势显著。盾构机主要有三大密封系统，分别是主轴承密封系统、铰接密封系统和盾尾密封系统，是盾构机隔绝外部的三道防线，是盾构安全施工的根本保障[1]。其中，盾尾密封系统是最关键的，也是最易失效的密封系统，尤其是在高水压(0.4～0.8 MPa)大直径盾构施工中，盾尾密封系统的保障更是至关重要。高水压条件下盾尾密封系统一旦失效，将会带来无法预计的灾难性后果，因此必须保证构成盾尾密封系统的结构及其材料的安全性和可靠性。

盾尾密封系统包括盾尾密封装置和同步注浆两部分。盾尾密封装置由盾构钢丝刷和盾尾密封油脂组成，盾尾密封装置一般设置至少3道钢丝刷，钢丝刷与盾体、衬砌管片一起形成空腔，空腔内注入盾尾密封油脂。在盾构掘进过程中，盾尾密封结构的弹性钢片、钢丝应始终与混凝土衬砌管片保持相互挤压的状态，形成一定的油脂腔压力与注浆压力、地下水土压力平衡，从而实现盾尾内外环境的隔离[2]。盾尾密封油脂作为盾尾密封装置中主要的防水密封材料，用于隔离隧道内外环境，保障盾构机内部安全。一旦盾尾密封油脂质量不佳或者用量、压力不足，易造成盾尾密封受损，导致同步注浆浆液和地下水、泥砂进入隧道，轻则影响工程进度，重则导致地表沉降甚至造成人员伤亡等严重事故。

按照性能要求，盾尾密封油脂分为手涂型盾尾密封油脂和泵送型盾尾密封油脂。手涂型为高粘度、高稠度的油脂，在盾构机始发时，人工涂抹到盾尾钢丝刷上，使其充满钢丝刷内部间隙，保护盾尾钢丝刷结构；泵送型为盾构机正常掘进过程中连续注入的消耗型油脂，其应具备一定的抗水压密封性、泵送性、抗水冲击性、耐磨性和润滑性等[3]。

本文将从文献资料和专利角度详细阐述盾尾密封油脂的国内外发展历程、研究技术现状和未来发展趋势，仅供同行参考。

2 盾尾密封油脂的发展历程与技术现状

2.1 盾尾密封油脂的发展历程

2.1.1 国外发展历程

盾构密封最早使用各种柔性材料如织物、木棉、绳索等填塞接头，并防止泥砂注浆液渗漏到盾构机内部。后来这些方法逐渐被弹性橡胶密封件和弹簧钢片及钢丝刷密封装置替代。早期的橡胶密封件由弹性泡沫材料组成，安装在盾壳钢板特殊断面上，通过整圈橡胶密封件压密止水[4]，这对橡胶密封件的耐磨要求以及软硬度要求很高，但实际使用效果欠佳。直到20世纪80年代日本开发了钢丝刷密封装置，出于安全目的，钢丝刷设置5排，在每排钢丝刷间隙内注满密封油脂并保持一定的压力，防止地下水、土料和同步注浆浆液渗入密封区，钢丝刷密封系统的使用一直延续至今。

据研究资料显示，1987年由日本松村石油公司研发的耐高水压盾构用盾尾密封油脂产品成功应用于英吉利海峡隧道工程(最大水压达1 MPa)；1994年，东京湾海底道路隧道工程(最大水压0.6 MPa)也使用了日本松村石油公司的耐高水压盾构用盾尾密封油脂[5]1－3。国际上知名的盾尾密封油脂生产商有法国道达尔公司和康达特公司、德国巴斯夫公司、日本松村石油公司等。另外，在我国广深港(广州－深圳－香港)狮子洋隧道(最大水压0.67 MPa)、南京长江隧道工程(最大水压0.65 MPa)、上海上中路越江隧道工程(最大水压0.4 MPa)等高水压大直径盾构施工项目中[6]，均采用了进口盾尾密封油脂。由于国外企业对产品的保护，国际上很少有公开发表的文献资料或专利。

2.1.2 国内发展历程

20世纪90年代，随着国内城市轨道交通的隧道建设采用盾构机进行施工，国外盾尾密封油脂产品随之进入中国。1991年蔡瑞英[7]研制的第一代国产盾尾密封油脂SFZ-864，该油脂体系是由多异氰酸酯和羟基化合物聚合而成的高分子聚合物、防锈剂、增稠剂、防坠剂和增强剂组成。通过研究发现盾尾密封油脂应具备以下几个特征:对金属的良好附着力，一定的防腐蚀性，有适当的稠度，遇热不产生下垂或流淌，低挥发性，良好的保油性和弹性。该产品经上海市隧道工程公司应用于石洞口电厂排水隧道的直径5.64 m的盾构，隧道全长276 m，基本未出现任何影响施工的漏泥漏水现象。2005年张洪伟[8]介绍了以油脂、高粘度油、纤维、溶剂和填料为主要原材料制备的新型盾尾密封油脂，但由于当时国内无明确的油脂评价方法，文中参照国外油脂生产企业的产品标准，仅对油脂的下垂值、保油性、流动性、水冲失量和可泵性(中号牛油枪)进行了检测。因此当时国内盾尾密封油脂市场较为混乱，油脂质量良莠不齐。

2012年以前国内盾尾密封油脂的配方研究论文较少，公开发表的成果以盾尾密封油脂工程应用[9]、盾尾密封失效原因分析及处置措施[10]和盾尾密封油脂的性能评价方法为主。直到2012年北京中铁五院王德乾等人[11－12]针对盾尾密封油脂开展了配方组成、测试仪器、性能评价、生产工艺、生产线建设与现场应用等系统研究，并公开发表了一系列研究成果，主要包括分析各组分之间的相互作用，明确各组分对其宏观性能的影响，采用正交试验法获得了盾尾密封油脂的优化配方，实现了盾尾密封油脂“粘度、稠度、流动性”三个性能的有机平衡；研制了泵送性测试仪、抗水压密封性测试仪，实现了盾尾密封油脂泵送性和抗水压密封性的定量测试；研制了万吨级自动化生产线，提高了生产效率。2019年6月底，广州地铁18号线和22号线采用了中铁五院和华南建设联合研发的铁箭牌盾尾密封油脂。该项目采用22台直径为8.8 m的盾构机，管片宽度为1.6 m，地层一般为强风化、中风化、微风化泥岩或花岗岩[13]。在累计长达3 km的过珠江及周边水道的盾构施工中，最大注浆压力达到了0.8 MPa，盾尾无漏浆、漏水现象，创造了全部用国产盾尾密封油脂成功过大江大河的案例。在该项目中平均每延米消耗40～50 kg油脂，中铁十五局项目部做过与进口产品的消耗量对比，结果表明该盾尾密封油脂的消耗量明显较少，并且价格是进口产品的40%。从现场调研图中(见图1)也可以清晰看到盾尾油脂密封腔内油脂饱满，盾尾刷磨损状况良好，基本无被浆液侵蚀的情况。

图1 现场调研盾尾刷与盾尾密封腔的出洞情况

2012年后国内盾尾密封油脂配方基本上以基础油、增稠剂、润滑脂、纤维和无机填料为主，并进入快速发展阶段。Zhang等[14](2017年)将不同比例的基础油、增稠剂、润滑脂、可生物降解纤维和无机填料等材料混合搅拌制备盾尾密封油脂，并对其密度、锥入度、高压水密封性、抗水冲刷性、蒸发损失和抗磨性等性能进行了研究。在基础研究方面，中国地质大学的李向前等人[15－16](2020年)通过实验详细地研究了不同材料成分对盾尾密封油脂力学特性的影响以及作用规律。通过控制变量法制备了不同的油脂样品，并对油脂的流动性、锥入度、动态流变特性进行了详细的研究。采用动态剪切流变仪测试了油脂的粘弹性特征，构建了油脂基本力学特性控制方法。通过实验优选了适用于油脂的高效改性剂邻苯二甲酸二辛酯(DOP)，并提出液态三元乙丙橡胶(EPDM)作为油脂的增粘剂，分析了DOP和EPDM对油脂力学特性的改性规律和改性机理。同时还研制了油脂消耗速率测试装置可动态测试油脂的密封效率。

2.2 产品专利技术现状

自20世纪80年代末，国外开始研发盾尾密封油脂产品，其中法国康达特公司掌握着高端盾尾密封油脂的配方和工艺技术，但相关专利和文献资料很少公开。根据资料显示，Franchini[17](2011年)提出以疏水性氧化油作为基础油，以矿物质、纤维材料为填料，添加各种不同的助剂如亲脂性乳化剂、胶凝剂、增稠剂、防腐剂和腐蚀抑制剂等，各种材料在室温下进行混合搅拌，该油脂具备环境友好、生态相容的优点。

国内对盾尾密封油脂的研究起步较晚、研发力量相对薄弱，长期处于中低端发展水平。一些施工环境苛刻、地质复杂、高水压区域等场合，特别是施工风险高、盾尾密封失效风险大的工程大部分选用国外品牌。2012年之前，该领域国内仅8项专利申请记录。2012年后，国内相关企业才开始加强盾尾密封油脂的研发工作，该领域的专利申请数量呈逐年递增趋势，尤其在2017年，有效专利申请数达12项。截止2021年4月，经国家知识产权局官网检索，与盾尾密封油脂配方研发及仪器设备相关的专利数共计78项。历年专利申请情况如图2所示。

图2 2012～2020年国内盾尾密封油脂专利申请数统计

近年来，盾尾密封油脂已朝着高性能型、修复型、环境友好型方向发展。例如任彬[18](2020年)公布了一种高抗水性盾尾密封油脂的制备方法，应对超高水压复合地层等特殊工况，该发明基础油包括10＃基础油、菜籽油、650SN中的一种或多种，使其满足埋深在60 m以下(0.5～0.6 MPa水压)所有盾构直径规格的盾构机；同时，提出将盾尾密封油脂进行环保性能测试，包括蚯蚓急性毒性、溞类21 d繁殖试验、鱼类胚胎－卵黄囊吸收阶段的短期毒性试验、快速生物降解试验、固有生物降解试验[19]，上述环保性能测试方法是衡量盾尾密封油脂环境友好性的重要依据。力乙鹏等[20](2020年)公布了一种修复型环保盾尾密封油脂的制备方法，该油脂具有防水修复、自然降解、环境友好等特点，其基础油为聚α烯烃和多元醇酯合成油中的一种或多种，增粘剂为可降解性聚酯树脂，采用可反应性微胶囊为修复单元，其壁材在碱性条件下可发生反应分解，其芯材为渗透结晶防水材料或长链烷基烷氧基硅烷。该成分可填补盾构管片划痕，渗透堵塞混凝土结构毛细空隙和微裂纹，提高结构的自防水，对隧道进行修复，且该修复过程伴随油脂的自然降解全过程，具有一定的缓释长效修复效果。

2.3 产品性能检测技术现状

泵送性和抗水压密封性是检测盾尾密封油脂性能的两个关键技术指标，目前国际上对于盾尾密封油脂的性能指标还未形成统一的评价标准，只有部分企业和组织对该产品的主要性能进行了评定，例如泵送性主要参照ASTM D1092《润滑脂表观黏度试验法》，该方法是在温度25℃和空气压力1 MPa条件下，通过一定直径的毛细管的流量来测定(单位:g/min)。另外，也有少数企业给出“中号黄油枪可打出”的定性评价。针对国内盾尾密封油脂的泵送性无法实现定量测试的问题，王德乾等[21]参照ASTM D1092，结合高分子材料专用毛细管流变仪，自主研发了专用于定量测试盾尾密封油脂泵送性的泵送性测试仪，设定毛细管直径0.38 cm、内孔粗糙度1.6、长径比25∶1条件下进行泵送性测试。

针对抗水压密封性(也称为耐水压密封性)国内企业一般采用日本松村石油公司(MATSUMURA)标准，其条件为外加静态压力3.5 MPa和固定1层孔径为0.84 mm(20目)的金属网，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《盾构密封脂系列产品及试验方法》[22]也参照上述方法，以是否漏水和油脂的泄漏量作为抗水压密封性的评价标准。

结合实际工程问题，高振峰[5]43－75(2019年)系统地研究了高水压条件下盾尾密封油脂的耐水压密封性能，采用耐水压密封试验和流体动力学计算方法，分析盾尾密封油脂的耐水压密封性能及其影响因素。利用自主设计的耐水压密封性动态检测试验装置，实现了0～4 MPa水压范围内的稳定加压和保压，同时具备盾尾掘进的动态模拟功能。针对三种具有代表性的盾尾密封油脂产品开展了耐水压密封试验，提出将油脂的密封方式、危险孔径和初始渗漏水时间等三个因素作为油脂耐水压密封性能检测和评价的重要指标。耐水压密封性能良好的油脂会形成致密的油脂层，与水不相容，水发生渗漏的唯一途径便是利用自身的压力将油脂不断挤压出密封边界，直至形成贯通的渗漏路径，造成盾尾密封失效。

在国内地铁隧道建设的实际使用中，所设置的同步注浆压力一般为0.2～0.8 MPa，由于实际施工环境的复杂性，盾尾密封油脂的性能易受环境温度、盾尾油脂泵、地层结构、盾构机掘进状态以及其他硬件条件等因素影响，在实验室试验时，静态抗水压测试设备无法完全模拟盾构机盾尾结构，按照日本松村石油公司的抗水压密封测试条件，其静态压力3.5 MPa难以保障复杂高水压条件下的盾构安全。因此，王德乾等[23](2016年)公布了一种盾尾密封油脂专用的水压密封测试仪，在室温、恒压(0～10 MPa)下定量测试抗水压密封性，为耐高水压盾尾密封油脂的研发打下基础。

2020年，针对目前国内外各类标准只能给予盾尾密封油脂抗水压密封性定性分析，无法定量区分各个品牌产品抗水压密封性能的难题，朱炜健等[24]提出了“水击穿压力”作为盾尾密封油脂抗水压密封性的定量评价指标，即25℃条件下，使用一层网孔孔径为0.76 mm、丝径0.3 mm的金属钢丝网，300 g盾尾密封油脂在30 min内被水击穿的最小压力(单位:MPa)。采用“水击穿压力”可定量表征盾尾密封油脂抗水压密封性的好坏。

2.4 产品技术标准现状

目前国内关于盾尾密封油脂的评价标准仅有一项，为中国石油和化学工业联合会发布的团体标准《盾构密封脂系列产品及试验方法》，而国际化标准化组织(ISO)及其他国际组织或协会，未发布有关盾尾密封油脂的权威性标准，国内市场上不同品牌油脂产品的性能检测和评价标准仍无法达成统一，导致市场上盾尾密封油脂质量参差不齐。

3 盾尾密封油脂的发展趋势

3.1 研制适用宽温域、高性能的耐超高水压盾尾密封油脂

盾尾密封油脂受温度因素的影响较大，在低温环境下，油脂受温度的影响，泵送性变差；在高温环境下，油脂则更易流动，导致抗水压密封性变差。因此，未来应研制能满足环境温度－20～40℃、高水压0.8～1.5 MPa使用要求的盾尾密封油脂，同时具备优异的泵送性和抗水压密封性能，提高国产盾尾密封油脂的整体质量水平。

3.2 研制生态友好型盾尾密封油脂

在盾尾密封油脂使用过程中，油脂会接触到地下水及土壤，且漏失部分会长期存在于地下。随着国家环境保护要求的提高，国家对盾尾密封油脂的可降解性、对水中鱼类及浮游生物的毒性以及对土壤中残留物的致毒性等绿色环保要求也日益提高。因此，研发生态友好型的盾尾密封油脂是未来发展的大趋势。

4 结束语

本文从盾尾密封油脂的国内外发展历程、专利技术现状、产品性能检测技术现状和标准技术现状等方面，详细阐述了目前我国盾尾密封油脂的配方研究、产品性能评价和国内专利申请情况。针对目前盾尾密封油脂的现状，提出以下4个发展方向。

(1)加强研发和推广使用生态友好型盾尾密封油脂，降低化石能源的使用量，采用天然的可再生原材料，逐步减小对地下环境的影响。

(2)研发适用于复杂高水压施工环境的宽温域、高性能的耐超高水压盾尾密封油脂，提高国产盾尾密封油脂的整体质量水平。

(3)加快制定科学合理、与实际工程应用相结合的国家或行业标准，建立统一的性能评价体系，推动盾尾密封油脂规范化、科学化生产应用。

(4)强化基础理论研究，通过具体工程应用，深入研究盾尾密封油脂的密封机理，建立微观结构与宏观性能之间的桥梁，实现该项技术自立自强。