盾构用盾尾密封油脂抗水压密封研究
王德乾
【摘 要】盾尾油脂的抗水压密封性能测试仪器、测试方法和评价标准的国内外情况进行了总结比较。根据对盾尾油脂抗水压密封性能的研究以及国内盾尾密封油脂使用，借鉴国内外盾尾密封油脂抗水压密封性的评价标准，推荐了适合我国高水压盾构施工条件的评价标准。这对我国在高水压盾构施工时选择合适的盾尾密封油脂提供借鉴。%Test instrument,test method and evaluation criteria of the water-tightness under high pressure of home and a-broad shield tail aling grea were reviewed.According to the rearch results for the water-tightness under high pressure of shield tail aling grea,and the application of the shield tail aling grea in China,referring to evaluation criteria of the water-tightness under high pressure of home and abroad shield tail aling grea,the evaluation criteria suitable for high water pressure shield tunneling were recommended.It was uful that shield tail aling grea was rationally lected in the high water pressure shield tunneling.
【期刊名称】《铁道建筑技术》
【年(卷),期】2017(000)001
【总页数】4页(P7-9,29)
【关键词】盾尾密封油脂;抗水压密封性;测试仪器;评价标准
【作 者】王德乾
【作者单位】中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ645
21世纪是隧道及地下空间大发展的时代，地下空间的开发因具有不占用地面资源、缓解地面交通、不影响景观、有利于环境保护等优点而备受青睐，因此铁路隧道、公路隧道、城市地铁、过江隧道、引水隧道、市政管道和地下行人通道的建设方兴未艾，中国具有目前
世界上最大的隧道及地下工程施工市场，其潜力正快速释放。盾构法作为城市地下隧道施工的主流方法，具有较高的自动化程度、较快的施工速度、安全稳定、效率高、对环境影响小等优点，在地下施工中显示出强大的优势，随着国内盾构施工技术的不断发展、成熟，长距离、大直径、大埋深、高水压及复杂断面的隧道施工越来越多。盾构机在地下施工时，为了保证盾构机壳体内部有安全干净的施工环境，其密封系统至关重要。盾构机主要有三大密封系统，分别是：盾尾密封系统、主轴承密封系统和铰接密封系统，其中盾尾密封系统最易失效，也是最关键的密封系统。尤其是高水压(0.4～0.65 MPa)的大直径盾构施工中，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。盾尾密封油脂是盾构机施工中盾尾密封防水的主要材料，用于防止盾壳外部水和砂浆等流体进入盾构机内部 [1-3]。目前，在过江河海等高水压盾构施工中抗水压密封指标，国内外无统一的测试仪器、测试方法与评价标准。
本文重点介绍了盾尾密封油脂最重要的性能指标之一抗水压密封性的国内外评价标准。结合国内施工单位在实际使用油脂过程中积累的经验，研制了盾尾密封油脂抗高水压密封性(现场施工压力0.4～0.65 MPa)的定量测试仪器，给出了其测试方法，推荐了其评价标准，
为盾尾密封油脂性能指标行业标准的尽快出台奠定基础。
经前期对盾尾密封油脂的深入研究发现，盾尾密封油脂在实验室中测试其抗水压密封的仪器均参照了EFNARC编制的《TBM盾构机在软基和硬岩中掘进时专用产品的使用说明和准则》中提出的抗水压测试仪器。其评价标准如表1所示。另外美国专利中也对盾尾密封油脂的抗水压密封性给出了评价标准，如表2所示。EFNARC采用固定空气压力0.8 MPa，通过改变油脂底部铺一层金属网网孔的直径和改变保压时间，观察漏水与否作为评价油脂抗水压密封性好坏。而美国专利固定空气压力0.8 MPa、金属网孔的直径1 mm和保压时间30 min，通过观察漏水体积的大小评判油脂抗水压密封性好坏。通过比较更倾向于美国专利中固定空气压力、金属网孔的直径和保压时间，测试漏水体积的大小对盾尾密封油脂抗水压密封性的评判[4]。
日本松井公司研制的盾尾油脂抗水压测试设备与欧洲EFNARC和美国专利中仪器的结构和原理相同，只是外加压力达到3.5 MPa，且金属网孔径为0.84 mm [9]。在实际使用中，盾尾密封油脂在腔内的受压约为0.3～0.5 MPa。因此，设置3.5 MPa的压力貌似确实过大。然而实验室试验发现，目前欧洲、美国和日本以及国内采用的抗水压密封测试装置结构和
测试原理相同，油脂与抗水压测试桶内壁没有相对运动，是静止的，在此条件下，施加空气压力或者水压力，观察漏水大小或是否漏水，这与盾构机现场施工中盾尾密封有很大不同。盾构机在掘进时，盾尾刷与管片之间发生相对运动，从而产生或大或小的间隙，盾尾密封油脂充满在油脂腔和间隙中；同时盾尾受到0.25～0.4 MPa的同步注浆浆液的压力，或者在过江过河过海时受到0.4～0.65 MPa的水压力(目前所出现的高水压)。在盾构机掘进过程中，动态中的盾尾密封油脂必须能承受0.25～0.4 MPa的浆液压力；或者在高水压施工中，要承受0.4～0.65 MPa的地下水压力；与实验室盾尾密封油脂处于静止状态下受空气压力和水压力是不同的，因此，实验室试验下的水压力或空气压力必须要远大于实际施工中的0.4～0.65 MPa方可安全可靠。以0.65 MPa的实际施工中的最大水压为例，美国和欧洲采用0.8 MPa的空气压力，其安全系数为1.2。日本采用3.5 MPa的水压力，其安全系数为5.4。就安全系数而言，倾向于日本采用的3.5 MPa的水压力作为盾尾油脂抗水压密封性的实验室测试条件。
3.1 第一代抗水压密封专用测试仪器(见图1)
参照美、日、欧等国的盾尾密封油脂抗水压密封测试仪器的设计原理，按照上海隧道公司
抗水压测试装置的外形，研制了盾尾密封油脂抗水压密封装置。另外初步研究了抗水压密封性的测试方法，并提出了抗水压密封性的评价标准 [5]3。
通过对美、日、欧以及国内抗水压密封装置的进一步研究，借鉴美国和日本专利测试条件和评价比标准，再根据国内盾构施工中盾尾密封油脂的实际使用，推荐抗水压密封性的测试仪器、方法及评价如下：
测试装置是一个内径为100 mm的金属圆柱筒，顶部有一个进风口，底部贴3层200目的金属网。在金属网上面铺一层25 mm厚的盾尾密封油脂，油脂上方灌满水，然后施加0.8 MPa空气压力。测试结果：若在0.8 MPa空气压力下保压30 min不漏水，且在3.5 MPa空气压力下瞬间不漏水，则说明盾尾密封油脂的抗水压密封性良好，基本满足盾构施工需求。
3.2 第二代抗水压密封专用测试仪器
随着国内盾构施工技术的不断发展、成熟，长距离、大直径、大埋深、高水压及复杂断面的隧道施工越来越多。尤其是国内过江过河过海的高水压盾构施工中，对盾尾密封油脂的抗高水压密封性有了更高的要求，发现第一代抗水压密封装置有两个问题。第一，3.5 MP
a的水压力，只能瞬间达到，无法长时间保压；第二，0.8 MPa的测试水压，在保压过程中，出现压力不稳定的问题。鉴于此，研制了第二代抗水压密封测试装置，如图2所示。该抗水压密封测试装置，最大的特点在于在4 MPa的高水压下，保压60 min，并且保压期间压力波动很小。以0.65 MPa的实际施工中的最大水压为例，实验室试验所用4 MPa测试水压是其6.2倍，高于日本5.4倍的安全系数。另外该抗水压密封测试装置最大能达到6 MPa的水压。该设备之所以能达到6 MPa的压力，是通过组合液压缸的加压模式，能精确控制料筒中盾尾密封油脂的压力值，尤其是在高压4 MPa下，保证物料承载压力值在±0.1 MPa范围内波动。实现盾尾密封油脂在实验室抗高水压的精确测试。该设备填补了国内盾尾密封油脂抗高水压密封测试仪器的空白，为施工单位提供了盾构用盾尾密封油脂抗高水压密封的定量测试。
采用该抗水压密封测试设备，测试了2种进口产品、2种国产产品和自制ANDR P2产品的抗水压密封性，如表3所示。测试条件：金属网网孔直径200目，且铺3层，水压力4 MPa，保压时间60 min，水温25 ℃。由表3中可知，进口产品1、2、国产产品1和自制产品 ANDR P2在水压力4 MPa，保压60 min条件下，漏水量为0，即无漏水现象。另外国产产品2有漏水现象，其漏水量大于3 mL。
目前，国内无统一的盾尾密封油脂抗水压密封的测试方法，结合课题组对盾尾密封油脂的研究以及抗水压密封测试装置的设计、研制和使用，总结了一套盾尾密封油脂抗水压密封测试方法。
4.1 样品存放条件
盾尾油脂性能测试前，将油脂在标准试验条件下放置2 d，其中标准试验条件为温度(25±1)℃，相对湿度(50±2)%[12]。
4.2 准备工作
(1)将水加入到水箱中。
(2)将3层200目钢丝网放入内径为100 mm、底部均匀分布25个直径为2 mm小孔的金属圆柱桶底部并铺平。
(3)称取400 g盾尾密封油脂，将其加入到金属圆柱桶中，将其抹平。用螺丝把金属圆柱桶固定在固定支架上，上紧螺丝，保证金属圆柱桶内的良好密封性。
4.3 测试步骤
(1)将水箱的出水阀、固定支架上的进水阀和排气孔打开，在盾尾密封油脂的上层空间注满水，同时排出管路和推进装置的空气。待水注满后，将水箱的出水阀、固定支架上的进水阀和排气孔关闭。
(2)启动总开关，将液压系统的压力调至4 MPa后，启动加载加压，秒表开始计时，观察金属圆柱桶底部是否有油脂或者水渗出，保压60 min，用滤纸接渗出的油脂和水的混合物，称重为m1；然后把滤纸、油脂和水的混合物一起放入烘箱中，烘箱设置温度为60 ℃，5 h后，取出称重为m2。 m1-m2即为盾尾密封油脂在4 MPa下每小时的渗水量。
就产品本身而言，目前其抗水压密封性具有可参考性的数值如表4所示。
就国内盾构施工，尤其高水压盾构施工时，对盾尾密封油脂耐高水压的要求，课题组结合实验室试验结果和现场要求建议其评价标准如下：
