低溫對(duì)盾尾油脂密封系統(tǒng)的影響

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

在隧道挖掘中，盾構(gòu)法施工已經(jīng)成為常態(tài)。盾尾油脂的作用是防止開挖后土體與管片間的水、泥、砂進(jìn)入盾構(gòu)內(nèi)部。

盾尾油脂密封系統(tǒng)的作用是在油脂泵的擠壓作用下不間斷的填充盾尾刷間的空腔，形成幾道密封油脂腔，同時(shí)通過(guò)盾構(gòu)前進(jìn)時(shí)盾尾油脂的不斷擠出，達(dá)到保護(hù)尾刷、減小尾刷與管片接觸產(chǎn)生的摩擦力、提高施工效率的目的。

盾尾油脂要具有以下特點(diǎn)：優(yōu)良的可泵送性，當(dāng)溫度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，其泵送性不變；在各種材質(zhì)表面具有良好的粘附性；良好的耐水沖失性，確保盾構(gòu)對(duì)淡水及海水的水密性，阻燃、可降解的環(huán)境友好性。因此，此油脂的成分中除了基礎(chǔ)油外還需要加入高粘度油、增粘劑、粉填料和溶劑等，這些成分按照一定比例混合后形成均勻的帶纖維的膏狀物。

而盾尾密封油脂中的基礎(chǔ)油、增粘劑等受溫度的影響會(huì)出現(xiàn)較大的物理特性改變。本文主要從盾尾密封系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、控制原理、壓力損失計(jì)算、低溫的性能測(cè)試等方面進(jìn)行了研究。

1 盾尾油脂系統(tǒng)

1.1 盾尾油脂系統(tǒng)介紹

本文以某型號(hào)盾構(gòu)為例，盾尾油脂密封系統(tǒng)主要由氣動(dòng)油脂泵、氣動(dòng)球閥、壓力傳感器、手動(dòng)球閥、連接管路等能的元器件組成，通過(guò)控制系統(tǒng)的傳感、控制,將后配套拖車上的油脂持續(xù)不斷的注入盾尾刷中，以此達(dá)到盾構(gòu)安全掘進(jìn)的目的。盾尾油脂密封系統(tǒng)原理所示如圖1 所示。

圖1 盾尾油脂密封系統(tǒng)原理

1.2 盾尾油脂的注入

盾尾油脂的注入模式，有自動(dòng)和手動(dòng)兩種。自動(dòng)情況下有行程控制模式、壓力控制模式兩種。壓力控制模式中需要手動(dòng)設(shè)置最大壓力，在此模式下，程序依次對(duì)每一路進(jìn)行注脂，此路注入啟動(dòng)后，傳感器檢測(cè)到壓力值達(dá)到最大壓力時(shí)即停止注入，進(jìn)行下一路的注入，循環(huán)往復(fù)。

圖2 盾尾油脂密封上位機(jī)界面

2 油脂系統(tǒng)沿程阻力系數(shù)

2.1 掘進(jìn)工況油脂壓力損失

采集現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)參數(shù)分析，如圖3 所示，掘進(jìn)過(guò)程中，盾尾油脂泵出口的壓力傳感器的平均壓力為109bar。

圖3 盾尾油脂密封上位機(jī)界面

綜合分析盾尾注入氣動(dòng)球閥處的傳感器壓力，其示數(shù)如表1 所示，其壓力均值為17bar，則盾尾油脂的管路損失為92bar。

表1 掘進(jìn)中尾盾處壓力示數(shù) (單位：bar)

本機(jī)兩傳感器之間管路長(zhǎng)度約為43.6m，則單位管路沿程損失為2.11bar/m。

根據(jù)壓力降計(jì)算公式計(jì)算沿程阻力系數(shù)。

上述處理方式是目前實(shí)踐中有所體現(xiàn)的機(jī)制，通過(guò)比較，我們發(fā)現(xiàn)上述幾種處理機(jī)制，各有優(yōu)劣，具體來(lái)說(shuō)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

式中 DP——沿程壓力降；

r——油脂密度，1.3g/mL；

v——油脂注入速度；

D——管路直徑，D=50mm。

經(jīng)過(guò)式(1)計(jì)算，正常掘進(jìn)情況下的沿程阻力系數(shù)l1=57781。

2.2 低溫油脂壓力損失

在某低溫項(xiàng)目始發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，同掘進(jìn)過(guò)程中流量相同情況下采集系統(tǒng)參數(shù)，環(huán)境溫度為1℃，油脂泵出口壓力為240bar，尾盾處壓力傳感器為98bar，單位管路沿程損失為3.55bar/m。

對(duì)比得出：溫度對(duì)盾尾油脂的管路損失影響較大。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中不存在低溫情況，但是如果冬季始發(fā)，需要就低溫造成的影響進(jìn)行評(píng)估，必要時(shí)可以進(jìn)行油脂系統(tǒng)的加熱。

3 不同溫度對(duì)油脂泵送的影響

某盾構(gòu)冬季始發(fā)時(shí)，對(duì)油脂系統(tǒng)進(jìn)行流量、壓力及系統(tǒng)差異等方面進(jìn)行測(cè)量。

按照不同分類，進(jìn)行如下對(duì)比。

3.1 不同溫度下的壓力損失

通過(guò)測(cè)量盾尾溢出油脂溫度，在不同的溫度的條件下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。溢出油脂溫度對(duì)應(yīng)的管路沿程壓力損失如圖4 所示。

圖4 盾尾溢出溫度與沿程壓力損失

采用專用橡膠加熱帶對(duì)油脂桶加熱后，從油脂泵出口直接測(cè)量油脂溫度。之后泵送油脂，使油脂從盾尾溢出，再次對(duì)油脂密封系統(tǒng)進(jìn)行分析，油脂桶油脂溫度對(duì)應(yīng)的管路沿程壓力損失如圖5 所示。

圖5 油脂桶溫度與沿程壓力損失

由圖3 及圖4 分析，油脂溫度或系統(tǒng)所處環(huán)境的溫度對(duì)管路的沿程壓力損失影響較大。

3.2 同樣驅(qū)動(dòng)力下的泵送參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，將盾尾油脂泵的氣源壓力設(shè)置為定值，對(duì)不同溫度下沿程壓力損失和溢出油脂量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 同氣源下不同溫度的泵送參數(shù)

在同樣驅(qū)動(dòng)力作用下，理論排量相同。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，在低溫條件下，隨著溫度的升高，油脂泵送量隨著泵送阻力的減小逐步增大。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)盾尾油脂系統(tǒng)介紹，對(duì)低溫始發(fā)時(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行分析，對(duì)不同溫度下系統(tǒng)的壓力損失及油脂泵送量進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證了低溫始發(fā)對(duì)盾尾油脂系統(tǒng)產(chǎn)生的較大影響，為現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員對(duì)油脂的使用提供一定程度的借鑒。因此，盾構(gòu)冬季始發(fā)時(shí)需要按設(shè)備制造商的要求：對(duì)油脂管路進(jìn)行加熱、采用保溫材料進(jìn)行包裹，對(duì)油脂桶采用專業(yè)橡膠加熱帶等。