盾尾密封油脂的現場應用研究

劉建東， 廖劍平， 王德乾， 王 靜

(1.中鐵建華南建設有限公司，廣東 廣州 511458；2．中鐵建華南建設(廣州)高科技產業有限公司，廣東 廣州 511458；3.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

盾尾密封作為盾構機的三大密封之一，對保證盾構施工的安全起著重要作用。盾尾密封油脂作為盾尾密封的重要材料，能夠有效填充盾尾刷與管片之間的空隙，阻止泥漿和地下水的入侵[1]。在實際使用過程中，若盾尾密封油脂注入不充分，則會造成盾尾漏水、漏漿現象；若盾尾油脂注入過量，則會導致施工成本大大增加。因此，有必要對盾尾密封油脂從泵送源頭、過程控制及損耗情況等方面進行全面的研究與分析，得出一套合理的油脂應用技術。

1 盾尾密封系統的組成及工作原理

盾尾密封系統主要由盾尾刷、盾尾油脂密封腔、盾尾油脂泵、輸送管路、壓力傳感器、氣動球閥等硬件及軟件控制系統構成。在盾構機掘進過程中，盾尾密封腔內的油脂不斷被盾尾刷涂抹在管片上，造成油脂量逐漸減少，因此需通過油脂泵持續地向盾尾密封腔內注入盾尾油脂以保證密封腔內被填充飽滿，從而滿足盾尾的密封和潤滑效果[2]。盾尾密封系統組成如圖1所示。

2 盾尾油脂泵的使用

在盾構施工中，常存在盾尾密封油脂打不動的情況，導致盾尾油脂密封腔處于欠飽滿狀態，易造成盾尾漏漿、漏水。該情況不僅和盾尾油脂本身的特性有關，還與油脂泵的泵送參數有關，有必要從油脂泵的工作原理入手，研究油脂泵與盾尾密封油脂的適應性關系。

圖1 盾尾密封系統組成

2.1 盾尾油脂泵的結構組成及工作原理

圖2為盾尾油脂泵的結構組成，該泵一般為氣動控制，基本原理為由氣動馬達帶動泵桿進行上下活塞運動，在壓盤與油脂桶之間形成的真空環境中，由泵桿帶動活塞完成吸油和壓油的過程，最終將油脂泵送到盾尾油脂密封腔。

2.2 盾尾油脂泵的工作過程研究

盾尾油脂泵泵送油脂的流量由進氣流量決定，而進氣流量由進氣壓力和泵桿所受的阻力決定。進氣壓力越大、泵桿所受阻力越小，則進氣流量越大，泵桿移動頻率越快，油脂泵送周期越短。綜上所述，油脂泵的泵送頻率受主動因素和被動因素影響，主動因素為油脂泵的進氣壓力，被動因素為泵桿所受阻力，即盾尾油脂的粘度等特性。

圖2 盾尾油脂氣動泵的結構組成

油脂泵一般有兩個壓力表，分別表示進氣壓力和油脂泵出壓力，兩者的大小關系主要由壓比決定。泵的壓比定義為活塞兩端的受力面積之比，壓比越大，則泵出口壓力與進氣壓力比值越大，但不同品牌油脂之間的粘度、硬度均不同，其流經出口壓力表的速率也不同，因此，會存在相同進氣壓力下不同品牌油脂的泵出壓力略有差異的現象。

在工程使用過程中，每種品牌盾尾油脂的粘度特性不同，油脂泵的泵送頻率也存在差異，可根據油脂粘度調整油脂泵的進氣壓力，得到合適的泵送頻率和泵出壓力，以達到理想的密封效果。一般情況下，進氣壓力控制在0.3～0.4 MPa，泵出口壓力控制在10～18 MPa。

3 盾尾油脂系統的壓力控制

盾尾油脂操作系統對油脂的注入有不同的控制方式，需要根據地層狀況和掘進狀態選擇合適的控制方式和參數，達到盾尾密封油脂注入飽滿且經濟的效果。

3.1 盾尾油脂系統的控制方式選擇

盾尾油脂系統的注入模式主要有自動與手動兩種，其中自動模式又可分為壓力控制方式與行程控制方式[3]。在自動注入模式下，油脂泵會將盾尾密封油脂逐點打入到各個密封腔，但根據控制方式的不同，具體注入過程也略有差別。壓力控制方式下，可設置每個密封腔的最大壓力，當某腔壓力達到最大值時，則會停止向該路注入油脂，壓力控制應遵循第1道密封腔壓力>第2道密封腔壓力>第3道密封腔壓力>同步注漿壓力的原則[4]；行程控制方式則通過設置每個密封腔的注入次數達到設定量。在手動注入模式下，油脂管路閥門可由人工控制，油脂泵會將油脂持續注入到閥門打開的密封腔。圖3為鐵建重工盾構機盾尾密封系統的上位機界面。

圖3 盾尾密封系統上位機顯示界面

對于控制模式的選擇可根據掘進狀態進行抉擇。由于實際掘進中，大多采用壓力控制方式，這里以自動模式下的壓力控制方式與手動模式進行比較分析。自動注入模式是單點輪流注入，且當某點壓力值達到設定的壓力上限時，即停止向該路注入油脂；手動注入模式可任意控制每個支路的閥門，油脂泵會將油脂同時注入到打開的油脂腔中。由于油脂泵的注入頻率與進氣壓力有關，不會因控制模式的改變而變化，因此在理想條件下，自動注入模式和手動注入模式一定的時間內注入總量相同。但在實際掘進過程中，由于自動注入模式有最高壓力限制，當某通道壓力過高時，則會停止向該路注入油脂，而手動注入模式不存在類似限制。因此，同等條件下手動注入模式的油脂注入總量一般多于自動注入模式。

綜上所述，當掘進速度較慢時，可選擇自動注入模式；當掘進速度較快，自動模式不能滿足盾尾密封效果時，可選擇手動注入模式，或當某點發生漏水、漏漿現象時，手動打開對應點位的油脂通道，對該處密封腔集中注入油脂。

3.2 盾尾密封腔的壓力控制

在盾尾油脂注入過程中，應保證盾尾密封腔壓力大于注漿壓力，防止漿液擊穿盾尾密封。盾尾密封腔內壓力可由盾尾油脂管路壓力傳感器的壓力近似反映，該壓力設定需根據地層情況決定。在復合地層掘進中，盾構機姿態較難控制，需要適當提高盾尾密封腔壓力，避免盾尾姿態不好造成密封刷擊穿現象。根據施工經驗，單一地層中盾尾油脂管路壓力傳感器的數值應保持在15～20 bar(1 bar=0.1 MPa)，復合地層中應保持在20～25 bar。

4 掘進中的盾尾油脂消耗情況

盾尾油脂在盾構施工中主要有三種消耗形式，分別為粘附在管片表面形成油膜、填充管片之間的縫隙、油脂被擠出密封腔，其中粘附在管片表面形成油膜是最主要的消耗途徑[5]。在實際過程中，油脂粘附在管片表面并不均勻，若能找到油脂消耗多的點位并在該點位注入較多的盾尾密封油脂，則可保證盾尾密封腔處于持續的飽滿狀態，但盾構機在地層中掘進時，無法直接觀察到油脂粘附在管片表面的情況，因此，可從盾構始發或空推過井時的油脂粘附的情況入手，并結合理論分析，推導出盾構機在地層中掘進時油脂的不均勻消耗情況。

4.1 盾構機空推過井

以廣州地鐵22號線祈福～番禺廣場段盾構機過井施工為例，該工程采用鐵建重工ZTE 8800盾構機，共4道盾尾刷，形成了前、中、后三個油脂密封腔，盾尾整周由10組油脂管組成，每組3個，分別連通3個油脂密封腔。10組油脂管路的周向分布如圖4所示，圖中的數字為推進油缸的編號。

圖4 盾尾油脂管路的軸向分布

盾構機空推過井過程中，殘留在負環管片上的油脂情況如圖5所示。由圖5知，負環管片上的油脂主要呈不均勻的條狀分布，在1點位、2點位、4點位、8點位、10點位、11點位(面向掘進反方向的時鐘點位)附著的油脂較厚，平均約7～8 mm；其他點位則很薄，約1～2 mm。將負環管片油脂的分布情況與圖4對比，發現油脂附著較厚的點位基本與油脂管路的分布一致。在實際掘進中，最后一道盾尾刷后存在背壓，可能使油脂注入點處的盾尾油脂向四周擴散，但該點處的壓力相對周圍較大，仍會導致油脂注入點處的管片表面附著的油脂多于其他部位，因此，盾構機在正常掘進的過程中，油脂管分布點位油脂損失較多。

圖5 環管片盾尾油脂的殘留情況

4.2 盾構機地層中掘進

盾構機在地層中掘進時，盾尾油脂損耗的情況可能受多種因素影響，例如盾尾或管片的變形，盾構機的姿態較差、盾尾刷嚴重失效等因素。在這些因素的影響下，并不一定遵循油脂管分布點位損失油脂較多的規律。

4.2.1 盾尾或管片變形導致盾尾間隙變化

由于盾尾部分的零部件較少，強度相對前盾、中盾較差，在長時間高土壓、高水壓的環境中容易發生變形，同時盾尾在焊接或吊裝過程中也可能發生變形。因此，盾尾與管片的相對位置關系可能如圖6(a)所示；在拼裝過程中，管片在產生的振動和自重條件下可能發生微量變形，形成了圖6(b)的情況；或者，也可能存在盾尾與管片均發生變形的情況，即圖6(c)。這些情況中，若盾尾姿態處于正常狀態，盾尾間隙大的地方，盾尾刷對管片的壓力較小，粘附在管片上的油脂也會較多；相反，在盾尾間隙小的地方，粘附在管片上的油脂也會較少。

圖6 盾尾或管片變形

操作人員可根據測量的盾尾間隙判斷盾尾或管片是否發生變形，若在很長時間內上下盾尾間隙之和與左右盾尾間隙之和不相等，則說明盾尾或管片發生變形，可適當在間隙大的部位多補充盾尾油脂。

4.2.2 盾尾姿態不好導致盾尾間隙變化

盾構機在復合地層中掘進時，盾構機姿態較難控制，經常導致盾尾間隙過大或過小，盾尾和管片的相對位置關系可能如圖7所示。由于操作人員一般將最后一環管片外表面與盾尾內表面的距離作為盾尾間隙，在這種情況下，盾尾間隙小的地方，最后一道盾尾刷對管片的壓力可能較小，導致粘附在管片上的油脂增多；相反，盾尾間隙大的地方，粘附在管片上的油脂會減少。

圖7 盾尾與管片的相對位置關系

盾構掘進中，可根據盾構機姿態來判斷是否需要在某些部位補充盾尾油脂，若盾構姿態較差，可向盾尾間隙較小點位的后方油脂腔補充較多油脂。

4.2.3 盾尾刷失效

盾尾刷是一種具有高回彈性的鋼板—鋼絲束—鋼板的夾心結構，其主要功能是利用其高回彈性和被油脂沾滿的鋼絲束達到一個密封效果，但由于最后一道盾尾刷長期處于漿液的侵蝕，鋼絲束容易被漿液填充并凝固，從而失去彈性，不能起到良好的密封效果，因此密封刷失效嚴重的部位可能導致盾尾油脂損失較多，可向該部位注入較多的油脂。

5 盾尾密封油脂的應用指導

(1)油脂泵的泵送頻率與進氣壓力和盾尾油脂自身特性有關，對不同品牌的油脂，可調節油脂泵進氣壓力達到合適的泵出壓力。

(2)對于油脂注入的控制模式選擇，建議掘進速度快時選擇手動模式，掘進速度慢時選擇自動模式。

(3)在復合地層掘進時，盾尾油脂管路壓力傳感器的壓力控制應高于單一地層。一般情況下，單一地層應保持在15～20 bar，復合地層應保持在20～25 bar。

(4)一般情況下，油脂管所分布的點位油脂消耗量較大，但也受到盾尾或管片變形、盾尾姿態差、盾尾刷失效等因素的影響，可根據實際情況在個別部位注入較多油脂。