盾尾密封油脂的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

劉建東， 廖劍平， 王德乾， 王 靜

(1.中鐵建華南建設(shè)有限公司，廣東 廣州 511458；2．中鐵建華南建設(shè)(廣州)高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，廣東 廣州 511458；3.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

盾尾密封作為盾構(gòu)機(jī)的三大密封之一，對(duì)保證盾構(gòu)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(shí)際使用過(guò)程中，若盾尾密封油脂注入不充分，則會(huì)造成盾尾漏水、漏漿現(xiàn)象；若盾尾油脂注入過(guò)量，則會(huì)導(dǎo)致施工成本大大增加。因此，有必要對(duì)盾尾密封油脂從泵送源頭、過(guò)程控制及損耗情況等方面進(jìn)行全面的研究與分析，得出一套合理的油脂應(yīng)用技術(shù)。

1 盾尾密封系統(tǒng)的組成及工作原理

盾尾密封系統(tǒng)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(dòng)球閥等硬件及軟件控制系統(tǒng)構(gòu)成。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，盾尾密封腔內(nèi)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(guò)油脂泵持續(xù)地向盾尾密封腔內(nèi)注入盾尾油脂以保證密封腔內(nèi)被填充飽滿，從而滿足盾尾的密封和潤(rùn)滑效果[2]。盾尾密封系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 盾尾油脂泵的使用

在盾構(gòu)施工中，常存在盾尾密封油脂打不動(dòng)的情況，導(dǎo)致盾尾油脂密封腔處于欠飽滿狀態(tài)，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(guān)，還與油脂泵的泵送參數(shù)有關(guān)，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(yīng)性關(guān)系。

圖1 盾尾密封系統(tǒng)組成

2.1 盾尾油脂泵的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

圖2為盾尾油脂泵的結(jié)構(gòu)組成，該泵一般為氣動(dòng)控制，基本原理為由氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)泵桿進(jìn)行上下活塞運(yùn)動(dòng)，在壓盤與油脂桶之間形成的真空環(huán)境中，由泵桿帶動(dòng)活塞完成吸油和壓油的過(guò)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(guò)程研究

盾尾油脂泵泵送油脂的流量由進(jìn)氣流量決定，而進(jìn)氣流量由進(jìn)氣壓力和泵桿所受的阻力決定。進(jìn)氣壓力越大、泵桿所受阻力越小，則進(jìn)氣流量越大，泵桿移動(dòng)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(dòng)因素和被動(dòng)因素影響，主動(dòng)因素為油脂泵的進(jìn)氣壓力，被動(dòng)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(dòng)泵的結(jié)構(gòu)組成

油脂泵一般有兩個(gè)壓力表，分別表示進(jìn)氣壓力和油脂泵出壓力，兩者的大小關(guān)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(jìn)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(jīng)出口壓力表的速率也不同，因此，會(huì)存在相同進(jìn)氣壓力下不同品牌油脂的泵出壓力略有差異的現(xiàn)象。

在工程使用過(guò)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(jù)油脂粘度調(diào)整油脂泵的進(jìn)氣壓力，得到合適的泵送頻率和泵出壓力，以達(dá)到理想的密封效果。一般情況下，進(jìn)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(tǒng)的壓力控制

盾尾油脂操作系統(tǒng)對(duì)油脂的注入有不同的控制方式，需要根據(jù)地層狀況和掘進(jìn)狀態(tài)選擇合適的控制方式和參數(shù)，達(dá)到盾尾密封油脂注入飽滿且經(jīng)濟(jì)的效果。

3.1 盾尾油脂系統(tǒng)的控制方式選擇

盾尾油脂系統(tǒng)的注入模式主要有自動(dòng)與手動(dòng)兩種，其中自動(dòng)模式又可分為壓力控制方式與行程控制方式[3]。在自動(dòng)注入模式下，油脂泵會(huì)將盾尾密封油脂逐點(diǎn)打入到各個(gè)密封腔，但根據(jù)控制方式的不同，具體注入過(guò)程也略有差別。壓力控制方式下，可設(shè)置每個(gè)密封腔的最大壓力，當(dāng)某腔壓力達(dá)到最大值時(shí)，則會(huì)停止向該路注入油脂，壓力控制應(yīng)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(guò)設(shè)置每個(gè)密封腔的注入次數(shù)達(dá)到設(shè)定量。在手動(dòng)注入模式下，油脂管路閥門可由人工控制，油脂泵會(huì)將油脂持續(xù)注入到閥門打開的密封腔。圖3為鐵建重工盾構(gòu)機(jī)盾尾密封系統(tǒng)的上位機(jī)界面。

圖3 盾尾密封系統(tǒng)上位機(jī)顯示界面

對(duì)于控制模式的選擇可根據(jù)掘進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行抉擇。由于實(shí)際掘進(jìn)中，大多采用壓力控制方式，這里以自動(dòng)模式下的壓力控制方式與手動(dòng)模式進(jìn)行比較分析。自動(dòng)注入模式是單點(diǎn)輪流注入，且當(dāng)某點(diǎn)壓力值達(dá)到設(shè)定的壓力上限時(shí)，即停止向該路注入油脂；手動(dòng)注入模式可任意控制每個(gè)支路的閥門，油脂泵會(huì)將油脂同時(shí)注入到打開的油脂腔中。由于油脂泵的注入頻率與進(jìn)氣壓力有關(guān)，不會(huì)因控制模式的改變而變化，因此在理想條件下，自動(dòng)注入模式和手動(dòng)注入模式一定的時(shí)間內(nèi)注入總量相同。但在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，由于自動(dòng)注入模式有最高壓力限制，當(dāng)某通道壓力過(guò)高時(shí)，則會(huì)停止向該路注入油脂，而手動(dòng)注入模式不存在類似限制。因此，同等條件下手動(dòng)注入模式的油脂注入總量一般多于自動(dòng)注入模式。

綜上所述，當(dāng)掘進(jìn)速度較慢時(shí)，可選擇自動(dòng)注入模式；當(dāng)掘進(jìn)速度較快，自動(dòng)模式不能滿足盾尾密封效果時(shí)，可選擇手動(dòng)注入模式，或當(dāng)某點(diǎn)發(fā)生漏水、漏漿現(xiàn)象時(shí)，手動(dòng)打開對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的油脂通道，對(duì)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(guò)程中，應(yīng)保證盾尾密封腔壓力大于注漿壓力，防止?jié){液擊穿盾尾密封。盾尾密封腔內(nèi)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(shè)定需根據(jù)地層情況決定。在復(fù)合地層掘進(jìn)中，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)較難控制，需要適當(dāng)提高盾尾密封腔壓力，避免盾尾姿態(tài)不好造成密封刷擊穿現(xiàn)象。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，單一地層中盾尾油脂管路壓力傳感器的數(shù)值應(yīng)保持在15～20 bar(1 bar=0.1 MPa)，復(fù)合地層中應(yīng)保持在20～25 bar。

4 掘進(jìn)中的盾尾油脂消耗情況

盾尾油脂在盾構(gòu)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(shí)際過(guò)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(diǎn)位并在該點(diǎn)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(xù)的飽滿狀態(tài)，但盾構(gòu)機(jī)在地層中掘進(jìn)時(shí)，無(wú)法直接觀察到油脂粘附在管片表面的情況，因此，可從盾構(gòu)始發(fā)或空推過(guò)井時(shí)的油脂粘附的情況入手，并結(jié)合理論分析，推導(dǎo)出盾構(gòu)機(jī)在地層中掘進(jìn)時(shí)油脂的不均勻消耗情況。

4.1 盾構(gòu)機(jī)空推過(guò)井

以廣州地鐵22號(hào)線祈?！畯V場(chǎng)段盾構(gòu)機(jī)過(guò)井施工為例，該工程采用鐵建重工ZTE 8800盾構(gòu)機(jī)，共4道盾尾刷，形成了前、中、后三個(gè)油脂密封腔，盾尾整周由10組油脂管組成，每組3個(gè)，分別連通3個(gè)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(shù)字為推進(jìn)油缸的編號(hào)。

圖4 盾尾油脂管路的軸向分布

盾構(gòu)機(jī)空推過(guò)井過(guò)程中，殘留在負(fù)環(huán)管片上的油脂情況如圖5所示。由圖5知，負(fù)環(huán)管片上的油脂主要呈不均勻的條狀分布，在1點(diǎn)位、2點(diǎn)位、4點(diǎn)位、8點(diǎn)位、10點(diǎn)位、11點(diǎn)位(面向掘進(jìn)反方向的時(shí)鐘點(diǎn)位)附著的油脂較厚，平均約7～8 mm；其他點(diǎn)位則很薄，約1～2 mm。將負(fù)環(huán)管片油脂的分布情況與圖4對(duì)比，發(fā)現(xiàn)油脂附著較厚的點(diǎn)位基本與油脂管路的分布一致。在實(shí)際掘進(jìn)中，最后一道盾尾刷后存在背壓，可能使油脂注入點(diǎn)處的盾尾油脂向四周擴(kuò)散，但該點(diǎn)處的壓力相對(duì)周圍較大，仍會(huì)導(dǎo)致油脂注入點(diǎn)處的管片表面附著的油脂多于其他部位，因此，盾構(gòu)機(jī)在正常掘進(jìn)的過(guò)程中，油脂管分布點(diǎn)位油脂損失較多。

圖5 環(huán)管片盾尾油脂的殘留情況

4.2 盾構(gòu)機(jī)地層中掘進(jìn)

盾構(gòu)機(jī)在地層中掘進(jìn)時(shí)，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(gòu)機(jī)的姿態(tài)較差、盾尾刷嚴(yán)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(diǎn)位損失油脂較多的規(guī)律。

4.2.1 盾尾或管片變形導(dǎo)致盾尾間隙變化

由于盾尾部分的零部件較少，強(qiáng)度相對(duì)前盾、中盾較差，在長(zhǎng)時(shí)間高土壓、高水壓的環(huán)境中容易發(fā)生變形，同時(shí)盾尾在焊接或吊裝過(guò)程中也可能發(fā)生變形。因此，盾尾與管片的相對(duì)位置關(guān)系可能如圖6(a)所示；在拼裝過(guò)程中，管片在產(chǎn)生的振動(dòng)和自重條件下可能發(fā)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(fā)生變形的情況，即圖6(c)。這些情況中，若盾尾姿態(tài)處于正常狀態(tài)，盾尾間隙大的地方，盾尾刷對(duì)管片的壓力較小，粘附在管片上的油脂也會(huì)較多；相反，在盾尾間隙小的地方，粘附在管片上的油脂也會(huì)較少。

圖6 盾尾或管片變形

操作人員可根據(jù)測(cè)量的盾尾間隙判斷盾尾或管片是否發(fā)生變形，若在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)上下盾尾間隙之和與左右盾尾間隙之和不相等，則說(shuō)明盾尾或管片發(fā)生變形，可適當(dāng)在間隙大的部位多補(bǔ)充盾尾油脂。

4.2.2 盾尾姿態(tài)不好導(dǎo)致盾尾間隙變化

盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)較難控制，經(jīng)常導(dǎo)致盾尾間隙過(guò)大或過(guò)小，盾尾和管片的相對(duì)位置關(guān)系可能如圖7所示。由于操作人員一般將最后一環(huán)管片外表面與盾尾內(nèi)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(duì)管片的壓力可能較小，導(dǎo)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(huì)減少。

圖7 盾尾與管片的相對(duì)位置關(guān)系

盾構(gòu)掘進(jìn)中，可根據(jù)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)來(lái)判斷是否需要在某些部位補(bǔ)充盾尾油脂，若盾構(gòu)姿態(tài)較差，可向盾尾間隙較小點(diǎn)位的后方油脂腔補(bǔ)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(jié)構(gòu)，其主要功能是利用其高回彈性和被油脂沾滿的鋼絲束達(dá)到一個(gè)密封效果，但由于最后一道盾尾刷長(zhǎng)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(yán)重的部位可能導(dǎo)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(yīng)用指導(dǎo)

(1)油脂泵的泵送頻率與進(jìn)氣壓力和盾尾油脂自身特性有關(guān)，對(duì)不同品牌的油脂，可調(diào)節(jié)油脂泵進(jìn)氣壓力達(dá)到合適的泵出壓力。

(2)對(duì)于油脂注入的控制模式選擇，建議掘進(jìn)速度快時(shí)選擇手動(dòng)模式，掘進(jìn)速度慢時(shí)選擇自動(dòng)模式。

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

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