文章编号：１００９—４５３９（２０１７）０１—０００７—０３ ・科技研究・ 盾构用盾尾密封油脂抗水压密封研究 王德乾 （中铁第五勘察设计院集团有限公司摘北京１０２６００） 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。 关键词：盾尾密封油脂 抗水压密封性中图分类号：ＴＱ６４５ 测试仪器 评价标准 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９—４５３９．２０１７．Ｏ１．００２ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ－ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｕｎｄｅｒ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ Ｓｈｉｅｌｄ Ｔａｉｌ Ｓｅａｌｉｎｇ Ｇｒｅａｓｅ Ｗａｎｇ Ｄｅｑｉａｎ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｆｉｔｆｈ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２６００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｓｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ－ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ ｕｎｄｅｒ ｈ Ｊｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａ－ ｂｒｏａｄ ｓｈｉｅｌｄ ｔａｉｌ ｓｅａｌｉｎｇ ｇｒｅａｓｅ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ—ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｔａｉｌ ｓｅａｌｉｎｇ ｇｒｅａｓｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｔａｉｌ ｓｅａｌｉｎｇ ｇｒｅａｓｅ ｉｎ Ｃｈｉｎａ，ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ－ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｓｈｉｅｌｄ ｔａｉｌ ｓｅａｌｉｎｇ ｇｒｅａｓｅ，ｔｈｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｗｅｒｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ．Ｉｔ ｗａｓ ｕｓｅｆｕｌ ｔｈａｔ ｓｈｉｅｌｄ ｔａｉｌ ｓｅａｌｉｎｇ ｇｒｅａｓｅ ｗａｓ ｒａｔｉｏｎａｌｌｙ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ ｔａｉｌ ｓｅａｌｉｎｇ ｇｒｅａｓｅ；ｗａｔｅｒ・ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｔｅｓｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｃｒｉｔｅｒｉａ １ 引言 ２ｌ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 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 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 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、 收稿日期：２０１６一ｌ１一ｌｌ 基金项目：北京市科委重大办项目（Ｚ１５１１００００２７１５０１６） 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¨ Ｊ。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 ７ 作者简介：王德乾（１９８１一），高级工程师，现从事隧道与地下工程高 分子材料研发。 铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１ ７ ｌｏ１） ・科技研究・ 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 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。 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 ２ 抗水压密封性评价标准调研 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 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。 保压时问，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 ＩｎＩｎ和保压时间３０ ｒａｉｎ，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 。 表１ ＥＦＮＡＲＣ中盾尾油脂抗水压密封性的 ３抗高水压密封专用测试仪器的研制 ３．１ 第一代抗水压密封专用测试仪器（见图１） 测试条件及评价 油脂样品 测试条件 抗水压 级别 Ａ Ｂ Ｃ （８ ｂａｒ空气压力） 金属网孔径１．０ ｍｍ，保压时间１＞５ ｍｉｎ 金属网孔径０．５ ｍｍ，保压时间１＞５ ｍｉｎ 金属网孔径０．５ ｍｍ，保压时间＜５ ｒａｉｎ 密封性能 很好 较好 一般 表２ 美国专利盾尾油脂抗水压密封的测试条件及评价 。 油脂样品序号 ｌ 水的流出量Ｖ／ｍＬ ≤３ 抗水压密封性能 很好 ２ ３ ３≤ ≤１０ ≥１０ 较好 很差 ・科技研究・ 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 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 ｒａｉｎ 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。 表３不同品牌盾尾密封油脂的抗高水压密封测试 油脂样品序号 ， 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 产品名称 进口产品１ 漏水量／ｍＬ ０ １ 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 ２ ３ ４ ５ 进口产品２ 国产产品１ 国产产品２ 自制产品ＡＮＤＲ Ｐ２ ０ Ｏ ＞３ ０ 距离、大直径、大埋深、高水压及复杂断面的隧道施 ４抗水压密封的测试方法 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 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 ＭＰａ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 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）ｏＣ， 相对湿度（５０±２）％¨ 。 ４．２准备工作 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 （１）将水加入到水箱中。 （２）将３层２００目钢丝网放人内径为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 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。 ４．３测试步骤 （１）将水箱的出水阀、固定支架上的进水阀和 采用该抗水压密封 ｉ贝０试设备，测试了２种进 口产品、２种国产产品和 图２第二代盾尾密封油脂 自制ＡＮＤＲ Ｐ２产品的抗 抗水压密封的测试装置… ’一 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 ｒａｉｎ，用滤纸接 （下转第２９页） ９ 铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１７１０１） ・科技研究・ ｌｏａｄｓ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ， ｉｎｇ，２０１０（１５）：１２４３—１２６２． Ｐｒｏｅ．９ｔｈ ＩＣＳＭＦＥ．Ｔｏｋｙｏ，１９７７（１）：１９３—１９４． ［１０］Ｆｕｋｕｏｋａ Ｍ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｌｏａｄｓ ｏｎ ｐｉｌｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｌａｎｄｓｌｉｄｅｓＩ Ｃ］．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ ９ｔｈ ＩＣＳＭＦＥ．Ｔｏｋｙｏ，１９７７：８５ —［６］ 梁发云，姚国圣，陈海兵，等．土体侧移作用下既有轴 向受荷桩性状的室内模型试验研究［Ｊ］．岩土工程学 报，２０１０，３２（１０）：１６０３—１６０９． ［７］ Ｉｎｇｏｌｄ Ｔ Ｓ．Ａ ｆｉｅｌｄ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｌａｔｅｒａｌｌｙ ｌｏａｄｅｄ ｐｉｌｅｓ［Ｃ］． Ｉｎ：Ｐｒｏｃ ９ｔｈ ＩＣＳＭＦＥ．Ｔｏｋｙｏ，１９７７：７７—８Ｏ． ８８． ［１１］唐坤尧．基于邓肯一张模型的软土路基沉降变形的数 值模拟分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（３）：１０４—１０７． ［１２］呆斐．黄土路基沉降变形原因分析及相应的工程处理 措施［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（５）：７７—８１． ［１３］李智杰．沿海地区淤积质软土层地基处理技术措施研 ［８］ Ｍａｒｃｈｅ Ｒ．Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｓｐｅｃｉａｌｔｙ ｓｅｓｓｉｏｎ ５［Ｃ］．Ｐｒｏｃ． ６ｔｈ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈ．Ｍｏｎｔｒｅａｌ，１９７２：２５７—２６０． ｏｎｓ ｏｎ ｐａｓｓｉｖｅ ｐｉｌｅｓ『Ｃ］． ［９］ Ｆｒａｎｋｅ Ｅ．Ｇｅｒｍａｎ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉ究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（１０）：６６—６９． 一－ （上接第９页） 渗出的油脂和水的混合物，称重为ｍ ；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ｍ 。ｍ 一ｍ：即为盾尾 密封油脂在４ ＭＰａ下每小时的渗水量。 ５抗水压密封性的评价标准 就产品本身而言，目前其抗水压密封性具有可 （２）结合研制的第二代抗高水压密封测试仪器， 以及课题组对盾尾密封油脂产品抗水压密封测试，总 结了一套精确测试其抗水压密封陛的实验方法，为国 内盾尾密封油脂生产企业的同行们提供了借鉴。 （３）建议目前国产盾尾密封油脂产品的抗水压 密封测试值在实验室２５℃、（４±０．１）ＭＰａ的水压 力下保压６０ ｍｉｎ，漏水量不大于３ ｍＬ。以保证盾构 施工在０．４—０．６５ ＭＰａ高水压条件下安全施工。 参考文献 ［１］ 刘涛．超厚粉细砂地层长大钻孔灌注桩施工技术研究 参考性的数值如表４所示。 表４ 目前可参考的抗水压密封性的评价 地域 名称 测试条件 水的流出 抗水压 量ＷｍＬ 密封性能 Ｏ ≤３ Ｏ 很好 很好 很好 ［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（３）：７０—７３． ［２］ 陈浩．泥水平衡盾构施工中的盾尾密封保护技术探讨 ［Ｊ］．中国高新技术企业，２０１５（３１）：１１８—１２１． ［３］ 王德乾．一种盾尾密封油脂的配方研究和性能表征 ［Ｊ］．隧道建设，２０１３（４）：２７７—２８１． ［４］ 王德乾．关于盾尾密封油脂抗水压密封性和泵送性测 欧洲 ０．８ ＭＰａ空气压力、网孔 １ ｍｉｌｌ金 属网、保压时间≥５ ｒａｉｎ 美国 ０．８ ＭＰａ空气压力、网孔小ｌ ｍｍ金 属网、保压时间３０ ｒａｉｎ 日本 ３．５ ＭＰａ空气压力、网孔 ．８４ ｍｍ 金属网 试的探讨［Ｊ］．隧道建设，２０１４（２）：１０７—１１０． ［５］Ｗａｓｈｂｏｕｍｅ，Ｊｉｍ．ＳｅＭｉｎｇ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＥＰ，０ ５０８ ７１９ Ａ１［Ｐ］．１９９２—１０—１４． ［６］Ｐｅｔｅｒ Ｅｌｌｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｆｅｌｄｍｅｉｌｅｎ（ＣＨ）．Ｓｅａｌｉｎｇ Ｐａｓｔｅ：ＵＳ， 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： 若盾构用盾尾密封油脂在实验室２５ ｃＩ＝、（４－４－ ０．１）ＭＰａ的水压力下保压６０ ｍｉｎ，漏水量不大于 ３ ｍＬ，则说明盾尾密封油脂的抗高水压密封性优 良，尤其是能用于过江过河过海的高水压（０．４～ ０．６５ ＭＰａ）实际盾构施工的盾尾密封中。 ２０１２／００３７０４２ Ａ１［Ｐ］．２０１２—０２—１６． ［７］ Ｊａｃｏｐｏ Ｆｒａｎｃｈｉｎｉ，Ａｒｅｓｅ（ＩＴ）．Ｔａｉｌ ｓｅａｌｓ：ＵＳ，２０１１／ ０００８１０７ Ａ１［Ｐ］．２０１１—０１—１３． ［８］Ｈｉｒｏｔｓｕｇｕ，Ｋｉｎｏｓｈｉｔａ．Ｇｒｅａｓｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＵＳ，２００５／ ０２０９１１５ Ａ１［Ｐ］．２００５—０９—２２． ［９］ 朱祖熹．盾构法隧道的盾尾防水密封与盾尾密封油脂 ［Ｊ］．中国建筑防水，２００９（７）：２—６． ［１０］郭亚娟，程慧林．地铁浮置板轨道环境振动测试与评 估［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（１）：１４—１００７． ６结束语 （１）设计并研制了第二代抗高水压密封测试仪 器。根据试验，该设备能达到６ ＭＰａ的高压，并且在 ［１１］王德乾，贺春龙，严振林，等．安达环保型盾尾密封油脂 的研究与应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（２）：８６—９０． ［１２］严振林，郭京波．盾尾密封油脂性能评价方法研究［Ｊ］． 石家庄铁道大学学报：自然科学版，２０１０（２）：９１—９４． ２９ ４ ＭＰａ下，能保压６０ ｍｉｎ，压力波动±０．１ ＭＰａ。 钐｝道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１７ｆ０７ Ｊ