斯芳芳

(1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600；2.北京中鐵新材料技術(shù)有限公司 北京 102600)

1 引言

盾構(gòu)法作為隧道工程技術(shù)的主要施工方法，具有對周圍地層擾動小、自動化程度高、施工速度快、地層適用范圍廣、經(jīng)濟高效且安全環(huán)保等特點，在地下隧道施工中優(yōu)勢顯著。盾構(gòu)機主要有三大密封系統(tǒng)，分別是主軸承密封系統(tǒng)、鉸接密封系統(tǒng)和盾尾密封系統(tǒng)，是盾構(gòu)機隔絕外部的三道防線，是盾構(gòu)安全施工的根本保障[1]。其中，盾尾密封系統(tǒng)是最關(guān)鍵的，也是最易失效的密封系統(tǒng)，尤其是在高水壓(0.4～0.8 MPa)大直徑盾構(gòu)施工中，盾尾密封系統(tǒng)的保障更是至關(guān)重要。高水壓條件下盾尾密封系統(tǒng)一旦失效，將會帶來無法預(yù)計的災(zāi)難性后果，因此必須保證構(gòu)成盾尾密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其材料的安全性和可靠性。

盾尾密封系統(tǒng)包括盾尾密封裝置和同步注漿兩部分。盾尾密封裝置由盾構(gòu)鋼絲刷和盾尾密封油脂組成，盾尾密封裝置一般設(shè)置至少3道鋼絲刷，鋼絲刷與盾體、襯砌管片一起形成空腔，空腔內(nèi)注入盾尾密封油脂。在盾構(gòu)掘進過程中，盾尾密封結(jié)構(gòu)的彈性鋼片、鋼絲應(yīng)始終與混凝土襯砌管片保持相互擠壓的狀態(tài)，形成一定的油脂腔壓力與注漿壓力、地下水土壓力平衡，從而實現(xiàn)盾尾內(nèi)外環(huán)境的隔離[2]。盾尾密封油脂作為盾尾密封裝置中主要的防水密封材料，用于隔離隧道內(nèi)外環(huán)境，保障盾構(gòu)機內(nèi)部安全。一旦盾尾密封油脂質(zhì)量不佳或者用量、壓力不足，易造成盾尾密封受損，導(dǎo)致同步注漿漿液和地下水、泥砂進入隧道，輕則影響工程進度，重則導(dǎo)致地表沉降甚至造成人員傷亡等嚴重事故。

按照性能要求，盾尾密封油脂分為手涂型盾尾密封油脂和泵送型盾尾密封油脂。手涂型為高粘度、高稠度的油脂，在盾構(gòu)機始發(fā)時，人工涂抹到盾尾鋼絲刷上，使其充滿鋼絲刷內(nèi)部間隙，保護盾尾鋼絲刷結(jié)構(gòu)；泵送型為盾構(gòu)機正常掘進過程中連續(xù)注入的消耗型油脂，其應(yīng)具備一定的抗水壓密封性、泵送性、抗水沖擊性、耐磨性和潤滑性等[3]。

本文將從文獻資料和專利角度詳細闡述盾尾密封油脂的國內(nèi)外發(fā)展歷程、研究技術(shù)現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，僅供同行參考。

2 盾尾密封油脂的發(fā)展歷程與技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 盾尾密封油脂的發(fā)展歷程

2.1.1 國外發(fā)展歷程

盾構(gòu)密封最早使用各種柔性材料如織物、木棉、繩索等填塞接頭，并防止泥砂注漿液滲漏到盾構(gòu)機內(nèi)部。后來這些方法逐漸被彈性橡膠密封件和彈簧鋼片及鋼絲刷密封裝置替代。早期的橡膠密封件由彈性泡沫材料組成，安裝在盾殼鋼板特殊斷面上，通過整圈橡膠密封件壓密止水[4]，這對橡膠密封件的耐磨要求以及軟硬度要求很高，但實際使用效果欠佳。直到20世紀80年代日本開發(fā)了鋼絲刷密封裝置，出于安全目的，鋼絲刷設(shè)置5排，在每排鋼絲刷間隙內(nèi)注滿密封油脂并保持一定的壓力，防止地下水、土料和同步注漿漿液滲入密封區(qū)，鋼絲刷密封系統(tǒng)的使用一直延續(xù)至今。

據(jù)研究資料顯示，1987年由日本松村石油公司研發(fā)的耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂產(chǎn)品成功應(yīng)用于英吉利海峽隧道工程(最大水壓達1 MPa)；1994年，東京灣海底道路隧道工程(最大水壓0.6 MPa)也使用了日本松村石油公司的耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂[5]1－3。國際上知名的盾尾密封油脂生產(chǎn)商有法國道達爾公司和康達特公司、德國巴斯夫公司、日本松村石油公司等。另外，在我國廣深港(廣州－深圳－香港)獅子洋隧道(最大水壓0.67 MPa)、南京長江隧道工程(最大水壓0.65 MPa)、上海上中路越江隧道工程(最大水壓0.4 MPa)等高水壓大直徑盾構(gòu)施工項目中[6]，均采用了進口盾尾密封油脂。由于國外企業(yè)對產(chǎn)品的保護，國際上很少有公開發(fā)表的文獻資料或?qū)＠?/p>

2.1.2 國內(nèi)發(fā)展歷程

20世紀90年代，隨著國內(nèi)城市軌道交通的隧道建設(shè)采用盾構(gòu)機進行施工，國外盾尾密封油脂產(chǎn)品隨之進入中國。1991年蔡瑞英[7]研制的第一代國產(chǎn)盾尾密封油脂SFZ-864，該油脂體系是由多異氰酸酯和羥基化合物聚合而成的高分子聚合物、防銹劑、增稠劑、防墜劑和增強劑組成。通過研究發(fā)現(xiàn)盾尾密封油脂應(yīng)具備以下幾個特征:對金屬的良好附著力，一定的防腐蝕性，有適當?shù)某矶?，遇熱不產(chǎn)生下垂或流淌，低揮發(fā)性，良好的保油性和彈性。該產(chǎn)品經(jīng)上海市隧道工程公司應(yīng)用于石洞口電廠排水隧道的直徑5.64 m的盾構(gòu)，隧道全長276 m，基本未出現(xiàn)任何影響施工的漏泥漏水現(xiàn)象。2005年張洪偉[8]介紹了以油脂、高粘度油、纖維、溶劑和填料為主要原材料制備的新型盾尾密封油脂，但由于當時國內(nèi)無明確的油脂評價方法，文中參照國外油脂生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品標準，僅對油脂的下垂值、保油性、流動性、水沖失量和可泵性(中號牛油槍)進行了檢測。因此當時國內(nèi)盾尾密封油脂市場較為混亂，油脂質(zhì)量良莠不齊。

2012年以前國內(nèi)盾尾密封油脂的配方研究論文較少，公開發(fā)表的成果以盾尾密封油脂工程應(yīng)用[9]、盾尾密封失效原因分析及處置措施[10]和盾尾密封油脂的性能評價方法為主。直到2012年北京中鐵五院王德乾等人[11－12]針對盾尾密封油脂開展了配方組成、測試儀器、性能評價、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)線建設(shè)與現(xiàn)場應(yīng)用等系統(tǒng)研究，并公開發(fā)表了一系列研究成果，主要包括分析各組分之間的相互作用，明確各組分對其宏觀性能的影響，采用正交試驗法獲得了盾尾密封油脂的優(yōu)化配方，實現(xiàn)了盾尾密封油脂“粘度、稠度、流動性”三個性能的有機平衡；研制了泵送性測試儀、抗水壓密封性測試儀，實現(xiàn)了盾尾密封油脂泵送性和抗水壓密封性的定量測試；研制了萬噸級自動化生產(chǎn)線，提高了生產(chǎn)效率。2019年6月底，廣州地鐵18號線和22號線采用了中鐵五院和華南建設(shè)聯(lián)合研發(fā)的鐵箭牌盾尾密封油脂。該項目采用22臺直徑為8.8 m的盾構(gòu)機，管片寬度為1.6 m，地層一般為強風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化泥巖或花崗巖[13]。在累計長達3 km的過珠江及周邊水道的盾構(gòu)施工中，最大注漿壓力達到了0.8 MPa，盾尾無漏漿、漏水現(xiàn)象，創(chuàng)造了全部用國產(chǎn)盾尾密封油脂成功過大江大河的案例。在該項目中平均每延米消耗40～50 kg油脂，中鐵十五局項目部做過與進口產(chǎn)品的消耗量對比，結(jié)果表明該盾尾密封油脂的消耗量明顯較少，并且價格是進口產(chǎn)品的40%。從現(xiàn)場調(diào)研圖中(見圖1)也可以清晰看到盾尾油脂密封腔內(nèi)油脂飽滿，盾尾刷磨損狀況良好，基本無被漿液侵蝕的情況。

圖1 現(xiàn)場調(diào)研盾尾刷與盾尾密封腔的出洞情況

2012年后國內(nèi)盾尾密封油脂配方基本上以基礎(chǔ)油、增稠劑、潤滑脂、纖維和無機填料為主，并進入快速發(fā)展階段。Zhang等[14](2017年)將不同比例的基礎(chǔ)油、增稠劑、潤滑脂、可生物降解纖維和無機填料等材料混合攪拌制備盾尾密封油脂，并對其密度、錐入度、高壓水密封性、抗水沖刷性、蒸發(fā)損失和抗磨性等性能進行了研究。在基礎(chǔ)研究方面，中國地質(zhì)大學(xué)的李向前等人[15－16](2020年)通過實驗詳細地研究了不同材料成分對盾尾密封油脂力學(xué)特性的影響以及作用規(guī)律。通過控制變量法制備了不同的油脂樣品，并對油脂的流動性、錐入度、動態(tài)流變特性進行了詳細的研究。采用動態(tài)剪切流變儀測試了油脂的粘彈性特征，構(gòu)建了油脂基本力學(xué)特性控制方法。通過實驗優(yōu)選了適用于油脂的高效改性劑鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)，并提出液態(tài)三元乙丙橡膠(EPDM)作為油脂的增粘劑，分析了DOP和EPDM對油脂力學(xué)特性的改性規(guī)律和改性機理。同時還研制了油脂消耗速率測試裝置可動態(tài)測試油脂的密封效率。

2.2 產(chǎn)品專利技術(shù)現(xiàn)狀

自20世紀80年代末，國外開始研發(fā)盾尾密封油脂產(chǎn)品，其中法國康達特公司掌握著高端盾尾密封油脂的配方和工藝技術(shù)，但相關(guān)專利和文獻資料很少公開。根據(jù)資料顯示，F(xiàn)ranchini[17](2011年)提出以疏水性氧化油作為基礎(chǔ)油，以礦物質(zhì)、纖維材料為填料，添加各種不同的助劑如親脂性乳化劑、膠凝劑、增稠劑、防腐劑和腐蝕抑制劑等，各種材料在室溫下進行混合攪拌，該油脂具備環(huán)境友好、生態(tài)相容的優(yōu)點。

國內(nèi)對盾尾密封油脂的研究起步較晚、研發(fā)力量相對薄弱，長期處于中低端發(fā)展水平。一些施工環(huán)境苛刻、地質(zhì)復(fù)雜、高水壓區(qū)域等場合，特別是施工風(fēng)險高、盾尾密封失效風(fēng)險大的工程大部分選用國外品牌。2012年之前，該領(lǐng)域國內(nèi)僅8項專利申請記錄。2012年后，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)才開始加強盾尾密封油脂的研發(fā)工作，該領(lǐng)域的專利申請數(shù)量呈逐年遞增趨勢，尤其在2017年，有效專利申請數(shù)達12項。截止2021年4月，經(jīng)國家知識產(chǎn)權(quán)局官網(wǎng)檢索，與盾尾密封油脂配方研發(fā)及儀器設(shè)備相關(guān)的專利數(shù)共計78項。歷年專利申請情況如圖2所示。

圖2 2012～2020年國內(nèi)盾尾密封油脂專利申請數(shù)統(tǒng)計

近年來，盾尾密封油脂已朝著高性能型、修復(fù)型、環(huán)境友好型方向發(fā)展。例如任彬[18](2020年)公布了一種高抗水性盾尾密封油脂的制備方法，應(yīng)對超高水壓復(fù)合地層等特殊工況，該發(fā)明基礎(chǔ)油包括10?；A(chǔ)油、菜籽油、650SN中的一種或多種，使其滿足埋深在60 m以下(0.5～0.6 MPa水壓)所有盾構(gòu)直徑規(guī)格的盾構(gòu)機；同時，提出將盾尾密封油脂進行環(huán)保性能測試，包括蚯蚓急性毒性、溞類21 d繁殖試驗、魚類胚胎－卵黃囊吸收階段的短期毒性試驗、快速生物降解試驗、固有生物降解試驗[19]，上述環(huán)保性能測試方法是衡量盾尾密封油脂環(huán)境友好性的重要依據(jù)。力乙鵬等[20](2020年)公布了一種修復(fù)型環(huán)保盾尾密封油脂的制備方法，該油脂具有防水修復(fù)、自然降解、環(huán)境友好等特點，其基礎(chǔ)油為聚α烯烴和多元醇酯合成油中的一種或多種，增粘劑為可降解性聚酯樹脂，采用可反應(yīng)性微膠囊為修復(fù)單元，其壁材在堿性條件下可發(fā)生反應(yīng)分解，其芯材為滲透結(jié)晶防水材料或長鏈烷基烷氧基硅烷。該成分可填補盾構(gòu)管片劃痕，滲透堵塞混凝土結(jié)構(gòu)毛細空隙和微裂紋，提高結(jié)構(gòu)的自防水，對隧道進行修復(fù)，且該修復(fù)過程伴隨油脂的自然降解全過程，具有一定的緩釋長效修復(fù)效果。

2.3 產(chǎn)品性能檢測技術(shù)現(xiàn)狀

泵送性和抗水壓密封性是檢測盾尾密封油脂性能的兩個關(guān)鍵技術(shù)指標，目前國際上對于盾尾密封油脂的性能指標還未形成統(tǒng)一的評價標準，只有部分企業(yè)和組織對該產(chǎn)品的主要性能進行了評定，例如泵送性主要參照ASTM D1092《潤滑脂表觀黏度試驗法》，該方法是在溫度25℃和空氣壓力1 MPa條件下，通過一定直徑的毛細管的流量來測定(單位:g/min)。另外，也有少數(shù)企業(yè)給出“中號黃油槍可打出”的定性評價。針對國內(nèi)盾尾密封油脂的泵送性無法實現(xiàn)定量測試的問題，王德乾等[21]參照ASTM D1092，結(jié)合高分子材料專用毛細管流變儀，自主研發(fā)了專用于定量測試盾尾密封油脂泵送性的泵送性測試儀，設(shè)定毛細管直徑0.38 cm、內(nèi)孔粗糙度1.6、長徑比25∶1條件下進行泵送性測試。

針對抗水壓密封性(也稱為耐水壓密封性)國內(nèi)企業(yè)一般采用日本松村石油公司(MATSUMURA)標準，其條件為外加靜態(tài)壓力3.5 MPa和固定1層孔徑為0.84 mm(20目)的金屬網(wǎng)，以保壓30 min不漏水作為評價標準。中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會團體標準《盾構(gòu)密封脂系列產(chǎn)品及試驗方法》[22]也參照上述方法，以是否漏水和油脂的泄漏量作為抗水壓密封性的評價標準。

結(jié)合實際工程問題，高振峰[5]43－75(2019年)系統(tǒng)地研究了高水壓條件下盾尾密封油脂的耐水壓密封性能，采用耐水壓密封試驗和流體動力學(xué)計算方法，分析盾尾密封油脂的耐水壓密封性能及其影響因素。利用自主設(shè)計的耐水壓密封性動態(tài)檢測試驗裝置，實現(xiàn)了0～4 MPa水壓范圍內(nèi)的穩(wěn)定加壓和保壓，同時具備盾尾掘進的動態(tài)模擬功能。針對三種具有代表性的盾尾密封油脂產(chǎn)品開展了耐水壓密封試驗，提出將油脂的密封方式、危險孔徑和初始滲漏水時間等三個因素作為油脂耐水壓密封性能檢測和評價的重要指標。耐水壓密封性能良好的油脂會形成致密的油脂層，與水不相容，水發(fā)生滲漏的唯一途徑便是利用自身的壓力將油脂不斷擠壓出密封邊界，直至形成貫通的滲漏路徑，造成盾尾密封失效。

在國內(nèi)地鐵隧道建設(shè)的實際使用中，所設(shè)置的同步注漿壓力一般為0.2～0.8 MPa，由于實際施工環(huán)境的復(fù)雜性，盾尾密封油脂的性能易受環(huán)境溫度、盾尾油脂泵、地層結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)機掘進狀態(tài)以及其他硬件條件等因素影響，在實驗室試驗時，靜態(tài)抗水壓測試設(shè)備無法完全模擬盾構(gòu)機盾尾結(jié)構(gòu)，按照日本松村石油公司的抗水壓密封測試條件，其靜態(tài)壓力3.5 MPa難以保障復(fù)雜高水壓條件下的盾構(gòu)安全。因此，王德乾等[23](2016年)公布了一種盾尾密封油脂專用的水壓密封測試儀，在室溫、恒壓(0～10 MPa)下定量測試抗水壓密封性，為耐高水壓盾尾密封油脂的研發(fā)打下基礎(chǔ)。

2020年，針對目前國內(nèi)外各類標準只能給予盾尾密封油脂抗水壓密封性定性分析，無法定量區(qū)分各個品牌產(chǎn)品抗水壓密封性能的難題，朱煒健等[24]提出了“水擊穿壓力”作為盾尾密封油脂抗水壓密封性的定量評價指標，即25℃條件下，使用一層網(wǎng)孔孔徑為0.76 mm、絲徑0.3 mm的金屬鋼絲網(wǎng)，300 g盾尾密封油脂在30 min內(nèi)被水擊穿的最小壓力(單位:MPa)。采用“水擊穿壓力”可定量表征盾尾密封油脂抗水壓密封性的好壞。

2.4 產(chǎn)品技術(shù)標準現(xiàn)狀

目前國內(nèi)關(guān)于盾尾密封油脂的評價標準僅有一項，為中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的團體標準《盾構(gòu)密封脂系列產(chǎn)品及試驗方法》，而國際化標準化組織(ISO)及其他國際組織或協(xié)會，未發(fā)布有關(guān)盾尾密封油脂的權(quán)威性標準，國內(nèi)市場上不同品牌油脂產(chǎn)品的性能檢測和評價標準仍無法達成統(tǒng)一，導(dǎo)致市場上盾尾密封油脂質(zhì)量參差不齊。

3 盾尾密封油脂的發(fā)展趨勢

3.1 研制適用寬溫域、高性能的耐超高水壓盾尾密封油脂

盾尾密封油脂受溫度因素的影響較大，在低溫環(huán)境下，油脂受溫度的影響，泵送性變差；在高溫環(huán)境下，油脂則更易流動，導(dǎo)致抗水壓密封性變差。因此，未來應(yīng)研制能滿足環(huán)境溫度－20～40℃、高水壓0.8～1.5 MPa使用要求的盾尾密封油脂，同時具備優(yōu)異的泵送性和抗水壓密封性能，提高國產(chǎn)盾尾密封油脂的整體質(zhì)量水平。

3.2 研制生態(tài)友好型盾尾密封油脂

在盾尾密封油脂使用過程中，油脂會接觸到地下水及土壤，且漏失部分會長期存在于地下。隨著國家環(huán)境保護要求的提高，國家對盾尾密封油脂的可降解性、對水中魚類及浮游生物的毒性以及對土壤中殘留物的致毒性等綠色環(huán)保要求也日益提高。因此，研發(fā)生態(tài)友好型的盾尾密封油脂是未來發(fā)展的大趨勢。

4 結(jié)束語

本文從盾尾密封油脂的國內(nèi)外發(fā)展歷程、專利技術(shù)現(xiàn)狀、產(chǎn)品性能檢測技術(shù)現(xiàn)狀和標準技術(shù)現(xiàn)狀等方面，詳細闡述了目前我國盾尾密封油脂的配方研究、產(chǎn)品性能評價和國內(nèi)專利申請情況。針對目前盾尾密封油脂的現(xiàn)狀，提出以下4個發(fā)展方向。

(1)加強研發(fā)和推廣使用生態(tài)友好型盾尾密封油脂，降低化石能源的使用量，采用天然的可再生原材料，逐步減小對地下環(huán)境的影響。

(2)研發(fā)適用于復(fù)雜高水壓施工環(huán)境的寬溫域、高性能的耐超高水壓盾尾密封油脂，提高國產(chǎn)盾尾密封油脂的整體質(zhì)量水平。

(3)加快制定科學(xué)合理、與實際工程應(yīng)用相結(jié)合的國家或行業(yè)標準，建立統(tǒng)一的性能評價體系，推動盾尾密封油脂規(guī)范化、科學(xué)化生產(chǎn)應(yīng)用。

(4)強化基礎(chǔ)理論研究，通過具體工程應(yīng)用，深入研究盾尾密封油脂的密封機理，建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的橋梁，實現(xiàn)該項技術(shù)自立自強。