盾构法隧道的盾尾防水密封与盾尾密封油脂.docx

盾构法隧道的盾尾防水密封与盾尾密封油脂朱祖熹（上海隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200070）摘要 针对盾构法建造地下隧道日益普及、盾尾密封技术与盾尾油脂研究不断深化的背景，介绍了盾尾油脂的密封原理与 密封特点，重点介绍了中、日、法等国 3 种典型盾尾密封油脂 的性能指标与密封功效，扼要探讨了该类材料的组成、检测项 目、指标与方法等技术关键，并提出了相关材料标准化已势在 必行的观点。关键词 盾构；盾尾密封；盾尾密封油脂 文章编号 1007-497X（2009）070002-05 中图分类号 U455.43；U454文献标识码 AWaterproofing and sealing of shield tail and sealing grease / Zhu ZuxiAbstract Based on the current situation, i.e. increasing popularity of ground channels constructed with shield method and deepening of re search on sealing technology and grease of shield tail, the article de scribes mechanism and features of sealing with shield tail grease, focusing on performance index and effectiveness of 3 types of greases typically used in China, Japan and France. It also has a discussion in brief on keyissues of the grease, including its composition, inspection items, performance index and test methods and points out that standardization for all relevant materials is as a matter of course.Key words shield; shield tail sealing; shield tail grease凝土隧道管片成环拼装，在不断的依次拼装、掘进中推进隧道。在盾构推进过程中，由于拼装管片是在盾 构机械的外壳盾壳的保护下进行的，无疑盾壳与 管片外壁间存有间隙，此间隙为盾壳内径与管片外径 之差。为此，在盾尾和管壁之间装有盾尾密封装置， 以防止土层中的泥土及为填补这种间隙而同步压注 的注浆材料的渗入，以保证盾构的正常掘进。1.1盾尾密封装置 早期盾尾密封采用过橡胶密封件，利用安装于盾尾部分盾壳钢板上特殊断面的整圈橡胶密封件压密 止水，对橡胶密封件的耐磨要求很高，尤其要求在渗 入泥砂下的抗磨损致密，但实际上效果欠佳。因而， 目前绝大多数的盾构都采用盾尾多道弹簧钢片与钢 丝刷充填密封油脂的盾尾密封装置方式。盾尾密封油脂的润滑和密封作用，可以有效地保 护盾尾多道弹簧钢片与钢丝刷，又共同隔绝土层泥砂 与注浆材料回流，保障盾构的顺利推进。盾尾密封油 脂对钢丝刷及钢结构有防锈、防蚀和减少磨损的功 效，对提高盾构施工质量和工作效率起到了较好的作 用。所以，盾尾密封油脂是盾构法施工隧道中盾构挖 进机钢丝刷型盾尾的主要配套材料之一。图 1 为盾 构挖进机与盾尾密封装置示意图，从 A 处可以看到 盾尾密封油脂不仅充满于三道弹簧钢片与钢丝刷组 合之间的空腔中，也密布于弹簧钢片与钢丝刷间。1.2盾尾密封油脂密封原理 盾尾密封油脂首先是在盾构掘进开始前，于盾构工作井中手工或用简单工具涂刷在钢丝刷之间的。这时的油脂应该粘稠性大，与钢丝粘附性强，为防止近年来，为了有效利用地下空间，大深度隧道工程日渐增多，深埋盾构隧道挖进也随之增多，盾构挖 进机盾尾密封装置的防水密封技术也越来越受重视。 而盾尾密封油脂是起到盾尾密封防水作用的主要材 料，因此有介绍与研讨的必要。1盾尾密封技术概述 盾构法隧道的基本特点是盾构机械挖掘，预制混02CBW 20097A图 1 盾构挖进机与盾尾密封装置盾尾密封油脂 盾尾混凝土管片盾尾钢丝刷图 2 盾尾密封及其油脂使用示意综述与论坛SEALER 迄今已有 2 000 处以上现场应用实绩，如英吉利海峡海底隧道、丹麦大贝尔特铁路隧道及东京湾 横断海底隧道等著名工程均使用了 TAIL SEALER， 产品的止水性、耐久性在日本国内外均获得很高评 价。在我国，也已在上海上中路越江隧道、上海军工 路越江隧道、南京西气东输隧道工程中得到成功应 用。TAIL SEALER 产品中的 #8000 系列针对盾构设 备钢丝刷间的地下水、外环水泥浆侵入，具有非常高 的止水效果。2.1.1产品特点TAIL SEALER #8000 系列盾尾密封油脂具有如 下特点：耐高水压止水性能好；泵压送性良好；钢丝刷 间充填容易；抗水泥浆侵入；对混凝土管片的凹凸处 具有顺应性；不侵蚀混凝土管片接缝密封垫；不易附 着在混凝土管片表面上。2.1.2分类与性能TAIL SEALER #8000 系列产品的分类与性能指 标见表 1。在表 1 中：1） 手涂抹方式指在盾构工作井内对盾尾钢丝刷 进行手工涂抺密封油脂，使其充满钢丝刷周围，既防 地下水、泥浆及同步压注浆材流入，又防钢丝网锈蚀。2）上述手工涂抹也可用注入泵设备进行。由于是 在管片未拼装前进行的，因此尤其要防下坠，要用高 粘度、高稠度、非下坠的油脂。3）盾构推进中需不断补充添加油脂，保持钢丝网 中充满密封油脂以止水止泥浆。由专门压注密封油 脂的泵定时定量（若密封系统受损、盾构机械与管片 环相互偏心则宜调整压入量）压注。4）尽管盾构推进中密封油脂不可能着火，但在盾 构工作井内对盾尾钢丝刷进行涂抺时，有可能同一井 内焊接作业等火星会引起油脂燃烧（日本等曾有此类 事故发生），因此用难燃型的密封油脂更为安全。2.1.3使用方法1）钢丝刷手涂抹法 钢丝刷四周要全部用手均匀涂抹；后部保护板与工作井其它作业如电焊等的火灾风险，油脂宜为阻燃型的。盾构出洞后，应在空隙中填满油脂，这是通过专 用油脂泵压入的。如图 2 所示，油脂压入管贴合在盾 尾钢壳板上，各注出油脂口与各空腔对应，构成三道 密封。专用油脂泵压入的油脂首先应要求触变性好， 即压注时流动性佳，停注后粘聚密封性好。随着盾构 机械的掘进，油脂会因沾附在管片上等损耗而需要补 充压入，以确保空腔的充满、弹簧钢片与钢丝刷组合 的油润。长距离顶进后（如超过 5 km），由于不断磨 损与锈蚀，通常需要替换弹簧钢片与钢丝刷组合。但 若拼装、掘进工艺得当，也因为盾尾密封装置发挥作 用，包括盾尾油脂性能良好，也有省却了这种更换的 实例，如上海崇明长江隧道的盾构掘进施工。2国内外主要的几种盾尾密封油脂随着盾构机械盾尾密封技术研究的不断深入，盾 尾油脂技术也得到更多开发。下面主要说明盾尾密 封油脂材料与相关技术，并介绍国内外几类典型的盾 尾密封油脂材料。2.1日本松井 TAIL SEALER 盾尾密封油脂 日本松井公司很早就着眼于耐高水压且耐久性优良的盾构设备机用盾尾油脂的开发，其产品 TAIL0320097中国建筑防水综述与论坛到最后部的 钢丝刷间，直 至钢丝刷四 周有 TAILSEALER 挤出来为止。5）推进时油脂注入量调整TAIL SEALER 应做到随时充分供给，应注意不 可让水泥浆侵入到钢丝刷里。使用加续注入系统时 需注意油脂供给。2.1.4使用及保管上注意事项 此类产品在化学上安全性较高，但使用时仍需注意下列事项：作业时应带护镜、手套等保护用具以免 油脂沾到眼睛、皮肤上；如油脂不慎进入眼内，可用自 来水冲洗 15 min 后接受医生诊治；如附着在皮肤上， 可直接用肥皂洗净；使用后应密闭容器以免水分或杂 物混入。2.1.5安全性依日本有关产品废弃物检定方法 （日本 1973 年“环境通告”13 号文）未检出有害物质。2.2法国 CONDAT 公司 WR89 盾尾密封油脂WR89 是法国 CONDAT 制造的、专门用于隧道 挖掘机盾尾密封的油脂品牌，也是较早进入我国盾构 隧道密封油脂市场的材料。2.2.1WR89 的特点WR89 经专门研制，可确保隧道挖掘机对淡水和 海水的水密性。该产品具有以下良好特性：1）防水、抗水冲洗、抗蠕动。2）可生物降解，经测试，对水、环境没有毒害；经 老鼠口服过敏性试验，结果为“无刺激”。3）产品可在较大温度范围使用，具有良好的可泵 送性。4）产品具有优良的储存稳定性，无国内盾尾密封 油脂产品易结块、变硬等问题。2.2.2性能指标WR89 的具体性能指标见表 2。2.2.3应用WR89 产品已在欧洲诸多盾构隧道中应用。在国 内，WR89 已在上海、广州、南京等多项地铁隧道与水 工盾构掘进工程中得到应用，显示了该产品密封性能 较优良、施工安全方便、环保无污染的特点。尤其是表 1#8000 系列产品分类与性能燃 烧 距 离刷子间、刷子与金属网筛间、刷子与前部保护板间的涂抹都要压到根部底。2）钢丝刷用泵注入涂抹方法（针对 #8000NH 及#8000NF 类油脂） 软管吐出口装上涂抹专用管嘴后，在上述“钢丝刷手涂抹法”中介绍的相同部位使用螺旋式泵或空 气驱动式泵涂抹。3）钢丝刷间以手涂抹方法 在拼装负环管片前先在钢丝刷间手工涂抹 TAILSEALER。如涂抹在顶上部时，为防坠落，应多次逐步 加厚、充满。4）泵注入法 盾构设备出洞进入隧道，正环管片拼片后，确认注入口与钢丝刷间的位置然后用泵注入 #8000NP。此 时应注意会有空气滞留而引起充填量不足。注入时 由切削边的钢丝刷间注入，确认充填满后再依次注入04CBW 20097项 目品 号#8000N#8000NH#8000NP#8000NF特长、用途对钢丝刷用 手涂抹方式对 钢 丝 刷 用 泵 注 入 涂 抹 及 钢 丝 刷 间 空 隙 用 泵 注 入，高粘着型钢丝刷间空 隙用泵注入钢丝刷用泵 注入涂抹及 钢丝刷间空 隙 用 泵 注 入，难燃型外观白色胶状白色胶状白色胶状白色胶状密度 （/ g/m3）1.261.241.281.28稠度 /（1/10 mm）260270290280挥发分 /%0.80.61.30.3保 油 性（JIS K5751）渗透张数：5 张；渗透幅 宽：14 mm渗 透 张 数 ：4 张 ； 渗 透 幅 宽：10 mm渗透张数：5 张；渗透幅 宽：22 mm渗透张数：3 张；渗透幅 宽：7 mm耐水压性（水 压 3.4 MPa）不漏水不漏水不漏水不漏水金属腐蚀性不变色、不 腐蚀不变色、不 腐蚀不变色、不 腐蚀不变色、不 腐蚀难 燃 性（JIS K6911）燃 烧 时 间90 s 以 内 ；25 mm 以下综述与论坛表 3 “上隧牌”盾尾密封油脂主要技术指标表 2WR89 产品特性注：1）执行企业标准：Q/PSAE152005盾尾密封油脂；2）盾尾密封油脂经上海市产品毒性质量监督检验站检测，检测结 果属无毒产品。到实际使用中有工作井中手工涂抹作业和推进过程中用油脂压注泵压注两类使用方法，对性能要求有所 区别，上海隧道防水材料厂又开发了不同型号的产 品，见表 4。表 4 “上隧牌”盾尾密封油脂产品型号及特性注：1）NFT 标准系法国标准，NFT 60132 相当于 ISO 2137 。WR89 在超长、深埋的上海崇明长江越江盾构隧道中的成功应用，受到业界关注。2.3 “上隧牌”盾尾密封油脂 上海隧道防水材料厂的“上隧牌”盾尾密封油脂是该厂自行开发、国内最早规范生产的产品。该产品 被列入国家 863 计划，并被评为“2005 年上海市重点 新产品”、“2006 年国家重点新产品”。2.3.1 产品特点“上隧牌”盾尾密封油脂是以油脂为主剂，加入纤 维及其他溶剂、填充剂等添加材料而制得的带纤维的 膏状物，具有以下特点：在干燥、潮湿及水下等环境 中，与钢板、混凝土表面均具备良好的粘附性；耐水压 高，密封性良好，有效防止泥浆渗入；可泵性好，用泵 注入不堵塞泵，可有效充填钢丝刷空隙；对钢丝刷和 混凝土管片无腐蚀；无毒、无气味，对环境无污染；产 品稳定性好，无结硬、析油等现象。23.2 性能指标“上隧牌”盾尾密封油脂的基本性能见表 3。考虑另外，巴斯夫（BASF）集团属下的巴斯夫建筑化工材料公司的专门工厂，在生产盾构掘进机所用若干 机械用油的同时，也生产盾尾密封油脂MEYCO TSG 盾尾密封剂，也是国际上知名的盾尾密封材料。3 关于密封油脂材质与性能的几点评析3.1 应注重密封油脂的耐水压性 （又称水密性）、耐 水冲性、可泵性、与金属附着力、保油性等与机械特性 有关的性能的研究，这些性能是满足施工应用的主要 指标。其次，应摸索密封油脂物化性能的试验方法，如 耐水压性指标，虽各国试验原理与方法基本相似，但 试验试具并不统一。我国的试验大多如图 3 所示，日 本的试验多为如图 4 所示。3.2在强调环保的今天，应保证油脂的生物降解特 点，使沾染在管片外背少量的油脂对环境无毒。同时，0520097中国建筑防水项 目型 号G 型L 型（越江型）S 型使用方法泵注入泵注入手工涂抹水密性 /MPa0.30.60.6密度 （/ g/cm3）1.250.051.250.051.200.05金属腐蚀性不变色、不腐蚀不变色、不腐蚀不变色、不腐蚀项 目指 标气味无颜色天然羊毛色外观有纤维状稠度 （/ 1/10 mm）（按法国标准 NFT60132 标准 1）255265密度 （/ g/m3）1.30.05燃点 /205经硫酸处理后的灰分 /%50不溶性 /%50蠕动性/mm （按 JIS A5758 标准在 25 时测试）30可泵送性（/ g/min）（按 NFT 60139 标准，在压力为1 MPa、温度为 25 时测试）4045抗海水冲失/% （按 ASTM D4049 方法用 38 人工 合成海水测试）7保油性（按 JIS A5751 标准测试），渗透宽度/mm12挥发性/% （按 ASTM D972 标准测试）3水密性（按 maltsumara 方法测试）合格项 目指标要求（G 型、L 型）外观黄色或米黄色带纤维的均匀 膏状物稠度（ 232） （/ 1/10 mm）240挥发性（ 802），5 h /%2.5下垂值（ 502），5 h /mm0水冲损失量（0.02 MPa，冲 20 min）/%无可泵性（中号牛油枪)可打出油脂图 3 上海隧道公司的盾尾油脂水密性试验外加压力水砾石001=盾尾油脂H钢管5020 目金属网片一层图 4 日本松井公司的盾尾油脂耐水压试验综述与论坛然，其耐水压试验达 3.4 MPa，笔者认为未免太高，意义不大（国外试验中模拟钢丝束而设的细目金属网片 与国内不同，国内用 3 层而目数较大，似更实际）。此 外，对检测水冲损失量的意义的认识，及检测时油脂 涂刷用的底材，国内外也有差别，这些都是值得推敲 的。3.5如前述，长达 7.7 km 的上海崇明长江隧道盾构 掘进施工过程中，由于不断磨损与锈蚀，尤其是盾构 同步压注水泥浆的固结，若油脂与弹簧钢片与钢丝刷 组合间未充实饱和，钢丝与钢片的损伤会很严重，必 须在水下土层冰冻条件下拆下更换。这样既有风险， 也对进度有影响。由于盾尾密封油脂性能良好等要 素的存在，最后省却了这种预备的更换，足见其“保油 性”、“防蚀性”指标的重要性。另外，粘稠的油脂要能方便注入，可泵性很重要。 而反映可泵送性的重要指标，按 NFT 60139 标准，即 密封油脂在特定的压力温度（1 MPa、25 ）下通过一 定管径的毛细管时的流量，以“g/min”表示，比较严 谨；而用中号牛油枪的“可打出”、可泵压性“好”的表 述都未定量，显然不足。可见统一检测方法很必要。3.6目前，在软土地层的各城市地铁区间隧道施工 中，盾构法施工已成为主要施工法，而盾尾密封油脂 则是盾构盾尾密封所必需的，其数量也较可观（通常 每环地铁管片用量约 2025 kg，目前单就上海而言， 近 2 年就有逾 100