盾尾密封油脂注入理论及控制方法研究

发布时间：2022-02-17

张合沛，陈馈，李凤远，王助锋

（盾构及掘进技术国家重点实验室    中铁隧道集团有限公司）

引言

盾构是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业一体化的大型暗挖隧道施工机械,盾构均采用多道弹簧钢片与钢丝刷充填密封油脂的装置作为盾尾密封方式。在盾尾前中后三道弹簧钢片与钢丝刷组合之空腔及弹簧钢片与钢丝刷间均充满盾尾密封油脂，具有润滑和密封的双重作用，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的回流，保障盾构的顺利推进。

同时，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很好的作用。

因此，在盾构法施工隧道中盾尾密封油脂是盾构钢丝刷型盾尾的主要配套材料之一，有进口和国产两种，且价格差别较大。由于施工过程中盾尾密封油脂使用量很大，从经济效益方面来讲，盾尾密封油脂在施工过程中使用量的合理化控制显得尤为重要，即达到盾尾密封、润滑的作用，又节约盾尾密封油脂的使用量。

通过查阅相关资料，大多数文章对盾尾密封油脂的使用方法、施工过程操作注意事项、硬件控制系统进行介绍，没有对盾尾密封油脂注入理论及控制策略进行研究，因此本文着重对按量按压力注脂控制理论进行深入研究。

1.盾构盾尾密封油脂系统控制原理

以某一常用型号盾构中的前中后3道盾尾密封油脂为例，每一道由1个气动泵供给油脂，每道油脂有19个注入点，一环推进开始后每道油脂都从注入点1到19依次循环注入油脂，直到推进结束。盾构中的前中后3道盾尾密封油脂系统布置，如图1所示。

盾构掘进开始前，在工作竖井中用手工或简单工具将盾尾密封油脂涂刷在盾尾密封钢丝刷之间，为防止工作竖井中其它作业如电焊等的火灾风险，盾尾密封油脂必须是阻燃型的。盾构出洞后，通过专用油脂泵在盾尾密封空隙中泵满油脂，达到隧道洞口密封的效果。

盾构掘进过程中，推进速度过快，在单位时间内注入盾尾的油脂不能满足其使用量，若不及时调整油脂泵的注脂率，则盾尾刷内的油脂量及注脂压力不能及时密封盾尾，势必造成盾尾密封效果减弱，形成盾尾漏浆；推进速度过慢，盾尾密封油脂系统按压力注脂势必造成一定油脂浪费。根据推进速度合理选择盾尾密封油脂注入控制策略可以保障盾构安全施工，同时降低施工成本及工程风险。

2.控制方式

盾尾密封油脂注入有按压力、按量两种控制方式。

按压力控制基本原则是第三道盾尾刷的设定压力比注浆压力高2bar，第二道盾尾刷的设定压力比第三道盾尾刷低1bar，道盾尾刷比第二道盾尾刷低1bar。

一般情况下，第三道盾尾刷容易堵塞，若某个或几个油脂管出现堵塞现象，则调大设定压力。若某个或几个注浆管注浆压力比正常值偏高，则相应增大此位置和相邻位置油脂的设定压力，第二道和道盾尾刷设定压力依次减少1bar。

按盾尾密封油脂注入量控制基本原则是盾尾密封油脂的注入量定在2～2.5环一桶。每环掘进前必须注脂10min。长时间停机，必须每隔3～4h，注油脂10min[5～6]。

3.控制流程

盾尾注脂控制有自动、手动两种模式，盾尾注脂方式有按量按压力注脂，通过对已有盾尾密封油脂系统资料的分析，结合盾尾密封油脂按量按压力控制方法设计出盾尾密封油脂系统控制软件，其在手动控制模式下，按量按压力控制流程如图2所示，在自动控制模式下，按量按压力控制流程如图3所示。

4.实验分析

4.1实验目的

通过该实验解决大直径盾构盾尾密封油脂消耗成本与工程风险矛盾问题。

4.2实验原理

按量控制是在注脂泵单次注脂量设定情况下，通过对每一管路设定注脂时间，达到该管路注脂时间设定值，启动下一管路进行注脂，延时间隔时间（自动控制模式下延时0.5s）后关闭前一管路注脂控制阀，依次类推，所有管路注脂结束，进行盾尾密封油脂注入总压力检测，确认其大于100bar，且两套盾尾注脂系统之间的旁路阀关闭，进入循环控制。

按压力控制是在注脂泵单次注脂量设定情况下，通过对每一管路设定注脂压力，达到该管路注脂压力设定值，启动下?管路进行注脂，延时间隔时间（自动控制模式下延时0.5s）后关闭前一管路注脂控制阀，依次类推，所有管路注脂结束，进行盾尾密封油脂注入总压力检测，确认其大于100bar，且两套盾尾注脂系统之间的旁路阀关闭，进入循环控制。

4.3实验步骤

1）设定盾尾注脂工作模式为手动控制。

2）设定每一管路注脂时间，间隔时间。

3）启动注脂系统。

4）观察实验过程中每一管路注脂指示灯变化情况。

5）停止注脂系统。

6）设定每一管路注脂压力，按照上述步骤进行实验。

7）设定盾尾注脂工作模式为自动控制。

8）设定每一管路注脂时间，按照上述步骤进行相关实验。

在实验过程中记录推进系统推进速度变化过程中每一管路指示灯的变化情况，如图4所示。

4.4实验结果

通过上述在实验台上的模拟试验，在盾尾注脂工作模式是自动控制情况下，通过试验过程中每一管路指示灯的变化率及推进速度，可以近似得到盾尾刷与管片的摩擦消耗的油脂量与推进速度成正比。

在盾构推进过程中，盾构操作人员根据掘进速度对盾尾密封系统适当的操作也会优化油脂使用量、降低施工成本、规避施工风险。从控制理论分析及试验结果来看在盾构掘进的时候尽量选择盾尾密封系统的自动控制模式，把自动档频率调节到较低，进行按量注脂，停止掘进时及时停止油脂使用，如果长时间停止掘进时根据实际需要进行定期按压力注脂，可以规避盾尾漏浆的风险。在盾构施工过程中降低盾尾密封油脂消耗与施工风险应做到如下两点。

1）提高推进速度，油脂控制模式选择按量控制模式，根据推进速度按比例选择合适的注脂时间及间隔时间，提高盾尾密封效果，降低施工风险。

2）在推进过程中尽量使用盾尾注脂自动控制模式，选择按量注脂控制模式，停止推进时操作人员应该及时停止油脂使用，根据实际需要间隔一段时间进行按压力注脂。

5.结论与建议

在盾构推进过程中，盾构操作人员根据掘进速度对盾尾密封系统适当的操作也会优化油脂使用量、降低施工成本、规避施工风险。从控制理论分析及试验结果来看在盾构掘进的时候尽量选择盾尾密封系统的自动控制模式，把自动档频率调节到较低，进行按量注脂，停止掘进时及时停止油脂使用，如果长时间停止掘进时根据实际需要进行定期按压力注脂，可以规避盾尾漏浆的风险。由于本次试验是基于自动化实验平台进行的控制理论及方法模拟试验，望在后续的工作中能够进行施工现场控制方法试验。

（来源：中天重工）