盾尾密封油脂注入理論及控制方法研究

張合沛，陳饋，李鳳遠(yuǎn)，王助鋒

（盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室    中鐵隧道集團(tuán)有限公司）

引言

盾構(gòu)是一種集開(kāi)挖、支護(hù)、推進(jìn)、襯砌等多種作業(yè)一體化的大型暗挖隧道施工機(jī)械,盾構(gòu)均采用多道彈簧鋼片與鋼絲刷充填密封油脂的裝置作為盾尾密封方式。在盾尾前中后三道彈簧鋼片與鋼絲刷組合之空腔及彈簧鋼片與鋼絲刷間均充滿盾尾密封油脂，具有潤(rùn)滑和密封的雙重作用，可以有效地保護(hù)盾尾多道彈簧鋼片與鋼絲刷，又共同隔絕土層泥砂與注漿材料的回流，保障盾構(gòu)的順利推進(jìn)。

同時(shí)，盾尾密封油脂對(duì)鋼絲刷及鋼結(jié)構(gòu)有防銹、防蝕和減少磨損的功效，對(duì)提高盾構(gòu)施工質(zhì)量和工作效率起到了很好的作用。

因此，在盾構(gòu)法施工隧道中盾尾密封油脂是盾構(gòu)鋼絲刷型盾尾的主要配套材料之一，有進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)兩種，且價(jià)格差別較大。由于施工過(guò)程中盾尾密封油脂使用量很大，從經(jīng)濟(jì)效益方面來(lái)講，盾尾密封油脂在施工過(guò)程中使用量的合理化控制顯得尤為重要，即達(dá)到盾尾密封、潤(rùn)滑的作用，又節(jié)約盾尾密封油脂的使用量。

通過(guò)查閱相關(guān)資料，大多數(shù)文章對(duì)盾尾密封油脂的使用方法、施工過(guò)程操作注意事項(xiàng)、硬件控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹，沒(méi)有對(duì)盾尾密封油脂注入理論及控制策略進(jìn)行研究，因此本文著重對(duì)按量按壓力注脂控制理論進(jìn)行深入研究。

1.盾構(gòu)盾尾密封油脂系統(tǒng)控制原理

以某一常用型號(hào)盾構(gòu)中的前中后3道盾尾密封油脂為例，每一道由1個(gè)氣動(dòng)泵供給油脂，每道油脂有19個(gè)注入點(diǎn)，一環(huán)推進(jìn)開(kāi)始后每道油脂都從注入點(diǎn)1到19依次循環(huán)注入油脂，直到推進(jìn)結(jié)束。盾構(gòu)中的前中后3道盾尾密封油脂系統(tǒng)布置，如圖1所示。

盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)始前，在工作豎井中用手工或簡(jiǎn)單工具將盾尾密封油脂涂刷在盾尾密封鋼絲刷之間，為防止工作豎井中其它作業(yè)如電焊等的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，盾尾密封油脂必須是阻燃型的。盾構(gòu)出洞后，通過(guò)專用油脂泵在盾尾密封空隙中泵滿油脂，達(dá)到隧道洞口密封的效果。

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，推進(jìn)速度過(guò)快，在單位時(shí)間內(nèi)注入盾尾的油脂不能滿足其使用量，若不及時(shí)調(diào)整油脂泵的注脂率，則盾尾刷內(nèi)的油脂量及注脂壓力不能及時(shí)密封盾尾，勢(shì)必造成盾尾密封效果減弱，形成盾尾漏漿；推進(jìn)速度過(guò)慢，盾尾密封油脂系統(tǒng)按壓力注脂勢(shì)必造成一定油脂浪費(fèi)。根據(jù)推進(jìn)速度合理選擇盾尾密封油脂注入控制策略可以保障盾構(gòu)安全施工，同時(shí)降低施工成本及工程風(fēng)險(xiǎn)。

2.控制方式

盾尾密封油脂注入有按壓力、按量?jī)煞N控制方式。

按壓力控制基本原則是第三道盾尾刷的設(shè)定壓力比注漿壓力高2bar，第二道盾尾刷的設(shè)定壓力比第三道盾尾刷低1bar，道盾尾刷比第二道盾尾刷低1bar。

一般情況下，第三道盾尾刷容易堵塞，若某個(gè)或幾個(gè)油脂管出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，則調(diào)大設(shè)定壓力。若某個(gè)或幾個(gè)注漿管注漿壓力比正常值偏高，則相應(yīng)增大此位置和相鄰位置油脂的設(shè)定壓力，第二道和道盾尾刷設(shè)定壓力依次減少1bar。

按盾尾密封油脂注入量控制基本原則是盾尾密封油脂的注入量定在2～2.5環(huán)一桶。每環(huán)掘進(jìn)前必須注脂10min。長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，必須每隔3～4h，注油脂10min[5～6]。

3.控制流程

盾尾注脂控制有自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式，盾尾注脂方式有按量按壓力注脂，通過(guò)對(duì)已有盾尾密封油脂系統(tǒng)資料的分析，結(jié)合盾尾密封油脂按量按壓力控制方法設(shè)計(jì)出盾尾密封油脂系統(tǒng)控制軟件，其在手動(dòng)控制模式下，按量按壓力控制流程如圖2所示，在自動(dòng)控制模式下，按量按壓力控制流程如圖3所示。

4.實(shí)驗(yàn)分析

4.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)該實(shí)驗(yàn)解決大直徑盾構(gòu)盾尾密封油脂消耗成本與工程風(fēng)險(xiǎn)矛盾問(wèn)題。

4.2實(shí)驗(yàn)原理

按量控制是在注脂泵單次注脂量設(shè)定情況下，通過(guò)對(duì)每一管路設(shè)定注脂時(shí)間，達(dá)到該管路注脂時(shí)間設(shè)定值，啟動(dòng)下一管路進(jìn)行注脂，延時(shí)間隔時(shí)間（自動(dòng)控制模式下延時(shí)0.5s）后關(guān)閉前一管路注脂控制閥，依次類推，所有管路注脂結(jié)束，進(jìn)行盾尾密封油脂注入總壓力檢測(cè)，確認(rèn)其大于100bar，且兩套盾尾注脂系統(tǒng)之間的旁路閥關(guān)閉，進(jìn)入循環(huán)控制。

按壓力控制是在注脂泵單次注脂量設(shè)定情況下，通過(guò)對(duì)每一管路設(shè)定注脂壓力，達(dá)到該管路注脂壓力設(shè)定值，啟動(dòng)下?管路進(jìn)行注脂，延時(shí)間隔時(shí)間（自動(dòng)控制模式下延時(shí)0.5s）后關(guān)閉前一管路注脂控制閥，依次類推，所有管路注脂結(jié)束，進(jìn)行盾尾密封油脂注入總壓力檢測(cè)，確認(rèn)其大于100bar，且兩套盾尾注脂系統(tǒng)之間的旁路閥關(guān)閉，進(jìn)入循環(huán)控制。

4.3實(shí)驗(yàn)步驟

1）設(shè)定盾尾注脂工作模式為手動(dòng)控制。

2）設(shè)定每一管路注脂時(shí)間，間隔時(shí)間。

3）啟動(dòng)注脂系統(tǒng)。

4）觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每一管路注脂指示燈變化情況。

5）停止注脂系統(tǒng)。

6）設(shè)定每一管路注脂壓力，按照上述步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

7）設(shè)定盾尾注脂工作模式為自動(dòng)控制。

8）設(shè)定每一管路注脂時(shí)間，按照上述步驟進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)速度變化過(guò)程中每一管路指示燈的變化情況，如圖4所示。

4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的模擬試驗(yàn)，在盾尾注脂工作模式是自動(dòng)控制情況下，通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中每一管路指示燈的變化率及推進(jìn)速度，可以近似得到盾尾刷與管片的摩擦消耗的油脂量與推進(jìn)速度成正比。

在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)操作人員根據(jù)掘進(jìn)速度對(duì)盾尾密封系統(tǒng)適當(dāng)?shù)牟僮饕矔?huì)優(yōu)化油脂使用量、降低施工成本、規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)。從控制理論分析及試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看在盾構(gòu)掘進(jìn)的時(shí)候盡量選擇盾尾密封系統(tǒng)的自動(dòng)控制模式，把自動(dòng)檔頻率調(diào)節(jié)到較低，進(jìn)行按量注脂，停止掘進(jìn)時(shí)及時(shí)停止油脂使用，如果長(zhǎng)時(shí)間停止掘進(jìn)時(shí)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行定期按壓力注脂，可以規(guī)避盾尾漏漿的風(fēng)險(xiǎn)。在盾構(gòu)施工過(guò)程中降低盾尾密封油脂消耗與施工風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)做到如下兩點(diǎn)。

1）提高推進(jìn)速度，油脂控制模式選擇按量控制模式，根據(jù)推進(jìn)速度按比例選擇合適的注脂時(shí)間及間隔時(shí)間，提高盾尾密封效果，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

2）在推進(jìn)過(guò)程中盡量使用盾尾注脂自動(dòng)控制模式，選擇按量注脂控制模式，停止推進(jìn)時(shí)操作人員應(yīng)該及時(shí)停止油脂使用，根據(jù)實(shí)際需要間隔一段時(shí)間進(jìn)行按壓力注脂。

5.結(jié)論與建議

在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)操作人員根據(jù)掘進(jìn)速度對(duì)盾尾密封系統(tǒng)適當(dāng)?shù)牟僮饕矔?huì)優(yōu)化油脂使用量、降低施工成本、規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)。從控制理論分析及試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看在盾構(gòu)掘進(jìn)的時(shí)候盡量選擇盾尾密封系統(tǒng)的自動(dòng)控制模式，把自動(dòng)檔頻率調(diào)節(jié)到較低，進(jìn)行按量注脂，停止掘進(jìn)時(shí)及時(shí)停止油脂使用，如果長(zhǎng)時(shí)間停止掘進(jìn)時(shí)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行定期按壓力注脂，可以規(guī)避盾尾漏漿的風(fēng)險(xiǎn)。由于本次試驗(yàn)是基于自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行的控制理論及方法模擬試驗(yàn)，望在后續(xù)的工作中能夠進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)控制方法試驗(yàn)。

（來(lái)源：中天重工）