王德乾 鄭筱彥 斯芳芳 謝宇飛 王明杰
(1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京 102600;2.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040)
21世紀(jì)初,隨著國內(nèi)城市軌道交通的蓬勃發(fā)展,國家對裝備制造業(yè)大力扶持下,盾構(gòu)機(jī)整機(jī)通過引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新,實現(xiàn)了創(chuàng)新后的國產(chǎn)化。但是,由于盾構(gòu)施工行業(yè)發(fā)展迅猛,以盾尾密封油脂為代表的施工配套消耗性材料的需求量在短時間內(nèi)劇增。目前,該類產(chǎn)品主要由國內(nèi)中小企業(yè)生產(chǎn),為了滿足市場需求,中小企業(yè)對國外技術(shù)引進(jìn)之后,來不及系統(tǒng)地消化吸收就大量生產(chǎn)并推向市場[1-2]。雖然前幾年國內(nèi)生產(chǎn)盾尾密封油脂的公司有幾十家,但是其核心技術(shù)仍然掌握在日本和法國的幾家大型企業(yè)中,國內(nèi)鮮有機(jī)構(gòu)對盾尾密封油脂等產(chǎn)品進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究,并且僅有少量公開發(fā)表的相關(guān)研究成果[3-6]。目前國產(chǎn)產(chǎn)品大都用于低水壓的盾構(gòu)施工中,然而揚州瘦西湖、南京和武漢等過江隧道的高水壓盾構(gòu)施工所用的盾尾密封油脂幾乎全部被進(jìn)口產(chǎn)品壟斷[7-8]。
鑒于此,中鐵五院在北京市科委重大辦的資助下,開展了耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂產(chǎn)品的研制,基于課題《耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂研制》[9-10]的研究成果,以及課題所研制產(chǎn)品已經(jīng)在成都地鐵6號線和10號線2期15個標(biāo)段、鄭州豫機(jī)線城際、深圳穗莞深城際、長春地鐵2號線和廣州地鐵18號線和22號線等大量使用情況,針對盾尾密封油脂在實際使用中遇到的“堵管”、“消耗大”、“打不動”和“漏水漏漿”等問題,本文重點開展了盾尾密封油脂與盾構(gòu)機(jī)、施工地層等匹配性的研究工作,為施工單位提供與現(xiàn)場情況匹配的盾尾密封油脂的依據(jù),協(xié)助施工單位獲得性價比高的盾尾密封油脂產(chǎn)品,保證施工順利進(jìn)行,縮短施工工期,節(jié)省材料費用。
盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)法隧道施工的最重要設(shè)備[11]。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)直徑的不同,可以分為以下幾類:盾構(gòu)機(jī)直徑0.2~2 m,稱為微型盾構(gòu)機(jī);盾構(gòu)機(jī)直徑2~4 m,稱為小型盾構(gòu)機(jī);盾構(gòu)機(jī)直徑4~7 m,稱為中型盾構(gòu)機(jī)(常規(guī)盾構(gòu)機(jī));盾構(gòu)機(jī)直徑7~12 m稱為大型盾構(gòu)機(jī),盾構(gòu)機(jī)直徑12 m以上稱為超大直徑盾構(gòu)機(jī)。
中鐵五院安達(dá)盾尾密封油脂目前大都用在直徑為6.28 m的常規(guī)盾構(gòu)機(jī)、直徑為8.8 m的大型盾構(gòu)機(jī)和直徑為12.81 m的超大直徑盾構(gòu)機(jī)中。通過技術(shù)人員現(xiàn)場跟蹤統(tǒng)計,在同樣的配方、同樣的環(huán)境溫度下,不同型號盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)一延米實際消耗盾尾密封油脂量如表1所示。
表1 盾構(gòu)機(jī)與盾尾密封油脂消耗量的匹配性
由表1可知,直徑8.8 m的盾構(gòu)機(jī)正常推進(jìn)一延米的實際消耗量約為直徑6.28 m的盾構(gòu)機(jī)油脂消耗量的2.4倍,大于兩者的直徑比1.4;而直徑為12.81 m的盾構(gòu)機(jī)正常推進(jìn)一延米的實際消耗量約為直徑8.8 m的盾構(gòu)機(jī)油脂消耗量的1.6倍,約等于兩者的直徑比1.5。研究發(fā)現(xiàn)影響盾尾密封油脂消耗量的因素主要為盾構(gòu)機(jī)直徑、盾尾間隙大小、盾尾刷的完好率、同步注漿壓力、管片理論連接縫的大小、管片拼裝質(zhì)量、施工曲線半徑和坡度大小、盾構(gòu)機(jī)施工姿態(tài)控制、地質(zhì)條件、施工環(huán)境溫度以及不確定的人為因素等。盾構(gòu)機(jī)直徑和盾尾間隙大小直接影響著盾尾密封油脂的消耗量,盾構(gòu)機(jī)直徑越大,其對應(yīng)的管片直徑越大,其管片的側(cè)面積越大,附著在其側(cè)面上的油脂量越大,油脂消耗量越大;另外,盾尾間隙越大,盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不易調(diào)整,容易出現(xiàn)盾尾間隙不均勻的問題,導(dǎo)致油脂通過間隙進(jìn)入到漿液中去,使得油脂消耗量大大增加。
盾尾與管片之間的間隙叫盾尾間隙。直徑為6.28 m的地鐵盾構(gòu)機(jī)的盾尾內(nèi)徑為6 150 mm,管片外徑為6 000 mm。因此,在直線段施工時,標(biāo)準(zhǔn)盾尾間隙為75 mm。實際盾尾間隙是30 mm,因為盾尾處有一高為45 mm的凸臺。盾尾間隙是管片選擇的依據(jù)之一。如果間隙過小,則盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中盾尾會與管片發(fā)生干擾。輕則增加盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)的阻力,降低掘進(jìn)速度,重則盾尾管片損壞,造成盾尾漏漿漏水。因此,在拼裝管片之前,必須對上一環(huán)管片的上、下、左、右四個位置的盾尾間隙進(jìn)行測量。如發(fā)現(xiàn)有一方向上盾尾間隙過小,采用轉(zhuǎn)彎環(huán)調(diào)整盾尾間隙,如果不及時調(diào)整,易形成管片錯臺。調(diào)整的基本原則是,哪邊的盾尾間隙過小,就選擇拼裝反方向的轉(zhuǎn)彎環(huán)。拼裝1環(huán)左轉(zhuǎn)彎環(huán)之后,左邊盾尾間隙將減小,右邊盾尾間隙將增大。同時,通過不同的拼裝點位,還可以調(diào)節(jié)上、下方向的盾尾間隙。如果此時盾構(gòu)機(jī)在直線段的掘進(jìn),則必須注意在拼裝完1環(huán)左轉(zhuǎn)彎環(huán)后,選擇適當(dāng)?shù)臅r機(jī),再拼裝1環(huán)右轉(zhuǎn)彎環(huán)將之調(diào)整回來,否則左邊盾尾間隙將越來越小,直至盾尾與管片發(fā)生干擾。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)處于曲線段,則應(yīng)根據(jù)線路的特點進(jìn)行綜合考慮[12]。
2017年1月,穗莞深中鐵16局9標(biāo)項目采用直徑為8.8 m的奧村盾構(gòu)機(jī)施工,其盾尾間隙比直徑為6.28 m的常規(guī)盾構(gòu)機(jī)大。盾構(gòu)掘進(jìn)中,在油脂注入的四區(qū)和五區(qū)部位,出現(xiàn)大量漏漿現(xiàn)象。此時采用中鐵五院安達(dá)盾尾密封油脂的20161112配方。經(jīng)實地考察,該盾構(gòu)機(jī)盾尾已出現(xiàn)了橢圓形,即頂部盾尾間隙很小,底部盾尾間隙很大。盾構(gòu)姿態(tài)一直調(diào)整,但收效甚微,管片錯臺嚴(yán)重。理論上講,頂部盾尾間隙小、底部盾尾間隙大,所需要的盾尾密封油脂流動性要提高,易擠滿頂部小的間隙;所需要的盾尾密封油脂粘度提高,與四周管片、尤其是底部大間隙部位管片的粘結(jié)力提高,防止被同步注漿的漿液沖走。
根據(jù)理論分析,本課題組對盾尾密封油脂進(jìn)行配方調(diào)整,如表2所示。
表2 穗莞深項目三種配方的主要性能指標(biāo)
盾構(gòu)掘進(jìn)時,管片是靜止的,盾殼向前移動,所以盾殼和管片外壁之間存在間隙,盾尾密封系統(tǒng)就是為了防止盾殼外部地下水和同步注漿漿液等流體進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部而設(shè)置。目前,絕大多數(shù)的盾構(gòu)機(jī)都采用在多道鋼絲刷與盾殼、管片形成的密封腔中注入盾尾密封油脂,形成一道牢固的密封層,防止盾殼外部地下水和同步注漿漿液等流體的滲入,盾尾密封結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
圖1 盾尾密封結(jié)構(gòu)原理
2018年1月,在成都地鐵6號線3標(biāo)尚紅區(qū)間右線,頭200環(huán)用安達(dá)產(chǎn)品未發(fā)生漏漿,200環(huán)之后多家油脂產(chǎn)品混合使用,出現(xiàn)輕微漏漿,440環(huán)時出現(xiàn)大面積漏漿,并于1月19日盾尾刷被擊穿。針對此問題,對盾尾刷開展了調(diào)查,據(jù)項目部調(diào)查結(jié)果,鋼絲刷鋼絲彈性不好,強(qiáng)度不夠,是被擊穿的主要因素。正是由于盾尾刷被擊穿,涌水通道形成,導(dǎo)致漏漿漏水。為了封堵水和同步注漿漿液,只能持續(xù)注入盾尾密封油脂,導(dǎo)致盾尾密封油脂消耗量由33 kg/m提高到83 kg/m,使得施工成本大幅提高。鑒于此,施工單位一方面通過在盾尾刷擊穿處塞入海綿,用以輔助止?jié){;另一方面本課題組提供和現(xiàn)場相匹配的盾尾密封油脂,爭取實現(xiàn)盡量降低漏漿量的前提下,降低盾尾密封油脂的消耗量。
根據(jù)盾尾刷被擊穿的問題,本課題組做了大量配方試驗,并優(yōu)選出兩個改進(jìn)配方20180122和20180127。20180108配方是盾尾刷被擊穿之前的使用配方,通過理論分析,再結(jié)合現(xiàn)場使用要求,課題組提出增加盾尾油脂的粘度和稠度,通過提高粘度,可以增強(qiáng)盾尾密封油脂與管片的粘結(jié)力,盡量堵住涌水通道。經(jīng)過多次配方調(diào)整后,獲得20180122和20180127配方,并將以上三種配方進(jìn)行泵送性、錐入度和粘附性的測試,測試結(jié)果如表3所示。
點 評:對于作者而言,最開心的事情不是和好朋友來一場說走就走的旅行,也不是嘗盡天下美食,而是在圖書館中盡情地遨游在書的世界里。作者以《窗邊的小豆豆》為例,將自己代入小豆豆的角色之中,運用小豆豆的視角和感官去感受她的世界。文章情感真摯,充分地表達(dá)了作者對于書的喜愛之情。
表3 成都地鐵項目三種配方的主要性能指標(biāo)
結(jié)果表明,與20180108配方相比,20180122和20180127配方的流動性降低,稠度和粘附性均有了明顯提高。該兩個配方先后用在成都地鐵6號線3標(biāo)尚紅區(qū)間右線,雖然室外溫度0~15℃,該兩個配方的泵送性依然良好,未曾出現(xiàn)“打不動”或“堵管”問題,被擊穿部位漏漿量明顯降低,盾尾密封油脂的消耗量也大幅下降,基本和盾尾刷被擊穿前持平。因此,20180122和20180127兩個配方獲得中鐵20局項目部認(rèn)可,一直供應(yīng)直到隧道洞通。
盾尾鋼絲刷的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量對盾尾密封油脂的影響很大。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,不管因為何種因素,導(dǎo)致盾尾鋼絲刷被擊穿,與之相匹配的盾尾密封油脂,泵送性在18~22 g/min、錐入度在210~220,水沖流失量在2%~3%。
油脂泵是將密封油脂泵入盾構(gòu)機(jī)盾尾油脂腔的設(shè)備,盾尾油脂腔是兩道盾尾鋼絲刷與盾構(gòu)機(jī)外殼、管片構(gòu)成的空腔。油脂泵壓力又稱泵頭壓力,即密封油脂通過油脂泵泵出時的壓力,一般在7~20 MPa之間,泵出油脂沿著數(shù)十米的管路到達(dá)盾尾油脂腔處,此處油脂壓力約為1.5~3.5 MPa。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計總結(jié),直徑為6.28 m的盾構(gòu)機(jī)使用的油脂泵泵頭壓力一般在7~11 MPa之間;直徑為8.8 m的盾構(gòu)機(jī)的油脂泵泵頭壓力一般在10~15 MPa之間;直徑為12.81 m的盾構(gòu)機(jī)的油脂泵泵頭壓力一般在15~20 MPa之間。
以廣州地鐵18號線二分部二工區(qū)HB1風(fēng)井~HB1盾構(gòu)井右線的泵送型盾尾密封油脂的應(yīng)用情況為例。該項目全線長2 510 m,全線1 568環(huán),主要地層為淤泥、中、粗砂。該項目采用直徑為8.8 m的泥水盾構(gòu)機(jī),其盾尾密封系統(tǒng)由4道鋼絲刷形成3個油脂腔,每個油脂腔設(shè)計10個注脂孔。掘進(jìn)時一般采用自動模式。盾尾油脂泵為林肯泵,泵頭壓力為13 MPa,實測每個沖程約為14~16 s,如圖2所示。
圖2 盾尾油脂泵泵頭壓力
目前國內(nèi)施工單位認(rèn)為進(jìn)口某產(chǎn)品錐入度210~220,泵送性約40 g/min是最佳指標(biāo)。按照經(jīng)驗,該進(jìn)口產(chǎn)品既能充滿盾尾密封油脂腔,又具有良好的抗水壓密封性。然而在2019年廣州地鐵18號和22號線的盾構(gòu)施工中,卻出現(xiàn)了不一樣的結(jié)果。廣州地鐵18號線和22號線,盾構(gòu)機(jī)所配備的油脂泵的泵頭壓力一般在10~15 MPa。盾構(gòu)施工初期,該項目部采用進(jìn)口某產(chǎn)品,但是消耗量很大,平均一桶油脂打1環(huán)左右,并且出現(xiàn)漏漿漏水現(xiàn)象。后來換用課題組研制的耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂,盾構(gòu)掘進(jìn)中,平均一桶油脂打1.5環(huán)以上,并且不漏漿不漏水。通過該案例表明,盾尾密封油脂的泵送性與配套的油脂泵泵頭壓力有極大的關(guān)系。如果泵頭壓力較小,例如7~11 MPa,那么盾尾密封油脂的泵送性要大,比如某進(jìn)口產(chǎn)品的泵送性40 g/min左右,與泵頭壓力較小的泵匹配性高;相反,如果泵頭壓力較大,例如10~15 MPa,那么盾尾密封油脂的泵送性要適當(dāng)降低,例如課題組研制的產(chǎn)品泵送性為20 g/min左右,與泵頭壓力較大的匹配性高。因此,盾構(gòu)施工中,選擇與盾尾密封油脂泵相匹配的產(chǎn)品,至關(guān)重要。同時,該案例也說明并非進(jìn)口某產(chǎn)品性能就是最優(yōu)化性能,而是與盾構(gòu)施工地層、油脂泵泵頭壓力等相匹配的盾尾密封油脂,才是保證盾構(gòu)施工不漏水、不漏漿、消耗少,安全穩(wěn)定的首選。
盾構(gòu)施工中常見的地層有:淤泥層、黏土層、砂層、砂卵石地層、砂礫地層、礫石地層、軟巖石地層和硬巖石地層等。
在盾構(gòu)施工中,淤泥層、黏土層和含水量少的砂層對盾尾密封油脂綜合性能的要求不高,掘進(jìn)過程相對較順利,盾尾密封油脂消耗量少。然而在富水砂層、砂卵石地層、砂礫地層和礫石地層中,由于掘進(jìn)速度或快或慢,不均勻,經(jīng)常因為卡刀盤而臨時停止掘進(jìn)等施工中的問題,導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)姿態(tài)不穩(wěn),盾尾間隙不均勻,盾尾刷磨損嚴(yán)重,出現(xiàn)漏水漏漿。
根據(jù)以上三點原因,課題組采用長、短相結(jié)合的植物纖維作為增稠增強(qiáng)劑、復(fù)合型黏度指數(shù)改進(jìn)劑作為增粘劑開展了大量的正交試驗,其優(yōu)選配方為20180122和20180127,該兩個配方在增粘劑和增稠劑組分上有了明顯提高。其性能指標(biāo)如表4所示。
表4 針對砂卵石地層調(diào)整盾尾油脂配方的主要性能指標(biāo)
由表4可知,20180122和20180127配方的泵送性低于20171110配方的泵送性,但是粘度和稠度均有了很大提高,稠度大可解決應(yīng)對富水砂卵石地層的注漿壓力偏大的問題,粘度大可保證與管片間的有效粘結(jié),可解決富水砂卵石地層掘進(jìn)速度太快導(dǎo)致的油脂腔油脂量不夠而出現(xiàn)的漏漿問題。經(jīng)過現(xiàn)場使用,20180122和20180127配方均獲得了施工單位認(rèn)可,少有漏漿現(xiàn)象,消耗量也有所降低。
因此,本課題組推薦砂卵石地層需用泵送性18~22 g/min、錐入度210~220,水沖流失量2%~3%的盾尾密封油脂。該配方產(chǎn)品粘結(jié)性強(qiáng),稠度大,抗水壓密封性強(qiáng),消耗量少。
高水壓盾構(gòu)施工地層是目前盾構(gòu)施工中最有風(fēng)險的施工地層。尤其是過江過河等高水壓強(qiáng)滲透地層的盾構(gòu)施工,盾尾密封系統(tǒng)更為至關(guān)重要。因為高水壓下盾尾密封系統(tǒng)一旦失效,將可能帶來無法預(yù)計的災(zāi)難性后果。因此構(gòu)成盾尾密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其材料必須保證安全可靠。所以,施工單位為了保證盾尾密封系統(tǒng)絕對安全可靠,寧可高價購買進(jìn)口盾尾密封油脂,也不選用價格低廉的國產(chǎn)產(chǎn)品。究其原因,是因為國產(chǎn)產(chǎn)品抗高水壓密封性和泵送性這對性能矛盾體的平衡性欠佳,同時泵送性性能受環(huán)境溫度影響比較大,綜合性能落后于進(jìn)口產(chǎn)品,導(dǎo)致目前高水壓下盾構(gòu)用盾尾密封油脂被進(jìn)口產(chǎn)品壟斷。
課題組研制的耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂產(chǎn)品在合作單位中鐵建華南建設(shè)南沙產(chǎn)業(yè)園區(qū)建成了年產(chǎn)量為10 000 t自動化生產(chǎn)線,并于2018年11月投產(chǎn)。目前正廣泛應(yīng)用于廣州地鐵18號線和22號線。如廣州地鐵18號線六分部二工區(qū)沙溪站-石榴崗站過珠江隧道的盾構(gòu)施工采用了本課題組研制的耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂,如圖3所示。
圖3 耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂的現(xiàn)場使用
由于盾構(gòu)機(jī)需要過江,抗高水壓密封性和黏附性要求很高,另外泵頭壓力14 MPa,需要盾尾密封油脂稠度大,流動性適中。因此,實驗室采用長、中、短相結(jié)合的復(fù)合型植物纖維和礦物纖維作為增稠增強(qiáng)劑、復(fù)合型黏度指數(shù)改進(jìn)劑作為增粘劑、傾點在-30℃以下的基礎(chǔ)油作流動性改進(jìn)劑進(jìn)一步優(yōu)化了其配方,所得產(chǎn)品的測試結(jié)果與普通盾尾密封油脂的重要性能對比見表5。
表5 耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂與普通盾尾密封油脂的主要性能指標(biāo)對比
由表5可知,實驗室條件下,耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂的泵送性與普通盾尾密封油脂的泵送性基本相當(dāng),然而耐高水壓型產(chǎn)品的稠度和黏附性明顯高于普通型產(chǎn)品;尤其是耐高水壓盾尾密封油脂在實驗室條件下做靜態(tài)抗水壓密封性實驗時,最大耐壓值達(dá)6 MPa,而普通盾尾密封油脂的實驗室最大耐壓值在4 MPa左右,試驗證明耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂的粘度、稠度、流動性三個性能矛盾體更加協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
截止到2019年6月23日,右線掘進(jìn)至712環(huán)、左線掘進(jìn)至492環(huán)。在掘進(jìn)過程中,左線從43環(huán)開始下穿珠江,至365環(huán)穿江完成,穿越河堤距離515.2 m;右線從217環(huán)開始下穿珠江,至525環(huán)穿江完成,穿越河堤距離524.8 m。穿江過程中,油脂通過輸送管道到達(dá)盾尾油脂腔部位的壓力平均在15~25 bar,每延米消耗泵送型盾尾密封油脂質(zhì)量為 62.5 kg,最高注漿壓力達(dá)到 0.7 MPa,且全程無漏水漏漿現(xiàn)象,整體使用效果良好。
通過配方調(diào)節(jié)和現(xiàn)場使用,課題組認(rèn)為高水壓盾構(gòu)施工地層所需盾尾密封油脂,不僅僅需要“黏、稠、流”三個性能矛盾體相互協(xié)調(diào)、有機(jī)統(tǒng)一,還需要其性能與盾尾油脂泵、地層、環(huán)境溫度等相匹配。實踐證明,無論產(chǎn)品再好,都不能實現(xiàn)一個配方可以解決所有盾構(gòu)施工中盾尾密封問題。課題組所研制耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂在本項目中的成功應(yīng)用,為施工單位在過江過河等高水壓盾構(gòu)施工提供了一個可信任的國產(chǎn)產(chǎn)品。
(1)盾尾密封油脂與盾構(gòu)機(jī)及盾構(gòu)施工地層的匹配性非常重要。根據(jù)實驗室研究與現(xiàn)場使用經(jīng)驗,本課題組推薦:盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,不管何種因素,導(dǎo)致盾尾鋼絲刷被擊穿,推薦粘度大、稠度大的盾尾密封油脂;由盾尾間隙不均勻而出現(xiàn)漏水漏漿時,推薦施工單位選擇泵送性好、粘度大,稠度適中的盾尾密封油脂;砂卵石地層出現(xiàn)漏漿漏水時,需用流動性適中,粘度和稠度均大的盾尾密封油脂;高水壓盾構(gòu)施工地層中,推薦使用不僅需要“黏、稠、流”相互協(xié)調(diào),也要使其性能與盾尾油脂泵泵頭壓力相匹配的產(chǎn)品。
(2)盾尾密封是盾構(gòu)機(jī)的三大密封之一,對盾構(gòu)安全施工尤為重要。因此選擇性價比高、與施工盾構(gòu)機(jī)、地層相匹配的產(chǎn)品,不僅可以節(jié)省施工成本,保證盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行,更重要的是保證施工安全,意義重大。