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user: 5. 盾尾渗漏和油脂消耗量试验 在盾构施工中，盾尾油脂注入密封刷后，一方面起到密封地层中浆液的作用，另一方面起到对密封刷润滑、防腐蚀的作用。 在松散地层中掘进时，为保证掘进面的稳定性，需保持较快的掘进速度，速度过快则需要注入盾尾的密封油脂量在单位时间内较大，若不及时调整油脂泵注脂效率，则盾尾刷内的油脂量和注入油脂的压力不能及时满足密封盾尾的要求，势必造成盾尾刷的密封效果减弱，容易形成盾尾渗漏；若油脂注入量过大，一方面造成油脂浪费，另一方面由于油脂腔内压力过高，导致密封刷作用在管片上的摩擦力增大，增加密封刷的磨损，进而减少密封刷寿命。 通过模拟试验确定掘进速度、地层水压、油脂注入量三者的关系，优化在不同掘进速度、地层水压情况下油脂的合理注入量，确保盾尾密封装置的可靠性和安全型。 5.1. 新型和原盾尾密封系统试验模型分析 通过分析高水压松散地层对密封装置的影响，对盾尾密封装置进行针对性改进升级，改进后的盾尾密封装置由4道密封刷密封、1道充气密封和1道L型橡胶袜套密封构成。新型和原盾尾密封试验模型和油脂控制图对比如图3、图4所示。 根据改进后密封装置的结构和尺寸，建立试验模型，利用软件对新型密封装置进行模拟试验，观察、分析在高水压条件下，上述问题是否得到改善。 5.1.1. 试验装置说明 1) 试验装置工作原理与盾构机实际工作原理相同。 2) 试验装置中所有运动部件、控制部件的动作全部由计算机控制，各种逻辑关系按照设备原理和盾构施工工艺流程设定，提前编程、输入计算机。 3) 该试验装置能够真实反映在盾构施工过程中，盾尾油脂注入压力与地层水土压力的关系、推进速度与油脂注入量的关系、盾尾油脂的填充效果、油脂孔数量及布局的合理性、盾尾钢丝密封刷的磨损量等，满足验证盾尾密封装置安全性的要求。 5.1.2. 试验原理 1) 盾构机。自动情况下依次循环进行注入，手动情况下根据现场情况点对点注入。 2) 试验台。手动情况下根据现场点对点注入，自动情况下根据现场压力变化范围注入，设定高限值、中间值、底限值。压力达到高限值时油脂分配阀关闭，压力达到中间值时依次循环进行注入，压力达到 图3. 原盾尾密封装置试验模型(a)与新型盾尾密封装置试验模型(b)对比图 图4. 原盾尾密封装置试验模型油脂控制图(a)与新型盾尾密封装置试验模型油脂控制图(b)对比图 底限值时同时注入，所有油脂分配阀都达到高限值时则油脂泵停止注入，如有中间值和底限值同时出现，则以底限值为主，当底限值达到中间值时则与其他中间值同时循环注入。压力设定值随时可调。 3) 水土压力与油脂注入总压力的比例设定。 5.2. 原密封和新型密封装置试验 新型盾尾密封装置指的是4道钢丝密封刷、3道密封油脂、1道橡胶帘布、1道充气密封圈。原盾尾密封装置指的是单纯3道钢丝密封刷和2道密封油脂。 1) 静止状态试验。在管片、盾尾保持静止状态，观察水压从0 MPa逐渐加大过程中密封装置渗漏情况，并尝试调节盾尾油脂压力进行封堵，最终得到该密封装置的最大承受水压满足0.72 MPa的要求。 2) 推进过程试验。在模拟盾构掘进过程中，观察水压从0 MPa逐渐加大过程中密封装置渗漏情况，并尝试调节盾尾油脂压力进行封堵，最终得到该密封装置的最大承受水压满足0.72 MPa的要求。 3) 自动化控制系统试验。推进前，设定密封油脂最高注入压力值；推进过程中观察密封泄漏情况、油脂注入量情况和补给速度情况，并根据实际情况调整压力设定值，每次调整量为10 bar (1 bar = 0.1 MPa)。 5.3. 原密封和新型密封装置试验实绩对比 原密封和新型密封装置试验实绩对比如表1~4所示。 Table 1 The static test data of original shield sea 水腔压力/bar 油脂压力/bar A前压力 /bar A后压力 /bar B前压力/bar B后压力 /bar C前压力 /bar C后压力 /bar 是否渗漏 (小于110 mL/min 为非渗漏) 注入油脂 /kg 保压时间 /min 0 5.81 0.62 0.4 0.02 0.7 0.82 0.71 否 0 5 1 7.78 1.85 1.66 1.23 1.67 2.02 1.96 否 0 5 2 9.25 2.73 2.65 1.75 2.32 2.63 2.35 否 5.19 5 4 11.12 4.09 3.88 3.68 3.91 4.23 4.07 否 9.09 10 6 13.06 6.76 6.55 6.82 7.1 6.85 6.47 否 11.68 10 6.5 13.52 7.32 7.16 7.34 7.79 7.23 7.05 否 14.28 30 7.2 * 14.01 7.92 7.72 7.86 8.45 7.64 7.66 否 15.8 30 表1. 原盾尾密封装置静态试验数据 注 * ：表格中7.2 bar为在6.5 bar试验水压基础上取1.1倍安全系数所得数据。 Table 2 The propelling test data of original shield sea 水腔压力/bar 速度/(mm∙min −1 ) 油脂压力/bar A前压力/bar A后压力 /bar B前压力 /bar B后压力 /bar C前压力 /bar C后压力 /bar 是否渗漏 (小于110 mL/min 为非渗漏) 注入油脂 /kg 2.0 10 5.12 0.48 0.52 0.65 0.59 0.81 0.92 否 0 2.0 20 5.45 0.59 0.65 0.66 0.82 0.93 1.09 否 0 2.0 30 5.72 0.72 0.76 0.84 0.93 1.03 1.22 否 2.60 2.0 40 6.34 0.81 0.85 1.01 1.08 1.18 1.32 否 4.67 4.0 10 12.27 2.45 2.58 2.74 2.89 3.02 3.2 否 21.29 4.0 20 12.78 2.56 2.69 2.84 2.97 3.15 3.32 否 23.16 4.0 30 13.17 2.74 2.96 3.05 3.17 3.34 3.58 否 24.51 4.0 40 13.64 2.94 3.11 3.22 3.39 3.56 3.72 否 25.65 6.5 10 20.88 5.98 6.12 6.24 6.45 6.71 6.84 否 46.84 6.5 20 21.25 6.16 6.26 6.42 6.63 6.87 6.98 否 49.33 6.5 30 21.64 6.29 6.44 6.57 6.82 7.04 7.14 否 50.69 6.5 40 22.05 6.52 6.69 6.79 6.98 7.14 7.27 否 51.93 7.2 * 10 22.48 6.78 6.72 6.85 7.15 7.41 7.44 否 51.94 7.2 * 20 22.85 6.96 6.86 7.01 7.33 7.57 7.59 否 54.43 7.2 * 30 23.24 7.09 7.04 7.17 7.52 7.73 7.76 否 55.79 7.2 * 40 23.65 7.32 7.29 7.38 7.68 7.84 7.92 否 57.03 表2. 原盾尾密封装置推进试验数据 注 * ：表格中7.2 bar为在6.5 bar试验水压基础上取1.1倍安全系数所得数据。 Table 3 The static test data of new shield tail sea 水腔压力/bar 油脂压力/bar A前压力/bar A后压力/bar B前压力/bar B后压力/bar C前压力/bar C后压力/bar 是否渗漏 (小于110 mL/min 为非渗漏) 注入油脂/kg 保压时间/min 0 5.78 1.37 0.95 0.68 1.33 1.55 1.14 否 0 5 1 7.06 2.15 1.98 2.18 2.45 2.63 2.39 否 0 5 2 8.39 3.04 2.79 2.96 3.17 3.43 3.06 否 2.60 10 4 10.57 4.88 4.58 4.79 5.35 5.21 4.97 否 7.14 15 6 12.56 7.62 7.44 7.26 7.51 7.61 7.42 否 11.03 15 6.5 12.98 8.14 7.86 7.79 8.18 8.11 7.92 否 12.98 30 7.2 * 13.48 8.67 8.26 8.31 8.85 8.62 8.43 否 14.03 30 表3. 新型盾尾密封装置静态试验数据 注 * ：表格中7.2 bar为在6.5 bar试验水压基础上取1.1倍安全系数所得数据。 Table 4 The propelling test data of new shield tail sea 水腔压力/bar 速度/(mm∙min −1 ) 油脂压力 /bar A前压力/bar A后压力/bar B前压力/bar B后压力/bar C前压力/bar C后压力/bar 是否渗漏 (小于110 mL/min 为非渗漏) 注入油脂/kg 2.0 10 4.96 0.55 0.65 0.72 0.78 0.91 1.07 否 0 2.0 20 5.37 0.68 0.75 0.84 0.92 1.06 1.22 否 0 2.0 30 5.61 0.79 0.83 0.95 1.04 1.24 1.34 否 0 2.0 40 6.07 0.89 0.96 1.09 1.17 1.38 1.52 否 3.89 4.0 10 11.56 2.71 2.80 2.95 3.03 3.12 3.32 否 15.97 4.0 20 11.91 2.83 2.93 3.08 3.19 3.33 3.55 否 17.66 4.0 30 12.39 2.98 3.12 3.26 3.44 3.57 3.73 否 18.69 4.0 40 12.77 3.12 3.24 3.39 3.52 3.64 3.97 否 19.73 6.5 10 19.02 6.11 6.23 6.34 6.57 6.87 6.98 否 35.31 6.5 20 19.47 6.33 6.48 6.58 6.85 7.04 7.15 否 36.87 6.5 30 19.85 6.55 6.68 6.75 6.95 7.15 7.26 否 38.04 6.5 40 20.24 6.75 6.85 6.97 7.15 7.29 7.41 否 38.95 7.2 * 10 19.75 6.66 6.78 6.92 7.27 7.44 7.51 否 39.51 7.2 * 20 20.2 6.88 7.03 7.16 7.55 7.61 7.68 否 41.07 7.2 * 30 20.58 7.10 7.23 7.33 7.65 7.72 7.79 否 42.24 7.2 * 40 20.97 7.30 7.40 7.55 7.85 7.86 7.94 否 43.15 表4. 新型盾尾密封装置推进试验数据 注 * ：表格中7.2 bar为在6.5 bar试验水压基础上取1.1倍安全系数所得数据。 5.4. 盾尾密封油脂用量标准优化 通过对上述试验数据进行分析，可以分别得出不同水压下的油脂用量。 5.4.1. 静态试验 对表1和表3的数据进行分析，可以推算出静态压力下地层水压与油脂注入量关系： 原密封装置 油脂注入量 = 2.0429 × 地层水压 − 0.1484。 新型密封装置 油脂注入量 = 2.0086 × 地层水压 − 1.3353。 地层水压与油脂注入量的关系如图5所示。 图5. 静态压力下地层水压与油脂注入量关系图 5.4.2. 动态试验 根据表2和表4的数据，可以推算出动态情况下推进速度与油脂注入量的关系，汇总表如表5所示。具体关系图如图6所示。 Table 5 The summary of the relationship between grease injection and propelling velocity under different water pressure 装置类型 不同水压下油脂注入量与推进速度关系 0.2 MPa 0.4 MPa 0.6 MPa 0.65 MPa 0.72 MPa 原密封装置 油脂注入量 = 0.1662 × 推进速度 − 2.3367 油脂注入量 = 0.1444 × 推进速度 + 20.044 油脂注入量 = 0.1631 × 推进速度 + 40.14 油脂注入量 = 0.1662 × 推进速度 + 45.541 油脂注入量 = 0.1762 × 推进速度 + 46.541 新型密封装置 油脂注入量 = 0.1168 × 推进速度 − 1.9473 油脂注入量 = 0.1233 × 推进速度 + 14.929 油脂注入量 = 0.1207 × 推进速度 + 30.053 油脂注入量 = 0.1207 × 推进速度 + 34.272 油脂注入量 = 0.1407 × 推进速度 + 34.772 表5. 不同水压下油脂注入量与推进速度关系汇总表 5.5. 试验结论 1) 在模拟管片脱离盾尾时，必须控制速度，同时及时补充油脂，减少渗漏水。 2) 原盾尾密封装置与新型盾尾密封装置都能满足0.72 MPa水压下的封水要求，即使有渗透水，水流也很小，并且通过补充油脂是可以控制的。 图6. 不同水压下油脂注入量与推进速度关系图 3) 新型盾尾密封装置在相同条件下比原密封装置封水所需油脂量更少，说明新型密封装置拥有更好的密封性能。 4) 在同样的外部条件下，新型盾尾密封装置油脂腔的油脂压力高于原盾尾密封装置，表明了新型盾尾密封装置对油脂拥有更好的保压性，可以更好地降低油脂的消耗量。