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，王助鋒

（盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室    中鐵隧道集團有限公司）

引言

盾構(gòu)是一種集開挖、支護、推進、襯砌等多種作業(yè)一體化的大型暗挖隧道施工機械,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，具有潤滑和密封的雙重作用，可以有效地保護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。

同時，盾尾密封油脂對鋼絲刷及鋼結(jié)構(gòu)有防銹、防蝕和減少磨損的功效，對提高盾構(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，有進口和國產(chǎn)兩種，且價格差別較大。由于施工過程中盾尾密封油脂使用量很大，從經(jīng)濟效益方面來講，盾尾密封油脂在施工過程中使用量的合理化控制顯得尤為重要，即達到盾尾密封、潤滑的作用，又節(jié)約盾尾密封油脂的使用量。

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

1.盾構(gòu)盾尾密封油脂系統(tǒng)控制原理

以某一常用型號盾構(gòu)中的前中后3道盾尾密封油脂為例，每一道由1個氣動泵供給油脂，每道油脂有19個注入點，一環(huán)推進開始后每道油脂都從注入點1到19依次循環(huán)注入油脂，直到推進結(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)掘進開始前，在工作豎井中用手工或簡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，盾尾密封油脂必須是阻燃型的。盾構(gòu)出洞后，通過專用油脂泵在盾尾密封空隙中泵滿油脂，達到隧道洞口密封的效果。

盾構(gòu)掘進過程中，推進速度過快，在單位時間內(nèi)注入盾尾的油脂不能滿足其使用量，若不及時調(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密封盾尾，勢必造成盾尾密封效果減弱，形成盾尾漏漿；推進速度過慢，盾尾密封油脂系統(tǒng)按壓力注脂勢必造成一定油脂浪費。根據(jù)推進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，同時降低施工成本及工程風(fēng)險。

2.控制方式

盾尾密封油脂注入有按壓力、按量兩種控制方式。

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，若某個或幾個油脂管出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，則調(diào)大設(shè)定壓力。若某個或幾個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)掘進前必須注脂10min。長時間停機，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、手動兩種模式，盾尾注脂方式有按量按壓力注脂，通過對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)計出盾尾密封油脂系統(tǒng)控制軟件，其在手動控制模式下，按量按壓力控制流程如圖2所示，在自動控制模式下，按量按壓力控制流程如圖3所示。

4.實驗分析

4.1實驗?zāi)康?/p>

通過該實驗解決大直徑盾構(gòu)盾尾密封油脂消耗成本與工程風(fēng)險矛盾問題。

4.2實驗原理

按量控制是在注脂泵單次注脂量設(shè)定情況下，通過對每一管路設(shè)定注脂時間，達到該管路注脂時間設(shè)定值，啟動下一管路進行注脂，延時間隔時間（自動控制模式下延時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，進行盾尾密封油脂注入總壓力檢測，確認其大于100bar，且兩套盾尾注脂系統(tǒng)之間的旁路閥關(guān)閉，進入循環(huán)控制。

按壓力控制是在注脂泵單次注脂量設(shè)定情況下，通過對每一管路設(shè)定注脂壓力，達到該管路注脂壓力設(shè)定值，啟動下?管路進行注脂，延時間隔時間（自動控制模式下延時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，進行盾尾密封油脂注入總壓力檢測，確認其大于100bar，且兩套盾尾注脂系統(tǒng)之間的旁路閥關(guān)閉，進入循環(huán)控制。

4.3實驗步驟

1）設(shè)定盾尾注脂工作模式為手動控制。

2）設(shè)定每一管路注脂時間，間隔時間。

3）啟動注脂系統(tǒng)。

4）觀察實驗過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，按照上述步驟進行實驗。

7）設(shè)定盾尾注脂工作模式為自動控制。

8）設(shè)定每一管路注脂時間，按照上述步驟進行相關(guān)實驗。

在實驗過程中記錄推進系統(tǒng)推進速度變化過程中每一管路指示燈的變化情況，如圖4所示。

4.4實驗結(jié)果

通過上述在實驗臺上的模擬試驗，在盾尾注脂工作模式是自動控制情況下，通過試驗過程中每一管路指示燈的變化率及推進速度，可以近似得到盾尾刷與管片的摩擦消耗的油脂量與推進速度成正比。

在盾構(gòu)推進過程中，盾構(gòu)操作人員根據(jù)掘進速度對盾尾密封系統(tǒng)適當?shù)牟僮饕矔?yōu)化油脂使用量、降低施工成本、規(guī)避施工風(fēng)險。從控制理論分析及試驗結(jié)果來看在盾構(gòu)掘進的時候盡量選擇盾尾密封系統(tǒng)的自動控制模式，把自動檔頻率調(diào)節(jié)到較低，進行按量注脂，停止掘進時及時停止油脂使用，如果長時間停止掘進時根據(jù)實際需要進行定期按壓力注脂，可以規(guī)避盾尾漏漿的風(fēng)險。在盾構(gòu)施工過程中降低盾尾密封油脂消耗與施工風(fēng)險應(yīng)做到如下兩點。

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

2）在推進過程中盡量使用盾尾注脂自動控制模式，選擇按量注脂控制模式，停止推進時操作人員應(yīng)該及時停止油脂使用，根據(jù)實際需要間隔一段時間進行按壓力注脂。

5.結(jié)論與建議

在盾構(gòu)推進過程中，盾構(gòu)操作人員根據(jù)掘進速度對盾尾密封系統(tǒng)適當?shù)牟僮饕矔?yōu)化油脂使用量、降低施工成本、規(guī)避施工風(fēng)險。從控制理論分析及試驗結(jié)果來看在盾構(gòu)掘進的時候盡量選擇盾尾密封系統(tǒng)的自動控制模式，把自動檔頻率調(diào)節(jié)到較低，進行按量注脂，停止掘進時及時停止油脂使用，如果長時間停止掘進時根據(jù)實際需要進行定期按壓力注脂，可以規(guī)避盾尾漏漿的風(fēng)險。由于本次試驗是基于自動化實驗平臺進行的控制理論及方法模擬試驗，望在后續(xù)的工作中能夠進行施工現(xiàn)場控制方法試驗。

（來源：中天重工）