盾構法隧道的盾尾防水密封與盾尾密封油脂朱祖熹（上海隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200070）摘要 針對盾構法建造地下隧道日益普及、盾尾密封技術與盾尾油脂研究不斷深化的背景，介紹了盾尾油脂的密封原理與 密封特點，重點介紹了中、日、法等國 3 種典型盾尾密封油脂 的性能指標與密封功效，扼要探討了該類材料的組成、檢測項 目、指標與方法等技術關鍵，并提出了相關材料標準化已勢在 必行的觀點。關鍵詞 盾構；盾尾密封；盾尾密封油脂 文章編號 1007-497X（2009）070002-05 中圖分類號 U455.43；U454文獻標識碼 AWaterproofing and sealing of shield tail and sealing grease / Zhu ZuxiAbstract Based on the current situation, i.e. increasing popularity of ground channels constructed with shield method and deepening of re search on sealing technology and grease of shield tail, the article de scribes mechanism and features of sealing with shield tail grease, focusing on performance index and effectiveness of 3 types of greases typically used in China, Japan and France. It also has a discussion in brief on keyissues of the grease, including its composition, inspection items, performance index and test methods and points out that standardization for all relevant materials is as a matter of course.Key words shield; shield tail sealing; shield tail grease凝土隧道管片成環拼裝，在不斷的依次拼裝、掘進中推進隧道。在盾構推進過程中，由于拼裝管片是在盾 構機械的外殼盾殼的保護下進行的，無疑盾殼與 管片外壁間存有間隙，此間隙為盾殼內徑與管片外徑 之差。為此，在盾尾和管壁之間裝有盾尾密封裝置， 以防止土層中的泥土及為填補這種間隙而同步壓注 的注漿材料的滲入，以保證盾構的正常掘進。1.1盾尾密封裝置 早期盾尾密封采用過橡膠密封件，利用安裝于盾尾部分盾殼鋼板上特殊斷面的整圈橡膠密封件壓密 止水，對橡膠密封件的耐磨要求很高，尤其要求在滲 入泥砂下的抗磨損致密，但實際上效果欠佳。因而， 目前絕大多數的盾構都采用盾尾多道彈簧鋼片與鋼 絲刷充填密封油脂的盾尾密封裝置方式。盾尾密封油脂的潤滑和密封作用，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 與注漿材料回流，保障盾構的順利推進。盾尾密封油 脂對鋼絲刷及鋼結構有防銹、防蝕和減少磨損的功 效，對提高盾構施工質量和工作效率起到了較好的作 用。所以，盾尾密封油脂是盾構法施工隧道中盾構挖 進機鋼絲刷型盾尾的主要配套材料之一。圖 1 為盾 構挖進機與盾尾密封裝置示意圖，從 A 處可以看到 盾尾密封油脂不僅充滿于三道彈簧鋼片與鋼絲刷組 合之間的空腔中，也密布于彈簧鋼片與鋼絲刷間。1.2盾尾密封油脂密封原理 盾尾密封油脂首先是在盾構掘進開始前，于盾構工作井中手工或用簡單工具涂刷在鋼絲刷之間的。這時的油脂應該粘稠性大，與鋼絲粘附性強，為防止近年來，為了有效利用地下空間，大深度隧道工程日漸增多，深埋盾構隧道挖進也隨之增多，盾構挖 進機盾尾密封裝置的防水密封技術也越來越受重視。 而盾尾密封油脂是起到盾尾密封防水作用的主要材 料，因此有介紹與研討的必要。1盾尾密封技術概述 盾構法隧道的基本特點是盾構機械挖掘，預制混02CBW 20097A圖 1 盾構挖進機與盾尾密封裝置盾尾密封油脂 盾尾混凝土管片盾尾鋼絲刷圖 2 盾尾密封及其油脂使用示意綜述與論壇SEALER 迄今已有 2 000 處以上現場應用實績，如英吉利海峽海底隧道、丹麥大貝爾特鐵路隧道及東京灣 橫斷海底隧道等著名工程均使用了 TAIL SEALER， 產品的止水性、耐久性在日本國內外均獲得很高評 價。在我國，也已在上海上中路越江隧道、上海軍工 路越江隧道、南京西氣東輸隧道工程中得到成功應 用。TAIL SEALER 產品中的 #8000 系列針對盾構設 備鋼絲刷間的地下水、外環水泥漿侵入，具有非常高 的止水效果。2.1.1產品特點TAIL SEALER #8000 系列盾尾密封油脂具有如 下特點：耐高水壓止水性能好；泵壓送性良好；鋼絲刷 間充填容易；抗水泥漿侵入；對混凝土管片的凹凸處 具有順應性；不侵蝕混凝土管片接縫密封墊；不易附 著在混凝土管片表面上。2.1.2分類與性能TAIL SEALER #8000 系列產品的分類與性能指 標見表 1。在表 1 中：1） 手涂抹方式指在盾構工作井內對盾尾鋼絲刷 進行手工涂抺密封油脂，使其充滿鋼絲刷周圍，既防 地下水、泥漿及同步壓注漿材流入，又防鋼絲網銹蝕。2）上述手工涂抹也可用注入泵設備進行。由于是 在管片未拼裝前進行的，因此尤其要防下墜，要用高 粘度、高稠度、非下墜的油脂。3）盾構推進中需不斷補充添加油脂，保持鋼絲網 中充滿密封油脂以止水止泥漿。由專門壓注密封油 脂的泵定時定量（若密封系統受損、盾構機械與管片 環相互偏心則宜調整壓入量）壓注。4）盡管盾構推進中密封油脂不可能著火，但在盾 構工作井內對盾尾鋼絲刷進行涂抺時，有可能同一井 內焊接作業等火星會引起油脂燃燒（日本等曾有此類 事故發生），因此用難燃型的密封油脂更為安全。2.1.3使用方法1）鋼絲刷手涂抹法 鋼絲刷四周要全部用手均勻涂抹；后部保護板與工作井其它作業如電焊等的火災風險，油脂宜為阻燃型的。盾構出洞后，應在空隙中填滿油脂，這是通過專 用油脂泵壓入的。如圖 2 所示，油脂壓入管貼合在盾 尾鋼殼板上，各注出油脂口與各空腔對應，構成三道 密封。專用油脂泵壓入的油脂首先應要求觸變性好， 即壓注時流動性佳，停注后粘聚密封性好。隨著盾構 機械的掘進，油脂會因沾附在管片上等損耗而需要補 充壓入，以確保空腔的充滿、彈簧鋼片與鋼絲刷組合 的油潤。長距離頂進后（如超過 5 km），由于不斷磨 損與銹蝕，通常需要替換彈簧鋼片與鋼絲刷組合。但 若拼裝、掘進工藝得當，也因為盾尾密封裝置發揮作 用，包括盾尾油脂性能良好，也有省卻了這種更換的 實例，如上海崇明長江隧道的盾構掘進施工。2國內外主要的幾種盾尾密封油脂隨著盾構機械盾尾密封技術研究的不斷深入，盾 尾油脂技術也得到更多開發。下面主要說明盾尾密 封油脂材料與相關技術，并介紹國內外幾類典型的盾 尾密封油脂材料。2.1日本松井 TAIL SEALER 盾尾密封油脂 日本松井公司很早就著眼于耐高水壓且耐久性優良的盾構設備機用盾尾油脂的開發，其產品 TAIL0320097中國建筑防水綜述與論壇到最后部的 鋼絲刷間，直 至鋼絲刷四 周有 TAILSEALER 擠出來為止。5）推進時油脂注入量調整TAIL SEALER 應做到隨時充分供給，應注意不 可讓水泥漿侵入到鋼絲刷里。使用加續注入系統時 需注意油脂供給。2.1.4使用及保管上注意事項 此類產品在化學上安全性較高，但使用時仍需注意下列事項：作業時應帶護鏡、手套等保護用具以免 油脂沾到眼睛、皮膚上；如油脂不慎進入眼內，可用自 來水沖洗 15 min 后接受醫生診治；如附著在皮膚上， 可直接用肥皂洗凈；使用后應密閉容器以免水分或雜 物混入。2.1.5安全性依日本有關產品廢棄物檢定方法 （日本 1973 年“環境通告”13 號文）未檢出有害物質。2.2法國 CONDAT 公司 WR89 盾尾密封油脂WR89 是法國 CONDAT 制造的、專門用于隧道 挖掘機盾尾密封的油脂品牌，也是較早進入我國盾構 隧道密封油脂市場的材料。2.2.1WR89 的特點WR89 經專門研制，可確保隧道挖掘機對淡水和 海水的水密性。該產品具有以下良好特性：1）防水、抗水沖洗、抗蠕動。2）可生物降解，經測試，對水、環境沒有毒害；經 老鼠口服過敏性試驗，結果為“無刺激”。3）產品可在較大溫度范圍使用，具有良好的可泵 送性。4）產品具有優良的儲存穩定性，無國內盾尾密封 油脂產品易結塊、變硬等問題。2.2.2性能指標WR89 的具體性能指標見表 2。2.2.3應用WR89 產品已在歐洲諸多盾構隧道中應用。在國 內，WR89 已在上海、廣州、南京等多項地鐵隧道與水 工盾構掘進工程中得到應用，顯示了該產品密封性能 較優良、施工安全方便、環保無污染的特點。尤其是表 1#8000 系列產品分類與性能燃 燒 距 離刷子間、刷子與金屬網篩間、刷子與前部保護板間的涂抹都要壓到根部底。2）鋼絲刷用泵注入涂抹方法（針對 #8000NH 及#8000NF 類油脂） 軟管吐出口裝上涂抹專用管嘴后，在上述“鋼絲刷手涂抹法”中介紹的相同部位使用螺旋式泵或空 氣驅動式泵涂抹。3）鋼絲刷間以手涂抹方法 在拼裝負環管片前先在鋼絲刷間手工涂抹 TAILSEALER。如涂抹在頂上部時，為防墜落，應多次逐步 加厚、充滿。4）泵注入法 盾構設備出洞進入隧道，正環管片拼片后，確認注入口與鋼絲刷間的位置然后用泵注入 #8000NP。此 時應注意會有空氣滯留而引起充填量不足。注入時 由切削邊的鋼絲刷間注入，確認充填滿后再依次注入04CBW 20097項 目品 號#8000N#8000NH#8000NP#8000NF特長、用途對鋼絲刷用 手涂抹方式對 鋼 絲 刷 用 泵 注 入 涂 抹 及 鋼 絲 刷 間 空 隙 用 泵 注 入，高粘著型鋼絲刷間空 隙用泵注入鋼絲刷用泵 注入涂抹及 鋼絲刷間空 隙 用 泵 注 入，難燃型外觀白色膠狀白色膠狀白色膠狀白色膠狀密度 （/ g/m3）1.261.241.281.28稠度 /（1/10 mm）260270290280揮發分 /%0.80.61.30.3保 油 性（JIS K5751）滲透張數：5 張；滲透幅 寬：14 mm滲 透 張 數 ：4 張 ； 滲 透 幅 寬：10 mm滲透張數：5 張；滲透幅 寬：22 mm滲透張數：3 張；滲透幅 寬：7 mm耐水壓性（水 壓 3.4 MPa）不漏水不漏水不漏水不漏水金屬腐蝕性不變色、不 腐蝕不變色、不 腐蝕不變色、不 腐蝕不變色、不 腐蝕難 燃 性（JIS K6911）燃 燒 時 間90 s 以 內 ；25 mm 以下綜述與論壇表 3 “上隧牌”盾尾密封油脂主要技術指標表 2WR89 產品特性注：1）執行企業標準：Q/PSAE152005盾尾密封油脂；2）盾尾密封油脂經上海市產品毒性質量監督檢驗站檢測，檢測結 果屬無毒產品。到實際使用中有工作井中手工涂抹作業和推進過程中用油脂壓注泵壓注兩類使用方法，對性能要求有所 區別，上海隧道防水材料廠又開發了不同型號的產 品，見表 4。表 4 “上隧牌”盾尾密封油脂產品型號及特性注：1）NFT 標準系法國標準，NFT 60132 相當于 ISO 2137 。WR89 在超長、深埋的上海崇明長江越江盾構隧道中的成功應用，受到業界關注。2.3 “上隧牌”盾尾密封油脂 上海隧道防水材料廠的“上隧牌”盾尾密封油脂是該廠自行開發、國內最早規范生產的產品。該產品 被列入國家 863 計劃，并被評為“2005 年上海市重點 新產品”、“2006 年國家重點新產品”。2.3.1 產品特點“上隧牌”盾尾密封油脂是以油脂為主劑，加入纖 維及其他溶劑、填充劑等添加材料而制得的帶纖維的 膏狀物，具有以下特點：在干燥、潮濕及水下等環境 中，與鋼板、混凝土表面均具備良好的粘附性；耐水壓 高，密封性良好，有效防止泥漿滲入；可泵性好，用泵 注入不堵塞泵，可有效充填鋼絲刷空隙；對鋼絲刷和 混凝土管片無腐蝕；無毒、無氣味，對環境無污染；產 品穩定性好，無結硬、析油等現象。23.2 性能指標“上隧牌”盾尾密封油脂的基本性能見表 3。考慮另外，巴斯夫（BASF）集團屬下的巴斯夫建筑化工材料公司的專門工廠，在生產盾構掘進機所用若干 機械用油的同時，也生產盾尾密封油脂MEYCO TSG 盾尾密封劑，也是國際上知名的盾尾密封材料。3 關于密封油脂材質與性能的幾點評析3.1 應注重密封油脂的耐水壓性 （又稱水密性）、耐 水沖性、可泵性、與金屬附著力、保油性等與機械特性 有關的性能的研究，這些性能是滿足施工應用的主要 指標。其次，應摸索密封油脂物化性能的試驗方法，如 耐水壓性指標，雖各國試驗原理與方法基本相似，但 試驗試具并不統一。我國的試驗大多如圖 3 所示，日 本的試驗多為如圖 4 所示。3.2在強調環保的今天，應保證油脂的生物降解特 點，使沾染在管片外背少量的油脂對環境無毒。同時，0520097中國建筑防水項 目型 號G 型L 型（越江型）S 型使用方法泵注入泵注入手工涂抹水密性 /MPa0.30.60.6密度 （/ g/cm3）1.250.051.250.051.200.05金屬腐蝕性不變色、不腐蝕不變色、不腐蝕不變色、不腐蝕項 目指 標氣味無顏色天然羊毛色外觀有纖維狀稠度 （/ 1/10 mm）（按法國標準 NFT60132 標準 1）255265密度 （/ g/m3）1.30.05燃點 /205經硫酸處理后的灰分 /%50不溶性 /%50蠕動性/mm （按 JIS A5758 標準在 25 時測試）30可泵送性（/ g/min）（按 NFT 60139 標準，在壓力為1 MPa、溫度為 25 時測試）4045抗海水沖失/% （按 ASTM D4049 方法用 38 人工 合成海水測試）7保油性（按 JIS A5751 標準測試），滲透寬度/mm12揮發性/% （按 ASTM D972 標準測試）3水密性（按 maltsumara 方法測試）合格項 目指標要求（G 型、L 型）外觀黃色或米黃色帶纖維的均勻 膏狀物稠度（ 232） （/ 1/10 mm）240揮發性（ 802），5 h /%2.5下垂值（ 502），5 h /mm0水沖損失量（0.02 MPa，沖 20 min）/%無可泵性（中號牛油槍)可打出油脂圖 3 上海隧道公司的盾尾油脂水密性試驗外加壓力水礫石001=盾尾油脂H鋼管5020 目金屬網片一層圖 4 日本松井公司的盾尾油脂耐水壓試驗綜述與論壇然，其耐水壓試驗達 3.4 MPa，筆者認為未免太高，意義不大（國外試驗中模擬鋼絲束而設的細目金屬網片 與國內不同，國內用 3 層而目數較大，似更實際）。此 外，對檢測水沖損失量的意義的認識，及檢測時油脂 涂刷用的底材，國內外也有差別，這些都是值得推敲 的。3.5如前述，長達 7.7 km 的上海崇明長江隧道盾構 掘進施工過程中，由于不斷磨損與銹蝕，尤其是盾構 同步壓注水泥漿的固結，若油脂與彈簧鋼片與鋼絲刷 組合間未充實飽和，鋼絲與鋼片的損傷會很嚴重，必 須在水下土層冰凍條件下拆下更換。這樣既有風險， 也對進度有影響。由于盾尾密封油脂性能良好等要 素的存在，最后省卻了這種預備的更換，足見其“保油 性”、“防蝕性”指標的重要性。另外，粘稠的油脂要能方便注入，可泵性很重要。 而反映可泵送性的重要指標，按 NFT 60139 標準，即 密封油脂在特定的壓力溫度（1 MPa、25 ）下通過一 定管徑的毛細管時的流量，以“g/min”表示，比較嚴 謹；而用中號牛油槍的“可打出”、可泵壓性“好”的表 述都未定量，顯然不足。可見統一檢測方法很必要。3.6目前，在軟土地層的各城市地鐵區間隧道施工 中，盾構法施工已成為主要施工法，而盾尾密封油脂 則是盾構盾尾密封所必需的，其數量也較可觀（通常 每環地鐵管片用量約 2025 kg，目前單就上海而言， 近 2 年就有逾 100