随着国内盾构施工技术的不断发展、成熟，长距离、大直径、大埋深、高水压及复杂断面的隧道施工越来越多。盾构机在地下施工时，为了保证盾构机壳体内部有安全干净的施工环境，其密封系统至关重要。盾构机主要有三大密封系统，分别是盾尾密封系统、主轴承密封系统和铰接密封系统。其中，盾尾密封系统最易失效，也是最关键的密封系统，尤其是高水压(0.4～0.65MPa)的大直径盾构施工中，盾尾密封系统至关重要。因为高水压下盾尾密封系统一旦失效，将可能带来无法预计的灾难性后果，因此必须保证构成盾尾密封系统的结构及其材料安全可靠。
盾尾密封油脂是盾构施工中盾尾密封防水的主要材料，用于防止盾壳外部水和砂浆等流体进入盾构机内部，主要分为手涂型和泵送型两种。泵送型盾尾密封油脂是盾构掘进过程中通过注脂泵连续注入消耗型油脂，使用量大。手涂型盾尾密封油脂是一种耐磨、阻燃保护型油脂。盾构始发时，在工作井内由人工手涂方式涂抹盾尾密封刷，使其充满钢丝刷内部空间，使用量很小。在盾构掘进过程中，管片是静止的，盾壳相对于管片是连续向前移动的，所以盾壳和管片外壁之间必然存在间隙，盾尾密封系统就是为了防止盾壳外部水和泥沙等流体进入盾构机内部而设置的。目前，绝大多数的盾构机都采用在多道钢丝刷之间填充密封油脂的盾尾密封方式，盾构掘进时，通过注脂系统向盾尾钢丝刷之间注入油脂，借助油脂的挤压力填充密封钢丝刷内部及钢丝刷间的空隙，从而使盾尾密封油脂与盾尾钢丝刷相互结合，形成一道牢固的密封层，防止泥水和土砂渗入。
据不完全统计，截至2018年底，已经有58个城市获批城市轨道交通项目，规划总里程达到7300km，总投资达3.5万亿元。按照地下隧道占70%，直径为6.28m的盾构机平均掘进（双线）1km消耗80t国产泵送型盾尾密封油脂计算，将消耗约41万t，目前国产产品价格在11元/kg左右，国产盾尾密封油脂市场容量将超过45亿元。另外，据不完全统计，未来规划约500km的越江过河大直径隧道。按直径为14m大直径盾构机平均掘进（双线）1km消耗240t进口泵送型盾尾密封油脂计算，将消耗12万t，目前进口产品价格在18元/kg以上，其市场容量将近21.6亿元。然而，由于越江隧道所需盾构机直径大，水压力高、地层渗透系数高、地质条件异常复杂等难题，导致施工风险，尤其是盾尾密封失效风险呈指数级别增长，所以目前所用盾尾密封油脂全部为进口产品。随着粤港澳大湾区的全面建设，仅大湾区就规划了100条城市轨道交通，总投资将达数万亿元。
因此，提高国产盾尾油脂的质量，加快产品与技术的更新换代，加快耐高水压盾构用高性能盾尾密封油脂的研制，对于打破进口产品在高水压盾构施工中的垄断、确保地质条件多变条件下盾构施工安全，具有十分重要的战略意义。
国内外盾尾油脂领域研究发展现状
日本20世纪80年代，开始研发耐高水压盾构用盾尾密封油脂，并于1983年商品化。1987年，日本松村石油公司的产品成功应用于英吉利海峡隧道工程（最大水压达1MPa）；1994年，东京湾海底道路隧道工程（最大水压0.6MPa）也使用了日本松村石油公司的耐高水压盾构用盾尾密封油脂。另外，在中国广深港（广州－深圳－香港）狮子洋隧道（最大水压0.67MPa）、南京长江隧道工程（最大水压0.65MPa）、上海上中路越江隧道工程（最大水压0.4MPa）等高水压大直径盾构施工项目中，均采用了法国CONDAT盾尾密封油脂。目前进口产品因具有抗高水压密封性和优良的泵送性，同时泵送性能受环境温度影响小，综合性能优良，受到施工单位的一致认可，然而价格昂贵，供货周期长。
21世纪初，随着国内城市轨道交通的蓬勃发展，以及在国家对装备制造业的大力扶持下，盾构机整机通过引进、消化、吸收和再创新，实现了创新后的国产化。但是，由于盾构施工行业发展过于快速，以盾尾密封油脂为代表的施工配套材料需求量在短时间内剧增，该材料主要由国内中小企业生产，为了满足市场的大量需求，中小企业在引进国外技术之后，没有系统消化吸收再创新，就大量生产并推向市场。截至2012年底，虽然国内生产盾尾密封油脂的公司近20家，国内企业对盾尾密封油脂没有进行深入系统研究。欧洲和日本生产的盾尾密封脂基本上反映了当时盾尾密封脂的国际先进水平。2012年以前对涉及盾构密封油脂的专利申请情况在中国国家知识产权局（CNIPA）、欧洲专利局（EPO）和日本特许厅（JPO）进行了统计。
我国在盾尾密封油脂领域专利申请起步较晚，申请量也相对较少。2012年之前，在我国仅有8项专利申请。起步晚、研发力量偏少导致国产品牌产品与国外品牌相比，在质量水平总体上还存在一定差距，一些施工条件苛刻、地质条件复杂、高水压区域的施工场合，尤其是施工风险高、盾尾密封失效风险大的场合，如过江隧道所需盾构直径大、地层渗透系数高，多选用国外品牌盾尾密封脂产品。直到2012年以后，国内相关企业才加强了盾尾密封油脂的研发。我国在该领域的专利申请量基本呈递增趋势。2017年，盾尾密封油脂的专利申请数量达到了15项。
国产产品的研发滞后的原因也在于国内外尚无盾尾密封油脂的行业技术标准，导致国内市场上各种不同品牌产品的性能不统一，尤其是针对盾尾密封油脂关键性能指标——泵送性和抗水压密封性尚无统一的检测方法、表征仪器和评价标准；国产产品配方和工艺的优化投入不足，导致国产产品泵送性和抗高水压密封性这对性能矛盾体平衡性欠佳，泵送性受环境温度影响大，综合性能低于进口产品。另外，盾构掘进施工结束之后，盾尾密封油脂会黏附在管片外表面和管片的连接缝中，到目前为止，国内没有相关的单位或者课题系统研究残留的盾尾密封油脂是否对管片间的三元乙丙橡胶密封止水条的老化性能有影响，从而是否影响隧道的寿命和功能；也没有相关资料显示，盾尾密封油脂的长期残留是否对地下水、管片及壁后所注浆液产生影响。
盾尾密封油脂技术研发
(1)研发过程
2012年，中铁第五勘察设计院集团有限公司组建了“环保型盾构用盾尾密封油脂的研发”课题团队。截至2018年底，课题组先后主持了中铁五院科技计划项目、中铁建科技计划项目、大兴区科技计划项目和北京市科委重大办项目“耐高水压盾构用盾尾密封油脂研制”等7项科研课题。
(2)研究目标
1)研制出耐高水压盾构用盾尾密封油脂。实现其抗高水压密封性和泵送性这一对性能矛盾体的平衡，且泵送性能受环境温度影响小，其综合性能满足高水压下盾构掘进的使用要求。
2)研制自动化程度较高的生产线，提高生产效率，提高质量稳定性。
3)研制专用于测试盾尾密封油脂泵送性和抗水压密封性的测试仪器。
4)建立企业标准。
(3)研究方法
1)正交试验法
任何生产部门，任何科学实验工作，为达到预期目的和效果都必须恰当地安排实验工作，力求通过次数不多的试验，认识所研究课题的基本规律并取得满意的结果。正交试验设计就是用于安排多因素试验并考察各因素影响大小的一种科学设计方法。
2)正交表的设计
在盾尾密封油脂的研发试验中，常用到三因素、四水平的L9（34）正交表。其中，L代表正交表，9代表正交表行数，3代表水平数，4代表因素数。
对于三因素、四水平的试验，其全面试验次数为34次，即64次试验。然而用正交设计法只需做9个试验即可。
3)正交表的数据处理
试验结果分析方法有两种，一是直观分析法，二是方差分析法。直观分析法是一种常用的结果分析法，它简便直观，计算工作量小，但不能给出试验误差的估计，无法得知分析结果的精度。
例如，以三水平、四因素两指标L9（34）为例，两个指标分别是指抗水压密封性和泵送性，正交表的数据分析。
数据处理方法如下。
极差R为k1、k2、k3中的最大值与最小值的差值。该值越大，说明该因素对抗水压密封性指标的影响越大。根据每个因素的极差大小，就可以排出因素的主次顺序，进而得到最佳水平的组合。
(4)仪器研制、测试方法和评价标准
1)泵送性测试仪
盾尾密封油脂是其泵送性，目前没有统一的标准测试仪器。国外一些盾尾密封油脂的生产厂家借用润滑脂表观黏度的测试仪器对其泵送性进行表征。按照ASTMD1092标准，盾尾密封油脂在25℃和空气压力1MPa的条件下，通过一定孔径毛细管时的流量（g/min），可以定量表征油脂流动性的大小。
润滑脂表观黏度测试仪器
参照ASTMD1092，结合国内毛细管流变仪的设计和使用原理，铁五院课题组提出了一种新型的用于精确定量测试盾尾密封油脂泵送性的毛细管流变仪——泵送性测试仪，其原理借鉴了ASTMD1092中润滑脂表观黏度测试仪器和测试高分子流变性能的毛细管流变仪。该设备专用于定量测试盾构用盾尾密封油脂的泵送性，目前可以用于定量测试盾构用盾尾密封油脂在恒温（0～50℃）、恒压（0.5～5MPa）下的泵送性，其详细结构图参照实用新型专利，专利名称为“一种专用毛细管流变仪”。该设备的成功研制，填补了国内无盾尾密封油脂泵送性定量测试仪器的空白，为不同油脂厂家进一步的研发性价比高的盾尾密封油脂提供了重要的泵送性测试仪器。该设备的研制也是铁五院课题组研发成果的一大亮点。
查阅文献资料可知，某进口产品使用ASTMD1092中润滑脂表观黏度测试仪器，所测得的盾尾密封油脂的泵送性值为40～50g/min。通过研究ASTMD1092发现，流出盾尾密封油脂的质量与毛细管的长径比有很大关系。因此在设计该设备时，课题组参考该标准，设定毛细管（材料为1Cr18Ni9Ti）的内径为0.38cm，毛细管内孔粗糙度为1.6，长径比分别为20∶1、25∶1、30∶1和40∶1。选用文献资料中泵送性值为40～50g/min的某进口产品作为选择毛细管长径比的试验样品，其中泵送性测试值随毛细管长径比的变化见表3-3-4。当毛细管长径比为40∶1时，该进口产品的泵送性测试值为23.8g/min，随着长径比的减小，其泵送性测试值不断增大。其原因为毛细管长径比越大，物料在毛细管中运动的距离越大，摩擦力越大，从而每分钟的流出量越小。因此，长径比为25∶1时，其所测数值为42.1g/min，恰好能与文献资料报道中40～50g/min的范围吻合。综上所述，选择长径比为25∶1，内径为0.38cm，内孔粗糙度为1.6的毛细管（材料为1Cr18Ni9Ti）作为该研制泵送性测试仪的参数，该泵送性测试仪专用于定量测试盾尾密封油脂产品的泵送性。
盾尾密封油脂泵送性测试专用仪器
样品存放条件：在对盾尾油脂进行性能测试之前，将油脂在标准试验条件下放置48h，其中标准试验条件为温度（25±2）℃，相对湿度（50±5）%。
测试步骤：
第一步：使用带有推拉活塞的盾尾密封油脂手动加料器从油脂桶中取出一定质量的盾尾密封油脂待用；启动泵送性测试仪，通过控制机械传动单元将压料杆从料筒中提出，然后将手动加料器的下端对准料筒的上端，手动推加料器的活塞，将盾尾密封油脂推入料筒中。
第二步：开启控温装置，设定温度为（25±0.1）℃，启动手动加载，将压料杆放下至料筒中物料的上表面，排除料筒内的气体，直到有连续的物料通过毛细管挤出为止。然后设定压料杆的压力为1MPa，物料在（25±0.1）℃下保持120min，启动自动加载，开始试验，当压力从0MPa开始逐渐加压，当加压到（1±0.01）MPa时，该设备自动开始计时，此后压力一直保持（1±0.01）MPa，直到试验结束。试验过程中，每隔1min取一次流经毛细管的盾尾密封油脂，称重，记录数值。每次试验至少取3次，并取平均值，即可得到在该测试条件下的盾尾密封油脂泵送性测试值。
2)水冲测试仪
盾尾密封油脂在施工使用中，砂浆或地下水将一部分盾尾密封油脂冲到地下水中。为了研究盾尾密封油脂被其冲走的量的大小以及对地下水是否有影响，铁五院课题组研究设计了一种水冲测试仪，专门用于恒温恒压下定量测试盾构用盾尾密封油脂的抗水冲量。
盾尾密封油脂泵送性测试专用仪器
测试方法：
第一步：称量一个干净的测试钢板，精度0.1g，并记录为W1，然后，使用金属夹具，用刮刀涂抹约为（0.8±0.005）mm厚的润滑油脂。清除清洁面板的凸起部分以外的任何油脂。再次称重，并记录为W2。
第二步：在水浴缸里添加足够量的自来水，盖过加热器。调节水温至（38±0.5）℃。当水温达到
（38±0.5）℃并保持2～3min，达到平衡后，喷射测试钢板。使用旁通阀，将泵压调整至（276±7）kPa。
该旁通阀位于压力表之前，而不是在压力表和喷嘴之间，关闭电机。
第三步：确保面板水平插入喷雾喷嘴下方。启动马达，在测试钢板上喷水5min±15s。
第四步：关掉马达，停止喷雾，卸下面板，去掉钢板凸起部分的两侧和底部多余的油脂。将钢板及钢
板上的油脂水平放置在烤箱，在（66±1）℃加热1h±5min，取出称重，并记录为W3。
计算喷雾方法如下：
式中：
W1——无尘钢板的初始质量；
W2——喷涂前，钢板和润滑脂的质量；
W3——喷涂后，钢板和润滑脂的质量。
另外，取少量喷淋箱中水和油脂的混合液，将其放置24h后做细胞毒性试验，验证油脂是否对水有影响。
3)水压密封测试仪
目前，国际上对于盾尾密封油脂的性能指标还没有形成统一的标准，只有部分企业和组织对该产品的主要性能进行了评定。例如EFNARC在编制的《TBM盾构机在软基和硬岩中掘进时专用产品的使用说明和准则》中，详细阐述了盾尾密封油脂抗水压密封性的测试仪器、条件、方法以及评价标准等。另外，美国的相关专利和日本松井公司也介绍了盾尾密封油脂重要指标的测试方法。但是各方对盾尾密封油脂同一性能指标的测试和评定并不一致，这也导致国内市场上盾尾密封油脂质量良莠不齐。
①欧洲标准
2005年4月，EFNARC编制了《TBM盾构机在软基和硬岩中掘进时专用产品的使用说明和准则》。该准则详细阐述了盾尾密封油脂抗水压密封性的测试装置、条件、方法和评价标准等。其中，测试装置是一个直径为50mm的金属或有机玻璃圆柱筒，其顶部设有一个进风口，底部贴有一层孔径为1mm或0.5mm的金属网（该金属网用于模拟盾尾刷的钢丝束）。
EFNARC中抗水压密封装置示意图
测试方法：在金属网（选择合适的金属网孔径）上面铺一层25mm厚的盾尾密封油脂，油脂上方充满水，然后在水面加8bar的空气压力，以测定水开始从底部流出的时间。EFNARC中抗水压密封性的评价见表3-3-5。当选择1.0mm孔径的金属网时，如果油脂在8bar的空气压力下保压5min以上不漏水，则说明油脂的抗水压密封性很好；而当选择0.5mm孔径的金属网时，油脂在8bar的空气压力下保压5min以上不漏水，则说明油脂的抗水压密封性较好；但当选择0.5mm孔径的金属网时，油脂在8bar的空气压力下保压5min以内漏水，则说明油脂的抗水压密封性一般。
②美国专利
JacopoFranchini、Arese等对盾尾密封油脂的抗水压密封性进行了深入研究，并提出相关的测试装置、条件、方法及产品评价。其测试装置和方法与EFNARC的一致，如图3-3-36所示，测试条件和评价方法为：在8bar的空气压力保压30min后，测量圆柱体底部流出水的体积，如果流出体积超过10mL，则该油脂的抗水压密封性很差；如果体积在3～10mL之间，则其抗水压密封性较好；当体积在3mL以下时，其抗水压密封性很好。
③日本专利
日本松井公司研发的盾尾密封油脂抗水压测试装置与美国和欧洲的类似。只是外加压力达到35bar（有的文献为34bar），且金属网的孔径为20目（0.84mm）。
④自制抗水压密封测试设备
在国内隧道建设的实际使用中，普通埋深（10～30m）下，所设置的同步注浆压力为2～5bar；在某些过江过河的深度埋深（30～50m）下，所设置的同步注浆压力为6～8bar。然而，铁五院课题组通过对日本松村石油公司生产的盾尾密封油脂以及法国CONDAT公司生产的盾尾密封油脂进行了充分的配方分析和研究发现，实际使用时盾尾密封油脂能耐0.7MPa的高水压，在实验室测试时，需要有至少5以上的安全系数，也就是实验室测试水压要在3.5MPa以上。也就是说，实验室测试水压如果达不到3.5MPa，当盾尾密封油脂遇到现场0.7MPa的实际水压下，很可能出现漏浆漏水现象。基于此，借鉴了欧洲专利中的抗水压密封测试装置的原理、美国专利中对盾尾密封油脂的漏水评价和日本提出的实验室3.5MPa下不漏水的压力条件，设计并自制了抗水压密封测试装置。课题组提出了盾尾密封油脂抗水压密封性的测试条件及其评价。
自制抗水压密封测试装置
4)锥入度测试
测试过程：按照现行《润滑脂和石油脂锥入度测定法》进行测试。
测试方法：一般情况下，锥头在5s内下落压入样品的深度，该深度越大，则说明样品稠度越低，单位mm。结合实验室数据与现场使用情况，泵送型盾尾密封油脂的锥入度一般在200～240、手涂型盾尾密封油脂的锥入度一般在200～220。稠度的精度为0.1mm。
5)自动化生产线
鉴于目前国产盾尾密封油脂生产线主要以人工操作为主、生产环境脏乱差等问题，本课题采用现代信息技术，对盾尾密封油脂生产过程中的各类现场测量、控制仪表进行工控机实时在线管理，提高了生产过程的自动化水平和产品的质量水平。以计算机实时采集信号和集中控制代替以往人工加料及温度控制，极大减少了人为误差，减轻劳动强度，保证生产线安全、有效运行。根据盾尾密封油脂的生产工艺流程，结合PLC控制技术，以组态王作为监控软件，实现了盾尾密封油脂更高程度的自动化生产，保证了部分原材料自动上料、全自动自动出料，并对生产数据实时监控，生成数据报表，以供日后查询，极大降低了生产维护和管理成本，提高了生产效率。整条自动化生产线生产能力6000t/年。
6)研制产品与国内外产品的性能对比
自2012年以来，国内盾尾密封油脂厂家均加大了产品的研发投入，各家产品的性价比有了大幅度提高。铁五院相关技术人员调研了市场上常用的几家盾尾密封油脂品牌，如法国康达特、合东双、埃尔科、铁五院安达等，其样品分别在中铁第五勘察设计院集团有限公司和华南建设集团有限公司实验室进行了主要性能指标测试，如泵送性、抗水冲性、抗水压密封性和稠度等测试。
法国CONDAT产品锥入度210～220，泵送性36.4g/min。按照以前的经验，这样的流动性才能充满整个盾尾的油脂腔。然而在广州地铁18号线、22号线的盾构施工中，却给出了不一样的结果。广州地铁18号线和22号线，均采用直径为8.8m的盾构机，管片宽度1.6m，所配备的油脂泵泵头压力一般在10～15MPa。盾构施工初期，中铁十五局盾构段，采用法国CONDAT产品，但是消耗量很大，平均一桶油脂打1环左右，并且出现了漏浆漏水现象。后来换用铁箭牌盾尾密封油脂，其配方与铁五院安达完全相同，使用中，平均一桶油脂打2.5环左右，并且不漏浆不漏水。因此，在后续的施工中，完全使用铁箭牌盾尾密封油脂。通过该案例表明，盾尾密封油脂的泵送性与配套的油脂泵泵头压力有极大的关系。如果泵头压力较小，例如7～10MPa，那么盾尾密封油脂的泵送性要大，比如CONDAT产品的泵送性36.4g/min，与泵头压力较小的泵匹配性高；相反，如果泵头压力较大，例如10～15MPa，那么盾尾密封油脂的泵送性要小，例如铁五院安达产品的泵送性为15～20g/min，与泵头压力较大的匹配性高。所以盾构施工中，选择与盾尾密封油脂泵相匹配的产品，最为重要。同时，也说明并非法国CONDAT的产品性能就是最优化性能，而是与盾构施工地层、环境温度、油脂泵泵头压力等相匹配的盾尾密封油脂，才是保证盾构施工不漏水、不漏浆、消耗少、安全稳定的首选。
国产盾尾油脂现场应用与实践
近几年来，研发产品广泛应用于北京地铁6号线2期、广州地铁18号线和22号线、成都地铁6号和10号线、莞穗深城际9标、郑州地铁、长春地铁1号和2号线等20多个城市的多条城市轨道、高铁隧道和电力隧道盾构施工中，产品整体使用良好。
(1)成都地铁。2017年6月至2019年6月，铁五院安达盾尾密封油脂在成都地铁6号线和10号线2期进行使用，2018年8月的掘进高峰期有近30台盾构机共同施工，盾构机均为土压平衡盾构机，直径为6.28m，管片宽度为1.5m，对于黏土和泥岩地层，一桶盾尾密封油脂打6～8环，整体使用良好。
(2)郑州豫机高铁大直径盾构隧道。该工程是直径为12.81m的中原1号泥水大盾构，管片宽度2m，有4台盾尾密封油脂泵供应盾尾密封油脂。最开始施工单位使用的是某进口产品，然而由于北方的低温以及盾尾密封油脂与盾构机相关设备的匹配度不够，导致数次调节配方之后，依然没有达到施工单位的要求，2017年2月至2018年11月，铁五院安达盾尾密封油脂在该工程中应用，直到施工结束，使用期间不漏浆、不漏水。
(3)广州地铁18号线和22号线穿越珠江。2019年6月底，广州地铁18号线和22号线正在施工的22台直径为8.8m的盾构机，管片宽度为1.6m，地层一般为强风化、中风化、微风化泥岩或花岗岩，采用铁箭牌盾尾油脂。一桶盾尾密封油脂平均打2～3环，消耗量适中，均未出现漏水漏浆现象。其中，中铁十五局项目部做过与进口产品的消耗对比，结果表明，铁箭牌盾尾密封油脂的消耗量明显少，不漏水、不漏浆；中铁建大桥局盾构穿越珠江，穿越珠江段距离为1000m，未曾出现漏水漏浆现象，创造了国产盾尾油脂过大江大河的案例。
结语
(1)研制出抗水压密封好、泵送性优异的耐高水压盾构用盾尾密封油脂，实现了抗水压密封性和泵送性的平衡，满足在环境温度-5～40℃、水压0.4～0.65MPa条件下的使用要求，产品综合性能与进口同类产品相当，打破了进口产品在国内高水压盾构施工中的垄断。
(2)系统研发出产品自动化生产线，保证了产品质量，提高了生产效率。设计并建成了年产量6000t自动化生产线，实现了自动上料和自动出料，生产效率比传统人工加料提高了50%，产品价格为进口产品的40%～60%，有助于国内盾尾密封油脂生产线的更新换代。
(3)研制了定量表征油脂泵送性的毛细管流变仪和抗高水压密封测试仪，制订了测试方法和评价标准；解决了国内无定量表征盾尾密封油脂泵送性和抗水压密封性的设备难题，为国内盾尾密封油脂行业提供了定量测试抗水压密封性和泵送性的平台，将促进国产盾尾密封油脂产品的整体提升。
(4)研发产品环保性好，节能减排效果明显。原材料均选用无毒环保材料，整个制备工艺均为有机/无机共混，无工业三废，所制备的盾尾密封油脂，经细胞毒性试验证明，产品无毒，对环境友好。