准确预测盾尾密封油脂消耗对盾尾密封、盾构施工安全和成本控制具有重要意义。为此,采用K折交叉验证法结合ANN神经网络,改进传统粒子群优化算法,实现IPSO算法自动寻优ANN神经网络神经元超参数,构建泥水平衡盾构机盾尾密封油脂消耗量IPSO-ANN时间序列模型。基于济南黄河隧道,结合东西双线密封油脂用量和通过双重筛选得到的影响因素,制定混合训练、东西线单独训练3种策略对模型进行训练并对施工段油脂消耗量进行预测及分析。结果表明,IPSO-ANN模型能有效寻优具有最佳神经元超参数的神经网络模型;不同训练策略下最优模型平均预测精度均高于80%,其中混合训练策略下最优模型预测精度高达85.142%,并兼具稳定性,对盾尾密封油脂消耗量预测具有参考意义。

为解决盾尾密封油脂在生产制备过程中增黏剂的选取和用量问题,分别选取松香树脂、萜烯树脂、古马隆树脂以及聚异丁烯四种增黏剂进行试验研究。试验结合盾尾密封油脂的产品特性和使用要求,通过比较其泵送性、表观粘度、抗水压密封性、粘附性和锥入度等指标,最终筛选出综合效果最佳的聚异丁烯增黏剂,确定其最佳用量为8%~10%。有助于工程实践中更好的提高盾尾密封油脂的使用性能。

为解决盾构穿越富水砂质地层时盾尾密封失效所引发的开挖面稳定性不足,隧道结构自身承载力差和隧道易渗漏等一系列工程问题,依托南昌轨道交通四号线盾构隧道交通工程,开展盾尾密封流体动力学研究,分析盾尾油脂在盾尾密封装置中的流动规律并通过油脂流动的压力场、速率场及体积相分布对其进行探究。数据表明:在加压瞬间,盾尾密封油脂与高压水有较为整齐的交界面。随着盾尾泄漏程度不断加大,速率峰值点由入口上端转移至尾刷处,且随着水压进一步入侵,速率影响范围进一步加大;压力分布模式也由初始均匀扩散向压力稳定分布转移,且高压区与低压区之间存在明显的多孔介质压力过渡区。

为了在盾构施工时更好地发挥盾尾密封油脂的密封及润滑效果,结合广州地铁22号某区间的施工案例,从盾尾密封系统的组成及其工作原理出发,分析了油脂泵的工作过程及油脂注入系统的两种压力控制模式特点,并研究了盾尾油脂的消耗情况,形成盾尾密封油脂的应用指导:对不同品牌的油脂,可调节油脂泵进气压力达到合适的泵出压力;掘进速度快时油脂注入建议选择手动模式,掘进速度慢时选择自动模式;在复合地层掘进时,盾尾油脂管路压力传感器的压力控制应高于单一地层;一般情况下,油脂管所分布的点位油脂消耗量较大,但也受到盾尾或管片变形、盾尾姿态差、盾尾刷失效等因素的影响,可根据实际情况在个别部位注入较多油脂。

为解决目前国内外盾尾密封油脂抗水压密封测试标准不统一,不能定量测试油脂抗水压密封性等问题,研制出一种新型抗水压密封测试仪,并对国内外常见盾尾密封油脂进行抗水压密封性能测试。经分析,总结油脂抗水压密封机制,并定义水击穿压力测试指标,即实验室25℃下,使用1层网孔孔径为0.76 mm、丝径0.3 mm的金属钢丝网,300 g盾尾密封油脂被水击穿的最小压力。用水击穿压力可定量表征盾尾密封油脂抗水压密封性,进而提出抗水压密封测试标准。

针对国内跨江越河等高水压(0.4~0.8 MPa)盾构施工所需盾尾密封油脂被进口产品垄断的难题,通过正交试验研究盾尾密封油脂各个配方组分之间的相互作用。结果表明:1)增稠流变剂的引入,提供了层间距为5~10 nm的片层结构,为基础油和聚异丁烯提供了进入空间,实现了增稠分散,提高了耐高水压盾尾密封油脂的剪切流变性,保证了稠度与泵送性的平衡;2)不同尺度的天然可降解纤维与配方中其他组分形成复合纤维增强阻水结构,使得耐高水压盾尾密封油脂的水击穿压力达7 MPa,是进口产品的1.75倍。在实现盾尾密封油脂稠度和泵送性适中的同时,大大提高了盾尾密封油脂的抗水压密封性,为我国跨江越河等高水压复杂地层盾构用高端盾尾密封油脂的进一步研发与转化打下坚实的基础。

盾尾密封油脂作为盾尾密封系统主要的防水密封材料,不仅能保护盾尾密封结构,还能有效阻隔地下水和同步注浆浆液,保障盾构的顺利进行。本文从文献资料和专利角度系统阐述了国内外盾尾密封油脂的发展历程,总结产品专利技术、性能检测技术以及技术标准现状;并针对盾构隧道施工发展需求,提出建立行业标准的重要性,研制出宽温域、高性能、耐超高水压、生态友好型盾尾密封油脂是发展趋势,强调强化盾尾密封油脂基础研究的必要性。

对KN盾尾密封油脂的研制过程、性能检测、性能指标及现场应用进行介绍。根据盾尾密封油脂的使用环境,通过工作原理分析,筛选出优质原材料,再通过六因素、五水平正交试验,得到基础油、润滑剂、增粘剂、增强剂以及粉料的最佳配比,制得KN型盾尾密封油脂,对盾尾密封油脂的实验室性能表征进行测试,得出详细的性能指标。通过在过河地层的盾构项目使用,满足使用要求。

因为在盾构工程中要充分利用盾尾密封油脂的封闭与润滑功能,融合某项目的工程方案,从盾尾密封系统构成与其作业原理为切入点,解读了油脂泵的作业流程与油脂灌入系统的两类压力控制方式与特征,并探究了盾尾油脂的消耗情况,形成盾尾密封油脂的应用引导。对不同规格的油脂,要调整油脂泵进气压力达到适度的泵出压为止。盾尾密封是盾构设备的三大密封系统中的一种,对确保盾构工程的安全有着关键性影响。盾尾密封油脂是盾尾密封的关键原料,可以高效填充盾尾刷与管壁间的裂隙,阻挡浆液与地下水的渗透。

采用静液压试验设备与耐水压密封试验装置相结合的方式进行耐水压密封性能试验,测试盾尾密封油脂可封堵的最大金属网孔直径(Dmax),找出判定密封性能合格与否的测试条件,研究可用于对油脂密封性能进行等级评定的试验指标。结果表明:油脂样品经历2 MPa恒压10 min水压力后,其在可封堵最大金属网孔上形成的密封层可进一步完成3.5 MPa恒压60 min耐水压密封试验;将一层金属网、Dmax、3.5 MPa恒压60 min无水渗漏作为耐水压密封性能合格判定条件,使用可封堵最大金属网孔直径与最大水击穿压力进行密封等级评定,结果表明两种测试方法效果均不理想,建议使用合格判定条件+渗油质量协同表征油脂样品耐水压密封性能。