摘要：盾尾密封油脂是盾构机中尾部保护装置所用密封材料，具有独特的应用场景和密封要求。介绍了自2005年以来盾尾密封油脂专利申请概况，详细归纳分析了国内盾构密封油脂技术现状，为相关科研人员应用研究提供参考。
关键词：盾构机，油脂，盾尾，防水，密封
盾构施工技术由于对周围环境影响较小，其在隧道与地铁工程中得到广泛的应用，成为隧道施工领域中独树一帜的关键技术[1]。在盾构施工过程中，盾尾密封油脂应用于盾构掘进机尾部密封装置中，起到润滑、防水密封、防蚀等作用，能够有效地隔绝地下水、泥浆和保护盾尾[2]，是盾构施工过程中的关键材料。
目前，在我国盾构施工难度较大的工程中，例如：超大直径盾构隧道工程与越江或海底隧道盾构工程，几乎全部采用进口盾尾密封油脂[3]。这表明在产品性能上，我国盾尾密封油脂与国外盾尾密封油脂还存在一定差距，尤其是在防水密封和泵送性等指标方面。尽管如此，我国盾尾密封油脂相关企业与技术人员始终坚持走自主创新之路，经过十多年的发展，国产盾尾密封油脂的生产逐渐形成规模，开发的产品基本能够满足国内盾构施工要求。目前，我国关于盾尾密封油脂的公开技术资料仍主要以专利技术为主，相关研究报道不多。笔者正是针对我国现有盾尾密封油脂专利技术现状，进行综述归纳，希望能够帮助盾构领域从业人员了解国内盾尾密封油脂的研究概况，并为相关科研人员应用研究提供参考。
1 盾尾密封油脂专利申请概况
在国家知识产权局专利数据库中，以“盾尾密封油脂”为关键词共检索到42篇发明专利。2005—2018年间盾尾密封油脂发明专利在我国的申请趋势见图1。
由图可见，我国在盾尾密封油脂领域专利申请起步晚、申请件数少。从2005年由上海隧道工程有限公司申请的第一个专利CN200510023635开始，我国在该领域的申请渐渐出现，在2013年后盾尾密封油脂的申请量基本成递增趋势，尤其是在2017年，专利申请量达到13件。
从申请人的分布分析，大部分集中在几家单位，主要有中铁第五勘察设计院集团有限公司、中昊（大连）化工研究设计院有限公司、常熟理工学院等。从内容上看，基本所有专利都涉及到了盾尾密封油脂组成与制备方法。发明人从开始解决单一问题（例如：提高防水密封性能）到提高综合性能（例如：低温流动、黏度与环保），可以看出盾尾密封油脂技术在不断取得进步。下面从盾尾密封油脂的防水密封性、低温流动性、粘附性、环保性等方面对我国专利进行综述分析。
2 盾尾密封油脂的性能
2.1 防水密封性能
防水密封性是盾尾密封油脂的关键性能，其与堵漏材料种类、纤维、增黏树脂以及其他助剂有关。如果盾尾密封油脂的密封性差，盾构机在盾构施工中很可能发生透水事故，严重的将导致机毁人亡。因此，盾尾密封脂必须具备良好的防水密封性[4]。
2.1.1 堵漏型防水密封
专利CN107400548A[5]公布了一种堵漏可降解型盾尾密封油脂。发明人在产品中添加了超细纤维素-丙烯酸接枝吸水材料、乙烯基杂化二氧化硅/聚丙烯酸物理纳米复合水凝胶、交联聚丙烯酰胺吸水凝胶或羧甲基纤维素基高吸水材料中的一种或多种作为吸水性颗粒材料。一方面吸水性颗粒可与水反应起到吸水防水的目的，另一方面，由于吸水性颗粒吸入水后体积增大，可以堵塞盾尾与管片之间的间隙，达到理想的密封效果。
专利CN109504509A[6]采用的密封原理与上述专利类似，其堵水材料采用—NCO含量为5%～8%的亲水性聚氨酯预聚体。在发生透水漏浆时，油脂中的聚氨酯预聚体材料和水反应，释放出大量CO2气体，迅速增大油脂密封舱内压力，将冲入油脂仓的地下水或浆料挤出油脂仓，同时形成凝胶并凝固成弹性小颗粒，起到防水密封的目的。
2.1.2 砂性土防水密封
针对砂性土土质或埋深较深且含水量多的土层，专利CN101705139A[7]采用竹纤维增加盾尾密封油脂的防水密封性能。相对于传统的棉纤维，竹纤维具有韧性好、回弹性好、粘附力好、耐磨性强、纵横向强度高，且性能稳定均一等特点，所制备的盾尾密封油脂具有消耗量少、密封性好的优点。
专利CN106433858A[8]公布了一种高密封性盾尾密封油脂，该油脂按质量配比组成为：矿物油26—35份、增稠树脂10—20份、增粘剂2—20份、植物纤维3.5—13.5份、润滑脂稠化剂1—10份、无机填充料20—40份。测试结果表明：对于穿越富含水砂层、砂砾层以及各种混合层，都可以耐受3.5MPa的水压。
2.1.3 其他类型防水密封
专利CN102925260A[9]公布的盾尾密封油脂抗水压密封性能是国外同类产品的1.5倍，泵送性能是国内同类产品的2—3倍。专利CN103937590A[10]将天然矿物纤维与植物纤维优化配比制成抗水密封材料，加入抗静电剂十八胺聚氧乙烯醚等。静电剂除了具有抗静电性能之外，还能提高油脂的抗水密封和泵送性能。专利CN106906031A[11]通过优化聚异丁烯、木质纤维素和矿物纤维配比，使油脂具有耐高水压性能。经过性能测试，在25℃下，产品最高可以耐6MPa的水压，在现场盾构施工中能耐0.4～0.65MPa的水压。专利CN109135884A[12]在盾尾密封油脂中加入离子液体和石墨烯，降低了盾尾密封油脂的抗水冲流失量，提高其防水密封性能。专利CN107384526A[13]通过优化附着力促进剂2-胺乙基亚乙基脲和β-（3′4-环氧乙基）乙基三甲基硅烷用量，以及优化纤维长度和粉体颗粒尺寸与用量，达到提高盾尾密封油脂防水密封性的目的。专利CN108913306A[14]以高黏度光亮油作为基础油，高钠基膨润土、聚丙烯酸钠为吸水膨胀剂，有机膨润土为稠化剂，配合加入植物木质纤维和聚丙烯纤维混合物以及聚异丁烯和活性填料来实现防水密封。专利CN109370747A[15]在盾尾密封油脂中加入了黏度改进剂聚二戊烯或聚二戊烯和棕榈酸异丙酯的混合物，使材料内部细微颗粒结合程度大大提高，整体提高了盾尾密封油脂的抗水密封性、泵送性和抗磨性能。
2.2 低温性能
盾构施工时，温度对盾尾密封油脂的使用性能会产生一定影响。国内盾尾密封油脂冬季稠度偏大，偶尔有堵管问题，导致油脂泵密封圈烧毁，影响施工进度[16]。因此，国内企业开始对盾尾密封油脂的低温流动性进行改善。
专利CN101831345A[17]公布了一种可在—20℃左右使用的盾尾密封油脂。发明人将低温性能优异的环烷基矿物油以及烷基苯、烷基萘、酯类合成油、聚丁烯油、聚α烯烃合成油作为产品的基础油。制备的盾尾密封油脂在—20℃条件下能够保持不变硬、不结块，能够满足严寒地区的盾构施工要求。
专利CN107164029A[18]公布了一种在极寒条件下使用的环境友好型盾尾密封油脂。发明人通过环氧化、异构酯化反应得到改性豆油异构丙脂，然后将其与聚醚配制成基础油。所配制基础油的倾点可达—50℃，在寒冷低温条件下使用时具有良好的润滑性和低温流动性。专利CN109207233A[19]的发明人同样对基础油进行改性，通过环氧醚化、酯化反应得到倾点可达—46℃的具有低温流动性及可降解性的改性蓖麻油和酯类油，将其作为基础油。其他组分也采用了可降解性材料，产品既具有低温流动性也具有生物可降解性。
2.3 粘附性能
从应用角度考虑，盾尾密封油脂通常分为手涂型和泵送型两种类型[20]。由于手涂型密封油脂是在管片拼装前填充盾尾刷之间的，为防止涂抹完后下坠和流动，油脂要有高黏度和高稠度特性[21]。因此，盾尾密封油脂在具有防水密封性、低温流动性同时还需要良好的粘附性能。
专利CN102031188A[22]公布了一种高粘附性的盾尾密封油脂。该油脂按质量百分比组成为：基础油14%～25%、润滑油9%～21%、氯化石蜡7%～14%、聚异丁烯11%～26%、纤维5%～12%、碳酸钙25%～41%。产品在干燥、湿润、水环境条件下，对金属板与混凝土表面均具有良好的粘附性。
专利CN106635265A[23]通过添加硅烷偶联剂与气相二氧化硅，制备具有良好粘附性能的盾尾密封油脂。在25℃测试条件下，产品在粘附性测试仪器上停留时间大于14min，同时还具有优异的抗水密封性。专利CN106244299A[24]通过添加表面带有强极性基团的高分子树脂，例如聚氨酯、丙烯酸树脂、环氧树脂等，制备高粘附性盾尾密封油脂。该油脂能够与金属基材表面反应形成较强的化学键，增强了产品中纤维和油脂的粘结能力，使盾尾密封油脂达到很好的粘附效果。专利CN107057811A[25]以石墨烯为增强剂、磺基聚合脂和石墨钙基润滑脂为润滑剂，制备得到具有高粘附性、耐高温性和极压耐磨性的盾尾润滑脂。
2.4 环保性能
随着盾尾密封油脂在城市地铁建设中广泛应用，其环保性能逐渐成为人们关注的重点。越来越多的天然可再生材料被应用于盾尾密封油脂生产过程中，以开发出具有可降解特性的环保产品。
专利CN102757839A[26]公布了一种可降解型盾尾密封油脂。该油脂的原材料使用了天然高分子环保材料，其在使用一段时间后可被土壤中的微生物降解为无毒无害的小分子物质，不会对水质和环境造成污染。专利CN104611100A[27]选用质量比为1︰2的环烷基白油和植物油混合油作为基础油、质量比为1︰2的动物纤维和植物纤维作为防水密封材料，同时添加天然多糖类材料——淀粉，制备出具有环保特性的盾尾密封油脂。专利CN107090333A[28]将从农作物废料（例如：麦秸、玉米和高梁秸、稻草、甘蔗渣等）中取得的植物纤维与少量矿物纤维混合，作为防水密封材料，所制备的环保型盾尾密封油脂具有良好的防水密封性能。专利CN109207234A[29]公布了一种环保型盾构机盾尾密封油脂。该油脂原料中不含有硫、磷、氯等具有污染环境和土壤的元素或离子。专利CN108865372A[30]将异辛醇改性菜籽油与大豆油或生物柴油的混合油作为基础油，将矿物纤维与植物纤维组成的复合纤维作为防水密封材料，制备出一种能够短时间内降解、不会对环境造成污染的盾尾密封油脂。专利CN109161429A[31]将植物油大豆油、菜籽油、蓖麻油作为基础油，木粉和花生粉的混合粉体作为填料，植物纤维和动物纤维的混合纤维作为增强组分，制备出一种环境友好型密封油脂。
2.5 其他
除针对盾尾密封油脂防水密封性能、低温性能、粘附性能、环保性能的改进外，针对其消耗量大、易变质和挥发等问题，研究人员也得到了一些专利技术。
专利CN106906026A[32]公布了一种低成本基础油的盾尾密封油脂。发明人使用来源广泛、价格便宜的深加工后地沟油作为基础油，并与填充粉料、増稠剂、纤维、防霉剂和润滑剂配合使用，制备出了一种低成本、用量少、可降解的盾尾密封油脂。专利CN106544144A[33]公布了一种蓬松性盾尾密封油脂。发明人在产品中加入三维中空螺旋纤维。由于中空纤维具有极佳的疏水性、比重轻、耐腐蚀和耐霉变的特点，制备出的盾尾密封油脂具有蓬松性。专利CN107090339A[34]公布了一种耐极压抗磨盾尾密封油脂。发明人在产品中加入由多乙烯多胺、苯骈三氮锉、二烷基硫代磷酸锌、叔辛醇和苯二甲酸二辛酯调制而成的复合多效添加剂。在专利CN109207241A[35]中，发明人在产品中加入金属皂稠化剂，同时配合膨润土还加入了附着力促进剂与防霉变剂，制备出一种具有抗挥发性、保油性、附着性、防水密封性等综合性能显著的盾尾密封油脂。
3 小结
通过对国内盾尾密封油脂专利技术的归纳总结，可以发现针对盾尾密封油脂在工程应用中的不足，国内研究人员进行了很多有益的探索，形成了专利技术。然而，这些专利主要集中在2016年之后申请或公布，表明盾尾密封油脂近年来逐渐受到工业界和学术界的重视，但同时也说明我国盾尾密封油脂技术研发还处于起步阶段，仍需要加快对盾尾密封油脂深入、全面的研究，同时建立科学的评价方法与产品标准，尽快使我国盾构技术摆脱对高端盾尾密封油脂依赖的现状。
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作者简介：孔恒（1965-），男，博士，教授级高级工程师，主要从事隧道与地下工程方面的科研与管理工作，E-mail：hengkh@163.com；通讯作者：姜志国（1965-），男，博士，副教授，主要从事特种功能性聚氨酯材料研发、改性以及应用研究，E-mail：jiangzg@mail.buct.edu.cn。
