“北京市發明專利獎掠影”系列之9
盾構技術在開挖隧洞中的應用大大加快了鐵路、公路的修建速度，然而在地下幾十米，尤其是穿江過河的施工，如何預防突發的透水、泥漿、甚至江水倒灌等事故帶來的潛在威脅？小編帶你看看獲獎專利“環保型盾尾密封油脂”是如何在地下為盾構機以及操作人員保駕護航的。
本文涉及第五屆北京市發明專利三等獎
專利號：ZL201210472649.4
專利名稱：環保型盾尾密封油脂及其製備方法與應用
專利權人：中鐵第五勘察設計院集團有限公司、北京鐵五院工程機械有限公司
盾構技術是目前國際上較為廣泛採用的地下隧洞全機械化開挖施工技術, 盾構技術運用的關鍵是使用了盾構機, 盾構機是盾構法施工中的主要施工機械。盾構機的基本組成如下：
盾構法施工具有自動化程度高、施工速度快、不受氣候影響、開挖時可控制地面沉降、減少對地面建築物的影響和在水下開挖時不影響地面交通等特點，尤其在隧洞洞線較長、埋深較大的情況下，盾構法施工更為經濟合理。
盾構機在掘進過程中，管片是靜止不動的，盾體是連續移動的，因此盾尾和已裝管片之間存在相對滑動。盾尾和管片之間存在的間隙直接將盾構機人員操作倉與地下外部環境連通，該間隙也是外部地下水和泥漿湧入盾構機內部的通道。
為了防止外部地下水和泥漿等進入盾構機內，保證盾構機內施工人員的安全，必須對盾尾和管片之間的間隙進行密封處理，盾尾密封一方面靠裝在盾尾內壁的鋼絲刷密封，另一方面則是靠充滿整個油脂腔的密封油脂建立起壓力進行密封，二者相輔相成、一起保駕護航。
盾構機問世至今已有近200年的歷史，其始於英國，發展於日本、德國。因此，歐洲和日本生產的盾尾密封脂基本上反映了盾尾密封脂的國際先進水平。在獲獎專利產品的申請日（2012年11月20日）之前，對涉及盾構密封油脂的專利申請情況在中國國家知識產權局、歐洲專利局和日本特許廳的統計結果如下：
從申請情況對比可知，我國在盾尾密封油脂領域專利申請起步較晚，申請量也相對較少。在獲獎專利申請日之前，在我國僅有8件專利申請。起步晚、研發力量偏少導致國產品牌產品與國外品牌相比，在質量水平總體上還存在一定差距，一些施工條件苛刻、地質條件複雜、高水壓區域的施工場合，尤其是施工風險高、盾尾密封失效風險大的場合，比如過江隧道所需盾構直徑大、地層滲透係數高，多選用國外品牌盾尾密封脂產品。讓小編欣慰的是，在2012年後，我國在該領域的申請量基本呈遞增趨勢：
盾構機用盾尾密封油脂相比用於電動機、軸承、水泵的油脂有何不同，其更注重什麼性能？讓小編為你一一道來。
泵送性：盾尾密封油脂通常採用機泵加入, 在水壓較高的情況下，盾構機在推進過程中需不斷地向盾尾油脂腔中注入油脂，防止帶有一定壓力的水和泥漿進入盾構機內部。由於油脂的連續充填，可以獲得充足的止水效果。因此泵送性是盾尾密封油脂的重要性能。
密封油脂注射泵示意圖
為保證盾尾密封脂的可泵送性，通過向密封脂中加入合成高分子類物質，獲獎專利對應的產品則選用醇類合成高分子進一步改善了產品的泵送性，泵送性是同類其它產品的2.4倍。
獲獎專利團隊研製的盾尾密封脂泵送性試驗裝置
抗水壓密封性：抗水密封性是盾尾密封脂的關鍵性能, 佛山市軌道交通2號線在施工過程中曾出現因隧道透水坍塌造成11人死亡、1人失蹤、8人受傷的事故。該事故與盾尾密封油脂性能欠佳、進而導致了盾尾密封被外部水土壓力擊穿有一定的關係。所以抗水密封性是盾尾密封脂所必須具備的性能。獲獎專利產品通過選擇特定的基礎油、粘度指數改進劑、潤滑劑、天然可降解纖維、填充顆粒材料、合成高分子使得抗水壓密封性比同類產品提高了1.5倍左右，大大保證了安全性能。
獲獎專利團隊研製的抗水密封性試驗裝置
環保、經濟性：我國越來越關注潤滑劑帶來的環境汙染問題，已規定了地面水中石油類成分含量的限制標準。盾尾密封脂在城市地鐵建設中廣泛應用對城市地下水的影響將會加大。進口產品雖然不會汙染環境，但卻存在著成本較高的問題，如日本松村石油公司的產品價格已經超過了30元/kg，而且其用量也很大。獲獎專利產品對環境友好、造價低，綜合性能與進口產品相當，價格僅為其40%。
目前，國際標準化組織（ISO）及其他相關國際組織或協會均未發佈有關盾尾密封脂產品或分類的權威性標準。我國也未制定盾尾密封脂的統一標準，再加上最低價中標的情況，導致劣質產品充斥市場，給盾構施工帶來了極大風險。如：“可泵送性”由於本領域沒有比較合適的定量表徵設備，對盾尾密封油脂泵送性的表徵比較混亂。
獲獎專利的專利權人圍繞獲獎專利產品，研製了泵送性、抗水壓密封性和抗水衝性三個主要性能的測試設備並已獲得授權。包括：
ZL201520790100.9涉及一種專用毛細管流變儀
ZL201520790100.9說明書附圖
ZL201621127737.0涉及一種盾尾密封油脂專用水壓密封測試儀和ZL201520790117.4涉及一種水衝測試儀。提出了相應的測試方法與評價標準，建立了企業標準，為行業標準建立打下了堅實基礎。
目前，國內穿江過河等高水壓盾構施工用盾尾密封油脂產品長期被國外公司壟斷(如法國CONDAT公司、法國道達爾、日本松村石油、德國巴斯夫等)。獲獎專利產品在高水壓盾構施工的成功應用，打破了進口產品在國內高水壓盾構施工中的壟斷地位，填補了我國高端盾尾密封油脂配方、生產工藝、性能測試設備等技術的空白，產品綜合性能達到國際先進水平。
製造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基，沒有強大的製造業，就沒有國家和民族的強盛。筆者相信在不遠的將來，會製造出更高質量水平的盾尾密封油脂，也會有相應的國家或行業標準，以及與之相配套的試驗方法。讓我們拭目以待吧!
國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心
劉文軍 張明輝
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