The rotating head of an EPB TBM is the external part on which the tools (cutters) [1] are placed, which have the function of breaking up a strong heterogeneity of the characteristics of the rock [2] along the path. The head, equipped with a rotary motion, is controlled by electric motors, located in the rear area of the TBM, whose bearing lubrication system is filled (sealed) with a sealant system (commonly called "grease" by professionals) , is pumped into the excavation chamber through a geometric configuration called "labyrinth". This system ensures that no other material, such as water present in the ground, can penetrate inside the space, between the rotating and the fixed part, and destroy the bearings.

1. Titolo:
Grassi sigillanti per TBM EPB
di LAMANNA Luigi Franco (multi-disciplinary, full-service engineering consultant) (* )
Title of the article:
Main bearing greases for TBM EPB
by LAMANNA Luigi Franco (multi-disciplinary, full-service engineering consultant) (*)
Premessa
La testa rotante di una TBM EPB è la parte esterna sul quale sono collocati gli utensili (cutters) [1], aventi la funzione
di disgregare una forte eterogeneità delle caratteristiche della roccia [2] lungo il tracciato. La testa, dotata di moto
rotatorio, è comandata da motori elettrici, posti nella zona posteriore della TBM, il cui sistema di lubrificazione del
cuscinetto e di riempito (sigillatura) con un sistema di sigillante (chiamato comunemente dagli addetti ai lavori
“grasso”), viene pompato nella camera di scavo tramite una configurazione geometrica chiamata “labirinto”.
Questo sistema assicura che nessun altro materiale, come l’acqua presente nel terreno, possa penetrare all’interno
dello spazio, tra parte ruotante e quella fissa, e distruggere i cuscinetti.
Implemented disc cutters
Il consumo di questo grasso sigillante dipende dal tipo di TBM impiegata in base alle situazioni geologico-geotecniche
e da altri fattori condizionanti come: la pressione all’interno della camera di scavo e la presenza di acqua.
Molte volte, questi fattori, contribuiscono ad un cedimento in coda alla TBM, a breve termine, al di sopra del tunnel
con deformazioni del terreno, denominato subsidenza. Ma questo, (cedimento in coda della TBM) [3] per la sua
complessità, sarà oggetto di un successivo studio, molto particolareggiato, non solo per la caratterizzazione del
problema ma anche per i prodotti di condizionamento impiegati.
Subsidenza.

2. Pertanto, voglio solo fare presente che il fenomeno di subsidenza genera una complessità di fenomeni, tutti volti a
provocare un abbassamento del terreno in superficie. In particolare:
- danneggiamento delle infrastrutture e degli edifici presenti in superficie;
- mancanza di sicurezza dei lavoratori durante le fasi di lavoro;
- incremento delle sollecitazioni nel rivestimento provvisorio con decadimento dei parametri di resistenza dei
terreni dovuti alla loro eterogeneità;
- innesco dell’instabilità di tutto il versante.
Frese meccanizzate TBM di produzione CREG
(China Railway Engineering Equipment Group Co., Ltd)
Tunneling specializes in research, design and manufacture of a
full range of TBMs excavation
Di seguito voglio illustrare una esperienza professionale per il cedimento indotto dopo il passaggio dello scudo
associato al vuoto che si è venuto a creare tra il terreno e l’estradosso del rivestimento alla coda dello scudo.
Incidente avvenuto nell’anno 2016, durante lo scavo di una galleria metropolitana nel Sud-Est della CINA, nello Stato
dello XI’AN, soluzione ottimale impiegata nelle grandi città alle vie di comunicazione superficiali, dove veniva
impiegata nella realizzazione di una galleria sotterranea una TBM CREG (China Railway Engineering Equipment
Group Co., Ltd).
Nel caso in esame i cedimenti non erano dovuti a problemi di consolidamento e neanche per la natura stessa dei
terreni interessati dal processo di scavo ma, per il grasso sigillante della testa, che ha permesso, per la sua scarsa
qualità di opporsi alla forte pressione esercitata dall’ acqua, il suo ingresso all’interno dello scudo.
Durante il mio sopraluogo tecnico sul posto ho potuto verificare che il tipo di grasso sigillante utilizzato, denominato
SEAL-TBM/T-EC, di fornitura italiana, non possedeva la resistenza necessaria alla pressione dell’acqua, nell’ambiente
ostile cui operava la TBM EPB, creando la non perfetta sigillatura del labirinto e dei cuscinetti.
Principali prodotti per la lubrificazione-sigillatura dei cuscinetti
La riduzione dell'attrito è un concetto importante per raggiungere la massima efficienza di una TBM EPB durante il
suo funzionamento. Inoltre, le condizioni di lavoro di TBM EPB richiedono una lubrificazione per evitare l’ingresso
d'acqua nell'area di lavoro all’interno della TBM EPB chiusa e sotto terra.
I prodotti di lubrificazione sono classificati in due gruppi in base allo scopo di utilizzo come prodotti di lubrificazione
del cuscinetto principale [4] e sigillatura della coda della TBM EPB .
Il grasso di lubrificazione che viene utilizzato ha lo scopo di ridurre l'attrito tra l'azionamento principale e il
cuscinetto principale, aumentando così la durata del cuscinetto principale ed ottimizzando l'efficienza.
Inoltre, lo scopo dell'utilizzo del grasso sigillante per cuscinetti principali è quello di impedire l'ingresso di polvere,
particelle di sporco e acqua nella camera di lavoro del cuscinetto principale.
Sigillatura del labirinto
Inoltre ho potuto verificare che la fresa meccanica TBM CREG era corredata da due set di sistemi di tenuta
impermeabilizzante del cuscinetto principale, la prima mediante una guarnizione a labirinto del cuscinetto principale
della testa. La seconda, a tenuta, più interna, verso il lato della camera di scavo, anche qui era presente un sistema

3. per la lubrificazione delle guarnizioni del gruppo di trasmissione. Infatti, questa seconda tenuta esterna ha lo scopo
di separare il cuscinetto principale con la camera di scavo. Questo tipo di tenuta, è in grado di formare 4 aree
separate tra di loro.
Mentre quella interna, è una tenuta assiale speciale che può sopportare la pressione della camera dove sono
presente gli ingranaggi.
La speciale combinazione di questi due sistemi di tenuta è in grado di sopportare una pressione all’acqua di 9 bar.
Tutto il sistema di tenuta è garantito da una particolare lubrificazione/sigillatura mediante iniezione di un particolare
grasso sigillante ed impermeabilizzante ed inoltre è dotato di un sistema di monitoraggio da eventuali perdite,
monitorando la quantità di grasso iniettato nel sistema di tenuta attraverso il monitoraggio della pressione e del
flusso.
Grasso sigillante di testa
Grasso per il cuscinetto principale
Ogni cuscinetto principale deve essere protetto e lubrificato in quanto questa è la parte più importante della fresa
TBM EPB. Questa protezione è assicurata dal grasso di tenuta e lubrificazione (o di testa). Sono presenti sui mercati
internazionali, tipi diversi di grassi che presentano gli alti standard ambientali oggi richiesti.
I principali grassi sigillanti per cuscinetti devono avere una forte adesione alle superfici metalliche e una maggiore
resistenza al lavaggio rispetto ai grassi EP, anche se possiedono una minori proprietà lubrificante.
I grassi lubrificanti devono contenere, all’interno della formulazione, degli antiossidanti, degli inibitori di corrosione e
particolari additivi tipo EP / AW. Inoltre devono garantire una eccellente stabilità meccanica, una capacità di carico e
protezione dalla corrosione, che li deve rendere adatti per cuscinetti che saranno sottoposti a carichi pesanti e in
ambienti con forte presenza di acqua.
Main Bearing Seal Arrangement

4. Le più importanti proprietà tipiche che devono possedere i grassi sigillanti, in base a prove effettuate su meccanismi
operativi reali o simulati in laboratorio (dove per esperienza personale posso confermare che non riproducono mai
esattamente le condizioni reali di esercizio), sono:
- una prevenzione all’usura secondo il metodo delle 4 sfere DIN 51350-T5 e ASTM-D-2266 di circa 0,5 mm;
Per ridurre attrito e usura vengono usati dei prodotti solidi da soli o sospensione in un olio base o direttamente nel
grasso. Alcuni dei materiali più comuni usati, sono:
grafite, disolfuro di molibdeno, politetrafluoroetilene (PTFE, Teflon®), mica, ossido di zinco e rame.
- una resistenza allo spruzzo d'acqua in pressione sul grasso sigillante secondo il metodo ASTM-D-4049 a 25° C
inferiore al 15%.
-Test di risciacquo con acqua (Water Washout Resistance) secondo il metodo ASTM-D-1264 a 20° C deve essere <
6%.
L’ambiente operativo di un grasso sigillante è importante, ma spesso non considerato quando viene effettuata la
scelta. Un ambiente umido, sia che si tratti semplicemente di umidità dell’aria o di azione di lavaggio diretto o in
presenza di acqua, può influire sul grasso sigillante e rappresenta un fattore importante nella selezione del
lubrificante per una TBM EPB.
Quando l’acqua penetra nel labirinto, il grasso sigillante può ammorbidirsi (anche diventare semifluido) o indurirsi,
emulsionare l’acqua o respingerla, modificare le proprietà adesive, rendendo la protezione superficiale del metallo
inadeguata all’azione corrosiva dell’acqua (ruggine).
La resistenza al lavaggio con acqua è una caratteristica che riguarda sia i grassi sigillanti di testa che di coda. Il test
prevede uno spruzzo d'acqua a 38° C [100° F] o a 80° C [175° F] direttamente su un cuscinetto di prova caricato con il
grasso sigillante campione. La tendenza è quella di fare dei test a condizioni molto gravose a 80° C (175 ° F).
Il valore < 6% riportato è la percentuale di variazione di peso alla fine del test.
Comunque, il National Lubricating Grease Institute (NLGI) ha indicato nel corso degli anni la standardizzazione in
termini numerici di classificazione dei TEST che devono descrivere le proprietà o le prestazioni dei grassi sigillanti.
In modo particolare la funzione principale dei grassi sigillanti è quella di proteggere efficacemente il cuscinetto
principale impedendo all'acqua e al terreno di entrare nel sistema di tenuta.
Ricordo anche che il cuscinetto principale è la parte più costosa di una TBM, e quindi deve essere ben
mantenuto. Per questo motivo, viene richiesto la massima qualità delle materie prime nella produzione dei grassi.
Ecco perché viene richiesto al produttore una certificazione MERKEL.
Faccio presente che, sono presenti sui mercati internazionali, oltre ai grassi standard, per il cuscinetto principale, dei
grassi altamente biodegradabili prodotti a base di materie prime rinnovabili.
Un tipico cuscinetto

5. Temperatura
Voglio fare presente che la temperatura di funzionamento del meccanismo da lubrificare (cuscinetto) è importante
per due motivi.
Primo, la viscosità di un grasso lubrificante andrà giù a temperature crescenti. E’ molto importante che il grasso
lubrificante scelto deve avere la possibilità di conservare un film protettivo sufficiente per garantire la protezione
dall’attrito.
Secondo, ci sono dei limiti di temperatura che non devono essere superate, perchè se superano certi limiti possono
effettivamente fare più male che bene.
Generalmente, grassi lubrificanti a base di petrolio non possono essere usati sopra i 150° C (300° F) su base regolare.
Mentre, grassi lubrificanti sintetici a base di estere possono essere usati a 230° C (450° F) e polioli esteri a
270° C (520° F). Invece i siliconi possono essere utilizzato a 205° C (400° F).
Altri grassi sintetici speciali come i fluorosiliconi possono essere usati fino a 230° C (450 ° F).
La determinazione della viscosità apparente alle basse temperature (metodo ASTM-D-1092) consente di definire le
proprietà di flusso e pompabilità di un grasso alle basse temperature. I grassi concepiti per l’esercizio a temperature
estremamente basse (sotto zero) non devono irrigidirsi né opporre una resistenza eccessiva alla rotazione dei
cuscinetti dopo l’esposizione a basse temperature.
I metodi riportati (IP-186 e ASTM-D-1478) consentono di rilevare le coppie di avviamento ed esercizio di cuscinetti a
sfera con carico leggero a temperature fino a – 54° C.
Grassi a base vegetale
In termini di prestazioni, i grassi lubrificante a base vegetale, sulla scorta delle mie attuali conoscenze, sono superiori
ai grassi lubrificanti EP ed a quelli a base di petrolio.
Oltre alla grande disponibilità, uno svantaggio di questi grassi lubrificanti a base di oli vegetali sono la loro tendenza
a formare delle cere a basse temperature. Inoltre, la stabilità ossidativa non è buona come quello dei oli grassi
lubrificanti a base di petrolio.
Oggi, in tutto il mondo, si cerca di ridurre l’impatto ambientale dai rischi industriali e non. Penso che a breve ci
saranno sul mercato internazionale nuovi grassi lubrificanti "naturali" in grado di offrire buone prestazioni oltre ad
un costo favorevole rispetto a quello dei grassi sintetici.
I grassi lubrificanti a base vegetale sono essenzialmente non pericolosi per l’ambiente e possono essere smaltiti con
dei costi più economicamente delle loro controparti a base petrolifere. In alcuni Stati, i governi hanno già imposto
che vengono usati solo prodotti completamente biodegradabile ed inoltre questi grassi lubrificanti, da impiegare per
le TBM EPB, devono essere in armonia con l’ ecosistema.
Comunque, i grassi lubrificanti a base vegetale sarà utile impiegarli in quelle aree a rischio in cui il rilascio
nell’ambiente potrebbe comportare un problema per la salute umana o un grave pericolo ambientale.
Addensanti
Dopo avere preso in considerazione le ragioni per l’utilizzo di un grasso, suggerisco agli utilizzatori di esaminare con
attenzione l’effettiva selezione del tipo di grasso sigillante più idoneo a determinati requisiti di lubrificazione e di
consumo tenendo presente che la stragrande maggioranza delle aziende che commercializzano grassi sigillanti per
TBM EPB, in realtà non li producono.
Mi permetto di ricordare velocemente la correlazione che possono avere i grassi sigillanti disponibili sul mercato
internazionale in base alla loro formulazione chimica (cioè addensante + olio base). Il tipo di addensante e la
concentrazione, sono i fattori dominanti di un buon grasso sigillinte.
Questi possono variare da semplici grassi, contenente oli minerali addensati con sapone metallico, sino a saponi
complessi, contenenti due o più addensanti, nonché addensanti organici e minerali combinati con oli a base sintetica
e/o minerale.
Nella maggior parte dei grassi attualmente in vendita, gli utilizzatori finali impiegano grassi a base di oli di petrolio
raffinato (paraffinico e/o naftenico), per un basso rapporto tra prezzo e caratteristiche prestazionali.
Ricordo a questi utilizzatori che le proprietà fisiche importanti per la selezione di un grasso sigillante contenente
dell’olio di base deve comprendere:

6. - proprietà lubrificanti;
- eccellente viscosità;
- ottima resistenza all’ossidazione (anche a temperatura elevata);
- punto di scorrimento(ottimo comportamento alle basse temperature);
- miscibilità con gli additivi;
- una bassa volatilità (resistenza all’evaporazione e capacità di operare a temperature maggiori).
Infine è necessario ricordare che un grasso sigillante non è un olio denso, come erroneamente viene pensato dagli
utilizzatori di frese TBM EPB, ma un addensato. Poiché l’addensante utilizzato influisce specificatamente sulle
proprietà finali del grasso sigillante, in modo particolare quello che viene impiegato per le TBM EPB, suggerisco di
identificarne i vari tipi, chiedendolo al proprio fornitore, di addensante [5].
Faccio presente che le proprietà finali di un grasso varierà a seconda del addensanti usati e additivi utilizzati nell'olio
base.
Per fare meglio comprendere l’importanza della qualità di un grasso sigillante per TBM EPB, mi permetto di fare
presente alcune piccole considerazioni sulla formulazione del grasso sigillante, quelli formulati a base di sapone
metallico, che si possono suddividere in saponi convenzionali (litio, calcio, alluminio, saponi misti litio/calcio) e quelli
formulati con saponi complessi (complesso al litio, complesso all’alluminio e complesso al calcio).
L’addensante più conosciuto e più usato è nella formulazione dei grassi è il complesso al sulfonato di calcio
superbasico, cioè un super sapone complesso. Analogamente, i formulati dei grassi con addensanti, non a base di
sapone, sono identificati dalla base dell’addensante, come l’argilla, la silice e la poliurea.
Comunque, molti produttori di grassi sigillanti per TBM EPB riferiscono valori e proprietà leggermente diversi l’uno
dall’altro.
Conclusioni
L’analisi sin qui condotta ha consentito di interpretare uno dei problemi più importanti da tenere in debita
considerazione, quando utilizziamo un grasso sigillante per TBM EPB, impedire il cedimento del terreno in
corrispondenza del fronte di scavo, illustrato in questa breve relazione, dalla stessa TBM EPB, emerso durante la fase
di scavo, dalla mancata tenuta del grasso sigillante di testa.
Concludo facendo presente in generale che, le formulazioni dei grassi sigillanti contengono tra il 70 - 90% di olio, 5 -
15% di addensanti e fino a 10% di additivi.
Gli oli e gli additivi sono essenzialmente dei prodotti che vengono usati dappertutto nell'industria dei grassi sigillanti
e degli oli in generale.
Gli addensanti, tuttavia, influenzano notevolmente la temperatura e la resistenza all'acqua, proprietà fondamentale
di un buon grasso sigillante di qualità.
L'addensante in un grasso sigillante di solito, come sopra scritto, è un sapone metallico, ma sono addensanti non
saponi. I saponi sono realizzati da un processo di saponificazione del grasso animale neutralizzato mediante acidi.
Mentre il sapone-addensato nei grassi sigillanti comprendono circa l' 85% di tutti i grassi in uso. Essi sono economici
e offrono anche una buona lubrificazione. Il non-sapone negli addensanti sono meno frequentemente usati. Mentre
loro di solito offrono una fusione alle alte temperature, alcune (come la bentonite, le argille e il gel di silice) possono
lasciare un piccolo residuo che può essere molto abrasivo all’usura delle parti metalliche di una TBM EPB, quindi
avremo un grasso sigillante di scarsa qualità.
I grassi sigillanti a base di poliurea è una tecnologia più recente e sono usati in agenti addensanti. Questi grassi
sigillanti offrono una buona resistenza al dilavamento e quindi impedire il cedimento del terreno in corrispondenza
del fronte di scavo.
L’ uso dei grassi a base di sapone rappresentano una vasta gamma di metalli saponi. I saponi, in questo settore della
chimica, vengono spesso identificati dal metallo perché è il metallo quello determina le caratteristiche del sapone.
Di seguito un riepilogo dell’elenco dei saponi:
-Stearato di litio;
- Litio 12-idrossistearato;
- Complesso di litio;
- Calcio idratato;

7. - Calcio anidro;
- Complesso di calcio;
- Alluminio;
- Sodio;
- Bario.
Quindi in conclusione il grasso sigillante a base di sodio sono grassi sigillante spesso incompatibili
con altri addensanti.
Inoltre, come già sopra illustrato, i grassi sigillanti di sodio offrono meno resistenza all'acqua rispetto ad altri
tipi di grassi sigillanti.
Note:
[1] - Utensili, fra i quali consideriamo i cutters da 17" (singoli e doppi), che distaccano il materiale dal fronte che vanno ad
attaccare, i rippers (coltelli), dotati di un tagliente speciale con metallo duro, e gli scapers (raschiatori). I Buckets, invece,
provvedono all'asporto del materiale distaccato, proteggendo anche i disc cutter da eventuali danneggiamenti.
[2] - Lungo il tracciato di scavo di una TBM il terreno si può presentare come roccia compatta, degradata o debole, sino anche,
terreno sciolto, in particolar modo, nelle zone di faglia.
[3] - Il grasso sigillante e impermeabilizzante di coda è un prodotto di lubrificazione utilizzato nelle TBM EPB per il riempimento
delle spazzole dello scudo di coda della fresa. Lo scopo dell'utilizzo è quello di prevenire il flusso di acqua, materiale da stuccatura
e terra all’interno della TBM EPB.
[4] – Di solito il diametro del cuscinetto principale è di 9 metri ed avere un peso che può superare le 200 tonnellate. Il livello di
consumo di entrambi i grassi dipende dalle raccomandazioni dei fornitori di TBM EPB.
[5] – Per comprendere meglio, a titolo puramente indicativo per anticipare le vostre esigenze future, alcune tipiche proprietà
rappresentativi degli addensati più utilizzati nella formulazione dei grassi e che hanno la maggiore influenza sulle proprietà
finale:
I. grassi al sapone di calcio. Hanno una grande stabilità meccanica, una ottima resistenza all’acqua e presentano una
scarsa stabilità all’ossidazione.
II. grassi al litio 12-idrossistearato. Presentano una struttura molto morbida e termostabile, una resistenza all’acqua
buona.
III. grassi complessi all’alluminio. Hanno una buona pompabilità e facile da impiegare a basse temperature con un’ottima
adesione alle parti metalliche. Questi grassi sigillanti possono essere utilizzabili fino a 150-160° C. Inoltre hanno dei
tempi di vita inferiori alla maggior parte dei grassi sigillanti alla poliurea o al complesso al litio.
IV. grassi complessi al calcio. Tali grassi sono molto complessi nella fase di produzione perchè tendono ad indurire quando
stazionano per parecchio tempo in magazzino o a pressioni elevate.
V. grassi complessi al sulfonato di calcio. Sono pochissime aziende in grado di produrre tali grassi sigillanti. Sono prodotti
tecnologicamente molto avanzati ma con proprietà prestazionali scarsi.
VI. grassi al litio e calcio. Sono prodotti eccellenti ed offrono ottima resistenza all’acqua.
VII. grassi complessi al litio (litio/calcio). Sono prodotti eccellenti come il precedente soprattutto se impiegati a temperature
elevate.
VIII. grassi alla poliurea. Questi grassi sigillanti si presentano molto morbidi e possono essere utilizzati a temperatura e
velocità e vengono impiegati su qualsiasi tipo di cuscinetto. Vengono impiegati dove sia prevista una lunga
lubrificazione.
IX. Grasso alla bentonite. L’addensante in questo tipo di grasso non si fonde sino alla temperatura a cui l’olio contenuto
evapora.
--oo0oo—

8. Title of the article:
Main bearing greases for TBM EPB
by LAMANNA Luigi Franco (multi-disciplinary, full-service engineering consultant) (*)
Premise
The rotating head of an EPB TBM is the external part on which the tools (cutters) [1] are placed, which have the
function of breaking up a strong heterogeneity of the characteristics of the rock [2] along the path. The head,
equipped with a rotary motion, is controlled by electric motors, located in the rear area of the TBM, whose bearing
lubrication system is filled (sealed) with a sealant system (commonly called "grease" by professionals) , is pumped
into the excavation chamber through a geometric configuration called "labyrinth".
This system ensures that no other material, such as water present in the ground, can penetrate inside the space,
between the rotating and the fixed part, and destroy the bearings.
Implemented disc cutters
The consumption of this sealing grease depends on the type of TBM used according to the geological-geotechnical
situations and other conditioning factors such as: the pressure inside the excavation chamber and the presence of
water.
Many times, these factors contribute to a short-term subsidence in the tail of the TBM above the tunnel with
deformation of the ground, called subsidence. But this, (due to the subsidence of the TBM) [3] for its complexity, will
be the subject of a subsequent study, very detailed, not only for the characterization of the problem but also for the
conditioning products used.
Subsidence
Therefore, I just want to point out that the subsidence phenomenon generates a complexity of phenomena, all
aimed at causing a lowering of the soil on the surface. In particular:
- damage to infrastructure and buildings on the surface;
- lack of worker safety during the work phases;
- increased stress in the temporary coating with decay of the soil resistance parameters due to their heterogeneity;
- trigger of the instability of the whole slope.

9. Frese meccanizzate TBM di produzione CREG
(China Railway Engineering Equipment Group Co., Ltd)
Tunneling specializes in research, design and manufacture of a
full range of TBMs excavation
Below I want to illustrate a professional experience for induced subsidence after the passage of the shield associated
with the void that has arisen between the ground and the extrados of the coating at the tail of the shield. Accident
occurred in 2016, during the excavation of a metropolitan tunnel in the southeast of CHINA, in the state of XI'AN, an
optimal solution used in large cities on surface communication routes, where an underground tunnel was used to
build an underground tunnel TBM CREG (China Railway Engineering Equipment Group Co., Ltd).
In the present case, the settlements were not due to consolidation problems and not even due to the very nature of
the land affected by the excavation process but, due to the sealing grease of the head, which allowed, due to its
poor quality, to oppose the strong pressure exerted from the water, its entrance inside the shield.
During my on-site technical inspection I was able to verify that the type of sealing grease used, called SEAL-TBM/T-
EC, of Italian supply, did not have the necessary resistance to water pressure, in the hostile environment where the
operated TBM EPB, creating the imperfect sealing of the labyrinth and the bearings.
Main products for bearing lubrication-sealing
The reduction of friction is an important concept to achieve the maximum efficiency of an EPB TBM during its
operation. In addition, the working conditions of EPB TBM require lubrication to prevent water from entering the
work area inside the closed and underground EPB TBM.
Lubrication products are classified into two groups according to their purpose as lubrication products of the main
bearing [4] and tail sealing of the EPB TBM.
The lubrication grease that is used has the purpose of reducing the friction between the main drive and the main
bearing, thus increasing the life of the main bearing and optimizing efficiency.
Furthermore, the purpose of using the main bearing sealing grease is to prevent dust, dirt particles and water from
entering the working chamber of the main bearing.
Labyrinth sealing
Furthermore, I was able to verify that the TBM CREG mechanical cutter was equipped with two sets of waterproofing
systems for the main bearing, the first by means of a labyrinth seal on the main head bearing. The second, sealed,
more internal, towards the side of the excavation chamber, also here there was a system for lubricating the gaskets
of the transmission unit. In fact, this second external seal has the purpose of separating the main bearing from the
excavation chamber. This type of seal is able to form 4 separate areas between them.
While the internal one is a special axial seal that can withstand the pressure of the chamber where the gears are
present.
The special combination of these two sealing systems is able to withstand a water pressure of 9 bar.
The entire sealing system is guaranteed by a particular lubrication / sealing by injection of a particular sealing and
waterproofing grease and is also equipped with a monitoring system for any leaks, monitoring the quantity of grease
injected into the sealing system through pressure monitoring and flow.

10. Grasso sigillante di testa
Grease for the main bearing
Each main bearing must be protected and lubricated as this is the most important part of the TBM EPB cutter. This
protection is ensured by the sealing and lubrication grease (or head). There are different types of fats on the
international markets that have the high environmental standards required today.
The main sealant greases for bearings must have a strong adhesion to metal surfaces and a greater resistance to
washing than EP greases, even if they have a lower lubricating property.
Lubricating greases must contain, within the formulation, antioxidants, corrosion inhibitors and particular additives
such as EP / AW. They must also guarantee excellent mechanical stability, a load-bearing capacity and corrosion
protection, which must make them suitable for bearings that will be subjected to heavy loads and in environments
with a strong presence of water.
Main Bearing Seal Arrangement
The most important typical properties that sealing greases must possess, based on tests carried out on real or
simulated operating mechanisms in the laboratory (where from personal experience I can confirm that they never
exactly reproduce the real operating conditions), are:
- wear prevention according to the 4-ball DIN 51350-T5 and ASTM-D-2266 method of approximately 0.5 mm;
To reduce friction and wear, solid products are used alone or suspended in a base oil or directly in the grease. Some
of the most common materials used are:

11. graphite, molybdenum disulfide, polytetrafluoroethylene (PTFE, Teflon®), mica, zinc oxide and copper.
- a resistance to water spray under pressure on the sealing grease according to the ASTM-D-4049 method at 25° C
lower than 15%.
- Water Washout Resistance according to the ASTM-D-1264 method at 20 C must be < 6 %.
The operating environment of a sealing grease is important, but often not considered when making the choice. A
humid environment, whether it is simply air humidity or direct washing action or in the presence of water, can affect
the sealing grease and represents an important factor in selecting the lubricant for an EPB TBM.
When water enters the labyrinth, the sealing grease can soften (even become semi-fluid) or harden, emulsify the
water or repel it, modify the adhesive properties, making the surface protection of the metal inadequate to the
corrosive action of the water (rust) .
Resistance to washing with water is a characteristic that affects both head and tail sealing greases. The test involves
spraying water at 38 ° C [100 ° F] or 80 ° C [175 ° F] directly onto a test bearing loaded with the sample sealant
grease. The tendency is to test under very harsh conditions at 80 ° C [175 ° F].
The value < 6 % reported is the percentage of weight change at the end of the test.
However, the National Lubricating Grease Institute (NLGI) has indicated over the years the standardization in
numerical terms of classification of TESTS which must describe the properties or performance of sealing greases.
In particular, the main function of sealing greases is to effectively protect the main bearing by preventing water and
soil from entering the sealing system.
I also remember that the main bearing is the most expensive part of a TBM, and therefore it must be well
maintained. For this reason, the highest quality of raw materials in the production of fats is required. That's why the
manufacturer is required to have a MERKEL certification.
I would like to point out that, in addition to the standard greases, for the main bearing, highly biodegradable greases
based on renewable raw materials are present on the international markets.
A typical bearing
Temperature
I want to point out that the operating temperature of the mechanism to be lubricated (bearing) is important for two
reasons.
First, the viscosity of a lubricating grease will go down at increasing temperatures. It is very important that the
chosen lubricating grease must have the ability to retain a protective film sufficient to guarantee protection from
friction.
Second, there are temperature limits that must not be exceeded, because if they exceed certain limits they can
actually do more harm than good.

12. Generally, petroleum based lubricating greases cannot be used above 150° C [300° F] on a regular basis.
While, ester-based synthetic lubricating greases can be used at 230° C [450° F] and ester polyols at
270° C (520° F). Instead silicones can be used at 205° C [400° F].
Other special synthetic greases such as fluorosilicones can be used up to 230° C [450° F].
The determination of the apparent viscosity at low temperatures (ASTM-D-1092 method) allows to define the flow
and pumpability properties of a grease at low temperatures. Greases designed for operation at extremely low
temperatures (below zero) must not stiffen or offer excessive resistance to the rotation of the bearings after
exposure to low temperatures.
The reported methods (IP-186 and ASTM-D-1478) allow to detect the starting and operating torques of ball bearings
with light load at temperatures up to - 54 ° C.
Vegetable based greases
In terms of performance, plant-based lubricating greases, based on my current knowledge, are superior to EP and
petroleum-based lubricating greases.
In addition to the high availability, a disadvantage of these vegetable oil-based lubricating greases is their tendency
to form waxes at low temperatures. Furthermore, oxidative stability is not as good as that of petroleum based
lubricating fatty oils.
Today, all over the world, efforts are being made to reduce the environmental impact from industrial and non-
industrial risks. I think that soon there will be new "natural" lubricating greases on the international market capable
of offering good performance as well as a favorable cost compared to that of synthetic greases.
Plant-based lubricating greases are essentially non-hazardous to the environment and can be disposed of at a
cheaper cost than their oil-based counterparts. In some states, governments have already imposed that only
completely biodegradable products are used and also these lubricating greases, to be used for EPB TBMs, must be in
harmony with the ecosystem.
However, vegetable-based lubricating greases will be useful to use in those risk areas where release into the
environment could pose a problem for human health or a serious environmental hazard.
Thickening
After considering the reasons for using a grease, I suggest users to carefully examine the actual selection of the type
of sealing grease most suitable for certain lubrication and consumption requirements, bearing in mind that the vast
majority of companies that they market EPB TBM sealant greases, they don't actually manufacture them.
Allow me to quickly recall the correlation that sealing greases available on the international market can have based
on their chemical formulation (i.e. thickener + base oil). The type of thickener and the concentration are the
dominant factors of a good sealed grease.
These can range from simple fats, containing mineral oils thickened with metallic soap, to complex soaps, containing
two or more thickeners, as well as organic and mineral thickeners combined with synthetic and / or mineral based
oils.
In most of the greases currently on sale, end users use refined petroleum based greases (paraffinic and / or
naphthenic), for a low ratio between price and performance characteristics.
I remind these users that the physical properties important for selecting a sealing grease containing base oil must
include:
- lubricating properties;
- excellent viscosity;
- excellent resistance to oxidation (even at high temperatures);
- pour point (excellent behavior at low temperatures);
- miscibility with additives;
- low volatility (resistance to evaporation and ability to operate at higher temperatures).

13. Finally, it is necessary to remember that a sealing grease is not a thick oil, as users of TBM EPB cutters mistakenly
think, but a thickener. Since the thickener used specifically affects the final properties of the sealing grease, in
particular what is used for EPB TBMs, I suggest identifying the various types of thickener, asking your supplier, for
thickener [5].
I note that the final properties of a grease will vary depending on the thickeners used and additives used in the base
oil.
To better understand the importance of the quality of a sealant grease for TBM EPB, allow me to present some small
considerations on the formulation of the sealing grease, those formulated based on metallic soap, which can be
divided into conventional soaps (lithium, calcium , aluminum, lithium / calcium mixed soaps) and those formulated
with complex soaps (lithium complex, aluminum complex and calcium complex).
The best known and most used thickener is in the formulation of fats is the superbasic calcium sulfonate complex,
that is, a super complex soap. Similarly, the formulations of greases with thickeners, not based on soap, are
identified by the base of the thickener, such as clay, silica and polyurea.
However, many manufacturers of EPB TBM sealant greases report slightly different values and properties from each
other.
Conclusions
The analysis carried out so far has allowed us to interpret one of the most important problems to be taken into due
consideration, when we use a sealing grease for EPB TBM, to prevent the subsidence of the soil at the excavation
front, illustrated in this brief report, by the same TBM EPB, which emerged during the excavation phase, from the
failure to seal the head sealing grease.
I conclude by pointing out in general that, the formulations of sealing greases contain between 70 - 90% of oil, 5 -
15% of thickeners and up to 10% of additives.
Oils and additives are essentially products that are used all over the world in the sealing grease and oil industry in
general.
Thickeners, however, greatly influence the temperature and water resistance, a fundamental property of a good
quality sealing grease.
The thickener in a sealing grease is usually a metallic soap, as written above, but thickeners are not soaps. The soaps
are made by a saponification process of animal fat neutralized by acids.
While the soap-thickened in sealing greases comprise about 85% of all the greases in use. They are inexpensive and
also offer good lubrication. Non-soap in thickeners are less frequently used. While they usually offer a melting at
high temperatures, some (such as bentonite, clays and silica gel) can leave a small residue that can be very abrasive
to the wear of the metal parts of an EPB TBM, so we will have a grease poor quality sealant.
Polyurea-based sealing greases are a newer technology and are used in thickening agents. These sealing greases
offer good resistance to washing out and therefore prevent the soil from subsiding at the excavation face.
The use of soap based greases represent a wide range of metal soaps. Soaps, in this sector of chemistry, are often
identified by metal because it is metal that determines the characteristics of soap.
Below is a summary of the list of soaps:
-Lithium stearate;
- Lithium 12-hydroxystearate;
- Lithium complex;
- Hydrated calcium;
- Anhydrous calcium;
- Soccer complex;
- Aluminum;
- Sodium;
- Barium.
So in conclusion sodium-based sealing grease are often incompatible sealing greases with other thickeners.

14. Furthermore, as already illustrated above, sodium sealing greases offer less water resistance than others types of
sealing greases.
Note:
[1] - Tools, among which we consider the 17 "cutters (single and double), which detach the material from the front they are going to attack,
the rippers (knives), equipped with a special cutting edge with hard metal, and the scapers (scrapers) The Buckets, on the other hand, take
away the detached material, also protecting the disc cutters from damage.
[2] - Along the excavation route of a TBM, the soil can appear as compact, degraded or weak rock, even up to loose soil, especially in the fault
areas.
[3] - The tail sealing and waterproofing grease is a lubrication product used in EPB TBMs for filling the tail shield brushes of the cutter. The
purpose of use is to prevent the flow of water, grouting material and soil inside the EPB TBM.
[4] - Usually the main bearing diameter is 9 meters and has a weight that can exceed 200 tons. The level of consumption of both fats depends
on the recommendations of the EPB TBM suppliers.
[5] - To better understand, purely as an indication to anticipate your future needs, some typical representative properties of the thickeners
most used in the formulation of fats and which have the greatest influence on the final properties:
I. calcium soap fats. They have great mechanical stability, excellent water resistance and have poor oxidation stability.
II. 12-hydroxystearate lithium fats. They have a very soft and thermostable structure, good water resistance.
III. complex aluminum greases. They have good pumpability and are easy to use at low temperatures with excellent adhesion to the
metal parts. These sealing greases can be usable up to 150-160 ° C. They also have shorter life times than most polyurea or lithium
complex sealing greases.
IV. calcium complex fats. These greases are very complex in the production phase because they tend to harden when stored for a
long time in the warehouse or at high pressures.
V. calcium sulphonate complex fats. There are very few companies capable of producing such sealing greases. They are
technologically very advanced products but with poor performance properties.
VI. lithium and calcium fats. They are excellent products and offer excellent water resistance.
VII. complex lithium fats (lithium / calcium). They are excellent products like the previous one, especially if used at high
temperatures.
VIII. polyurea fats. These sealing greases are very soft and can be used at temperature and speed and are used on any type of
bearing. They are used where long lubrication is required.
IX. Bentonite grease. The thickener in this type of fat does not melt until the temperature at which the oil contained evaporates.
(*) - LAMANNA LUIGI FRANCO
Independent consultant tunneling , mining and oil specialized in mechanized tunneling with Hard Rock TBM and soft soil
EPB Shields expert and consultant in structural reinforcement.
LAMANNA Luigi Franco, performs for 40 years professional consulting and technical direction in the various sectors of civil,
industrial, military, hydraulics, railway, highway and recent years in the sector of “tunneling” and “mining” on the correct use of
special “resin” and related technologies for consolidation, repair and maintenance of masonry, concrete, iron and wood.
Is the author of numerous scientific publications and is always engaged in the study and development of “innovative materials”
and related techniques and technologies used.