超高水壓動(dòng)態(tài)盾尾密封性試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

沈桂麗，吳朝來

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司設(shè)備分公司，河南 洛陽 471009）

SHEN Gui-li,WU Chao-lai

國(guó)內(nèi)保有的盾構(gòu)數(shù)量大、種類繁多，盾構(gòu)隧道工程向著超高水壓的方向發(fā)展[1]，近期國(guó)內(nèi)施工和規(guī)劃的隧道最大水土壓力已經(jīng)超過12bar，渤海灣海底隧道、瓊州海峽甚至將來的臺(tái)灣海峽隧道將會(huì)逐步提上日程，水土壓力會(huì)更高，隧道距離更長(zhǎng)，防止盾尾密封泄露技術(shù)難度更大[2-5]。盾尾密封工作原理是由3～5 道盾尾密封刷與管片形成艙體，注入盾尾油脂形成油脂腔防止壁后注漿或外界水土進(jìn)入盾構(gòu)，盾尾密封性能由盾尾密封刷性能和盾尾油脂的性能直接相關(guān)，盾尾密封刷的性能主要包含彈性、耐磨性和密封性三大性能，目前彈性和耐磨性測(cè)試已有測(cè)試設(shè)備[6]或通過化學(xué)元素分析推定，但能夠真實(shí)模擬盾構(gòu)工作現(xiàn)實(shí)工況、動(dòng)態(tài)測(cè)試盾尾密封性能一直是業(yè)內(nèi)難以攻克的技術(shù)難題。

國(guó)內(nèi)已有幾家與盾構(gòu)相關(guān)研發(fā)單位研制出了自己的盾尾密封刷密封性能檢測(cè)裝置，文獻(xiàn)[7]發(fā)明了1 臺(tái)全靜止?fàn)顟B(tài)下檢測(cè)盾尾密封刷密封性能測(cè)試裝置（最大試驗(yàn)壓力15bar），文獻(xiàn)[8]發(fā)明了1 臺(tái)盾尾密封刷密封性能測(cè)試裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在軸向移動(dòng)的條件下檢測(cè)盾尾密封刷密封性能（最大試驗(yàn)壓力10bar）。文獻(xiàn)[9-10]介紹了動(dòng)態(tài)密封性試驗(yàn)臺(tái)發(fā)明的技術(shù)資料，但實(shí)際沒有研發(fā)出產(chǎn)品。截至目前，國(guó)內(nèi)外沒有可以試驗(yàn)在超高水壓掘進(jìn)條件下，真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)工況、動(dòng)態(tài)檢測(cè)盾尾密封性能的設(shè)備。

1 盾尾密封性試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性

1）通用性強(qiáng)，可檢測(cè)各種規(guī)格的盾尾密封，盾尾間隙在20～55mm 范圍內(nèi)可調(diào)，滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上絕大多數(shù)盾構(gòu)盾尾的設(shè)計(jì)間隙。全面研究影響盾尾密封性能的關(guān)鍵因素，通過全工況動(dòng)態(tài)、靜態(tài)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)和姿態(tài)調(diào)整，不同注漿壓力、盾構(gòu)油脂壓力下，觀測(cè)盾尾刷的密封性，指導(dǎo)盾構(gòu)盾尾密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和盾尾油脂品牌選擇與油脂注入設(shè)計(jì)。改進(jìn)盾尾密封刷產(chǎn)品生產(chǎn)加工工藝，提高或優(yōu)選盾尾密封性能品質(zhì)，為盾構(gòu)在惡劣環(huán)境下的順利掘進(jìn)保駕護(hù)航。

2）承壓高，可檢測(cè)超高水壓下盾尾密封性，試驗(yàn)臺(tái)額定壓力20bar，最大壓力25bar。

3）可實(shí)現(xiàn)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的軸向移動(dòng)、徑向移動(dòng)和轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)等姿態(tài)變化，能夠靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)在超長(zhǎng)距離超高水土壓力下盾尾密封性能。

2 盾尾密封性試驗(yàn)臺(tái)通用性設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)保有的盾構(gòu)直徑從4～16.07m，盾尾間隙從20～55mm 不等，盾構(gòu)配套使用盾尾密封刷型號(hào)各異，種類繁多，常規(guī)6m 級(jí)的土壓平衡盾構(gòu)，一般使用3 道盾尾密封刷，隨著水土壓力增大，使用的盾尾密封刷道數(shù)越多，目前最多配置5 道盾尾密封刷，根據(jù)以上基礎(chǔ)條件分析，試驗(yàn)臺(tái)通用性設(shè)計(jì)包含了不同盾尾間隙設(shè)計(jì)20～50mm，盾尾密封刷5 道，盾尾密封刷安裝面直徑設(shè)計(jì)，直徑不宜過大，否則成本較高。

2.1 盾尾密封刷安裝面的直徑R

盾尾密封刷安裝面與盾尾密封刷在尾盾殼體內(nèi)部的弦高、盾尾密封刷的使用數(shù)量、寬度、高度及拼接間隙有密切關(guān)系如圖1 所示。

圖1 盾尾密封刷在盾尾的安裝圖

式中L——盾尾圓心到盾尾密封刷上蓋板的高度；

h1——盾尾密封刷厚度，取32mm；

h2——盾尾密封刷與盾殼體內(nèi)部弦高，取4.5mm；

W——盾尾密封刷寬度及拼接間隙的1/2，取100.75mm；

n——盾尾密封刷數(shù)量，取33 塊。

得：R=2184mm。

2.2 不同盾尾間隙設(shè)計(jì)

在盾殼內(nèi)部進(jìn)行不同臺(tái)階設(shè)計(jì)，可滿足不同可檢測(cè)各種規(guī)格的盾尾密封，盾尾間隙在20～55mm 范圍內(nèi)可調(diào)，滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上絕大多數(shù)盾構(gòu)盾尾的設(shè)計(jì)間隙如圖2 所示。

圖2 不同盾尾間隙設(shè)計(jì)

2.3 高承壓設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械機(jī)構(gòu)由外筒（盾尾）、內(nèi)筒（管片）、基座、掘進(jìn)油缸、盾尾間隙調(diào)整油缸等組成，試驗(yàn)臺(tái)的額定壓力2MPa，最大壓力是2.5 MPa?？蓹z測(cè)超高水壓下盾尾密封性，高壓設(shè)計(jì)包括盾尾壁厚、管片壁厚及各油缸受力進(jìn)行分析計(jì)算。

2.3.1 盾尾壁厚δ1

式中D——盾體外徑；

D1——盾體內(nèi)徑，取2 184mm；

P——系統(tǒng)最大壓強(qiáng)，取2.5MPa；

S——安全系數(shù)，取7；

ζ——抗拉強(qiáng)度，取600MPa。

得：δ1=32mm，取40mm。

2.3.2 管片壁厚δ2

式中D2——管片外徑，取2 046mm；

P——系統(tǒng)最大壓強(qiáng)，取2.5MPa；

S——安全系數(shù)，取7；

ζ——抗拉強(qiáng)度，取600MPa。

得：δ2=30mm。

2.3.3 油缸受力分析

1）推進(jìn)油缸總推力計(jì)算F1

式中Gg——管片重力；

Fd——盾尾密封刷與管片之間的摩擦力；

Fz——軸套與管片之間的摩擦力；

Fm——密封與管片之間的摩擦力；

mg——管片重量6 710.96kg；

g——重力加速度，為9.8m/s2；

n——盾尾密封刷的道數(shù)，取5 道；

n1——每道盾尾密封刷數(shù)量，為36 塊；

Fd——每塊盾尾密封刷對(duì)管片的摩擦力，取200N；

α——管片偏壓角度，為1.13°；

μ1——軸套與管片之間的摩擦，取0.2；

Am——密封的受力面積0.1m2；

P泥水——泥水腔壓力2.5MPa；

μ2——密封與管片之間的摩擦，取0.8。

得F1≥280.026kN。

2）間隙調(diào)整油缸總推力計(jì)算2

式中Fdt——極限偏壓時(shí)盾尾密封刷對(duì)管片推力；

Ff——浮動(dòng)環(huán)對(duì)外筒摩擦力；

n——盾尾密封刷的道數(shù)，取5 道；

n1——每道盾尾密封刷數(shù)量，為36 塊；

FT——單塊盾尾密封刷對(duì)管片推力，取6 000N；

μ——外筒對(duì)浮動(dòng)環(huán)之間摩擦因數(shù)，取0.5；

mf——浮動(dòng)環(huán)重量，為598kg；

g——重力加速度，9.8m/s2。

得：F2≥272.29kN。

3）平臺(tái)油缸總推力計(jì)算F3

式中G1——管片重力、平臺(tái)重力和掘進(jìn)油缸重力之和；

Gg——管片重力，為65 767N；

Gp——平臺(tái)重力；

Gy——掘進(jìn)油缸的重力；

mp——平臺(tái)重量，為1 980.2kg，

my——掘進(jìn)油缸重量，為184kg；

g——重力加速度，為9.8m/s2；

Fd——盾尾密封刷與管片之間的摩擦力，為36 000N；

Fz——軸套與管片之間的摩擦力，為259.95N；

Fm——密封與管片之間的摩擦力，為178 000N。

得：F3≥300.98kN。

2.4 可實(shí)現(xiàn)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)和過程

實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過掘進(jìn)油缸和間隙調(diào)整油缸可實(shí)現(xiàn)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的軸向移動(dòng)、徑向移動(dòng)和轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)等姿態(tài)變化，如圖3 所示。能夠靜態(tài)、動(dòng)態(tài)地檢測(cè)在超長(zhǎng)距離超高水土壓力下盾尾密封性能。

圖3 模擬盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)

3 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析

3.1 掘進(jìn)狀態(tài)下內(nèi)、外筒變形量的仿真

掘進(jìn)時(shí)，推進(jìn)油缸對(duì)內(nèi)筒施加的作用力為F1，外筒受到盾尾密封刷的摩擦力Fd。通過仿真軟件分析，內(nèi)筒和外筒最大變形量分別為1.336mm 和0.50015mm，滿足設(shè)計(jì)使用要求，仿真圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 掘進(jìn)狀態(tài)內(nèi)筒變形量仿真

圖5 掘進(jìn)狀態(tài)外筒變形量仿真

3.2 間隙調(diào)整狀態(tài)下內(nèi)、外筒變形量的仿真

間隙調(diào)整時(shí)，側(cè)推油缸對(duì)內(nèi)筒、外筒施加的作用力為F2，通過仿真軟件分析，內(nèi)筒和外筒最大變形量分別為1.2979mm 和1.2769mm，滿足設(shè)計(jì)使用要求，仿真圖如圖6 和圖7 所示。

圖6 間隙調(diào)整時(shí)內(nèi)筒變形量仿真

圖7 間隙調(diào)整時(shí)外筒變形量仿真

4 結(jié)論與建議

盾尾密封刷密封性試驗(yàn)臺(tái)成功研制關(guān)鍵，一是能夠滿足25bar 這種超高壓試驗(yàn)條件能夠二是能真實(shí)的模擬盾構(gòu)掘進(jìn)的姿態(tài)和過程，例如：模擬盾尾密封刷在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中極限偏壓、管片錯(cuò)臺(tái)及摩擦狀態(tài)；真實(shí)模擬盾尾密封刷在油脂和泥漿介質(zhì)等壓力下工作狀態(tài)。并提出建議如下。

1）利用試驗(yàn)臺(tái)，深入研究超高水壓盾尾密封工作原理、特性及機(jī)理。

2）制定合理的試驗(yàn)方案，真實(shí)還原或模擬盾尾密封在不同工況的試驗(yàn)條件并記錄相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)、分析盾尾密封使用效果影響因素，匹配相關(guān)影響因子及關(guān)聯(lián)系數(shù)。

通過調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，對(duì)盾尾密封刷進(jìn)行保護(hù)[11]，科學(xué)防范高水土壓力下盾尾密封泄露情況。O