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灣海峽隧道將會逐步提上日程，水土壓力會更高，隧道距離更長，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試已有測試設(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、動態(tài)測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裝置，文獻(xiàn)[7]發(fā)明了1 臺全靜止?fàn)顟B(tài)下檢測盾尾密封刷密封性能測試裝置（最大試驗(yàn)壓力15bar），文獻(xiàn)[8]發(fā)明了1 臺盾尾密封刷密封性能測試裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在軸向移動的條件下檢測盾尾密封刷密封性能（最大試驗(yàn)壓力10bar）。文獻(xiàn)[9-10]介紹了動態(tài)密封性試驗(yàn)臺發(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、動態(tài)檢測盾尾密封性能的設(shè)備。

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

1）通用性強(qiáng)，可檢測各種規(guī)格的盾尾密封，盾尾間隙在20～55mm 范圍內(nèi)可調(diào)，滿足國內(nèi)市場上絕大多數(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，可檢測超高水壓下盾尾密封性，試驗(yàn)臺額定壓力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、徑向移動和轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)等姿態(tài)變化，能夠靜態(tài)、動態(tài)檢測在超長距離超高水土壓力下盾尾密封性能。

2 盾尾密封性試驗(yàn)臺通用性設(shè)計(jì)

國內(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各異，種類繁多，常規(guī)6m 級的土壓平衡盾構(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)行不同臺階設(shè)計(jì)，可滿足不同可檢測各種規(guī)格的盾尾密封，盾尾間隙在20～55mm 范圍內(nèi)可調(diào)，滿足國內(nèi)市場上絕大多數(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)臺的額定壓力2MPa，最大壓力是2.5 MPa。可檢測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——極限偏壓時盾尾密封刷對管片推力；

Ff——浮動環(huán)對外筒摩擦力；

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——單塊盾尾密封刷對管片推力，取6 000N；

μ——外筒對浮動環(huán)之間摩擦因數(shù)，取0.5；

mf——浮動環(huán)重量，為598kg；

g——重力加速度，9.8m/s2。

得：F2≥272.29kN。

3）平臺油缸總推力計(jì)算F3

式中G1——管片重力、平臺重力和掘進(jìn)油缸重力之和；

Gg——管片重力，為65 767N；

Gp——平臺重力；

Gy——掘進(jìn)油缸的重力；

mp——平臺重量，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、徑向移動和轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)等姿態(tài)變化，如圖3 所示。能夠靜態(tài)、動態(tài)地檢測在超長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，推進(jìn)油缸對內(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，側(cè)推油缸對內(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)整時內(nèi)筒變形量仿真

圖7 間隙調(diào)整時外筒變形量仿真

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、管片錯臺及摩擦狀態(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，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