超高壓盾構機鉸接密封系統關鍵技術研究

梁興生 賈士雄 趙苗苗 董明晶

(中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 410100)

1 引言

盾構機是集機械、電氣、液壓、測量、控制等多種學科技術于一體，專門用于地下隧道工程開挖的技術密集型重大工程裝備[1-2]。近年來，隨著國內各大城市地鐵建設、管道建設以及引水工程等項目實施，盾構機因其安全性、經濟性以及高效率的施工特點，被廣泛應用于隧道開挖項目施工中[3-5]。

鉸接密封系統是盾構機重要安全密封部分，主要作用是在盾構機施工過程中承受開挖面的水土壓力，阻止水土進入盾構內部。當鉸接密封系統不完整就會導致外部的泥水進入盾體內部，破壞盾體內其他重要部件，導致盾構機面臨施工事故隱患，風險極大[6-8]。隨著地下隧道工程開發的程度越來越廣泛，尤其是盾構機在高埋深、高水壓的地質環境下工作越來越頻繁，這對盾構機鉸接密封系統安全性能的要求越來越高。為保證盾構機鉸接密封結構在高埋深、高水壓的工作環境中的安全性[9-12]，本文對比各種鉸接密封設計方案，分析了影響鉸接密封性的各種因素，提出一種適用于盾構機在高埋深、高水壓地質狀況下的鉸接密封系統，并通過搭建鉸接密封試驗臺驗證該方案的可行性。

2 鉸接密封系統影響因素

2.1 鉸接密封的結構形式

在滿足盾構機施工的安全性情況下，鉸接密封的設計方案根據盾構機的機型、盾構機的工作環境等條件確定。不同類型的鉸接密封設計方案有不同的結構形式，但所設計的鉸接密封方案均需要保證盾構機施工的安全性。常規鉸接密封系統主要由連接環、密封件以及調整環等零部件構成。圖1a所示為鉸接密封的設計方案1，該設計方案主要有連接環、密封件、緊急裝置、調整環、調整螺栓等零部件構成，通過殼體壓縮密封件(密封件有一定的壓縮量)，使密封件和殼體之間緊密接觸從而達到密封的作用。由于鉸接密封的往復運動以及盾構機姿態調整，會導致密封件磨損，當密封件的密封效果減弱時，可以通過調整螺栓調節密封件以達到密封效果。當通過調整螺栓的調節無法起到密封效果時，可以對安裝在密封件底部緊急裝置充氣，使密封件再次與殼體緊密接觸，保證鉸接密封系統的完整性，使盾構機能夠正常工作。圖1b所示為鉸接密封設計方案2，該設計方案和鉸接密封設計方案1的工作原理相似，改變了密封件形狀。圖1c所示的鉸接密封設計方案3，該設計方案的工作原理和鉸接密封設計方案1有所不同的是密封件2固定方式和密封原理。密封件2由壓緊環固定并利用自身的背壓與殼體緊密接觸，以保證殼體與鉸接密封系統完整性，使盾構機正常工作。圖1d所示為鉸接密封設計方案4，該方案設置了兩道唇形密封，通過將密封件由壓緊環固定在連接環上并利用密封件的背壓，起到密封作用。圖1e所示為鉸接密封設計方案5，該方案主要是利用密封件1與殼體接觸，達到了密封的作用，因密封件1磨損導致密封系統破壞時，安裝在密封件2底部緊急裝置充氣，使密封件2再次與殼體緊密接觸，保證鉸接密封系統的完整性。以上為常見的五種鉸接密封設計方案，各個方案結構形式不同，但均是為了保證鉸接密封系統有足夠的安全系數，從而使盾構機正常工作。

2.2 鉸接密封結構密封件的截面屬性

鉸接密封系統中最為重要的零件為密封件，密封件質量的好壞直接影響了鉸接密封系統的安全性。從結構形式上來講，鉸接密封系統中關鍵密封件主要分日系、歐系及國內系列，歐系海瑞克、羅賓斯、NFM，日系日立、三菱、小松，國內知名廠家鐵建重工等主要制造商的鉸接密封件都為橡膠密封圈或唇形聚氨酯密封。橡膠密封圈形式有多種，如日系的O形密封(見圖2a)、歐系的心形密封(見圖2b)，國內知名廠家鐵建重工的B形密封(見圖2c)等；唇形鉸接密封件的唇口型式不同分為單唇形密封(見圖2d)、多唇形密封(見圖2e)，多唇密封圈有更好的韌性，更能有效地適應變形，承壓能力也更高。

圖2 密封件形式

2.3 鉸接密封結構密封件的材料分析

鉸接密封系統的密封件一般分為橡膠密封和聚氨酯密封。從材料上看，橡膠密封主要成分為三元乙丙橡膠，主要采用低溫乳液聚合法生產，其優點是耐油性極好，耐磨性高，耐熱性好，粘接力強、耐腐蝕等特性。由于三元乙丙橡膠具有耐油性極好，當鉸接密封結構有輕微的漏水或者漏漿時，通過向鉸接密封結構中填充大量的油脂，可以有效防止鉸接結構漏水或者漏漿，保證鉸接密封系統的安全性。聚氨酯密封具有機械性能好、抗拉、抗磨、高回彈率和很好的氣體密封性等特點，在低溫-30℃時也有很好的柔韌性，抗氧化和耐臭氧性，使用壽命長。

3 超高壓鉸接密封結構設計及可行性

3.1 超高壓鉸接密封結構設計

以上介紹的鉸接密封系統常用于常規、常壓的條件下選用，當盾構機在高埋深、高水壓的環境下，即鉸接密封系統需要承受大于16 bar高承壓。通過對比各種鉸接密封結構設計、制造以及使用經驗，運用理論與試驗相結合的手段，對比不同載荷條件下，不同材質、不同截面形狀下密封件的密封潤滑機理，提出了一種用于高埋深、高承壓的環境條件下的鉸接密封結構(見圖3)。該鉸接結構中的密封件截面為球形，且密封件的材料為橡膠。

圖3 鉸接密封結構

3.2 鉸接密封試驗臺

目前對鉸接密封系統安全性的試驗分為兩種，一種是對密封件試驗，一種是將鉸接密封系統應用到實際工況中。前一種試驗能夠省去大量的工作，但是和實際的環境相差很大，不足以明顯地模擬實際的工作環境；后一種試驗雖然能夠實際地驗證鉸接密封系統的安全性，但成本極高。立足于現有技術條件，借鑒國內外盾構機鉸接密封系統故障診斷技術研發成果，在不拆解、不損壞鉸接密封結構的前提下，充分借鑒現有鉸接密封設計、制造、使用的經驗，運用理論與試驗相結合的手段，設計一種鉸接密封試驗臺(見圖4)。通過鉸接密封試驗臺來模擬鉸接密封系統，依次來驗證鉸接密封系統的安全性，這種方法綜合前面兩種方法的優點，既模擬了鉸接密封系統又符合實際的工作環境。

圖4 鉸接密封試驗臺

3.3 鉸接密封結構可行性

為了驗證適用于超高壓鉸接密封系統的安全性，通過向鉸接密封試驗臺的壓力腔內注入水從而設置不同泥水壓力，不斷地調整擺動角度來尋找鉸接密封失效的臨界點，檢測鉸接密封在不同的泥水壓力下能承受的最大擺動角度；通過設置不同的泥水壓力，不斷地擺動，用更短的時間完成鉸接密封在擺動的工況下壽命測試；通過調節壓縮量，模擬鉸接密封在不同壓縮量下承受的最大靜壓力。通過上述方法來模擬設計鉸接密封的實際工況，滿足動、靜態下的密封保壓性能測試的狀況下，驗證鉸接密封方案的可行性。

通過在鉸接密封試驗臺頂部和底部分別安裝的壓力傳感器1(見圖5a)和壓力傳感器2(見圖5b)實時檢測鉸接密封系統所受的壓力。記錄壓力傳感器和時間之間相關的數據(見圖6)。從圖6中可以看出，設計的鉸接密封結構在壓力將近17 bar的情況下，鉸接密封系統密封性完整，試驗臺工作環境正常，驗證了鉸接密封結構在高承壓環境下的可行性。

圖5 壓力傳感器

圖6 時間和壓力關系

4 結束語

針對盾構機鉸接密封系統面對超高壓(16 bar以上)的工作環境，總結分析了鉸接密封系統在盾構機施工過程中的重要性，并根據對鉸接密封系統在設計方案、密封件的截面形式、材料等因素影響其密封能力的指標分析，提出了一種用于超高壓的鉸接密封結構方案。搭建鉸接密封試驗臺，對提出超高壓鉸接密封結構進行安全性試驗，通過試驗獲取數據以及試驗臺在超高壓的環境下正常工作，進一步證明了該設計方案的可行性。新的設計方案對于解決盾構機在高埋深、超高壓的工作環境以及提高盾構機施工效率具有重要的實際應用意義，同時為以后設計新的超高壓鉸接密封結構提供直接借鑒價值。