盾構維護常用密封套裝設計與分析

曹明飛/CAO Ming-fei

（中鐵工程裝備集團技術服務有限公司，河南 鄭州 450000）

盾構因其具有高安全性、高效性、穩定性等優點被廣泛應用于城市軌道交通、公路和鐵路施工中，在施工過程中，外界的渣土、泥沙、水等介質的侵入會破壞盾構的安全作業，為了保證施工安全，需要合適的密封件保證盾構的密封效果。

目前，不少學者對我國不同地區的盾構施工及密封做了相應的研究。關輝輝等人以石家莊地鐵1 號線為背景，分析歸納其盾構掘進參數,進一步優化了盾構施工參數[1]。文獻[2]、[3]基于有限元的分析方法，研究了O 形密封圈的接觸應力，為O 形密封圈的安全提供理論依據。文獻[4]Bhaumik 分析了矩形密封圈的接觸表面的摩擦力，也通過實驗驗證有限元分析的結果，得到了矩形密封圈的接觸表面摩擦力以及接觸應力的分布的規律。文獻[5]、[6]設計了一套盾構密封件耐磨的試驗平臺，實現了橡膠密封圈在定速變壓和定壓變速條件下的摩擦磨損實驗，并利用Ansys軟件對O 形密封圈進行了分析，提高了密封圈的使用壽命。文獻[7]研究了盾構主軸承密封圈的密封性能，壓緊環唇形密封圈的密封能力是和預緊載荷和材質有關的，為提高其密封性能，要選擇合適的密封圈的數量以及壓緊環的直徑。文獻[8]研究了盾構的主驅動密封系統的設備后期的維修與管理，介紹了一套合理的設備管理維護的技術。

在目前盾構維護行業中，現場維護作業所需的密封件沒有作為系列套裝進行隨機配套提供，但是組成盾構的零部件眾多，密封種類、規格型號更是千差萬別，導致在盾構的實際維護工作中，要么采購大量整套的標準密封備用，或者為了一個異形密封而高價采購原廠家的整套密封包，以防萬一，這既會增加使用方的庫存資金，也在實際操作中造成一部分材料的浪費。要么使用方因為技術或資金資源緊張，導致儲備不到位或采購周期長，滿足不了盾構維護的急切需求，現場退而求其次，使用接近的標準型號臨時替換異形密封，造成安裝尺寸不不匹配，導致維修效果不好，設備故障率居高不下，所以本文提出制定一套完備的盾構維護常用密封套裝的管理體系，為后期盾構維護帶來便利，節約時間、資金成本，具有重要的現實意義。

1 盾構結構及密封系統介紹

1.1 盾構本體組成

盾構是一種在地層中掘進的專用的工程機械，它集合了盾構施工過程中的開挖、出土、支護、注漿、導向等功能，廣泛應用于城市軌道交通、公路和鐵路施工。盾構主要是由刀盤、盾體、管片安裝機、螺旋輸送機、后配套系統組成，如圖1 所示。刀盤是在刀盤驅動的作用下，用來開挖巖土、切削土層，根據不同的地質條件，選擇合適的刀具來適應盾構施工的要求。盾體是一個承力鋼結構，一是承受地下的水、土壓力，管片拼裝時的附加力以及千斤頂的推力和其他載荷；二是保護操作人員的安全。盾體可分為3 個部分，分別是前盾、中盾和尾盾。管片拼裝機用于單塊襯砌管片的就位。螺旋輸送機上安裝有土壓傳感器，土壓傳感器反饋輸送機內部的壓力，調節螺旋輸送機的轉速等，控制出土量，最終保證盾構的正常掘進。后配套系統主要包括2 輛電車和5輛獨立的臺車。

圖1 盾構結構圖

1.2 盾構密封系統介紹

盾構的密封系統最重要的零件就是密封件，密封件質量、材料、結構、型號等，直接影響盾構施工的安全性，所以密封系統是盾構安全作業中關鍵且薄弱的一環，盾構的密封系統主要分為主驅動密封、鉸接密封和盾尾密封。

1.3 主驅動密封

盾構主驅動系統是盾構刀盤轉動的直接動力,被稱為盾構的“心臟”,而主驅動密封便是此心臟的保護膜,因此盾構主驅動密封性能的好壞直接決定盾構性能。主驅動系統共包含了內、外兩道系統，均是由唇形密封、O 形圈、隔環、壓環組成。外密封是4 道密封，如圖2 所示，內密封是3 道密封，如圖3 所示。主驅動系統因體積大、重量大,難以在隧道內進行更換,如果在施工過程中因密封異常損壞或嚴重磨損導致間隙過大等問題造成主軸承齒輪油泄漏或泥沙顆粒進入齒輪箱,引起主軸承或齒輪損壞,導致盾構癱瘓,將給隧道工程施工帶來巨大的安全風險和不可估量的經濟損失。

圖2 主驅動外密封裝置

1.4 鉸接密封

鉸接密封裝置的基本結構如圖4 所示，主要是由密封圈與緊急充氣密封圈組成，密封圈和緊急充氣密封圈都安裝在盾構前部與的盾構后部之間，密封圈的作用是防止在盾構過程中，地層的泥沙，水等介質進入盾構，造成盾構的損壞。緊急充氣密封圈的作用是當遇到盾構的正常密封圈失效時，緊急充氣密封圈充氣，利用氣壓來擋住外部的水，泥沙等雜質，避免影響盾構的正常運行。在密封圈與緊急充氣密封圈之間可注入油脂，作用是延長盾構密封圈的使用壽命，同時也能提高密封效果。

圖4 鉸接密封結構圖

1.5 盾尾密封

盾構的盾尾密封是安裝在盾體的尾部，盾尾密封的不好就會造成漏漿、漏泥、漏水等問題，盾構的盾尾密封裝置的結構如圖5 所示。盾構盾尾布置了3 道密封刷，在盾構刷與管片間注入密封油脂，有效避免了同步注漿或二次補漿過程中漿液從盾尾刷與管片間空隙流出，而且注入密封油脂可避免地下水滲漏到盾構中。一旦盾尾刷被破壞，會使盾尾出現漏水漏漿的情況，引起地面沉降過大。

圖5 盾尾密封裝置結構圖

2 盾構維護密封套裝的重要性

盾構作為隧道掘進設備，盾構的安全運行與良好的備用狀態是保證其高效穩定工作的前提。為了達到良好的工作環境，必須要有合適的密封套裝作為后備材料，以備盾構密封件出現故障時，能夠及時更換，避免造成因密封件的損壞而延誤工期，產生巨大的經濟損失。

2.1 盾構維護密封套裝使用現狀

盾構的密封系統主要是主驅動密封、鉸接密封、盾尾密封，這些密封件主要包括O 形密封圈、唇形密封圈、U 形密封圈等。這些密封圈的性能要求必須滿足抗腐蝕性、抗擦傷性、抗沖蝕性以及抗氣蝕性。盾構常用密封系統的材料主要是橡膠、石墨、聚四氟乙烯等。其中，盾構最常用的密封件材料為橡膠，橡膠又包含丁腈橡膠、天然橡膠、羧酸腈、氟橡膠、乙丙橡膠、氫化丁腈橡膠、硅橡膠、氯丁橡膠、氟硅橡膠、聚氨酯、氯醇橡膠、丁苯橡膠、丁基橡膠等等，在橡膠密封圈的實際使用中，需要根據盾構的工作環境，地質條件、溫度以及密封選用介質等多方面因素，對其材料進行選擇。

2.2 密封失效形式及原因

盾構在掘進施工過程中，其工況復雜，盾構的密封系統失效形式多種多樣，主驅動密封失效的表現形式齒輪油液位的突然升高，或者油液中的含水量的增加，密封件破壞變形等等。鉸接密封失效可以表現為密封件和活塞桿磨損破壞、油缸漏油、鉸接油缸的行程傳感器失效等。盾尾密封的失效會導致漏水、漏漿等情況發生。

密封失效的原因有：①密封圈的磨損；②密封圈更換之后型號不匹配；③橡膠密封材料的質量問題；④密封件安裝不正確；⑤維保人員在更換密封件時沒有根據盾構的姿態及時做出調整；⑥地質條件和作業環境復雜以及其他人為操作因素等都會造成密封系統的損壞和失效。

3 盾構密封套裝設計

盾構工況環境往往惡劣且周邊情況變化復雜，所對應的機構密封機制也復雜，不同機型不同部位的盾構密封存在問題如下。

1）目前尚未有統一的套裝，在實際生產作業下，在貨源采集以及更換準備過程中，往往由于沒有統一的套裝造成庫壓存貨過多或沒有足夠的庫存余量。

2）不同部位的密封件疏于管理，在更換時，難以做到快速查閱，難以實現密封件的準確快速更換。

3）盾構密封互換問題在當前存在諸多困難，為企業資金庫存等也增加了壓力。

鑒于以上幾方面，本文提出了一種具有互換性強、便于更換的盾構密封套裝設計，主要結果如下。

3.1 盾構密封套裝設計思路

首先，根據不同型號的盾構，應該設計相對應的密封套裝，即不同型號的套裝盡量針對各自規格的盾構，不發生交叉使用，以達到使用便捷性目的；其次，針對某一具體型號盾構，將密封套裝設計采用分層設計思想，即不同部位的密封套裝盡量不交叉，對應的可將套裝分為4 層，即主驅動密封層、鉸接密封層、盾尾密封層以及異形密封層。其中，異形密封層為單獨的密封層，便于非常規規格密封圈的查找。盾構的密封套裝設計的具體思路如圖6 所示。

圖6 盾構的密封套裝設計思路

從圖中可以看出，對于每個型號的盾構密封裝置，在該設計框架下，都能夠較好地實現密封分類、密封查找以及密封裝置的保存等。

3.2 盾構密封套裝設計方案

1）主驅動密封 主驅動密封層主要包括對應于盾構主驅動環節的所有密封件的存儲與管理。主要方案如圖7 所示，主驅動密封主要圍繞不同的材料、尺寸以及相對的余量存儲進行展開，在主驅動密封工作、密封件更換以及查找時，可以實現快速方便的查找，增加工作的效率。

圖7 主驅動密封方案

2）鉸接密封 鉸接密封主要分為密封與緊急充氣密封兩個環節，針對該工作的內容，將密封套裝設計為如下圖所示，主要針對兩類密封工況進行主體分層設計，在此基礎上，增加對每類密封圈的規格進行再次分層設計。如圖8 所示，鉸接密封套裝設計采取了和主驅動密封相似的套裝設計理念，主要從密封圈和緊急充氣密封圈著手，在考慮使用余量下，實現了鉸接類密封圈的快速查詢使用。

圖8 鉸接密封方案

3）盾尾密封 盾尾密封相對于主驅動密封以及鉸接密封具有各自獨特的特點，在防止地下水滲入方面，盾尾密封采用了3 道密封刷進行密封，因此在盾尾密封設計方案中，對刷形密封單獨進行了套裝設計，設計方案如圖9 所示，盾尾密封相對于其他兩處密封套裝設計主要將盾尾的三處刷形密封裝置集成設計在一處，而將其他密封以及密封余量分別作為另外兩處套裝分開設計，目的在于實現安裝時各自密封裝置快速查找且減少貨源庫存，最終實現密封裝置的準確管理。

圖9 盾尾密封方案

4 盾構密封套裝設計結果分析

4.1 分類管理的科學性、合理性分析

各部分套裝針對某個具體型號的盾構，即不同的盾構有對應不同的密封套裝，保證了工作實施的獨立性。此外，由于密封套裝針對不同部位有對應的位置進行儲存，增加了密封工作的時效性。最后，在每個對應的密封位置增加了額外的余量密封，保證了在施工過程中存有余量并快速更換。

密封套裝的設計為每個型號盾構進行了單獨配套，減少了在實際應用中密封裝置的單獨進行庫存，在不同部位進行密封時，能夠有序的查找對應的配套，避免安裝尺寸不不匹配以及減少設備故障率，提高現場生產和客戶體驗。

4.2 快速查找盾構維護的密封套裝型號流程

在密封圈進行更換時，可以快速有效地實現新密封圈位置查找。具體思路如圖10 所示，當密封圈磨損或者損壞時，通過定位到具體的盾構型，進而進行相關匹配。緊接著進行關鍵部位判定，如主驅動密封、鉸接密封以及盾尾密封的判定。在此之后，針對每一部分進行相對應的套裝判定選用，確定相關材料以及規格后判定使用，當沒有合適密封時，則選用密封余量套裝，如此整個密封裝置的更換。以上一對一的盾構密封套裝配套，保證了在更換過程中的快速查詢與使用。

圖10 密封套裝查找流程

5 結語

盾構作為地下盾構施工的重要設備，盾構安全作業是保證盾構施工的前提，盾構的密封性能是對安全穩定性是至關重要的。本文通過對盾構維護常用密封套裝的研究，得到以下結論。

1）本文對盾構的結構以及密封系統的結構組成進行研究，針對盾構維護常用密封套裝使用現狀分析以及分析密封失效的原因及失效形式，得出設計一套盾構密封套裝的必要性。

2）根據盾構密封套裝的設計思路，分別針對主驅動密封、鉸接密封、盾尾密封進行設計了密封方案。

3）針對設計的盾構的密封套裝的方案，從盾構密封套裝設計的分類管理的科學性、合理性方面進行分析，整體套裝采用分層、分部件設計思想，設計結果在工程實踐中得到了較好的應用。

4）建立了盾構維護常用密封套裝的快速查找流程，保障了在密封件更換的過程中，能夠及時快速的查找與使用，為盾構施工提供了便利。