盾構(gòu)機(jī)密封系統(tǒng)水壓加載檢測(cè)裝置的研制

趙海峰，劉巖巖，李福寶，邊 野

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)遼陽(yáng)分校，遼寧 遼陽(yáng) 111003；2.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

1 引言

地下隧道掘進(jìn)中廣泛應(yīng)用各種類型的盾構(gòu)機(jī)，特別是一些大埋深、高水壓、長(zhǎng)距離且地質(zhì)條件復(fù)雜多變的跨江越海隧道工程中更是離不開泥水盾構(gòu)機(jī)。密封系統(tǒng)是決定盾構(gòu)機(jī)性能的基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)。如果密封系統(tǒng)失效，就會(huì)直接造成盾構(gòu)機(jī)停機(jī)。在隧道內(nèi)進(jìn)行密封系統(tǒng)的更換和維修非常困難，不僅會(huì)造成施工危險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)延長(zhǎng)工期、增加成本，給整個(gè)隧道工程造成巨大的損失。

日本東京灣道路隧道工程全長(zhǎng)15km，最大水壓0.42MPa，盾構(gòu)機(jī)直徑14.14m；上海長(zhǎng)江隧道工程全長(zhǎng)17km，最大水壓0.68MPa，盾構(gòu)機(jī)直徑14.93m；南京長(zhǎng)江隧道全長(zhǎng)3.02km，最大水壓0.58MPa，盾構(gòu)機(jī)直徑14.96m。規(guī)劃中的瓊州海峽、臺(tái)灣海峽，以及國(guó)外白令海峽等海峽隧道都是典型的高水壓、大直徑、長(zhǎng)距離隧道施工工程，盾構(gòu)機(jī)直徑都超過15m，最大水壓達(dá)到1.7MPa，最長(zhǎng)掘進(jìn)距離超過28km。

通過已有的工程隧道掘進(jìn)情況來看，在富水地段及水底等高水壓地段施工時(shí)，密封防水是盾構(gòu)法施工的基礎(chǔ)必要條件。因此，需要通過實(shí)驗(yàn)加載裝置對(duì)盾構(gòu)機(jī)密封系統(tǒng)的密封性能、可靠性能進(jìn)行檢測(cè)，才能選擇合適的材料、結(jié)構(gòu)、工藝，滿足高水壓條件下的刀盤主軸承、盾尾、換刀系統(tǒng)等部件的密封要求。

目前關(guān)于盾構(gòu)機(jī)密`封系統(tǒng)、特別是動(dòng)態(tài)密封系統(tǒng)的性能研究的不多。為了避免在實(shí)際使用中造成重大經(jīng)濟(jì)損失、保證盾構(gòu)機(jī)安全使用，需要提前在實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)密封系統(tǒng)的可靠性、密封性進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和論證，保證其安全可靠才能夠應(yīng)用到實(shí)際工程上去[1]。因此，所研制的水壓加載檢測(cè)裝置是根據(jù)實(shí)際工況需求，研制出能夠檢測(cè)盾構(gòu)機(jī)密封系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。與此同時(shí)，考慮到盾構(gòu)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)過程中提高了水壓加載裝置的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并增加了檢測(cè)內(nèi)容。

2 盾構(gòu)機(jī)主要密封系統(tǒng)介紹

2.1 主驅(qū)動(dòng)密封

使用骨架式唇形密封結(jié)構(gòu)和油脂密封，防止泥水和雜質(zhì)進(jìn)入主驅(qū)動(dòng)中，保護(hù)主軸承正常工作。①注入的是HBW油脂、②③注入的EP2油脂，利用不斷擠出的油脂，將泥水等雜質(zhì)阻擋在主驅(qū)動(dòng)外面，如圖1所示。①注入的HBW油脂作為第一道密封，與外界直接接觸。主驅(qū)動(dòng)橡膠密封結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖1 主驅(qū)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Main Drive Seal Profile

圖2 主驅(qū)動(dòng)唇形密封結(jié)構(gòu)Fig.2 Main Drive Lip Seal Structure

2.2 盾尾密封

盾尾密封系統(tǒng)是依靠鋼絲刷和油脂密封盾尾和管片之間的縫隙，阻止地下水、砂漿和固體顆粒進(jìn)入盾體。高水壓情況下，鋼絲狀的尾刷都是三排或者更多排的焊接在殼體上的密封刷組成，防止注漿材料和地下水漏進(jìn)盾體內(nèi)部。每排密封刷中間形成空間，中間由密封油脂填充滿，通過油脂泵注入不溶于水密封油脂，保證盾尾的密封性。具體，如圖3所示。

圖3 盾尾密封結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.3 Profile of Shield Tail Seal Structure

2.3 換刀系統(tǒng)密封

在長(zhǎng)距離的掘進(jìn)過程中，刀具的磨損和破壞是必須考慮的問題，特別是在高水壓條件下，換刀就顯得尤為重要。高水壓下的換刀裝置密封系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件可靠性、密封性只有通過反復(fù)的試驗(yàn)論證安全可靠才能夠應(yīng)用到實(shí)際工程上去。具體換刀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。除此之外，盾構(gòu)機(jī)在施工過程中還有一些結(jié)構(gòu)是通過各種方式與壓力面有接觸，如表1所示。

圖4 換刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Tool Changing System

表1 盾構(gòu)機(jī)主要密封系統(tǒng)說明Tab.1 Main Sealing Parts and Instructions of Shield Machine

3 密封失效分析

盾構(gòu)機(jī)的密封是為了防止外界壓力介質(zhì)發(fā)生泄漏到盾體內(nèi)部。只考慮泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的主要密封部位的工作環(huán)境進(jìn)行分析，確定主要失效形式和形成原因。根據(jù)這些造成泄露的影響因素，使用正交實(shí)驗(yàn)方法確定主要因素，作為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)加載設(shè)備的技術(shù)條件。關(guān)鍵密封部位的工作條件和工作環(huán)境，如表2所示。盾構(gòu)機(jī)密封失效的主要表現(xiàn)是流體泄漏，主要失效原因是由于密封件磨損、破損，或者是密封件上面有間隙造成的密封泄露。此外還有因?yàn)榧庸ぁ惭b誤差導(dǎo)致的失效，在此不做考慮。密封件的磨損和破損是在一定工作環(huán)境下，例如土砂進(jìn)入油脂密封通道間隙過大、鹽堿腐蝕等因素造成的。

表2 密封部件工作環(huán)境Tab.2 Seal Parts Working Environment

4 檢測(cè)裝置研制

兩端壓力值不等，是造成密封失效的根本原因。通常認(rèn)為水壓試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)壓力容器受壓元件、部件的嚴(yán)密性或整臺(tái)壓力容器的嚴(yán)密性[3]。所講述的水壓加載裝置參考GB150-1998《鋼制壓力容器》、日本壓力容器標(biāo)準(zhǔn)JIS B 8270-1993《壓力容器（通用標(biāo)準(zhǔn)）》，以及美國(guó)ASME規(guī)范，確定實(shí)驗(yàn)加載壓力最大值為3.0MPa，保壓時(shí)間30min，液體溫度>15℃。

4.1 加載裝置設(shè)計(jì)制造

設(shè)計(jì)制造水壓加載實(shí)驗(yàn)裝置，首先用于驗(yàn)證水下?lián)Q刀裝置密封結(jié)構(gòu)的可靠性以及使用壽命等方面的研究。其次，模擬泥水盾構(gòu)機(jī)盾尾密封裝置的安裝與拆卸功能。此外，要把壓力容器罐、主驅(qū)動(dòng)與后配套系統(tǒng)作為整體，綜合考慮模擬實(shí)際施工中的環(huán)境進(jìn)行密封檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。由于氣動(dòng)技術(shù)具有成本低、節(jié)能高效、清潔無污染、維護(hù)方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，此裝置的水壓加載壓力源使用氣囊加載模式。此水壓加載裝置系統(tǒng)圖和總裝布置圖，如圖5所示。從實(shí)驗(yàn)介質(zhì)、溫度、經(jīng)濟(jì)性等因素考慮，壓力容器材料為16MnR，制造完成后現(xiàn)場(chǎng)總裝，如圖6所示。

圖5 加載裝置系統(tǒng)圖Fig.5 System Diagram of Loading Device

圖6 加載實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)總裝圖Fig.6 Site Assembly Drawing of Loading Test Equipment

4.2 制定壓力試驗(yàn)檢測(cè)大綱

參考標(biāo)準(zhǔn)《TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和《GB 150.4-2011壓力容器第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》、以及相關(guān)論文等資料后確定此裝置壓力試驗(yàn)檢測(cè)大綱如下。

（1）干燥、潔凈氣源，氣體的溫度應(yīng)不低于15℃；

（2）試驗(yàn)時(shí)先緩慢升至規(guī)定試驗(yàn)壓力的10%，保壓30min，對(duì)接頭部分進(jìn)行初次檢查；

（3）確認(rèn)無泄漏后，再繼續(xù)升至規(guī)定試驗(yàn)壓力的50%，保壓60min；

（4）如無異常，按照規(guī)定試驗(yàn)壓力的10%逐級(jí)升壓，直至試驗(yàn)壓力，每次保壓30min；

（5）升至試驗(yàn)最高壓力，試驗(yàn)穩(wěn)壓的持續(xù)時(shí)間應(yīng)為24h，每小時(shí)記錄不應(yīng)少于1次，當(dāng)修正壓力降小于133Pa為合格。

（6）降至設(shè)計(jì)壓力，保壓足夠時(shí)間進(jìn)行檢查，檢查期間壓力不變。

（7）修正壓力降應(yīng)按下式確定：

式中：ΔP′—修正壓力降（Pa）；H1、H2—試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)的壓力計(jì)讀數(shù)（Pa）；B1、B2—試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)的氣壓計(jì)讀數(shù)（Pa）；t1、t2—試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)管內(nèi)介質(zhì)溫度（℃）

檢查主要結(jié)構(gòu)密封性的方式有三種，分別是變形檢查、有無異響檢查和肥皂液涂抹檢查，具體根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定詳細(xì)檢查大綱。密封試驗(yàn)泄漏量參考GB∕T 13927-92（相當(dāng)于ISO 5208-87）和ZBJ 16006-90（相當(dāng)于API 598-82）[3]。考慮到實(shí)際操作中有人員參與，換刀系統(tǒng)密封泄漏量標(biāo)準(zhǔn)按照最高級(jí)A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來檢測(cè)、主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)按照B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來檢測(cè)、盾尾密封系統(tǒng)按照D級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來檢測(cè)。

5 結(jié)論

針對(duì)重大隧道工程的地質(zhì)情況、并考慮盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，研制一套完整的水壓加載檢測(cè)裝置，用于對(duì)盾構(gòu)機(jī)主要密封系統(tǒng)的密封性和可靠性進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果能夠?qū)Χ軜?gòu)機(jī)的研制和隧道工程的規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。（1）研制出水壓加載檢測(cè)裝置，裝置包括高壓空氣加載系統(tǒng)、壓力容器、注水排水系統(tǒng)、動(dòng)力柜、電控柜、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、以及基礎(chǔ)平臺(tái)支架。其中，壓力容器采用法蘭連接方式，可以根據(jù)檢測(cè)內(nèi)容確定相應(yīng)的檢測(cè)方式和技術(shù)參數(shù)。（2）檢測(cè)裝置中的壓力介質(zhì)、泥漿粘度等技術(shù)指標(biāo)完全仿照實(shí)際盾構(gòu)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，具備反復(fù)試驗(yàn)檢測(cè)密封系統(tǒng)的技術(shù)能力。（3）使用正交實(shí)驗(yàn)方法確定的密封系統(tǒng)影響因素，不僅可以檢測(cè)密封性和可靠性，還可以為密封系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)提供實(shí)驗(yàn)論證和數(shù)據(jù)支持。