超高压盾构机铰接密封系统关键技术研究

梁兴生 贾士雄 赵苗苗 董明晶

(中国铁建重工集团股份有限公司 湖南长沙 410100)

1 引言

盾构机是集机械、电气、液压、测量、控制等多种学科技术于一体，专门用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备[1-2]。近年来，随着国内各大城市地铁建设、管道建设以及引水工程等项目实施，盾构机因其安全性、经济性以及高效率的施工特点，被广泛应用于隧道开挖项目施工中[3-5]。

铰接密封系统是盾构机重要安全密封部分，主要作用是在盾构机施工过程中承受开挖面的水土压力，阻止水土进入盾构内部。当铰接密封系统不完整就会导致外部的泥水进入盾体内部，破坏盾体内其他重要部件，导致盾构机面临施工事故隐患，风险极大[6-8]。随着地下隧道工程开发的程度越来越广泛，尤其是盾构机在高埋深、高水压的地质环境下工作越来越频繁，这对盾构机铰接密封系统安全性能的要求越来越高。为保证盾构机铰接密封结构在高埋深、高水压的工作环境中的安全性[9-12]，本文对比各种铰接密封设计方案，分析了影响铰接密封性的各种因素，提出一种适用于盾构机在高埋深、高水压地质状况下的铰接密封系统，并通过搭建铰接密封试验台验证该方案的可行性。

2 铰接密封系统影响因素

2.1 铰接密封的结构形式

在满足盾构机施工的安全性情况下，铰接密封的设计方案根据盾构机的机型、盾构机的工作环境等条件确定。不同类型的铰接密封设计方案有不同的结构形式，但所设计的铰接密封方案均需要保证盾构机施工的安全性。常规铰接密封系统主要由连接环、密封件以及调整环等零部件构成。图1a所示为铰接密封的设计方案1，该设计方案主要有连接环、密封件、紧急装置、调整环、调整螺栓等零部件构成，通过壳体压缩密封件(密封件有一定的压缩量)，使密封件和壳体之间紧密接触从而达到密封的作用。由于铰接密封的往复运动以及盾构机姿态调整，会导致密封件磨损，当密封件的密封效果减弱时，可以通过调整螺栓调节密封件以达到密封效果。当通过调整螺栓的调节无法起到密封效果时，可以对安装在密封件底部紧急装置充气，使密封件再次与壳体紧密接触，保证铰接密封系统的完整性，使盾构机能够正常工作。图1b所示为铰接密封设计方案2，该设计方案和铰接密封设计方案1的工作原理相似，改变了密封件形状。图1c所示的铰接密封设计方案3，该设计方案的工作原理和铰接密封设计方案1有所不同的是密封件2固定方式和密封原理。密封件2由压紧环固定并利用自身的背压与壳体紧密接触，以保证壳体与铰接密封系统完整性，使盾构机正常工作。图1d所示为铰接密封设计方案4，该方案设置了两道唇形密封，通过将密封件由压紧环固定在连接环上并利用密封件的背压，起到密封作用。图1e所示为铰接密封设计方案5，该方案主要是利用密封件1与壳体接触，达到了密封的作用，因密封件1磨损导致密封系统破坏时，安装在密封件2底部紧急装置充气，使密封件2再次与壳体紧密接触，保证铰接密封系统的完整性。以上为常见的五种铰接密封设计方案，各个方案结构形式不同，但均是为了保证铰接密封系统有足够的安全系数，从而使盾构机正常工作。

2.2 铰接密封结构密封件的截面属性

铰接密封系统中最为重要的零件为密封件，密封件质量的好坏直接影响了铰接密封系统的安全性。从结构形式上来讲，铰接密封系统中关键密封件主要分日系、欧系及国内系列，欧系海瑞克、罗宾斯、NFM，日系日立、三菱、小松，国内知名厂家铁建重工等主要制造商的铰接密封件都为橡胶密封圈或唇形聚氨酯密封。橡胶密封圈形式有多种，如日系的O形密封(见图2a)、欧系的心形密封(见图2b)，国内知名厂家铁建重工的B形密封(见图2c)等；唇形铰接密封件的唇口型式不同分为单唇形密封(见图2d)、多唇形密封(见图2e)，多唇密封圈有更好的韧性，更能有效地适应变形，承压能力也更高。

图2 密封件形式

2.3 铰接密封结构密封件的材料分析

铰接密封系统的密封件一般分为橡胶密封和聚氨酯密封。从材料上看，橡胶密封主要成分为三元乙丙橡胶，主要采用低温乳液聚合法生产，其优点是耐油性极好，耐磨性高，耐热性好，粘接力强、耐腐蚀等特性。由于三元乙丙橡胶具有耐油性极好，当铰接密封结构有轻微的漏水或者漏浆时，通过向铰接密封结构中填充大量的油脂，可以有效防止铰接结构漏水或者漏浆，保证铰接密封系统的安全性。聚氨酯密封具有机械性能好、抗拉、抗磨、高回弹率和很好的气体密封性等特点，在低温-30℃时也有很好的柔韧性，抗氧化和耐臭氧性，使用寿命长。

3 超高压铰接密封结构设计及可行性

3.1 超高压铰接密封结构设计

以上介绍的铰接密封系统常用于常规、常压的条件下选用，当盾构机在高埋深、高水压的环境下，即铰接密封系统需要承受大于16 bar高承压。通过对比各种铰接密封结构设计、制造以及使用经验，运用理论与试验相结合的手段，对比不同载荷条件下，不同材质、不同截面形状下密封件的密封润滑机理，提出了一种用于高埋深、高承压的环境条件下的铰接密封结构(见图3)。该铰接结构中的密封件截面为球形，且密封件的材料为橡胶。

图3 铰接密封结构

3.2 铰接密封试验台

目前对铰接密封系统安全性的试验分为两种，一种是对密封件试验，一种是将铰接密封系统应用到实际工况中。前一种试验能够省去大量的工作，但是和实际的环境相差很大，不足以明显地模拟实际的工作环境；后一种试验虽然能够实际地验证铰接密封系统的安全性，但成本极高。立足于现有技术条件，借鉴国内外盾构机铰接密封系统故障诊断技术研发成果，在不拆解、不损坏铰接密封结构的前提下，充分借鉴现有铰接密封设计、制造、使用的经验，运用理论与试验相结合的手段，设计一种铰接密封试验台(见图4)。通过铰接密封试验台来模拟铰接密封系统，依次来验证铰接密封系统的安全性，这种方法综合前面两种方法的优点，既模拟了铰接密封系统又符合实际的工作环境。

图4 铰接密封试验台

3.3 铰接密封结构可行性

为了验证适用于超高压铰接密封系统的安全性，通过向铰接密封试验台的压力腔内注入水从而设置不同泥水压力，不断地调整摆动角度来寻找铰接密封失效的临界点，检测铰接密封在不同的泥水压力下能承受的最大摆动角度；通过设置不同的泥水压力，不断地摆动，用更短的时间完成铰接密封在摆动的工况下寿命测试；通过调节压缩量，模拟铰接密封在不同压缩量下承受的最大静压力。通过上述方法来模拟设计铰接密封的实际工况，满足动、静态下的密封保压性能测试的状况下，验证铰接密封方案的可行性。

通过在铰接密封试验台顶部和底部分别安装的压力传感器1(见图5a)和压力传感器2(见图5b)实时检测铰接密封系统所受的压力。记录压力传感器和时间之间相关的数据(见图6)。从图6中可以看出，设计的铰接密封结构在压力将近17 bar的情况下，铰接密封系统密封性完整，试验台工作环境正常，验证了铰接密封结构在高承压环境下的可行性。

图5 压力传感器

图6 时间和压力关系

4 结束语

针对盾构机铰接密封系统面对超高压(16 bar以上)的工作环境，总结分析了铰接密封系统在盾构机施工过程中的重要性，并根据对铰接密封系统在设计方案、密封件的截面形式、材料等因素影响其密封能力的指标分析，提出了一种用于超高压的铰接密封结构方案。搭建铰接密封试验台，对提出超高压铰接密封结构进行安全性试验，通过试验获取数据以及试验台在超高压的环境下正常工作，进一步证明了该设计方案的可行性。新的设计方案对于解决盾构机在高埋深、超高压的工作环境以及提高盾构机施工效率具有重要的实际应用意义，同时为以后设计新的超高压铰接密封结构提供直接借鉴价值。