盾构维护常用密封套装设计与分析

曹明飞/CAO Ming-fei

（中铁工程装备集团技术服务有限公司，河南 郑州 450000）

盾构因其具有高安全性、高效性、稳定性等优点被广泛应用于城市轨道交通、公路和铁路施工中，在施工过程中，外界的渣土、泥沙、水等介质的侵入会破坏盾构的安全作业，为了保证施工安全，需要合适的密封件保证盾构的密封效果。

目前，不少学者对我国不同地区的盾构施工及密封做了相应的研究。关辉辉等人以石家庄地铁1 号线为背景，分析归纳其盾构掘进参数,进一步优化了盾构施工参数[1]。文献[2]、[3]基于有限元的分析方法，研究了O 形密封圈的接触应力，为O 形密封圈的安全提供理论依据。文献[4]Bhaumik 分析了矩形密封圈的接触表面的摩擦力，也通过实验验证有限元分析的结果，得到了矩形密封圈的接触表面摩擦力以及接触应力的分布的规律。文献[5]、[6]设计了一套盾构密封件耐磨的试验平台，实现了橡胶密封圈在定速变压和定压变速条件下的摩擦磨损实验，并利用Ansys软件对O 形密封圈进行了分析，提高了密封圈的使用寿命。文献[7]研究了盾构主轴承密封圈的密封性能，压紧环唇形密封圈的密封能力是和预紧载荷和材质有关的，为提高其密封性能，要选择合适的密封圈的数量以及压紧环的直径。文献[8]研究了盾构的主驱动密封系统的设备后期的维修与管理，介绍了一套合理的设备管理维护的技术。

在目前盾构维护行业中，现场维护作业所需的密封件没有作为系列套装进行随机配套提供，但是组成盾构的零部件众多，密封种类、规格型号更是千差万别，导致在盾构的实际维护工作中，要么采购大量整套的标准密封备用，或者为了一个异形密封而高价采购原厂家的整套密封包，以防万一，这既会增加使用方的库存资金，也在实际操作中造成一部分材料的浪费。要么使用方因为技术或资金资源紧张，导致储备不到位或采购周期长，满足不了盾构维护的急切需求，现场退而求其次，使用接近的标准型号临时替换异形密封，造成安装尺寸不不匹配，导致维修效果不好，设备故障率居高不下，所以本文提出制定一套完备的盾构维护常用密封套装的管理体系，为后期盾构维护带来便利，节约时间、资金成本，具有重要的现实意义。

1 盾构结构及密封系统介绍

1.1 盾构本体组成

盾构是一种在地层中掘进的专用的工程机械，它集合了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等功能，广泛应用于城市轨道交通、公路和铁路施工。盾构主要是由刀盘、盾体、管片安装机、螺旋输送机、后配套系统组成，如图1 所示。刀盘是在刀盘驱动的作用下，用来开挖岩土、切削土层，根据不同的地质条件，选择合适的刀具来适应盾构施工的要求。盾体是一个承力钢结构，一是承受地下的水、土压力，管片拼装时的附加力以及千斤顶的推力和其他载荷；二是保护操作人员的安全。盾体可分为3 个部分，分别是前盾、中盾和尾盾。管片拼装机用于单块衬砌管片的就位。螺旋输送机上安装有土压传感器，土压传感器反馈输送机内部的压力，调节螺旋输送机的转速等，控制出土量，最终保证盾构的正常掘进。后配套系统主要包括2 辆电车和5辆独立的台车。

图1 盾构结构图

1.2 盾构密封系统介绍

盾构的密封系统最重要的零件就是密封件，密封件质量、材料、结构、型号等，直接影响盾构施工的安全性，所以密封系统是盾构安全作业中关键且薄弱的一环，盾构的密封系统主要分为主驱动密封、铰接密封和盾尾密封。

1.3 主驱动密封

盾构主驱动系统是盾构刀盘转动的直接动力,被称为盾构的“心脏”,而主驱动密封便是此心脏的保护膜,因此盾构主驱动密封性能的好坏直接决定盾构性能。主驱动系统共包含了内、外两道系统，均是由唇形密封、O 形圈、隔环、压环组成。外密封是4 道密封，如图2 所示，内密封是3 道密封，如图3 所示。主驱动系统因体积大、重量大,难以在隧道内进行更换,如果在施工过程中因密封异常损坏或严重磨损导致间隙过大等问题造成主轴承齿轮油泄漏或泥沙颗粒进入齿轮箱,引起主轴承或齿轮损坏,导致盾构瘫痪,将给隧道工程施工带来巨大的安全风险和不可估量的经济损失。

图2 主驱动外密封装置

1.4 铰接密封

铰接密封装置的基本结构如图4 所示，主要是由密封圈与紧急充气密封圈组成，密封圈和紧急充气密封圈都安装在盾构前部与的盾构后部之间，密封圈的作用是防止在盾构过程中，地层的泥沙，水等介质进入盾构，造成盾构的损坏。紧急充气密封圈的作用是当遇到盾构的正常密封圈失效时，紧急充气密封圈充气，利用气压来挡住外部的水，泥沙等杂质，避免影响盾构的正常运行。在密封圈与紧急充气密封圈之间可注入油脂，作用是延长盾构密封圈的使用寿命，同时也能提高密封效果。

图4 铰接密封结构图

1.5 盾尾密封

盾构的盾尾密封是安装在盾体的尾部，盾尾密封的不好就会造成漏浆、漏泥、漏水等问题，盾构的盾尾密封装置的结构如图5 所示。盾构盾尾布置了3 道密封刷，在盾构刷与管片间注入密封油脂，有效避免了同步注浆或二次补浆过程中浆液从盾尾刷与管片间空隙流出，而且注入密封油脂可避免地下水渗漏到盾构中。一旦盾尾刷被破坏，会使盾尾出现漏水漏浆的情况，引起地面沉降过大。

图5 盾尾密封装置结构图

2 盾构维护密封套装的重要性

盾构作为隧道掘进设备，盾构的安全运行与良好的备用状态是保证其高效稳定工作的前提。为了达到良好的工作环境，必须要有合适的密封套装作为后备材料，以备盾构密封件出现故障时，能够及时更换，避免造成因密封件的损坏而延误工期，产生巨大的经济损失。

2.1 盾构维护密封套装使用现状

盾构的密封系统主要是主驱动密封、铰接密封、盾尾密封，这些密封件主要包括O 形密封圈、唇形密封圈、U 形密封圈等。这些密封圈的性能要求必须满足抗腐蚀性、抗擦伤性、抗冲蚀性以及抗气蚀性。盾构常用密封系统的材料主要是橡胶、石墨、聚四氟乙烯等。其中，盾构最常用的密封件材料为橡胶，橡胶又包含丁腈橡胶、天然橡胶、羧酸腈、氟橡胶、乙丙橡胶、氢化丁腈橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、氟硅橡胶、聚氨酯、氯醇橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶等等，在橡胶密封圈的实际使用中，需要根据盾构的工作环境，地质条件、温度以及密封选用介质等多方面因素，对其材料进行选择。

2.2 密封失效形式及原因

盾构在掘进施工过程中，其工况复杂，盾构的密封系统失效形式多种多样，主驱动密封失效的表现形式齿轮油液位的突然升高，或者油液中的含水量的增加，密封件破坏变形等等。铰接密封失效可以表现为密封件和活塞杆磨损破坏、油缸漏油、铰接油缸的行程传感器失效等。盾尾密封的失效会导致漏水、漏浆等情况发生。

密封失效的原因有：①密封圈的磨损；②密封圈更换之后型号不匹配；③橡胶密封材料的质量问题；④密封件安装不正确；⑤维保人员在更换密封件时没有根据盾构的姿态及时做出调整；⑥地质条件和作业环境复杂以及其他人为操作因素等都会造成密封系统的损坏和失效。

3 盾构密封套装设计

盾构工况环境往往恶劣且周边情况变化复杂，所对应的机构密封机制也复杂，不同机型不同部位的盾构密封存在问题如下。

1）目前尚未有统一的套装，在实际生产作业下，在货源采集以及更换准备过程中，往往由于没有统一的套装造成库压存货过多或没有足够的库存余量。

2）不同部位的密封件疏于管理，在更换时，难以做到快速查阅，难以实现密封件的准确快速更换。

3）盾构密封互换问题在当前存在诸多困难，为企业资金库存等也增加了压力。

鉴于以上几方面，本文提出了一种具有互换性强、便于更换的盾构密封套装设计，主要结果如下。

3.1 盾构密封套装设计思路

首先，根据不同型号的盾构，应该设计相对应的密封套装，即不同型号的套装尽量针对各自规格的盾构，不发生交叉使用，以达到使用便捷性目的；其次，针对某一具体型号盾构，将密封套装设计采用分层设计思想，即不同部位的密封套装尽量不交叉，对应的可将套装分为4 层，即主驱动密封层、铰接密封层、盾尾密封层以及异形密封层。其中，异形密封层为单独的密封层，便于非常规规格密封圈的查找。盾构的密封套装设计的具体思路如图6 所示。

图6 盾构的密封套装设计思路

从图中可以看出，对于每个型号的盾构密封装置，在该设计框架下，都能够较好地实现密封分类、密封查找以及密封装置的保存等。

3.2 盾构密封套装设计方案

1）主驱动密封 主驱动密封层主要包括对应于盾构主驱动环节的所有密封件的存储与管理。主要方案如图7 所示，主驱动密封主要围绕不同的材料、尺寸以及相对的余量存储进行展开，在主驱动密封工作、密封件更换以及查找时，可以实现快速方便的查找，增加工作的效率。

图7 主驱动密封方案

2）铰接密封 铰接密封主要分为密封与紧急充气密封两个环节，针对该工作的内容，将密封套装设计为如下图所示，主要针对两类密封工况进行主体分层设计，在此基础上，增加对每类密封圈的规格进行再次分层设计。如图8 所示，铰接密封套装设计采取了和主驱动密封相似的套装设计理念，主要从密封圈和紧急充气密封圈着手，在考虑使用余量下，实现了铰接类密封圈的快速查询使用。

图8 铰接密封方案

3）盾尾密封 盾尾密封相对于主驱动密封以及铰接密封具有各自独特的特点，在防止地下水渗入方面，盾尾密封采用了3 道密封刷进行密封，因此在盾尾密封设计方案中，对刷形密封单独进行了套装设计，设计方案如图9 所示，盾尾密封相对于其他两处密封套装设计主要将盾尾的三处刷形密封装置集成设计在一处，而将其他密封以及密封余量分别作为另外两处套装分开设计，目的在于实现安装时各自密封装置快速查找且减少货源库存，最终实现密封装置的准确管理。

图9 盾尾密封方案

4 盾构密封套装设计结果分析

4.1 分类管理的科学性、合理性分析

各部分套装针对某个具体型号的盾构，即不同的盾构有对应不同的密封套装，保证了工作实施的独立性。此外，由于密封套装针对不同部位有对应的位置进行储存，增加了密封工作的时效性。最后，在每个对应的密封位置增加了额外的余量密封，保证了在施工过程中存有余量并快速更换。

密封套装的设计为每个型号盾构进行了单独配套，减少了在实际应用中密封装置的单独进行库存，在不同部位进行密封时，能够有序的查找对应的配套，避免安装尺寸不不匹配以及减少设备故障率，提高现场生产和客户体验。

4.2 快速查找盾构维护的密封套装型号流程

在密封圈进行更换时，可以快速有效地实现新密封圈位置查找。具体思路如图10 所示，当密封圈磨损或者损坏时，通过定位到具体的盾构型，进而进行相关匹配。紧接着进行关键部位判定，如主驱动密封、铰接密封以及盾尾密封的判定。在此之后，针对每一部分进行相对应的套装判定选用，确定相关材料以及规格后判定使用，当没有合适密封时，则选用密封余量套装，如此整个密封装置的更换。以上一对一的盾构密封套装配套，保证了在更换过程中的快速查询与使用。

图10 密封套装查找流程

5 结语

盾构作为地下盾构施工的重要设备，盾构安全作业是保证盾构施工的前提，盾构的密封性能是对安全稳定性是至关重要的。本文通过对盾构维护常用密封套装的研究，得到以下结论。

1）本文对盾构的结构以及密封系统的结构组成进行研究，针对盾构维护常用密封套装使用现状分析以及分析密封失效的原因及失效形式，得出设计一套盾构密封套装的必要性。

2）根据盾构密封套装的设计思路，分别针对主驱动密封、铰接密封、盾尾密封进行设计了密封方案。

3）针对设计的盾构的密封套装的方案，从盾构密封套装设计的分类管理的科学性、合理性方面进行分析，整体套装采用分层、分部件设计思想，设计结果在工程实践中得到了较好的应用。

4）建立了盾构维护常用密封套装的快速查找流程，保障了在密封件更换的过程中，能够及时快速的查找与使用，为盾构施工提供了便利。