超高水压动态盾尾密封性试验台设计
2022-04-20沈桂丽吴朝来
沈桂丽，吴朝来
（中铁隧道局集团有限公司设备分公司，河南 洛阳 471009）
SHEN Gui-li,WU Chao-lai
国内保有的盾构数量大、种类繁多，盾构隧道工程向着超高水压的方向发展[1]，近期国内施工和规划的隧道最大水土压力已经超过12bar，渤海湾海底隧道、琼州海峡甚至将来的台湾海峡隧道将会逐步提上日程，水土压力会更高，隧道距离更长，防止盾尾密封泄露技术难度更大[2-5]。盾尾密封工作原理是由3～5 道盾尾密封刷与管片形成舱体，注入盾尾油脂形成油脂腔防止壁后注浆或外界水土进入盾构，盾尾密封性能由盾尾密封刷性能和盾尾油脂的性能直接相关，盾尾密封刷的性能主要包含弹性、耐磨性和密封性三大性能，目前弹性和耐磨性测试已有测试设备[6]或通过化学元素分析推定，但能够真实模拟盾构工作现实工况、动态测试盾尾密封性能一直是业内难以攻克的技术难题。
国内已有几家与盾构相关研发单位研制出了自己的盾尾密封刷密封性能检测装置，文献[7]发明了1 台全静止状态下检测盾尾密封刷密封性能测试装置（最大试验压力15bar），文献[8]发明了1 台盾尾密封刷密封性能测试装置能够实现在轴向移动的条件下检测盾尾密封刷密封性能（最大试验压力10bar）。文献[9-10]介绍了动态密封性试验台发明的技术资料，但实际没有研发出产品。截至目前，国内外没有可以试验在超高水压掘进条件下，真实模拟现实工况、动态检测盾尾密封性能的设备。
1 盾尾密封性试验台设计的创新性
1）通用性强，可检测各种规格的盾尾密封，盾尾间隙在20～55mm 范围内可调，满足国内市场上绝大多数盾构盾尾的设计间隙。全面研究影响盾尾密封性能的关键因素，通过全工况动态、静态模拟盾构掘进和姿态调整，不同注浆压力、盾构油脂压力下，观测盾尾刷的密封性，指导盾构盾尾密封结构设计和盾尾油脂品牌选择与油脂注入设计。改进盾尾密封刷产品生产加工工艺，提高或优选盾尾密封性能品质，为盾构在恶劣环境下的顺利掘进保驾护航。
2）承压高，可检测超高水压下盾尾密封性，试验台额定压力20bar，最大压力25bar。
3）可实现模拟盾构掘进过程中的轴向移动、径向移动和转向偏转等姿态变化，能够静态、动态检测在超长距离超高水土压力下盾尾密封性能。
2 盾尾密封性试验台通用性设计
国内保有的盾构直径从4～16.07m，盾尾间隙从20～55mm 不等，盾构配套使用盾尾密封刷型号各异，种类繁多，常规6m 级的土压平衡盾构，一般使用3 道盾尾密封刷，随着水土压力增大，使用的盾尾密封刷道数越多，目前最多配置5 道盾尾密封刷，根据以上基础条件分析，试验台通用性设计包含了不同盾尾间隙设计20～50mm，盾尾密封刷5 道，盾尾密封刷安装面直径设计，直径不宜过大，否则成本较高。
2.1 盾尾密封刷安装面的直径R
盾尾密封刷安装面与盾尾密封刷在尾盾壳体内部的弦高、盾尾密封刷的使用数量、宽度、高度及拼接间隙有密切关系如图1 所示。
图1 盾尾密封刷在盾尾的安装图
式中L——盾尾圆心到盾尾密封刷上盖板的高度；
h1——盾尾密封刷厚度，取32mm；
h2——盾尾密封刷与盾壳体内部弦高，取4.5mm；
W——盾尾密封刷宽度及拼接间隙的1/2，取100.75mm；
n——盾尾密封刷数量，取33 块。
得：R=2184mm。
2.2 不同盾尾间隙设计
在盾壳内部进行不同台阶设计，可满足不同可检测各种规格的盾尾密封，盾尾间隙在20～55mm 范围内可调，满足国内市场上绝大多数盾构盾尾的设计间隙如图2 所示。
图2 不同盾尾间隙设计
2.3 高承压设计
试验台机械机构由外筒（盾尾）、内筒（管片）、基座、掘进油缸、盾尾间隙调整油缸等组成，试验台的额定压力2MPa，最大压力是2.5 MPa。可检测超高水压下盾尾密封性，高压设计包括盾尾壁厚、管片壁厚及各油缸受力进行分析计算。
2.3.1 盾尾壁厚δ1
式中D——盾体外径；
D1——盾体内径，取2 184mm；
P——系统最大压强，取2.5MPa；
S——安全系数，取7；
ζ——抗拉强度，取600MPa。
得：δ1=32mm，取40mm。
2.3.2 管片壁厚δ2
式中D2——管片外径，取2 046mm；
P——系统最大压强，取2.5MPa；
S——安全系数，取7；
ζ——抗拉强度，取600MPa。
得：δ2=30mm。
2.3.3 油缸受力分析
1）推进油缸总推力计算F1
式中Gg——管片重力；
Fd——盾尾密封刷与管片之间的摩擦力；
Fz——轴套与管片之间的摩擦力；
Fm——密封与管片之间的摩擦力；
mg——管片重量6 710.96kg；
g——重力加速度，为9.8m/s2；
n——盾尾密封刷的道数，取5 道；
n1——每道盾尾密封刷数量，为36 块；
Fd——每块盾尾密封刷对管片的摩擦力，取200N；
α——管片偏压角度，为1.13°；
μ1——轴套与管片之间的摩擦，取0.2；
Am——密封的受力面积0.1m2；
P泥水——泥水腔压力2.5MPa；
μ2——密封与管片之间的摩擦，取0.8。
得F1≥280.026kN。
2）间隙调整油缸总推力计算2
式中Fdt——极限偏压时盾尾密封刷对管片推力；
Ff——浮动环对外筒摩擦力；
n——盾尾密封刷的道数，取5 道；
n1——每道盾尾密封刷数量，为36 块；
FT——单块盾尾密封刷对管片推力，取6 000N；
μ——外筒对浮动环之间摩擦因数，取0.5；
mf——浮动环重量，为598kg；
g——重力加速度，9.8m/s2。
得：F2≥272.29kN。
3）平台油缸总推力计算F3
式中G1——管片重力、平台重力和掘进油缸重力之和；
Gg——管片重力，为65 767N；
Gp——平台重力；
Gy——掘进油缸的重力；
mp——平台重量，为1 980.2kg，
my——掘进油缸重量，为184kg；
g——重力加速度，为9.8m/s2；
Fd——盾尾密封刷与管片之间的摩擦力，为36 000N；
Fz——轴套与管片之间的摩擦力，为259.95N；
Fm——密封与管片之间的摩擦力，为178 000N。
得：F3≥300.98kN。
2.4 可实现模拟盾构掘进姿态和过程
实验台通过掘进油缸和间隙调整油缸可实现模拟盾构掘进过程中的轴向移动、径向移动和转向偏转等姿态变化，如图3 所示。能够静态、动态地检测在超长距离超高水土压力下盾尾密封性能。
图3 模拟盾构掘进姿态
3 试验台机械结构力学仿真分析
3.1 掘进状态下内、外筒变形量的仿真
掘进时，推进油缸对内筒施加的作用力为F1，外筒受到盾尾密封刷的摩擦力Fd。通过仿真软件分析，内筒和外筒最大变形量分别为1.336mm 和0.50015mm，满足设计使用要求，仿真图如图4 和图5 所示。
图4 掘进状态内筒变形量仿真
图5 掘进状态外筒变形量仿真
3.2 间隙调整状态下内、外筒变形量的仿真
间隙调整时，侧推油缸对内筒、外筒施加的作用力为F2，通过仿真软件分析，内筒和外筒最大变形量分别为1.2979mm 和1.2769mm，满足设计使用要求，仿真图如图6 和图7 所示。
图6 间隙调整时内筒变形量仿真
图7 间隙调整时外筒变形量仿真
4 结论与建议
盾尾密封刷密封性试验台成功研制关键，一是能够满足25bar 这种超高压试验条件能够二是能真实的模拟盾构掘进的姿态和过程，例如：模拟盾尾密封刷在盾构掘进过程中极限偏压、管片错台及摩擦状态；真实模拟盾尾密封刷在油脂和泥浆介质等压力下工作状态。并提出建议如下。
1）利用试验台，深入研究超高水压盾尾密封工作原理、特性及机理。
2）制定合理的试验方案，真实还原或模拟盾尾密封在不同工况的试验条件并记录相关试验结果，总结、分析盾尾密封使用效果影响因素，匹配相关影响因子及关联系数。
通过调整盾构掘进姿态，对盾尾密封刷进行保护[11]，科学防范高水土压力下盾尾密封泄露情况。O
