异型断面掘进机球型铰接结构试验装置研究

袁玮皓（上海隧道工程有限公司，上海 200137）

目前，异型断面隧道掘进机在城市的施工过程中会受到已有建筑物、管线以及设计规划的制约，需要进行较小转弯半径的掘进施工。另外，相对于圆形常规掘进设备，异形断面掘进机由于被切削的土层土质条件比较复杂，壳体各个部分受到的土压力不一致，导致掘进机的实际掘机方向会与原设计的中心线有偏差。为了减小偏差，提高工程质量，异形断面隧道掘进机就更需要铰接装置进行纠偏转向。

1 现有技术调查研究

搜索论文及专利，调研现有的铰接装置，发现目前国内圆形盾构机铰接装置普遍采用 2 种方法，即被动铰接和主动铰接。被动铰接是依靠外力使铰接油缸伸缩，从而使盾构前体和盾构后体形成夹角，推进油缸用一组摆动轴承固定在盾构前体，另一端顶在管壁上，推进油缸作用在盾构前体。主动铰接是直接使用铰接油缸的主动伸缩使盾构前体和盾构后体形成夹角，盾构的推进油缸固定在盾构后体。见图 1、图 2。

图1 被动铰接结构

图2 主动铰接结构

主动铰接和被动铰接两种铰接方式中的结构细节见图 3，通过对比可以发现，主动铰接和被动铰接的结构密封方式基本相同。在铰接密封结构中，盾构前体壳体直径略大于盾构后体壳体直径，盾构前体壳体套在后体壳体外，依靠密封圈、紧急充气密封圈以及注入油脂来进行壳体间的密封。这样的密封方式，在盾构机进行纠偏或转向使用铰接装置时，其整个密封圈的压密量不是恒定的，固然需要紧急充气密封圈和油脂来加强密封能力[1-2]。

图3 主动铰接与被动铰接密封结构

对国内现有的类矩形盾构中铰接装置进行了研究，其主要铰接形式、铰接密封形式和圆形盾构机的基本相同。圆形盾构机前体和后体发生铰接转动时，壳体间密封圈的压密量虽然不恒定，但由于圆形壳体曲率相同，其挤压变形的趋势是可以预测的。而类矩形盾构壳体是不同曲率的，所以壳体之间密封圈的压密量以及挤压变形的趋势是很难预测的，因而其铰接转动角度不宜太大；另外还增加了可调式铰接密封装置，进一步加强了其铰接转动过程中的密封性能[3]。

2 研究设计方向

根据上述调查研究，传统的铰接结构形式用于异型断面掘进机上，不具有通用性、大角度转动以及密封安全等性能。而异形断面掘进机铰接装置需要具备这 3 方面的性能，具体如下所示。

(1) 通用性，适用于不同异型断面的铰接要求。

(2) 大角度的铰接转动。

(3) 可靠的密封安全性能。

根据上述的要求，研究设计了球型铰接结构，见图 4。铰接油缸分别连接前壳体和后壳体，而通过前球面壳体和后球面壳体球面接触进行定位配合，前球面壳体和后球面壳体之间安装有密封圈。

图4 球型铰接结构

球型铰接结构相对原有主动铰接与被动铰接结构具有一定的优势。

(1) 结构简单，通过球面接触进行定位配合，能够适应绝大多数的异形断面掘进机。

(2) 铰接能力较强，通过球面接触，其接触面积较大，并不会发生壳体之间挤压的情况，能进行大角度的转动，转动中方向易于控制。

(3) 其结构通过球面接触，铰接密封圈的压缩量是恒定的。密封效果稳定，具有可靠的安全性能。

球型铰接这种结构形式的铰接装置在国内还未被应用过，为了检验其各项性能，固然有必要设计一套试验装置。

3 试验装置的设计

通过对球型铰接结构的研究，设计了 1.0 m×1.3 m 的异形断面球型铰接试验装置，具体见图 5，用以验证球型铰接结构的性能。其性能参数如下所示。

(1) 铰接转动能力：各方向 0～5°。

(2) 前后壳体回转能力（包括止转）：0～2°。

(3) 密封能力：0～1.2 MPa。

(4) 模拟掘进机推力：0～100 t。

图5 球型铰接试验装置三维效果图

试验装置由前壳体和后壳体通过前球面壳体和后球面壳体球面接触进行定位配合，具体见图 6。4 组铰接油缸的两端分别连接前壳体和后壳体提供铰接转动的动力。在前壳体和后壳体中间增加了一组夹紧装置。其贯穿了整个试验装置，用以模拟掘进机推进力作用在铰接装置的夹紧力。

图6 球型铰接试验装置剖面图

在前球面壳体上设置了 2 组密封圈安装槽，用于安装、测试不同形式的密封圈。2 组密封圈安装槽的形式不同，外圈密封圈安装槽根据异型断面在球面上的投影加工而成，其槽体的中心线是 1 条三维曲线。外圈密封圈安装槽是圆形的。在 2 组密封圈之间、前壳体腔内的后球壳体面形成 1 个密闭的可加压水腔。加压水腔可以模拟掘进机在一定地下水压力下，测量铰接转动过程中的密封安全性能。见图 7、图 8。

图7 前球面壳体

图8 地下水压模拟试验涉及的装置内部结构图

4 结 语

对异型断面球型铰接试验装置进行了试验测试，其铰接转动性能以及密封安全性能均能够达到设计预期。由于其球面接触配合的结构特点，其铰接转动性能以及密封安全性能相对现有的铰接装置具有一定的优势。但加工整个试验装置，尤其是加工异型断面的球面壳体，有一定的技术难度，且加工成本略高。在后面的研究中，会对异型断面球型铰接装置的加工工艺进行优化设计。尤其是会注重大尺寸异型断面掘进机铰接装置的生产，那将使得球型铰接的壳体加工更具有可操作性，其安装方式更加简易便捷，提高球型铰接装置在大尺寸异型断面掘进机中的利用率。