泥水平衡盾构机新型装配式保压工装设计

李帅杰

(中国铁建重工集团股份有限公司，湖南 长沙 410100)

盾构技术在发展城市地下空间、交通网络，开采地下资源和优化资源分配方面具有重要的建设意义和经济效益，是提升人们生活水平、实现人与自然和谐发展的关键技术[1-2]。泥水平衡盾构机(见图1)在工作过程中，通过气垫舱压力和泥浆管路流量协同控制泥水舱压力，保证开挖面稳定[3-5]。气垫舱与泥水舱之间的隔板上设置有泥浆门，在保压试验过程中需要用工装将泥浆门密封。

目前，泥水平衡盾构机保压方案多采用焊接式保压工装，焊接式保压工装需整体焊接至盾体泥浆门上，对焊缝质量要求高，且完成保压试验后需刨除，存在现场作业耗时长、体积重量大且无法重复使用、不美观等问题。

针对这一系列问题，本文提出一种新型装配式保压工装，分别对焊接式与装配式保压工装进行静力学仿真与试验分析，证明装配式保压工装的可行性。

图1 泥水平衡盾构机结构示意图

1 保压工装结构设计

1.1 焊接式保压工装结构

泥水平衡盾构机焊接式保压工装安装如图2所示，焊接式保压工装所选材料为钢材Q345B，主要由封板主体、筋板和竖板组成。盾体保压试验前需提前将工装焊接至盾体泥浆门处。焊接式保压工装的左、右、上侧竖板需与盾体隔板焊接；下侧与筒体的上边缘焊接。焊接式保压工装通过焊缝保证密封性。

图2 焊接式保压工装安装示意图

1.2 装配式保压工装结构设计

1.2.1 工装结构

装配式保压工装所选用材料同样为钢材Q345B，装配式保压工装安装如图3所示。装配式保压工装主要由封板主体、O型密封条、上下卡板、连接螺栓以及顶紧螺栓组成。工装左、右两侧利用盾体外侧导轨原有螺栓孔，使用螺栓进行紧固。装配式保压工装为保证装配的密封性，封板主体设有密封槽，用于安装O型密封条；上、下两侧为避开盾体隔板内侧液压管路，采用分块式卡板紧固，卡板装有顶紧螺栓，通过顶紧螺栓顶紧盾体隔板，从而保证装配式保压工装的密封性。根据O型密封条的使用要求，密封槽允许最大理论变形量为1.3 mm。与焊接式保压工装相比，该工装具有体积小、重量轻、拆卸方便、可重复使用等优点。

图3 装配式保压工装安装示意图

1.2.2 工装仿真分析

焊接式与装配式保压工装所选用材料均为钢材Q345B，材料泊松比为0.3，杨氏模量为205 GPa。

通过Creo软件分别建立焊接式与装配式保压工装三维模型，对模型进行前期处理，分别将焊缝处和螺栓连接处简化为固定约束。对保压试验中受压面施加均匀压力载荷1 MPa，进行静力仿真分析。焊接式与装配式保压工装模型边界条件分别如图4a和图4b所示。

图4 保压工装模型边界条件

焊接式与装配式保压工装模型应力分析结果如图5a和图5b所示。焊接式与装配式保压工装模型最大应力分别为228.43和222.62 MPa，均小于材料屈服极限345 MPa。

图5 焊接式与装配式保压工装模型最大应力(单位为MPa)

焊接式与装配式保压工装模型变形量分析结果如图6a和图6b所示，焊接式与装配式保压工装最大变形量分别为2.845和0.258 mm；最大变形量均出现在工装中部；装配式保压工装密封槽处变形量分析结果如图6c所示，装配式保压工装密封槽处最大变形量为0.067 9 mm，最大变形量均出现在密封槽底部。可以看出，密封槽处最大变形量小于密封槽允许最大理论变形量；因此，采用装配式保压工装能够满足盾体保压试验的密封性要求。

图6 焊接式与装配式保压工装模型变形量(单位为mm)

2 试验分析

为验证焊接式与装配式保压工装的密封效果，以某型号泥水平衡盾构机为试验对象，对其气垫舱进行保压试验。关闭气垫舱与外部连接的所有阀组，先后安装装配式保压工装、焊接式与装配式保压工装，进行保压试验。保压试验过程中，记录安装、拆卸焊接式与装配式保压工装所需时间。

启动2台90 kW空压机，首先将压力值设置为0.2 MPa，利用肥皂泡沫等检测手段对盾体气垫舱各阀组进行检漏，确保所有阀组及安装面无漏气点；将空压机压力调整至0.6 MPa，重复上述步骤，直至气垫舱无漏气点；分别测量焊接式与装配式保压工装在0.6 MPa压强下，保压30 min后的压降，压降不超过试验压力的5%为保压合格。测量焊接式与装配式保压工装最大变形量，焊接式与装配式保压工装试验原理如图7所示。

图7 试验原理

试验结果显示：焊接式与装配式保压工装在0.6 MPa工况下，30 min内压降分别为0.006和0.012 MPa，满足产品设计要求。焊接式与装配式保压工装保压过程中最大变形量分别为7和1.2 mm。焊接式保压工装焊接、探伤检测、拆除共消耗时间约26 h；装配式保压工装装配、拆卸共消耗时间约3 h。由此可以看出，使用装配式保压工装能够有效缩减工时，减少保压过程中的应变，提高保压可靠性。

3 结语

本文通过Creo软件建立了焊接式与装配式保压工装三维模型，并对其进行静力学分析。结果表明：与焊接式保压工装相比，新型装配式保压工装最大应力、最大变形量均优于焊接式保压工装。通过保压试验，验证了新型装配式保压工装较优的保压性能和安装便捷性，为后续泥水平衡盾构机的保压试验工装设计及优化提供了参考。