盾构机密封系统水压加载检测装置的研制

赵海峰，刘岩岩，李福宝，边 野

（1.沈阳工业大学辽阳分校，辽宁 辽阳 111003；2.北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141）

1 引言

地下隧道掘进中广泛应用各种类型的盾构机，特别是一些大埋深、高水压、长距离且地质条件复杂多变的跨江越海隧道工程中更是离不开泥水盾构机。密封系统是决定盾构机性能的基础技术指标。如果密封系统失效，就会直接造成盾构机停机。在隧道内进行密封系统的更换和维修非常困难，不仅会造成施工危险，同时也会延长工期、增加成本，给整个隧道工程造成巨大的损失。

日本东京湾道路隧道工程全长15km，最大水压0.42MPa，盾构机直径14.14m；上海长江隧道工程全长17km，最大水压0.68MPa，盾构机直径14.93m；南京长江隧道全长3.02km，最大水压0.58MPa，盾构机直径14.96m。规划中的琼州海峡、台湾海峡，以及国外白令海峡等海峡隧道都是典型的高水压、大直径、长距离隧道施工工程，盾构机直径都超过15m，最大水压达到1.7MPa，最长掘进距离超过28km。

通过已有的工程隧道掘进情况来看，在富水地段及水底等高水压地段施工时，密封防水是盾构法施工的基础必要条件。因此，需要通过实验加载装置对盾构机密封系统的密封性能、可靠性能进行检测，才能选择合适的材料、结构、工艺，满足高水压条件下的刀盘主轴承、盾尾、换刀系统等部件的密封要求。

目前关于盾构机密`封系统、特别是动态密封系统的性能研究的不多。为了避免在实际使用中造成重大经济损失、保证盾构机安全使用，需要提前在实验台对密封系统的可靠性、密封性进行反复的实验检测和论证，保证其安全可靠才能够应用到实际工程上去[1]。因此，所研制的水压加载检测装置是根据实际工况需求，研制出能够检测盾构机密封系统的实验设备。与此同时，考虑到盾构机发展趋势，设计过程中提高了水压加载装置的技术标准，并增加了检测内容。

2 盾构机主要密封系统介绍

2.1 主驱动密封

使用骨架式唇形密封结构和油脂密封，防止泥水和杂质进入主驱动中，保护主轴承正常工作。①注入的是HBW油脂、②③注入的EP2油脂，利用不断挤出的油脂，将泥水等杂质阻挡在主驱动外面，如图1所示。①注入的HBW油脂作为第一道密封，与外界直接接触。主驱动橡胶密封结构图，如图2所示。

图1 主驱动密封结构剖面图Fig.1 Main Drive Seal Profile

图2 主驱动唇形密封结构Fig.2 Main Drive Lip Seal Structure

2.2 盾尾密封

盾尾密封系统是依靠钢丝刷和油脂密封盾尾和管片之间的缝隙，阻止地下水、砂浆和固体颗粒进入盾体。高水压情况下，钢丝状的尾刷都是三排或者更多排的焊接在壳体上的密封刷组成，防止注浆材料和地下水漏进盾体内部。每排密封刷中间形成空间，中间由密封油脂填充满，通过油脂泵注入不溶于水密封油脂，保证盾尾的密封性。具体，如图3所示。

图3 盾尾密封结构剖面图Fig.3 Profile of Shield Tail Seal Structure

2.3 换刀系统密封

在长距离的掘进过程中，刀具的磨损和破坏是必须考虑的问题，特别是在高水压条件下，换刀就显得尤为重要。高水压下的换刀装置密封系统的运动部件可靠性、密封性只有通过反复的试验论证安全可靠才能够应用到实际工程上去。具体换刀结构，如图4所示。除此之外，盾构机在施工过程中还有一些结构是通过各种方式与压力面有接触，如表1所示。

图4 换刀系统结构示意图Fig.4 Schematic Diagram of Tool Changing System

表1 盾构机主要密封系统说明Tab.1 Main Sealing Parts and Instructions of Shield Machine

3 密封失效分析

盾构机的密封是为了防止外界压力介质发生泄漏到盾体内部。只考虑泥水平衡盾构机的主要密封部位的工作环境进行分析，确定主要失效形式和形成原因。根据这些造成泄露的影响因素，使用正交实验方法确定主要因素，作为设计实验加载设备的技术条件。关键密封部位的工作条件和工作环境，如表2所示。盾构机密封失效的主要表现是流体泄漏，主要失效原因是由于密封件磨损、破损，或者是密封件上面有间隙造成的密封泄露。此外还有因为加工、安装误差导致的失效，在此不做考虑。密封件的磨损和破损是在一定工作环境下，例如土砂进入油脂密封通道间隙过大、盐碱腐蚀等因素造成的。

表2 密封部件工作环境Tab.2 Seal Parts Working Environment

4 检测装置研制

两端压力值不等，是造成密封失效的根本原因。通常认为水压试验的目的是检验压力容器受压元件、部件的严密性或整台压力容器的严密性[3]。所讲述的水压加载装置参考GB150-1998《钢制压力容器》、日本压力容器标准JIS B 8270-1993《压力容器（通用标准）》，以及美国ASME规范，确定实验加载压力最大值为3.0MPa，保压时间30min，液体温度>15℃。

4.1 加载装置设计制造

设计制造水压加载实验装置，首先用于验证水下换刀装置密封结构的可靠性以及使用寿命等方面的研究。其次，模拟泥水盾构机盾尾密封装置的安装与拆卸功能。此外，要把压力容器罐、主驱动与后配套系统作为整体，综合考虑模拟实际施工中的环境进行密封检测实验。由于气动技术具有成本低、节能高效、清洁无污染、维护方便、适应性强等优点，此装置的水压加载压力源使用气囊加载模式。此水压加载装置系统图和总装布置图，如图5所示。从实验介质、温度、经济性等因素考虑，压力容器材料为16MnR，制造完成后现场总装，如图6所示。

图5 加载装置系统图Fig.5 System Diagram of Loading Device

图6 加载实验装置现场总装图Fig.6 Site Assembly Drawing of Loading Test Equipment

4.2 制定压力试验检测大纲

参考标准《TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程》和《GB 150.4-2011压力容器第4部分：制造、检验和验收》、以及相关论文等资料后确定此装置压力试验检测大纲如下。

（1）干燥、洁净气源，气体的温度应不低于15℃；

（2）试验时先缓慢升至规定试验压力的10%，保压30min，对接头部分进行初次检查；

（3）确认无泄漏后，再继续升至规定试验压力的50%，保压60min；

（4）如无异常，按照规定试验压力的10%逐级升压，直至试验压力，每次保压30min；

（5）升至试验最高压力，试验稳压的持续时间应为24h，每小时记录不应少于1次，当修正压力降小于133Pa为合格。

（6）降至设计压力，保压足够时间进行检查，检查期间压力不变。

（7）修正压力降应按下式确定：

式中：ΔP′—修正压力降（Pa）；H1、H2—试验开始和结束时的压力计读数（Pa）；B1、B2—试验开始和结束时的气压计读数（Pa）；t1、t2—试验开始和结束时管内介质温度（℃）

检查主要结构密封性的方式有三种，分别是变形检查、有无异响检查和肥皂液涂抹检查，具体根据相关标准制定详细检查大纲。密封试验泄漏量参考GB∕T 13927-92（相当于ISO 5208-87）和ZBJ 16006-90（相当于API 598-82）[3]。考虑到实际操作中有人员参与，换刀系统密封泄漏量标准按照最高级A级标准来检测、主驱动密封系统按照B级标准来检测、盾尾密封系统按照D级标准来检测。

5 结论

针对重大隧道工程的地质情况、并考虑盾构技术发展趋势，研制一套完整的水压加载检测装置，用于对盾构机主要密封系统的密封性和可靠性进行检测，其结果能够对盾构机的研制和隧道工程的规划提供基础数据支持。（1）研制出水压加载检测装置，装置包括高压空气加载系统、压力容器、注水排水系统、动力柜、电控柜、数据采集系统、安全防护系统、以及基础平台支架。其中，压力容器采用法兰连接方式，可以根据检测内容确定相应的检测方式和技术参数。（2）检测装置中的压力介质、泥浆粘度等技术指标完全仿照实际盾构环境进行设置，具备反复试验检测密封系统的技术能力。（3）使用正交实验方法确定的密封系统影响因素，不仅可以检测密封性和可靠性，还可以为密封系统的优化和改进提供实验论证和数据支持。