螺旋输送机闸门密封结构形式的对比分析

廖 倩

（中国铁建重工集团股份有限公司，湖南 长沙 410100）

1 前言

土压平衡盾构由于其土体沉降控制能力强，地层适用性高，推进速度高，广泛用于地铁隧道挖掘施工中。螺旋输送机是土压平衡盾构的重要组成部件之一，也是土压平衡盾构控制土体沉降的功能性元件之一。

盾构正常掘进时，螺旋输送机主要通过控制螺旋轴转速，依靠螺旋叶片的降压能力，达到盾构土仓内土压与前方土体土压动态一致，避免前方土体出现拱起或塌方；在富水地层、砂层等易喷涌地层掘进时，螺旋输送机内渣土与土仓内贯通，无法达到有效的降压效果，此时，仅能通过控制螺旋输送机闸门开度，来调节渣土输送量，避免喷涌导致的前方土体塌方，实现土仓渣土控制。

由于闸门密封属于动密封，其在频繁开闭过程中，因磨损、剪切等容易导致闸门密封失效，进而导致渣土等喷涌至隧道内。目前，闸门密封形式主要有两种：T型密封和盘根密封，其中T型密封由于其承压能力高，密封性能强，空间占用小，安装便捷等优势，广泛使用在闸门上。

文章以珠三角水资源（京哈高速～潞苑北大街）改造工程为研究背景，设计多种闸门密封，并通过与原T型闸门密封进行有限元分析对比，提供一种更适用的闸门密封结构形式。

2 工程概括

珠江三角洲水资源配置工程，盾构段全长约5 600 m，管片外径6 m，盾构隧道顶部埋深为50~58 m。盾构段隧道穿越的地层主要为泥质粉砂岩，盾构需下穿地铁隧道、河流、高压电塔，且穿越隧道区域存在十余处断层或夹层现象。盾构穿越区域地下水以孔隙性潜水为主，地表水与地下水互为补排，雨季时大气降水和河流、渠道补给地下水，地下水位一般埋深0~3 m，揭露高程约0~2 m，受潮汐影响较大，且砂层透水性较好。

通过对珠江三角洲水资源配置工程地质情况和工程特点分析可知，闸门密封在使用过程中易出现以下几个问题：

（1）盾构埋深大，土仓内水压高，易发生喷涌情况，该情况会导致闸门频繁伸缩，增加闸门密封失效风险，实际使用过程中，螺旋输送机闸门处水压长期保持在4 bar以上。

（2）盾构穿越地层透水性较好，且穿越地区存在多处断层或夹层区域，水流量大，出渣时闸门开启度小，易导致渣土对闸门密封形成持续性冲刷，加剧闸门密封磨损。

（3）穿越地层为泥质粉砂岩，砂层易加剧闸门门板、铜件、密封磨损，间接减小闸门密封压缩量，导致密封失效。

3 闸门密封总体设计

3.1 结构组成

闸门密封是闸门的功能性元件之一，位于闸门上面板与门板之间，门板支撑在下面板上的导向铜件上。闸门密封一般为T型密封，通过T型密封槽固定在上面板上。上下面板之间通过螺栓固定，下面板上布置有支撑门板滑动的导向铜件，门板在导向铜件与上面板之间做往复运动，控制闸门的开闭。

图1 闸门结构图

3.2 工作原理

正常出渣时，门板完全开启，渣土从上面板开口位置掉落，此时闸门密封仅小部分（约1/4区域）与门板接触（该部分闸门密封处于压缩状态），其余位置闸门密封与渣土直接接触，处于自然状态，该状态下闸门密封不具备保压能力，但容易因渣土冲刷导致密封磨损；出渣完成后，门板完全关闭，此时闸门密封处于完全压缩状态，闸门密封与门板之间形成密封腔；喷涌地层掘进时，为控制渣土流量，避免渣土量超过皮带输送能力，门板开度需时刻进行调整，此时，根据实际出渣情况，闸门密封持续性重复压缩与回弹动作。

图2 正常出渣状态

图3 闸门闭合状态

图4 喷涌地层掘进状态

3.3 闸门密封结构对比

闸门密封性能参数：

材质：丁腈橡胶NBR；

材料硬度：75°±5°（邵A）；

表面粗糙度：Ra1.6~Ra3.2；

拉伸强度≥15 MPa；

扯断伸长率≥220%；

撕裂强度≥30 KN/m；

扯断永久变形≤10%；

弹性回复率≥30%；

压缩永久变形（100℃×22 h）≤30%；

线膨胀系数K=（2-2.5）×10-4（1/℃）；

根据闸门密封结构以及综合本工程实际使用情况，共设计有三种闸门密封（含原有闸门密封）。

闸门密封结构一（现有结构）：本结构通过其内部的密封空腔及自身的压缩性能，在密封磨损量较小时，其内部密封空腔回弹，达到密封效果。

闸门密封结构二：本结构加大密封尖部压缩量，当尖部存在部分磨损时，闸门密封依然具备一定的密封效果。

闸门密封结构三：本结构在密封底部预设有球状结构，当上部密封磨损时，底部球状结构回弹，从而达到密封效果。

3.4 有限元分析

本次主要从压缩量、接触应力、盖板压力等三方面分析，模拟闸门密封在实际使用中的受力情况。

（1）闸门密封结构一（现有结构）加载条件：0~1 s门板位移2 mm后，1~2 s密封接触面施加1 MPa压力。

（2）闸门密封结构二加载条件：0~1 s门板位移2 mm后，1~2 s密封接触面施加1 MPa压力。

图5 闸门密封结构一承压1 MPa

图6 闸门密封结构二承压1 MPa

（3）闸门密封结构三加载条件：0~1 s门板位移1.5 mm模拟密封安装，1~2 s门板位移2 mm模拟密封压紧，2~3 s密封接触面施加1 MPa压力。

图7 闸门密封结构三——预压缩2.5 mm状态后承压1 MPa

图8 闸门密封结构三——预压缩3 mm状态

图9 预压缩3 mm状态后承压1 MPa

图10 压缩3 mm后门板承压力

4 结论

通过对比3种闸门密封在预压缩2 mm（闸门密封三预压缩2.5 mm）且承受1 MPa压力情况下的门板承压能力。

表1 闸门密封承压分析

经分析，3种闸门密封均满足闸门使用工况，在相同材质，相同预压缩量及承压能力的情况下，闸门密封结构三的接触应力更小，门板承受应力更大，密封性能更好。