楊運健

(中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 410100)

1 引言

矩形頂管機結(jié)構(gòu)特殊，整體結(jié)構(gòu)巨大且呈矩形的特點，分析矩形頂管機施工中的結(jié)構(gòu)形變規(guī)律，結(jié)合橡膠密封與多唇型聚氨酯密封的特點以及密封性能，研究其結(jié)構(gòu)與鉸接密封匹配方案設(shè)計，對確保矩形頂管機的安全施工具有重大意義[1-3]。

矩形頂管機的結(jié)構(gòu)及其鉸接密封是設(shè)備的重要組成部分之一，是反映設(shè)備的核心參數(shù)。其結(jié)構(gòu)的強度是滿足設(shè)備正常施工的關(guān)鍵，也是鉸接密封安裝的基礎(chǔ)，直接影響到整機的掘進狀態(tài)與效率。目前盾構(gòu)機設(shè)備與鉸接密封的匹配性，及鉸接密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、材料選型和截面形式的確定，影響因素十分復(fù)雜，基于形狀截面為圓形類的盾構(gòu)機，眾多學者及專家做出了諸多研究。梁興生等對受外壓的盾構(gòu)殼體的厚度設(shè)計，提出了圖算法的計算應(yīng)用[4]。劉英等闡述了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足作為產(chǎn)品的多方面要求；其設(shè)計準則之一是要滿足強度、剛度設(shè)計要求[5]。梁興生對盾構(gòu)鉸接密封承載能力的研究，表明了橡膠密封在一定條件壓縮量為7 mm的情況下的承壓能力，并對密封的材質(zhì)、設(shè)計方案應(yīng)用提出建議[6]40-42。梁興生等提出一種適用于高埋深、高水壓(壓力超過16 bar)超高壓地下工作環(huán)境下的鉸接密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，并通過試驗臺驗證了方案的可行性[7]14-16。任亞軍通過研究表明10.8 m×6.2 m的矩形頂管機前盾最大應(yīng)力與最大變形量，整體最大變形出現(xiàn)在中間區(qū)域[8]。李偉等通過研究4.9 m×6.9 m的矩形頂管機的推進系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)和推進油缸排布選型以及對矩形頂管機的推力進行了簡要分析[9]。目前基于各專業(yè)的研究方向不一，施工設(shè)備多數(shù)是采用經(jīng)驗或類似方案進行定版設(shè)計，未有專門針對矩形頂管機鉸接密封方案優(yōu)選的技術(shù)研究。

矩形頂管機的類型較多，根據(jù)目標工程混凝土管節(jié)的規(guī)格尺寸，體現(xiàn)在其長寬尺寸的不規(guī)律性。其鉸接密封對結(jié)構(gòu)的適應(yīng)，滿足項目工程的需要，是掌握矩形頂管機設(shè)計理念的內(nèi)涵，進行結(jié)構(gòu)與密封方案的分析，通過有機結(jié)合研究出最優(yōu)的矩形頂管機鉸接密封方案是本文工作的主要目的。本文首先對三種矩形頂管機的結(jié)構(gòu)建立模型進行仿真分析，特別對鉸接段結(jié)構(gòu)進行重點分析，找出其形變規(guī)律與變形數(shù)據(jù)范圍；接著分析鉸接密封類型特點及其對工況的適應(yīng)性研究，量化其密封壓縮量對矩形頂管機結(jié)構(gòu)形變的適應(yīng)性，建立模型與數(shù)據(jù)并進行對比，研究得出最優(yōu)的矩形頂管機鉸接密封設(shè)計方案。

2 矩形頂管機結(jié)構(gòu)模型力學分析

與圓形盾構(gòu)相比，矩形頂管機具有更好的淺覆土適應(yīng)能力，可大大降低下穿各類構(gòu)筑物的坡度和深度；同時矩形結(jié)構(gòu)可以充分利用結(jié)構(gòu)斷面，提高斷面利用率。所以，矩形頂管機廣泛應(yīng)用于綜合管廊、地鐵區(qū)間隧道、地下過街通道等多類工程項目。

矩形頂管機在施工中承受巨大的外部壓力，其中，鉸接密封系統(tǒng)承擔著防止外部泥土、水等侵入盾體的重要作用，其性能對盾構(gòu)機的安全施工至關(guān)重要[10]。對鉸接密封結(jié)構(gòu)進行強度校核，分析其在實際工況下鉸接密封結(jié)構(gòu)所受的載荷，并建立三維模型進行有限元分析，分析其受力及變形情況，量化鉸接密封結(jié)構(gòu)的最大受力及最大形變量，并找出其形變規(guī)律與變形數(shù)據(jù)范圍，對鉸接密封件的選型具有極大的參考意義。

2.1 矩形頂管機工況分析

矩形頂管機施工中徑向所受載荷主要為外部土壓力和水壓力，頂管機側(cè)壁所受壓力則呈梯度分布形式[11]。

根據(jù)土壓力的計算公式，頂管機盾體所受土壓力為:

式中，p11為頂部的土壓力(Pa)；p21為側(cè)面上部的土壓力(Pa)；p22為側(cè)面下部的土壓力；γ為土天然容重(N/m3)；γ′為土壤浮容重(N/m3)；H為頂管機覆土深度(m)；h為水深(m)；k為側(cè)壓系數(shù)；a為頂管機高度。

根據(jù)水壓力的計算公式，有:

式中，p12為盾體頂部所受水壓力(Pa)；γw為水的容重(N/m3)。

頂管機頂部所受總壓力為:

式中，p1為頂部所受壓力之和(Pa)；pb為地面載荷壓力(Pa)。

頂管機的自重反力為:

式中，pG為頂管機自重反力(Pa)；G為頂管機自重(N)；b為頂管機的長度(m)；c為頂管機的寬度(m)。

則頂管機底部所受反力之和為:

式中，p3為頂管機底部受到的總反力(Pa)。

2.2 矩形頂管機鉸接密封結(jié)構(gòu)有限元分析

在上述工況下，分別計算10 m×7.6 m、7.4 m×4.9 m和4.9 m×4.9 m三種類型矩形頂管機所承受的載荷，并對三種類型頂管機的鉸接密封結(jié)構(gòu)建立三維模型，進行有限元分析，模擬鉸接密封結(jié)構(gòu)在實際工況下的應(yīng)力及變形情況，量化鉸接密封結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力及最大形變量。

由于矩形頂管機施工過程中的推進速度很小，所以采用靜力學分析。鉸接密封段位于中盾末端，所以對中盾支撐環(huán)板施加固定約束，并根據(jù)實際工況對頂管機上下及左右面施加載荷，得出三種類型矩形頂管機鉸接密封段的應(yīng)力及變形情況。

對10 m×7.6 m進行有限元分析后，鉸接密封段的應(yīng)力及變形情況如圖1所示。由應(yīng)力及變形云圖:鉸接密封段側(cè)面應(yīng)力較小，上下面應(yīng)力較大，整體所受載荷低于300 MPa，但底部中心的支撐板與筋板連接處出現(xiàn)最大應(yīng)力點，最大應(yīng)力值為405 MPa；鉸接密封段側(cè)面形變量較小，上下面形變量較大，最大形變量為5.99 mm，出現(xiàn)在底部中心偏右側(cè)鉸接環(huán)邊緣處。

圖1 10 m×7.6 m鉸接密封段應(yīng)力及變形

如圖2所示，7.4 m×4.9 m級矩形頂管機鉸接密封段側(cè)面應(yīng)力較小，上下面應(yīng)力較大，整體所受載荷低于300 MPa，但底部中心的支撐板與筋板連接處出現(xiàn)最大集中點，最大應(yīng)力值為389 MPa。鉸接密封段側(cè)面形變量較小，上下面形變量較大，最大形變量為6.72 mm，出現(xiàn)在底部中心鉸接環(huán)邊緣處。

圖2 7.4 m×4.9 m鉸接密封段應(yīng)力及變形

由圖3可知，截面尺寸為4.9 m×4.9 m的矩形頂管機，其鉸接密封段側(cè)面應(yīng)力較小，上下面應(yīng)力較大，整體所受載荷低于300 MPa，最大應(yīng)力值為377 MPa，出現(xiàn)在底部中心的支撐板與筋板連接處；鉸接密封段側(cè)面形變量較小，上下面形變量較大，最大形變量為8.74 mm，出現(xiàn)在底部中心鉸接環(huán)邊緣處。

圖3 4.9 m×4.9 m鉸接密封段應(yīng)力及變形

綜上所述，最大應(yīng)力和變形皆出現(xiàn)在頂管機底面位置，整體所受應(yīng)力均低于300 MPa，最大應(yīng)力值為405 MPa；整體變形較小，變形最大值為8.74 mm。

3 鉸接密封類型特點及其工程適應(yīng)性分析

3.1 鉸接密封件的類型及特點

鉸接密封系統(tǒng)中最為重要的零件為密封件，密封件質(zhì)量的好壞直接影響了密封系統(tǒng)的安全性。國內(nèi)鐵建重工等主要制造商的鉸接密封都為橡膠密封圈或唇形聚氨酯密封。橡膠密封圈形式有多種，如O型或B型等；唇形密封有單唇與多唇密封等[7]15。

盾構(gòu)機鉸接密封系統(tǒng)中的密封方案設(shè)計，還存在其他的形式組合，如圖4所示的橡膠密封和圖5所示的聚氨酯密封；也有一些廠家采用橡膠類的唇形密封方案應(yīng)用于某些小型盾構(gòu)機。

圖4 橡膠密封

圖5 聚氨酯密封

橡膠密封件，如圖6所示，代表材料為三元乙丙，主要采用低溫乳液聚合法生產(chǎn)，其優(yōu)點是耐油性極好，耐磨性高，耐熱性好，粘接力強、耐腐蝕等。當使用中有漏水或漏漿時，通過向鉸接密封結(jié)構(gòu)中填充油脂，可有效防止漏水或漏漿，保證鉸接密封系統(tǒng)的安全性。聚氨酯密封件，見圖7，具有機械性能好、抗拉、抗磨、高回彈率和很好的氣體密封性等特點，在低溫-30℃時也有很好的柔韌性、抗氧化性和耐臭氧性，使用壽命長[7]16。

圖6 橡膠密封件

圖7 聚氨酯密封件

鉸接密封圈材料三元乙丙橡膠能夠滿足外周土壓力低于5.79 bar的盾構(gòu)區(qū)間密封要求。當盾構(gòu)區(qū)間土壓力高于5.79 bar時，不建議采用三元乙丙橡膠[6]42。

3.2 鉸接密封件的原理及理論

機械密封原理理論表明，密封端面的比壓值應(yīng)始終為正值，且不能小于端面與密封件間的反壓力，使端面始終被壓緊貼合，彈簧比壓值應(yīng)根據(jù)介質(zhì)壓力的大小設(shè)計按正比設(shè)置，其計算公式為:

式中，Pc為端面比壓值(Pa)；F為動環(huán)所受外力之和(N)；D1為密封圈接觸面內(nèi)徑(m)；D2為密封圈接觸面外徑(m)；Ps為彈簧比壓值(Pa)；k為載荷系數(shù)；λ為液膜反壓系數(shù)；Pl為介質(zhì)壓力(Pa)。

按鉸接只承受外部水壓，為受單端面密封端面，則有:

在設(shè)備掘進過程中，直線掘進時鉸接密封為靜密封狀態(tài)；隨著鉸接油缸進行伸縮動作，進行左右、上下轉(zhuǎn)向時，密封為往復(fù)運動狀態(tài)[12]。參考密封件原理和矩形頂管機的實際結(jié)構(gòu)，其在直線掘進時，密封原理是依靠鉸接密封件發(fā)生變形，在密封件接觸面上，形成接觸壓力，接觸壓力大于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓力，就不會發(fā)生介質(zhì)泄漏。鉸接密封往復(fù)運動時，密封間隙由密封件與接觸面形成，密封件與接觸面發(fā)生相對運動時，依靠密封壓緊端面的彈力來密封，同時具有磨損與自動補償?shù)哪芰13]。同時，密封介質(zhì)在端面上緊密而規(guī)則地排列，沿著端面滑移，形成稀薄的“密封膜”，同時具有極強的附著力，有一定的密封作用，并具有對密封件與端面起到潤滑的作用。

式中，Pj為密封件與端面的接觸合力(N)；P0為密封接觸初始壓力(N)；P1為密封接觸壓緊壓力。

4 矩形頂管機鉸接密封優(yōu)選方案形成

4.1 結(jié)構(gòu)形變量對鉸接密封技術(shù)方案的要求

矩形頂管機結(jié)構(gòu)特征為類矩形，通過三種(大、中、小)矩形頂管機的結(jié)構(gòu)模型仿真分析，得出矩形頂管機鉸接密封段在實際工況下的應(yīng)力及變形情況。如前文所述，三種矩形頂管機鉸接端的形變量分別為5.99 mm、6.72 mm和8.74 mm，均值為7.15 mm，即表明矩形頂管機的殼體在掘進過程中的形變量數(shù)值較大。參考密封原理，為確保密封件的接觸壓力為正值，所用的鉸接密封技術(shù)方案回彈變化值必須大于各類型結(jié)構(gòu)的形變值，確保密封性能的穩(wěn)定性，才能滿足矩形頂管機殼體形變的密封基礎(chǔ)要求。

4.2 鉸接密封優(yōu)選技術(shù)方案的形成

根據(jù)橡膠密封的回彈特點，其在外力作用下材料會屈服，隨著外力撤銷，壓縮量會恢復(fù)至初始狀態(tài)，但隨著壓縮的次數(shù)增多，材料也會屈服。文獻[3]中初始壓縮量為7 mm的密封件，隨著使用時間的推移，會因為材料的屈服而導(dǎo)致密封性能下降或失效。同理，材料為橡膠與聚氨酯的密封件都具有此特性。但是聚氨酯應(yīng)用于鉸接密封中是依靠其唇形的結(jié)構(gòu)形變來壓緊工件達到貼合密封。依據(jù)目前的盾構(gòu)機行業(yè)技術(shù)方案，其唇形壓縮量均在30 mm以上，極大地滿足了材料屈服量的損耗要求。因此，矩形頂管機在使用過程中，聚氨酯唇形密封在材料回彈的適應(yīng)性上，是極優(yōu)的選擇。基于研究的三種(大、中、小)矩形頂管機的結(jié)構(gòu)在掘進中發(fā)生的形變均值較大，若使用初始壓縮量為7 mm橡膠密封件，其材料的回彈量無法長期、穩(wěn)定地滿足矩形頂管機結(jié)構(gòu)的形變量，導(dǎo)致密封性能下降或失效。反之，鉸接密封材料采用聚氨酯的唇形密封，其獨有的唇形密封特點能較好地適應(yīng)矩形頂管機的形變量，工作中始終保持著與密封面緊貼，滿足密封件的接觸壓力為正值的密封原理要求，從而令鉸接密封系統(tǒng)的密封性能穩(wěn)定，安全性高。

5 結(jié)論

本文針對矩形頂管機的鉸接密封的選型展開了研究，對三種矩形頂管機的結(jié)構(gòu)模型進行了受力形變仿真分析，并對頂管機的鉸接密封原理、材料等進行了理論研究，得出了矩形頂管機的工作中鉸接位置的結(jié)構(gòu)形變、密封系統(tǒng)承壓密封規(guī)律，研究工作得出以下結(jié)論:

(1)通過對三種(大、中、小)矩形頂管機在掘進中的結(jié)構(gòu)受力情況，建立力學模型并進行仿真分析研究，得出鉸接部分結(jié)構(gòu)的最大變形量分別為5.99、6.72、8.74 mm，其均值為7.15 mm，描述出其結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，掌握頂管機鉸接密封的使用基礎(chǔ)。

(2)通過對兩種鉸接密封材料的特點、密封原理等進行了理論分析與計算方法，參考了相關(guān)文獻研究的成果，進一步分析了矩形管頂機的鉸接密封兩種材料(聚氨酯與橡膠密封)的優(yōu)缺點，得出兩種密封材料的回彈數(shù)據(jù)，橡膠密封件為7 mm，唇形聚氨酯為30 mm，分別分析了其應(yīng)用于矩形頂管機鉸接密封的安全性與對工程的影響。

(3)根據(jù)矩形頂管機結(jié)構(gòu)的形變特點，擬合了兩種密封材料的回彈數(shù)據(jù)，得出最適合應(yīng)用于矩形頂管機的聚氨酯鉸接密封設(shè)計方案。

(4)基于理論分析與設(shè)計應(yīng)用的偏差，選擇更為合適的設(shè)計方案需要理論分析與實際應(yīng)用驗證相結(jié)合，繼續(xù)研究其對工程的適應(yīng)性，形成技術(shù)閉環(huán)，是下一步繼續(xù)研究的重點內(nèi)容。

本文通過對矩形頂管機的鉸接密封設(shè)計方案進行的結(jié)構(gòu)仿真、密封的研究分析，可以作為矩形頂管機設(shè)計理論基礎(chǔ)，為研制各類矩形頂管機的設(shè)計解決了其鉸接密封的設(shè)計理論與選型難題。