中国盾构隧道工程关键技术的新进展综述

从研究背景与思路、机制/原理、材料/装备、技术论证、试验研究、工程应用等方面介绍中国大直径盾构掘进主轴承事故分析及国产主轴承的自主研发、盾构隧道工程安全高效掘进渣土适配性改良技术及配套材料、盾尾安全保障核心材料研发、盾构隧道新型管片连接技术、城市隧道三模掘进机关键技术等5个方面关键技术的最新进展情况。认为:1)自主研制的超大型盾构机用直径8.01 m主轴承大型套圈纯净度、大型滚子纯净度、大型套圈疲劳性能、大型滚子硬度均匀性、套圈材料淬透性和淬硬层深度、保持架焊缝疲劳寿命和拉断力均优于进口水平;构建了真实对数曲线大型滚子设计方法,突破了高精度大型滚子加工技术,处于国际先进水平,高精度加工和装配保证了零件尺寸精度及形位公差均满足设计要求;通过产品验收、装机应用论证和工程应用,表明应用该大直径主轴承不会产生接触疲劳强度不足和微动引起的疲劳磨损,可用于超大直径盾构隧道工程建设。2)针对黏性、富水砂性和硬岩等复杂地层,以改善岩土环境为核心,研发出了高配向密度的聚合型泡沫剂、高分子抗黏剂、喷涌防止剂和耐磨抑尘剂等环保型系列渣土改良剂,形成了盾构泥饼、喷涌和磨损原位改良主动防控技术,建立了通用地层适配性盾构渣土动态改良技术体系,保障了盾构安全高效掘进。3)针对盾构掘进过程中的盾尾密封失效难题,研发了“黏-稠-流”有机统一的新型盾尾密封油脂,温度敏感性低(黏温系数0.4)、抗水压能力强(最高抗水压3.5 MPa),整体性能提高1.3倍,为盾尾安全提供了有力保障;针对盾构同步注浆浆液泌水、离析和地层沉降难题,研发出了同步注浆充填剂,优化了惰性充填浆液配比,30 min零泌水,实现了壁后惰性充填,保障了管片壁后注浆质量和地层沉降精细化控制。4)新型管片连接技术采用环缝插入+纵缝滑入的连接形式,可以高标准地控制隧道接缝张开量和错台量,管片制作及拼装精度高,可降低接缝防水难度,提升成型隧道的质量,无需设置手孔,无需人工紧固作业,自动化程度高,施工效率高,可节约施工成本及改善洞内拼装作业环境。5)研制出的土压+泥水+TBM三模掘进机能够满足复杂多变、软硬不均复合地层等几乎所有地层的掘进施工,且可在不停机、不拆装设备的前提下实现掘进模式的快速转换,在TBM掘进模式下螺旋输送机+泥浆管道可协同排渣,解决了富水硬岩地层掘进排渣难的问题,机械化和智能化程度高,安全可靠,施工效率高,可改善工人作业环境,节省工期和成本。中国盾构隧道建设取得的巨大成就,推动了中国乃至世界盾构隧道技术的发展和进步,但仍时有安全事故发生,需从装备、材料、技术、管理等方面进一步研究和突破。在今后较长的时间内,中国盾构隧道(尤其是大直径盾构隧道)仍将处于高速建设发展期,面临的建设条件将越来越复杂,技术难度和挑战也将越来越大。要实现盾构隧道建设的快速、安全、健康,需处理好盾构隧道技术领域的关键问题,实现盾构隧道关键核心技术的突破。上述关键技术仍需不断完善并加强推广和应用,以促进中国盾构隧道建设向高适应性、高智能、高可靠性、高效益、高质量、高安全性和低能耗方向发展,形成适合于中国“土壤”的盾构隧道新技术。

大规格浮动油封试验机研制技术

针对大规格浮动油封试验机的应用研究,提出了对浮动油封动静座腔安装工况进行调整的模拟试验方法,介绍了浮动油封端面压力检测、大尺寸浮动油封试验座腔设计、润滑油油位控制等一些关键技术,设计并完成了样机试制,为浮动油封制造及相关应用企业提供了可供选择的试验检测设备。

基于正交试验的掘进机主驱动密封结构优化研究

针对掘进机主驱动密封系统中唇形密封结构与服役工况适配性不明确的问题,分别建立TBM和盾构2种工况下的密封结构有限元仿真模型开展研究。采用正交试验方法,选取密封结构的腰部厚度、前唇角度、轴向压缩量、径向压缩量作为研究因素,以唇封的单位径向力和接触宽度作为响应指标,运用极差和方差分析,得出TBM和盾构工况下各因素对指标的影响程度。根据灵敏度分析结果,分别优化出TBM和盾构工况下唇形密封的最优结构参数,并以隔环是否带楔形突起、是否承压来验证优化后的密封结构。结果表明:1)TBM工况下最优密封结构在隔环无论有无楔形突起,在0 MPa压力下,接触宽度均有一定的下降,单位径向力有明显提升。2)盾构工况下最优密封结构在隔环带楔形突起、承压工况下,单位径向力、接触宽度相比优化前均有所降低;在隔环无楔形突起、承压工况下,单位径向力、接触宽度与优化前基本持平。

喷封压一体化工具研制及应用

水平井多级分段压裂已经成为致密气藏储层改造的主要方式,常规水平井多级分段压裂技术手段由于存在分段受限、施工不连续、作业时间长等局限,制约了致密气藏低成本高效开发。为此,设计了一种分段不受限、施工连续且作业时间短的喷封压一体化工具:采用机械式不限级设计,可以实现作业管柱无级全通径,便捷实施气藏开采管理;采用喷封联动机构设计,使封隔动作和喷砂射孔无缝连接,缩短了作业时间;压裂装置采用压差开启设计,使施工过程操作方便,安全可靠且有效提高了作业效率。现场应用表明,喷封压一体化工具具有良好的喷砂射孔性能和稳定的密封性能,压裂滑套开启压力精准,施工转层快速,作业效率高,可满足致密气藏经济高效开发需求,具有较好的推广价值。

完井管串密封筒镗滚加工研究及应用

为了满足海上不同井况和完井方式下分层注采和细分层系的作业需要,采用多组密封筒进行层间封隔。然而,密封筒在完井和后期修井过程中需要频繁通过油管和往复插入密封工具,常规珩磨加工成形内孔密封面的综合耐磨能力低、配合密封可靠性不足。因此,创新采用了一种适用于完井管柱系列密封筒精镗和滚压一体加工方法,同时对不同规格、材质的密封筒滚压量参数进行了优化研究。2016年至今,已在渤海油田累计应用了250余个滚压成形密封筒,其中注水井动管柱插拔洗井每年平均2次且层间验封合格。结果表明,滚压加工密封筒技术提高了密封筒往复通过工具的耐磨性和配合密封的可靠性,为海上油田增产增注提供了技术支撑。

分层压裂滑套与密封球受力分析研究

为了解决滑套卡球影响压裂残液排出和油气井正常生产的问题,开展了滑套密封筒卡球研究与分析。建立了滑套与密封球受力简化模型,对密封球在球座斜面上的受力进行了分析,给出了密封球在球座斜面上不发生卡球的条件和解卡力的计算式。指出压裂时密封球与球座发生弹性变形是密封球卡住的根本原因,密封球坐在球座斜面上可降低卡球的风险;钢密封球在球座夹角大于8.53°的球座上不会发生卡球现象,复合密封球在球座夹角大于16.70°的球座上也不会发生卡球现象;卡球时最大解卡力由压裂时最大压力及与球座和球座材料有关的系数决定。

谈钻井液封堵特性在防止井壁坍塌中的作用

从比亲水量、能量守恒以及岩石断裂力学等方面分析了钻井液封堵特性和滤失量对防止井壁坍塌的重要作用。根据现场实例指出:岩石内部微裂纹在应力作用下的扩展促进了微裂纹的连接,随之侵入的钻井液滤液与岩石间的物理化学反应使岩石内能增加进一步加速了岩石裂纹的扩展,是造成井壁坍塌和失稳的主要原因。因此,加强钻井液封堵性能,降低钻井液滤失量,防止岩石与钻井液滤液间的物理化学作用是防止井壁坍塌的重要途径。

煤层瓦斯压力测定中的钻孔注浆新技术研究

为简化复杂地质条件下测定煤层瓦斯压力的工序并提高高压注浆的成功率和可靠性,以达到准确、快速测量瓦斯压力的效果,基于胶囊注水封孔器的原理和特性及高压注浆的现场情况,提出了一种新型的注浆方法。通过钻孔注浆模型的建立和数值分析、模拟,发现新式注浆工艺可满足10 MPa的注浆压力,能有效封堵钻孔中的裂隙。现场对比实验证明新式注浆方法较传统注浆方法减少了工序,提高了安全性和可操作性,节省时间约35 h。新型注浆方法在复杂地质条件下可提高测压工作整体的效率。

大宝山复杂钼矿地层钻孔堵漏技术研究与应用

钻孔漏失是钻进过程中经常碰到的问题。大宝山钼矿区地层条件复杂,多以软硬夹层和岩石裂隙为主,地下水丰富,局部漏失比较明显。为了解决该区域地层钻孔的漏失问题,笔者在分析地层及现场工艺条件后,提出并设计了脲醛树脂水泥球堵漏方案。经室内评价性实验,确定了以水泥、脲醛树脂、酒石酸等为主要原料的现场堵漏配方,该方案初凝和终凝时间比较短,操作过程比较简单,水泥球在酸性条件下能够保持自身的稳定,减少浸泡条件下堵漏材料的分解,配比材料经济。通过现场漏失钻孔段的实际堵漏验证,该方案可以有效解决大量漏失的问题,减少了辅助作业的时间,降低了工程成本。

收缩开采期封闭不良钻孔的涌水量预测研究

基于有限厚度的承压非完整井理论,对某矿收缩开采阶段中封闭不良防尘取水孔的涌水量预测进行了讨论。由于多数衰老矿井充水含水层的基础水文地质参数较难准确获得,因此难以准确预计其涌水量。通过分析该矿封闭不良的防尘取水孔相关资料,选择合理参数拟试算水位降深,并以此为依据,进行了基于不同渗透系数下的不同水位降深条件工作面回采过程钻孔涌水量预测。

深层气井压裂投产一次完井管柱

松辽盆地北部深层气田储层埋藏深,岩性复杂,存在大量微裂缝、孔洞,通过压裂改造可获取较高的产能。在气井压裂施工中破裂压力高,压力波动大,施工难度大,亟需新的压裂工艺及压裂工具。为此而研究开发的深层气井压裂投产一次完井技术优选压裂工艺及管柱,通过逐级投球实现多段压裂和投产的目的。压裂投产一次完井管柱关键是压裂密封工作筒,从压裂密封工作筒工作原理、锥体受力分析及计算入手,在大量室内试验的基础上,通过对压裂密封工作筒与插入密封段及其密封胶圈的改进完善,探讨、研究提高压裂密封工作筒承压能力的方法,根据松辽盆地北部深层气井实际研制不同规格密封工作筒及配套插入密封段,满足深层气井压裂生产需要。优化喷砂器等工具,形成深层气井压裂投产一体化管柱,管柱及井下工具耐温150℃,耐压80 MPa,可提高施工效率,降低储层伤害率。

新型组合式炮膛密封结构仿真研究

为了解决新型火炮炮膛的密封问题,设计了一个组合式密封结构,利用ABAQUS仿真软件对密封结构的工作变形进行了仿真,找出了该结构的不足,并对其进行了改进.运用ABAQUS软件对改进的结构进行了有限元计算,计算了密封结构的接触应力.结果表明,改进后的结构可以较好地满足高低压火药气体的密封要求,该结构的成功设计对新型火炮密封结构的工程化具有参考价值.

特种零件内孔密封槽加工检测技术

详细介绍了特种零件内孔密封槽的加工检测技术。内孔密封槽密封介质为氮气,零件的密封性要求比常规液体密封高很多,即零件的尺寸精度要求很高。主要介绍特种零件密封槽的加工方式、刀具设计、检测方式及检具设计等。通过实际加工试验,证明内孔密封槽加工检测技术可行。通过对前期技术准备及工艺试验不仅证明技术可行,而且还可以将此方案应用于其余类似结构的加工。

轴封槽简化对汽轮机转子热应力计算结果的影响

利用ANSYS有限元分析软件对135 MW机组汽轮机有无中心孔的转子进行冷态起动条件下热结构耦合计算,得出在相同边界条件和初始条件下存在轴封槽及其简化为光轴时的应力和应变。选取调节级和中压第1级的相应特征点,对轴封槽简化前后计算结果进行对比分析,表明轴封槽模型适合于精确计算,而简化为光轴模型的计算结果偏于安全。结果为确定汽轮机转子危险截面的计算提供了参考。

新型组合式炮膛密封结构的接触有限元分析

采用非线性有限元分析方法对新型组合式炮膛密封结构的橡胶密封圈和各密封元件之间的接触应力和变形进行了分析。通过分析橡胶密封结构的材料本构关系和非线性工作状态建立了模型,利用ABAQUS非线性有限元分析软件对模型进行了求解,得到了在高温高压火药气体作用下密封结构的静态变形和接触应力分布。结果表明,该新型组合式密封结构可以满足280 MPa高压火药气体的密封要求。

水下盾构隧道弹性密封垫防水失效数值模拟研究

结合某水下盾构隧道工程的防水设计,采用大型有限元软件ABAQUS对弹性密封垫的防水失效机理进行数值模拟研究。将本文有限元模型与前人简化模型进行了对比分析,并对接缝张开及接缝错开情况下的密封垫防水失效机理进行了分析。研究表明,在接缝张开的情况下,渗漏主要发生在密封垫间的接触面上;接缝错开的情况下,随错缝位移的增大,渗漏将由发生在密封垫接触面上而转变为发生在密封垫与混凝土间的接触面上。

水力压裂穿层钻孔“三段式”封孔技术的研究及应用

水力压裂作为一项煤矿区域防突技术已广泛应用于突出煤层,其中压裂钻孔封孔技术较为关键,直接决定压裂成功与否.为了提高煤矿井下水力压裂钻孔封孔的质量、减少封孔材料的用量、简化封孔工艺、最大限度地保证压裂的成功,对水力压裂穿层钻孔"三段式"封孔技术进行了初步探讨,在淮北矿业(集团)有限责任公司临涣煤矿进行了现场试验.两个穿层钻孔的试验结果表明,该封孔技术能对煤(岩)体的原始裂隙进行有效封堵,较好地杜绝了压裂过程中由于裂隙贯通而产生的漏水、蹿浆现象,最大限度地提高了水力压裂措施的成功率,可为其他煤矿穿层钻孔封孔提供一定的参考.

火炮炮膛免启封封存膜对内弹道性能的影响

针对新研制的火炮炮膛免启封封存膜在榴弹射击过程中对内弹道性能造成的影响,进行了数学建模分析,对模型采用经典内弹道学理论进行求解,得出在不同膜厚情况下的膛内压力曲线,与正常射击情况比较后,认为对内弹道性能影响可忽略,对封存膜的推广应用提供了一定的理论依据。

低荧光强封堵型防塌剂LFT的研究与应用

研制出了可替代磺化沥青的以聚乙烯副产物和有机铝为主要作用物质的低荧光强封堵型防塌剂LFT。介绍了防塌剂LFT的合成和性能评价。结果表明,合成出的防塌剂LFT在其加量不大于2%时对钻井液流变性无影响;加量为0.2%时即可有效抑制黏土的水化膨胀,同时又可在地层温度和压力作用下挤入井壁微裂缝中,与泥饼一起有效封堵地层,LFT在90℃下对人造岩心的封堵率在90%以上。在白33侧井和桥81-2井的现场试验表明,防塌剂LFT的封堵效果好,井径规则、扩大率小,而且无荧光,不影响气测录井。

穿刺置细管闭式引流术治疗老年自发性局限性气胸的临床研究

目的总结穿刺置细管闭式引流术治疗老年自发性局限性气胸的临床经验。方法回顾性分析我院2003年1月至2008年12月共收治的老年自发性气胸56例,根据胸片或CT定位判定为局限性气胸,采用细引流管以穿刺的方式置入胸腔予以闭式引流治疗。结果患者手术时间为10～15min,56例患者有16人因引流管阻塞需要疏通,6例因漏气需要更换为粗管,其中5人接受胸腔镜手术。拔管时间为6.2±2.7天。所有患者可以良好耐受。结论穿刺置入细管施行胸腔闭式引流术是一种有效的治疗措施,只要病人选择恰当则疗效切实,值得临床推广。