盾尾刷-油脂腔密封系统油脂逃逸规律研究

油脂逃逸导致油脂腔内压力降低,由此诱发的盾尾密封系统漏水、漏浆等安全责任事故屡屡发生。研制盾尾刷密封系统油脂逃逸的单元体试验装置,采用逐级加压将油脂注入盾尾密封系统油脂腔内,每级压力持续420 s,记录不同盾尾间隙及不同油脂锥入度工况下腔内的密封油脂开始逃逸时的油脂注入压力值、以及逃逸后储油装置中密封油脂的稳定损耗速率,最终获得了盾尾密封系统的油脂逃逸规律,并总结了盾尾油脂的逃逸模式。研究结果表明:1)油脂逃逸速率主要受油脂锥入度和油脂压力的影响,根据油脂逃逸规律变化曲线,油脂逃逸速率可以分为不逃逸、低速逃逸、快速逃逸3个阶段。油脂不逃逸至低速逃逸的油脂压力称为油脂逃逸压力,油脂低速逃逸与快速逃逸之间的油脂压力值为油脂腔内外压差控制值;2)建立了油脂逃逸速率和工程中油脂消耗量的对应关系,结合工程中每环盾尾油脂允许消耗量可实时判断盾尾刷密封性能;3)当油脂锥入度小于286.4(1/10 mm),盾构姿态与管片姿态控制良好时(盾尾平均间隙为75 mm),在水土压力及同步注浆压力基础上最大可增加0.3 MPa的油脂压力,提出的油脂腔内外压差控制值可指导实际工程盾尾油脂压力设定最大值;4)油脂逃逸模式可划分为无逃逸、非均匀逃逸和均匀逃逸3种模式并得出其发生条件。该研究对于指导盾尾密封性的设计及施工有着基础性的意义。

三代压水堆核主泵关键部件制造及工艺研究进展

核主泵作为反应堆冷却剂系统中唯一高速旋转的设备,其正常运行对于整个核电站的安全至关重要.长期以来,核主泵制造的安全性与可靠性一直是中国核电技术发展的“卡脖子”难题.近年来,得益于国家对核电技术基础研究的大力投入,以及依托重大课题项目的推进,中国三代压水堆核主泵国产化进程在各个方面都取得了重大成果.文中从核主泵制造及工艺的角度,深入剖析叶轮、泵壳、定子、转子、屏蔽套、密封、轴承等关键部件的发展历程,并针对各部件的材料选择、加工、装配工艺、检测方法及技术体系等进行详细分析,总结了中国核主泵的制造进度及难点.最后,结合当前核主泵制造的现状,提出中国核主泵制造发展的相关建议,这对中国核电事业的国产化进程具有重要意义.

SAP联合双液浆对软土地区隧道漏水漏砂封堵效果试验研究

在高承压水软土地区盾构隧道修建过程中经常出现漏水漏砂险情,注浆封堵是常用的抢险方法之一。而在承压水层或者地层出现空腔情况下注浆时,传统的双液浆在注入后抗冲刷能力差,浆液留存率较低,严重影响抢险效率,难以在抢险的黄金时期控制住险情。因此,提出一种隧道漏水漏砂抢险的新型注浆方式,即高分子吸水树脂(SAP)与双液浆联合注浆,并通过室内模型试验研究了此方法的有效性,分析SAP注入方式、SAP种类、双液浆水灰比、渗漏流速等对注浆封堵效果的影响,并探究最优的注浆方式与封堵机理。研究结果表明,SAP吸水后,颗粒大、动水留存率高、吸水速度不受温度影响,能够填充地层侵蚀空腔,封堵渗漏或者减小渗漏水流速。本文试验条件下,以水泥浆液为载体注入SAP为最优注入方式,水灰比0.6的水泥浆液与吸水后的B类SAP均匀混合后,与水玻璃进行双液注浆,能避免跑浆,实现地层空腔与渗漏水的完全封堵。本文提出的新型注浆方式能够大幅增加双液浆的动水留存率,同时弥补SAP强度较低的缺陷,保证注浆体的整体性和地层支撑性,实现基坑与隧道等地下工程漏水漏砂灾害的快速有效控制。

盾构隧道施工期渗漏聚氨酯堵漏作用机制研究

为探明隧道渗漏时聚氨酯的堵漏机制,设计并开展盾构隧道渗漏与聚氨酯注浆堵漏模型试验,通过试验分别对不同地层中隧道渗漏引发的外部地层侵蚀发展规律以及注浆堵漏的作用机制进行研究。研究表明:1)隧道渗漏后砂土与粉土地层周围孔隙水压力迅速下降,水在压力差的作用下以渗流形式向渗漏点补给,造成周边地层侵蚀破坏,但2种地层侵蚀发展规律不同。2)砂土与粉土地层中聚氨酯注浆堵漏机制相似,均可分为3个发展阶段,第1阶段聚氨酯反应释放大量气体,抵抗渗流水压;第2阶段聚氨酯固化,封堵渗漏通道,实现堵漏效果;第3阶段聚氨酯彻底固化,引起隧道结构外部荷载重分布。3)由于砂土与粉土地层渗流侵蚀规律不同,聚氨酯注浆堵漏效果有所差异,粉土地层注浆堵漏效果更好。

盾构隧道管片接缝内外双道密封垫防水性能试验研究

为探究螺栓孔防水对内外双侧布置双道密封垫防水体系的影响,依托某超大直径盾构隧道工程,自主设计新型双道密封垫防水性能测试装置,开展考虑螺栓孔构造的内外双道密封垫防水体系耐水压测试。研究结果表明:1)螺栓孔对内外双侧布置双道密封垫的整体防水性能具有一定的控制作用,当螺栓孔防水能力不足时,其存在将成为内外双道密封垫防水体系的薄弱环节,可能早于内道密封垫发生渗漏,由此降低内外双道密封垫防水性能较单道密封垫的提升水平;2)当螺栓孔防水性能达到要求后,与单道密封垫相比,内外双侧布置双道密封垫防水体系的防水能力大幅提升;3)对于超大直径盾构隧道,当管片接缝采用内外双侧布置双道密封垫时,应确保螺栓孔防水性能满足双道密封垫间的协同防水要求。

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。

盾构机主驱动单唇形密封圈密封性能研究

以典型工况下盾构机主驱动单唇形密封圈为研究对象,利用单轴拉伸试验得到密封圈丁腈橡胶材料的应力-应变曲线,确定Yeoh三阶模型的材料参数;建立单唇形密封圈的二维轴对称有限元模型,研究介质压力、压差、摩擦因数和温度对其密封性能的影响规律。研究表明:介质压力主要影响最大接触应力,随着介质压力的增加,最大接触应力呈线性增加;介质压差主要影响最大接触应力和接触长度,随着介质压差的增加,最大接触应力先线性增加然后基本保持不变,而接触长度呈非线性增加;温度变化对密封性能的影响可以忽略;在考虑的工况条件下,单唇形密封圈唇口与旋转轴接触处产生的最大接触应力始终大于介质压力,密封性能良好。

聚氨酯含量对盾尾密封油脂性能的影响

采用市售单组分聚氨酯(SPU),制备了不同SPU含量的盾尾密封油脂,研究了SPU含量对盾尾密封油脂锥入度、泵送性、抗水密封性及粘附性的影响。结果表明:随着SPU含量的增加,盾尾密封油脂锥入度、泵送性减小,抗水密封性和粘附性增强。当SPU含量由0%增至12%时,盾尾密封油脂锥入度由201.33降至141.40;当SPU含量≥6%时,粘附性测试时钢板在10min内的下移距离为零,盾尾密封油脂可以抵抗3.5MPa水压;泵送性受温度影响随SPU含量的增加逐渐减小,当SPU含量为0~12%时,盾尾密封油脂在-5~50℃范围内的泵送性增大幅度为39.31%~12.16%。

双道密封垫分布形式对大直径盾构隧道接缝力学性能影响研究

为探究大直径盾构隧道双道防水密封垫的合理分布方式,采用考虑接缝细部构造及混凝土塑性损伤的精细化数值模拟方法,通过纵缝抗弯足尺试验验证该方法的有效性,并进一步利用精细化数值模拟对比分析密封垫双道内外分布及密封垫双道外侧分布下接缝的力学性能及防水性能。研究结果表明:1)精细化数值模拟在反映接缝抗弯性能方面具有良好的可靠性;2)接缝受压区高度、张开量及螺栓应力随弯矩增大呈现4阶段的发展模式,受压侧外缘接触一定程度提升了抗弯性能;3)轴力显著影响接缝初始抗弯刚度的保持,且轴力与初始抗弯刚度并非完全正相关,高轴力下初始抗弯刚度有一定下降;4)密封垫双道内外分布的负弯性能略优于正弯性能,密封垫双道外侧分布的负弯性能远超正弯性能;5)密封垫分布从轴力附加弯矩和核心区混凝土高度2方面影响了接缝的抗弯刚度;6)正弯矩下双道外侧防水性能优于双道内外的防水性能,而负弯矩下双道外侧防水性能较双道内外的防水性能差。由于具有更好的正弯性能以及至少有一侧密封垫受压的防水性能,密封垫双道内外分布的纵缝形式具有更好的适用性。

土压平衡式盾构用主驱动密封气动压力控制系统及其控制方法

传统土压平衡式盾构机主驱动密封压力控制采用一种油气混合压力控制装置,该装置承压能力不超过0.6 MPa。在操作过程中需要技术人员实时调节,对人员操作要求较高,存在误操作等安全风险,严重时会导致掌子面塌陷、主驱动密封失效、主轴承损坏等严重后果。为解决这一问题,设计了一种土压平衡式盾构用主驱动密封气动压力控制系统及其控制方法。该系统根据土压平衡式盾构机土仓压力的变化自动调节主驱动密封腔压力,并将主驱动密封的最大承压能力提高至0.8 MPa,显著降低人员操作安全风险。该系统对需高承压盾构施工的设备制造及操作有较强的指导意义。

盾构隧道渗漏灾害中堵漏浆材作用机制试验研究

注浆堵漏常用于盾构隧道渗漏事故的抢险过程中,合理的注浆能够有效封堵渗漏点,避免险情进一步恶化。为研究不同地层中隧道渗漏后不同堵漏材料的作用机制,基于不同地层侵蚀状态下盾构隧道发生渗漏险情后的发展特征,提出渗流型和空洞型2种渗漏事故类型;进一步考虑注浆材料物理化学性质的差异,将堵漏浆材划分为膨胀型和黏结型2种不同类型,从而通过模型试验研究不同类型浆液在不同渗漏事故类型中的作用机制。研究表明:1)注浆封堵的机制是浆液固化物通过膨胀性或者黏结性在接触面上形成较强的正应力,当接触面正应力超过水压力时,外部流水无法进入隧道内部,堵漏成功;2)渗流型地层中浆液扩散距离主要受到浆液凝结时间、地层渗透系数、浆液黏度、注浆压力、水力梯度等因素的影响,并通过试验给出浆液扩散距离的经验公式;3)渗流型地层中,油性聚氨酯反应生成固化物膨胀挤压周边地层,通过挤压力抵抗外水压力,水性聚氨酯的接触面挤压力小于油性聚氨酯,通过包水性消耗孔隙水,同时结合挤压力实现堵漏;4)空洞型地层中,油性聚氨酯固化物以自密封的形式、水性聚氨酯以黏结力和自密封共同作用的形式实现堵漏效果;5)空洞型地层中,堵漏注浆的浆液扩散过程受浆液及其生成物密度的影响,针对不同渗漏位置需要选用不同的浆液类型。

再制造盾构机状态评估及负载调试技术研究

盾构法在城市地下空间开发中优先选用,因地下工程水文地质环境复杂,对设备性能及状态要求极高。鉴于制造车间环境受限,盾构机关键部件/系统未能完全实现负载状态调试,部分功能及指标测试存在漏洞,会影响到后期服役项目的施工水平。文章按照“项目使用反馈—动态、静态勘验—状态评估检测—再制造方案设计、评审—维修再制造—整机组装调试—下线验收”全流程开展研究,以土压平衡盾构机再制造为例,采用密封气囊机构包裹刀盘及前盾切口环,向气囊内注入压缩空气形成带压环境,模拟盾构施工状态进行联机调试,完善车间联机调试负载缺失环节,一定程度提高整机性能的可靠性。

地铁盾构洞内盾尾刷更换技术研究

土压平衡盾构穿越承压水、透水地层时,盾尾刷会出现严重磨损,止水效果变差,对盾构隧道的掘进质量、安全等造成严重影响。因此,盾尾刷的快速更换对施工安全和工程质量至关重要。徐州地铁6号线一期工程市紫区间右线掘进过程中,通过洞内更换盾尾刷技术进行研究,提出土压平衡盾构机掘进期间进行安全、高效的洞内盾尾刷更换技术措施。结果表明,洞内快速更换盾尾刷安全快速可行。

三元乙丙橡胶密封垫长期防水性能预测研究

为对盾构隧道密封垫长期防水性能进行预测,通过总结以往的密封垫性能预测方法与老化试验方法及成果,参考以往研究将老化试验温度控制在90℃以内、老化时长控制在168 h以内,开展哑铃Ⅰ型三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)热氧老化试验,分析EPDM试件拉断伸长率、拉伸强度和拉断永久变形率的变化规律,给出化学层面的解析,并与以往EPDM密封垫老化试验结果进行对比。根据试验结果认为:EPDM拉断伸长率和拉断永久变形率的衰减是EPDM密封垫防水能力下降的原因之一,EPDM拉伸强度对EPDM密封垫防水能力影响较小,采用EPDM单个拉伸性能指标老化规律预测密封垫长期防水能力不可靠。最后,基于阿伦尼乌斯方程的动力学曲线直化法,预测EPDM拉断伸长率100年后的老化系数约为37%。

高水压盾构滚刀用橡胶套管的自适应平衡特性研究

为保持滚刀浮动密封的有效性,滚刀内外压力差需要控制在0.3 MPa内,而工作环境水压可以达到1.4 MPa,因此需要设计自适应压力平衡结构降低滚刀内外压差。常规的活塞式平衡阀经常由于高压环境下的岩渣堵塞或者O型圈动密封快速磨损导致滚刀浮动密封失效。因此针对高水压环境下滚刀内外压力自动可靠平衡问题,设计了自适应平衡橡胶套管:通过气囊变形响应外界压力变化,实现滚刀内介质对于外界压力变化的动态跟随功能。首先,采用理论分析的方法研究橡胶套管自适应平衡机制,并基于仿真与理论分析相结合的方式给出自适应平衡橡胶套管性能评估方法;其次,通过套管参数的敏感性分析给出优选的结构参数、试制等径式橡胶套管,并进行压力跟随试验,发现输入压力为0~0.6 MPa时,内外压差为0.12 MPa;最后,将试制橡胶套管应用在盾构滚刀项目中,滚刀运行状况良好。

大直径盾构隧道内高速列车振动下管片接缝变形与防水性能仿真分析

[目的]为防治大直径盾构隧道渗漏水病害,保障高速列车行驶安全与隧道正常运营,必须对高速列车振动下的隧道管片接缝变形与防水性能进行分析研究。[方法]依托湛江湾海底隧道工程,利用有限元软件建立地层-隧道三维模型与密封垫-沟槽二维精细化模型。首先以纵缝为例研究了大直径盾构隧道内高速列车振动下管片位移动力响应与管片接缝变形特征,然后基于最不利管片接头变形工况分析了一种密封垫防水性能。[结果及结论]单列高速列车振动下管片接缝位移响应过程分为变形增加、变形危险与变形消退3个阶段;变形危险阶段管片环上部与左右两端处接缝张开且错台量较大,邻近接缝受两侧管片挤压作用张开且错台变小;轨道道床下接缝几乎无变形,轨道道床会大大减弱列车振动对管片衬砌的影响;密封垫与密封垫间接触应力呈U形分布,密封垫与管片沟槽间接触应力由中间接触部位向两边逐渐减小;相较于密封垫与管片沟槽间接触路径,密封垫与密封垫间接触面更易发生渗漏水。在本工程的最不利工况下,提供的一种三角形开孔密封垫能满足本隧道防水要求。

盾构机迷宫密封旋转润滑试验及动态仿真研究

盾构机主驱动密封系统在恶劣的工况下易进渣土,导致密封失效,而目前对渣土侵入密封的研究尚不充分,且对主驱动密封润滑的研究局限于缩比模型的试验和仿真模拟等方法,缺少实机的试验和仿真模拟。通过建立∅2 m级主驱动密封润滑试验台并构建等比例网格模型,通过试验法探究迷宫密封腔内动态旋转的EP2油脂在不同的转速、密封类型、偏心量等因素下,迷宫密封腔内EP2油脂的流动扩散情况。构建等比例试验台网格模型,使用滑移网格法模拟迷宫密封腔内EP2旋转扩散情况,对比试验结果以验证数值模拟的准确性。试验结果表明:EP2油脂扩散弧长随转速和偏心量的增加而增长,但相较于偏心量,主驱动转速对油脂扩散弧长的影响较小;在相同偏心量和主驱动转速下,错列型迷宫密封的密封性能优于直通型迷宫密封。依照行业经验设定油脂单口注入量为3.4 mL/min时,迷宫密封腔内仅内、外筒壁面有少量EP2黏附,其余位置均为空腔;且在黏性力、重力及离心力相互作用下,EP2不能均匀地流出,致使迷宫密封上部缺少油脂润滑,从而导致迷宫密封被渣土侵入而失效。

盾尾密封油脂防水密封性能评价指标的相关性分析

[目的]盾尾油脂的性能对盾尾防水密封效果有显著的影响。盾尾油脂的性能检测指标较多,但这些指标与盾尾防水性能的关系尚未阐明,需对油脂各检测指标与防水性能之间的关系展开研究。[方法]选取了4种典型的盾尾油脂材料,分别进行了泵送性试验、稠度试验及耐水压密封性试验,获取了4种油脂的泵送量、锥入深度、保压时间及防水失效压力等4个性能指标的测试数据。基于自主设计的盾尾防水性能试验装置,开展了盾尾油脂的防水性能试验。采用皮尔逊相关系数法,分析了这4个性能指标与防水性能的相关性。[结果及结论]具有长纤维的油脂可以抵抗一定的应力,且较好的保压性能。不同盾尾油脂的防水失效压力有较大差异,其防水失效压力在0.41~0.70 MPa之间,并不是所有盾尾油脂都能满足0.60 MPa的设计防水压力,在油脂选型时应对油脂的性能进行检测。锥入深度与耐水压密封性、锥入深度与防水失效压力之间均呈高度负相关。

我国大直径盾构关键技术及智能建造发展趋势

为阐明大直径盾构智能化建造方向,解决建造过程中出现的技术难题,以大直径盾构关键技术特点及智能建造发展为出发点,结合我国近年来大直径盾构智能化建造的发展历程及现状,立足大直径盾构存在的典型关键技术问题,从主驱动轴承损坏因素、刀具磨损状况、刀盘结泥饼原因、管片上浮问题等方面,探析大直径盾构建造过程的关键技术难点。基于智能建造技术的发展特征,从隧道装备机器人研发、感知系统研制、智能化掘进系统开发、智能化运维技术开发等多个角度,分析大直径盾构智能化建造的发展方向与趋势,阐述隧道智能建造关键技术的建设方案,为智能建造技术在大直径盾构隧道工程中的深度应用,推动隧道建设“智能化、精细化、协同化、高效化”发展提供参考。

盾构管片接缝弹性密封垫防水性能研究

为研究地铁盾构管片接缝弹性防水密封垫的防水性,以天津地铁6号线渌水道站—双港站区间盾构项目为研究背景,采用有限元数值模拟方式,研究了材料硬度、接缝张开量、各种开孔形式和填充率对弹性防水密封垫闭合压力和防水性能的有关影响,并对管片接缝弹性防水密封垫进行了防水性能试验。研究结果表明,接缝防水性能优劣受到装配闭合力、弹性防水密封垫参数、接缝张开量、错台量等因素影响,在装配闭合力、弹性防水密封垫参数一致的情况下,接缝张开量的增大和错台量的增大均会削弱弹性防水密封垫的防水性能。