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。

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。

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%。

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。

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。

盾尾密封系统防水失效特性试验与模拟分析

盾尾密封系统的防水密封性能是影响盾构施工安全的重要因素,为分析其防水失效特性,设计了盾尾密封系统室内模型试验,并基于计算流体力学建立了对应的盾尾密封系统仿真模型。分析了在外部水压侵入过程中水油两相流体的体积分布、压力场和速度场变化,探究了盾尾结构参数、尾刷参数、油脂参数对密封性能的影响规律。结果表明:增加盾尾刷道数可有效提升防水能力;在防水失效过程中,在盾尾刷处出现流速的峰值点,流速的扩展分布与水侵入的体积分布具有一致性;盾尾刷渗透率、油脂粘度是影响初始漏水时间的敏感性因素;通过减小盾尾刷渗透率、增大油脂粘度,可有效延迟初始漏水时间,提升盾尾密封系统防水能力。

长距离盾构隧道掘进的主要问题及发展趋势

对盾构隧道工程区间施工距离变化的现状进行梳理,基于4个典型的长距离盾构隧道工程实例,对盾构隧道长距离掘进中出现的刀盘刀具磨损、盾尾密封系统失效、管路磨损、复杂地层盾构开舱、地下对接等问题以及其主要技术原理、技术流程、适用范围及优缺点进行归纳总结,并对我国智能化快速施工技术发展进行了展望。

盾构盾尾密封承压能力研究与试验

为验证经验中盾构(全断面隧道掘进机)尾刷密封的承压能力,探究影响尾刷密封承压能力的主要因素和失效路径,采用原理分析法和模拟试验法,引入“尾刷密封单元”和“尾刷密封系统”的概念,全面分析尾刷密封构成要素和承压原理,分析、对比盾尾油脂耐压试验与“尾刷密封单元”承压能力的差异,并结合失效案例,推断影响承压能力的主要因素。根据推断模拟尾刷密封一般工况设计试验方案,发现:1)“尾刷密封单元”承压失效的主要形式为压力水透过盾尾刷焊接结构孔隙和弹簧板拼接缝孔隙,沿盾尾油脂与盾体内壁黏合不充分的地方贯穿失效;2)验证在试验所代表的技术条件下,1个“尾刷密封单元”的承压能力约为0.2 MPa及多个“尾刷密封单元”承压能力可叠加特性的正确性,直观地发现限制“尾刷密封单元”承压能力在0.2 MPa的主要原因为易形成贯穿缝,为研究和设计更高承压能力的“尾刷密封系统”提供较有力的证据支撑。

超高水压盾尾密封性能试验台设计与研究

为从机制上深入研究超高水压下盾尾密封性能,利用机、电、液相关控制技术研制出超高水压盾尾密封性能试验台,重点设计要素有:1)动作姿态设计,试验台通过控制油缸伸缩实现轴向移动、径向移动和转向偏转等动作,模拟盾构掘进过程中的姿态变化;2)油脂供给设计,采用由5道盾尾刷形成的4个油脂腔,模拟超高水压盾构盾尾密封设计;3)超高水土压力供给设计,设计一套安全、可靠、承压可达2.5 MPa的泥水循环保压系统,模拟盾构超高水土压力。试验台为模拟超高水压复杂施工环境做好了充足的准备,通过后期测试在超高水压下的静态、动态盾尾密封性能,研究不同的水土压力、油脂腔数量、油脂质量、盾尾刷质量以及盾构掘进姿态、管片错台等因素对盾尾密封性的影响程度。

基于S7-400H的EPB盾构盾尾密封系统软件设计

利用S7-400H PLC冗余系统平台开发、设计土压平衡(EPB)盾构控制系统软件,能够进一步提高系统的容错能力;对盾尾密封系统的控制及使能条件的关联进行分析、总结,给施工过程中盾构操作及维修人员以指导;对盾尾密封系统的控制流程进行分析,给盾构控制系统软件设计人员以帮助。

盾尾密封油脂性能评价方法研究

针对盾构施工的日益普及,盾尾密封油脂在盾构隧道建设中需求不断增大的背景,分析了盾尾油脂密封原理,概括了施工中所用盾尾油脂类型及其性能要求,研究了盾尾油脂的耐水压密封性、挥发性和泵送性测试方法,为进一步规范盾尾油脂性能评价标准提供了参考。

盾构法隧道掘进中盾尾密封涌水涌砂防治技术

在盾构法隧道穿越工程中,盾尾密封是保证盾构掘进隧道与掘进面完全隔离的关键性控制部位,一旦密封损坏,将会造成盾尾涌水涌砂,给掘进施工造成困难,甚至直接影响到人员、设备的安全。文章分析了以往盾构掘进中盾尾密封涌水涌砂的原因,针对地层松散、流动性强、强透水、高水压等情况,成功地摸索出一套行之有效的盾尾密封安装与施工技术。该技术在黄石长江盾构掘进中应用,有效地解决了盾尾密封涌水涌砂问题。

富水砂层盾尾密封修复技术

南昌轨道交通1号线秋水广场站—中山西路站区间隧道为首条穿越赣江的隧道,其始发与接收段均处于富水砂质地层中。在盾构始发过程中,出现盾尾漏浆。为解决盾构推出洞门端头加固体后盾尾漏浆问题,采取泥水舱及盾壳上注入优质膨润土泥浆封闭、盾尾注入水泥砂浆封堵周边水系等措施,根据管片长度与盾尾密封的位置,选择合理的推进长度进行管片拆除,用塞焊的方法对3道盾尾刷处的注浆管、注脂管与盾尾之间的间隙进行焊接封堵,顺利解决了盾尾漏浆问题,完成了盾尾密封的修复工作,可为类似工程的盾尾密封修复提供借鉴与参考。

水底大型泥水盾构盾尾密封失效的应对技术

水底大型盾构法隧道常因地层透水性强、水压高而采用泥水平衡盾构机施工,盾尾密封失效事故发生概率较低,但一旦发生其后果较为严重,甚至是灾难性的,风险等级评价为3C,即三级需要决策采取措施的风险。针对杭州市庆春路过江隧道盾构掘进过程中盾尾密封失效导致漏水漏浆的险情,分析了其盾尾密封失效的原因,研究提出了大型泥水盾构盾尾密封失效情况下采用液氮冷冻措施形成盾尾冻土环帷幕止水,在冻土帷幕止水保护下对盾尾管片拆、复拼并检查、更换、增补盾尾刷综合治理技术,经工程实践证明该技术是安全、有效、合理的。

盾构法隧道的盾尾防水密封与盾尾密封油脂

针对盾构法建造地下隧道日益普及、盾尾密封技术与盾尾油脂研究不断深化的背景,介绍了盾尾油脂的密封原理与密封特点,重点介绍了中、日、法等国3种典型盾尾密封油脂的性能指标与密封功效,扼要探讨了该类材料的组成、检测项目、指标与方法等技术关键,并提出了相关材料标准化已势在必行的观点。

盾尾密封脂的泵送性和抗水密封性

重点介绍了盾尾密封脂泵送性和抗水密封性的重要性,高分子合成液可以改善盾尾密封脂的泵送性,纤维可以提高盾尾密封脂的抗水密封性。

泥水平衡混合式盾构机施工中的设备泄漏问题及解决方案

针对南京长江隧道项目泥水平衡混合式盾构机施工期间出现的盾尾漏泥浆、主驱动与盾体块连接部位漏泥浆、主驱动密封泄漏腔漏油和推进油缸漏油等问题进行了研究和分析,制订了解决方案并处理了这些问题,对类似的泥水平衡混合式盾构的保养维护具有借鉴意义。

盾尾密封油脂泵送性测试仪器、测试方法与评价标准研究

针对目前国内盾尾密封油脂的泵送性无精确定量测试设备、测试方法和评价标准的问题,对国内外盾尾密封油脂泵送性的测试仪器、测试方法和评价标准进行了梳理和对比。根据课题组对盾尾密封油脂的配方和性能的研究成果,结合我国盾构隧道施工中盾尾密封油脂的具体使用情况,参考ASTM D1092,研制了盾尾密封油脂泵送性的定量测试设备、给出了测试方法,并推荐了其评价标准。为我国制定盾尾密封油脂泵送性指标的行业标准提供了借鉴。

盾尾密封油脂专利技术现状

盾尾密封油脂是盾构机中尾部保护装置所用密封材料,具有独特的应用场景和密封要求。介绍了自2005年以来盾尾密封油脂专利申请概况,详细归纳分析了国内盾构密封油脂技术现状,为相关科研人员应用研究提供参考。

盾构机盾尾密封状态监测技术研究

盾构机作为高机械化隧道施工机械已广泛应用于城市地铁、综合管廊以及大直径公路隧道工程。盾尾密封作为盾构机的三大密封系统,用来抵抗同步注浆及地下水压力,一旦盾尾密封失效,轻则造成同步注浆泄漏至盾尾、注浆量不足,重则造成盾尾涌水涌砂、地表沉陷。本文介绍了盾尾密封原理、盾尾密封形式,分析了盾尾密封影响因素,并基于既有的盾构机传感器参数数据提出了一种盾尾密封状态评价体系,以实现对施工中盾尾密封情况的监测和预警。