泥水平衡盾構機新型裝配式保壓工裝設計

李帥杰

(中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100)

盾構技術在發展城市地下空間、交通網絡，開采地下資源和優化資源分配方面具有重要的建設意義和經濟效益，是提升人們生活水平、實現人與自然和諧發展的關鍵技術[1-2]。泥水平衡盾構機(見圖1)在工作過程中，通過氣墊艙壓力和泥漿管路流量協同控制泥水艙壓力，保證開挖面穩定[3-5]。氣墊艙與泥水艙之間的隔板上設置有泥漿門，在保壓試驗過程中需要用工裝將泥漿門密封。

目前，泥水平衡盾構機保壓方案多采用焊接式保壓工裝，焊接式保壓工裝需整體焊接至盾體泥漿門上，對焊縫質量要求高，且完成保壓試驗后需刨除，存在現場作業耗時長、體積重量大且無法重復使用、不美觀等問題。

針對這一系列問題，本文提出一種新型裝配式保壓工裝，分別對焊接式與裝配式保壓工裝進行靜力學仿真與試驗分析，證明裝配式保壓工裝的可行性。

圖1 泥水平衡盾構機結構示意圖

1 保壓工裝結構設計

1.1 焊接式保壓工裝結構

泥水平衡盾構機焊接式保壓工裝安裝如圖2所示，焊接式保壓工裝所選材料為鋼材Q345B，主要由封板主體、筋板和豎板組成。盾體保壓試驗前需提前將工裝焊接至盾體泥漿門處。焊接式保壓工裝的左、右、上側豎板需與盾體隔板焊接；下側與筒體的上邊緣焊接。焊接式保壓工裝通過焊縫保證密封性。

圖2 焊接式保壓工裝安裝示意圖

1.2 裝配式保壓工裝結構設計

1.2.1 工裝結構

裝配式保壓工裝所選用材料同樣為鋼材Q345B，裝配式保壓工裝安裝如圖3所示。裝配式保壓工裝主要由封板主體、O型密封條、上下卡板、連接螺栓以及頂緊螺栓組成。工裝左、右兩側利用盾體外側導軌原有螺栓孔，使用螺栓進行緊固。裝配式保壓工裝為保證裝配的密封性，封板主體設有密封槽，用于安裝O型密封條；上、下兩側為避開盾體隔板內側液壓管路，采用分塊式卡板緊固，卡板裝有頂緊螺栓，通過頂緊螺栓頂緊盾體隔板，從而保證裝配式保壓工裝的密封性。根據O型密封條的使用要求，密封槽允許最大理論變形量為1.3 mm。與焊接式保壓工裝相比，該工裝具有體積小、重量輕、拆卸方便、可重復使用等優點。

圖3 裝配式保壓工裝安裝示意圖

1.2.2 工裝仿真分析

焊接式與裝配式保壓工裝所選用材料均為鋼材Q345B，材料泊松比為0.3，楊氏模量為205 GPa。

通過Creo軟件分別建立焊接式與裝配式保壓工裝三維模型，對模型進行前期處理，分別將焊縫處和螺栓連接處簡化為固定約束。對保壓試驗中受壓面施加均勻壓力載荷1 MPa，進行靜力仿真分析。焊接式與裝配式保壓工裝模型邊界條件分別如圖4a和圖4b所示。

圖4 保壓工裝模型邊界條件

焊接式與裝配式保壓工裝模型應力分析結果如圖5a和圖5b所示。焊接式與裝配式保壓工裝模型最大應力分別為228.43和222.62 MPa，均小于材料屈服極限345 MPa。

圖5 焊接式與裝配式保壓工裝模型最大應力(單位為MPa)

焊接式與裝配式保壓工裝模型變形量分析結果如圖6a和圖6b所示，焊接式與裝配式保壓工裝最大變形量分別為2.845和0.258 mm；最大變形量均出現在工裝中部；裝配式保壓工裝密封槽處變形量分析結果如圖6c所示，裝配式保壓工裝密封槽處最大變形量為0.067 9 mm，最大變形量均出現在密封槽底部。可以看出，密封槽處最大變形量小于密封槽允許最大理論變形量；因此，采用裝配式保壓工裝能夠滿足盾體保壓試驗的密封性要求。

圖6 焊接式與裝配式保壓工裝模型變形量(單位為mm)

2 試驗分析

為驗證焊接式與裝配式保壓工裝的密封效果，以某型號泥水平衡盾構機為試驗對象，對其氣墊艙進行保壓試驗。關閉氣墊艙與外部連接的所有閥組，先后安裝裝配式保壓工裝、焊接式與裝配式保壓工裝，進行保壓試驗。保壓試驗過程中，記錄安裝、拆卸焊接式與裝配式保壓工裝所需時間。

啟動2臺90 kW空壓機，首先將壓力值設置為0.2 MPa，利用肥皂泡沫等檢測手段對盾體氣墊艙各閥組進行檢漏，確保所有閥組及安裝面無漏氣點；將空壓機壓力調整至0.6 MPa，重復上述步驟，直至氣墊艙無漏氣點；分別測量焊接式與裝配式保壓工裝在0.6 MPa壓強下，保壓30 min后的壓降，壓降不超過試驗壓力的5%為保壓合格。測量焊接式與裝配式保壓工裝最大變形量，焊接式與裝配式保壓工裝試驗原理如圖7所示。

圖7 試驗原理

試驗結果顯示：焊接式與裝配式保壓工裝在0.6 MPa工況下，30 min內壓降分別為0.006和0.012 MPa，滿足產品設計要求。焊接式與裝配式保壓工裝保壓過程中最大變形量分別為7和1.2 mm。焊接式保壓工裝焊接、探傷檢測、拆除共消耗時間約26 h；裝配式保壓工裝裝配、拆卸共消耗時間約3 h。由此可以看出，使用裝配式保壓工裝能夠有效縮減工時，減少保壓過程中的應變，提高保壓可靠性。

3 結語

本文通過Creo軟件建立了焊接式與裝配式保壓工裝三維模型，并對其進行靜力學分析。結果表明：與焊接式保壓工裝相比，新型裝配式保壓工裝最大應力、最大變形量均優于焊接式保壓工裝。通過保壓試驗，驗證了新型裝配式保壓工裝較優的保壓性能和安裝便捷性，為后續泥水平衡盾構機的保壓試驗工裝設計及優化提供了參考。