一种适用于富水破碎地层敞开式TBM密封装置及方法与流程

一种适用于富水破碎地层敞开式tbm密封装置及方法
技术领域
1.本发明涉及盾构机密封设备技术领域，技术领域，具体涉及一种适用于富水破碎地层敞开式tbm密封装置及方法。


背景技术：

2.盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法；
3.在引水隧道采用敞开式tbm施工的过程中，由于洞内发育的裂隙水中的砂石含量高，容易引起tbm蜜蜂系统的快速磨损、频繁失效，为了减少裂隙水中的砂石颗粒向密封腔内侵入，减缓tbm密封的失效，需要对富水破碎底层敞开式tbm密封结构进行改进。


技术实现要素：

4.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种适用于富水破碎地层敞开式tbm密封装置及方法，本装置通过设置外密封装置和内封装置来优化迷宫密封腔的回转次数和减少砂石颗粒的侵入来减缓tbm密封失效，与内密封防尘装置配合，达到防尘效果，并通过更换tbm密封润滑脂，提高油脂对水中砂石的封堵效果，为密封结构提供双重保障，具有防尘、防砂石颗粒效果好、施工方便的特点。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种适用于富水破碎地层敞开式tbm密封结构洞内改造方法，所述方法包括
7.步骤一：tbm上圈外密封阶段
8.利用带有刀盘背部观察口的包厢，将外密封防尘安装环安装在tbm外压紧环上；
9.步骤二：tbm下圈外密封阶段
10.采用断续焊接方式对外密封防尘安装环进行二次固定，焊点与外压紧环的连接螺钉距离控制在5m，并在刀盘底部的6段防尘密封安装环上设置槽口，安装防尘密封刷；
11.步骤三：刀盘内排渣
12.转动tbm刀盘，并启动输送带，在tbm刀盘转动过程中，利用重力排空刀盘内的石渣；
13.步骤四：tbm刀盘内密封阶段
14.安装内密封橡胶垫和垫环，同时更换tbm密封油脂材料。
15.优选的，步骤一所述的tbm上圈外密封阶段包括步骤：
16.s101.将外密封防尘安装环等分切割为15段，且将每段环沿其中心位置切成两段；
17.s102.在外压紧环上钻设连接孔；
18.s103.将30段外密封防尘安装环采用30个m8*45连接螺钉穿过连接孔逐一安装在tbm外压紧环上。
19.优选的，步骤二所述的tbm下圈外密封阶段包括
20.s201.每段外密封防尘安装环与下圈刀盘焊接3个位置，且每个位置的焊接长度不小于8cm；
21.s202.每安装完成一段外密封防尘安装环后，需手动控制逆时针转动刀盘12
°
后安装下一段外密封防尘安装环，直到全部安装环安装完毕；
22.s203.清理刀盘底部的6段外密封防尘安装环的安装槽，将防尘密封刷沿安装槽插入安装环内。
23.优选的，步骤四所述的tbm刀盘内密封阶段的操作步骤包括：
24.s401.将靠近内密封迷宫的接渣斗割除15cm，并在割除接渣斗的位置拆除10段内密封迷宫的内迷宫环；
25.s402.待迷宫环拆除后，在每段迷宫环对应的垫环螺栓孔位置增加开设3个m16螺栓孔；
26.s403.将开完孔的迷宫环重新安装回主驱动上；
27.s404.用m16*35螺钉将垫环和内密封橡胶垫固定在内密封迷宫的迷宫环上，并将接渣斗焊接恢复；
28.s405.更换tbm密封油脂材料。
29.优选的，所述的tbm密封油脂材料为hbw黑色润滑脂。
30.利用适用于富水破碎地层敞开式tbm密封结构洞内改造方法，得到一种适用于富水破碎地层敞开式tbm改进的密封装置，所述的密封装置包括相互配合使用的外密封装置和内密封装置，所述外密封装置为外密封防尘机构，所述内密封装置包括内密封橡胶垫和垫环，所述内密封橡胶垫和垫环设置在内密封迷宫上，其中垫环设置在内密封橡胶垫的内侧。
31.优选的，所述的内密封橡胶垫和垫环上分别设置有橡胶垫连接孔和垫环螺栓孔，所述内密封橡胶垫和垫环通过m16*35螺钉安装在内密封迷宫上。
32.优选的，所述的外密封防尘机构包括外密封防尘安装环和防尘密封刷，所述外密封防尘安装环通过m8*45连接螺钉安装在tbm外压紧环上，所述防尘密封刷安装在外密封防尘安装环上。
33.优选的，所述的刀盘底部的6段外密封防尘安装环上均设置有安装槽，所述防尘密封刷安装在安装槽内；所述外密封防尘安装环上还设置有连接孔，所述连接孔与m8*45连接螺钉配合使用。
34.优选的，(1)所述的内密封橡胶垫采用聚氨酯板制成；
35.(2)所述垫环采用402不锈钢制成；
36.(3)所述防尘密封安装环采用42铬钼制造；
37.(4)所述外密封防尘密封刷采用聚氨酯制造；
38.(5)所述内密封橡胶垫和垫环的外径均为3690mm，内径均为3570mm；所述橡胶垫连接孔和垫环螺栓孔的直径均为18mm。
39.本发明的有益效果是：本发明公开了一种适用于富水破碎地层敞开式tbm密封装置及方法，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：
40.本发明公开了一种适用于富水破碎地层敞开式tbm密封装置及方法，为了减少裂
隙水中砂石颗粒向迷宫密封腔内侵入，从根源上减缓tbm密封失效，本方法通过在内、外密封装置上加设防尘密封装置，采用hbw黑色润滑脂代替传统ep2油脂作为tbm密封用油脂材料，提高油脂对水中砂石的封堵效果，为密封结构提供双重保障，提高了敞开式tbm在富水软弱地层中的适用性，同时，相比改造tbm的密封迷宫腔，采用本方法可以极大缩短tbm改造工期，降低施工难度，创造经济效益，其得到票的密封装置具有防尘、防砂石颗粒效果好、施工方便的优点。
附图说明
41.图1为本发明适用于富水破碎地层敞开式tbm密封结构洞内改造方法的操作流程图。
42.图2为本发明外密封防尘密封安装环的切割分解图。
43.图3为本发明上圈防尘装置装配图。
44.图4为本发明下圈防尘装置装配图。
45.图5为本发明内密封防尘装置的装配示意图。
46.图6为本发明内密封防尘装置的内密封橡胶垫结构示意图。
47.图7为本发明内密封防尘装置的垫环结构示意图。
48.图8为本发明实施例1工程平面示意图。
49.图9为本发明实施例1主驱动进泥沙、漏油及密封系统损坏情况图。
50.图10为本发明实施例1tbm密封失效情况图。
51.图11为本发明实施例1安装后的密封装置的现场情况图。
52.其中：在图2
‑
图7中：1.外压紧环，2.m8*45连接螺钉，3.外密封防尘安装环，31.安装槽，32.连接孔，4.防尘密封刷，5.外密封迷宫，6.内密封橡胶垫，61.橡胶垫连接孔，7.垫环，71.垫环螺栓孔，8.m16*35螺钉，9.内密封迷宫；
53.在图9中：图(a)表示泄漏腔内有泥砂，图(b)表示密封漏320齿轮油，图(c)表示耐磨环磨损，图(d)表示隔离环锈蚀；
54.在图10中：图(a)表示洞内围岩破碎情况，图(b)表示洞内裂隙水量大，图(c)表示密封腔内ep2分布，图(d)密封腔内油脂分布；
55.在图11中：图(a)表示外密封上圈防尘装置，图(b)表示外密封下圈防尘装置，图(c)表示内密封防尘装置。
具体实施方式
56.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
57.针对因ep2润滑油脂在外迷宫密封腔内未成密封环，导致水和石渣等固体杂质从没有ep2油脂间隔处进入迷宫密封腔并接触到唇形密封，并导致唇形密封磨损，直至整体失效的问题，本发明通过优化迷宫密封腔的回转次数和减少砂石颗粒的侵入来减缓tbm密封失效。
58.参照附图1
‑
7所示的一种适用于富水破碎地层敞开式tbm密封结构洞内改造方法，包括
59.步骤一：tbm上圈外密封阶段
60.s101.由于刀盘背部安装空间受限，为便于外密封防尘密封安装环的顺利装配，针对该环进行改造加工，将外密封防尘安装环等分切割为15段，且将每段环沿其中心位置切成两段；
61.s102.在外压紧环上钻设连接孔；
62.s103.将30段外密封防尘安装环采用30个m8*45连接螺钉穿过连接孔，将其逐一安装在tbm外压紧环上；
63.步骤二：tbm下圈外密封阶段
64.采用断续焊接方式对外密封防尘安装环进行二次固定，使其与tbm下圈刀盘连接，所述焊点与外压紧环的连接螺钉距离控制在5m；其具体过程包括：
65.s201.在焊接时，为保证焊接强度，在每段外密封防尘安装环与外压紧环焊接3个位置，且每个位置的焊接长度不小于8cm；
66.s202.每安装完成一段外密封防尘安装环后，需手动控制逆时针转动刀盘12
°
后安装下一段外密封防尘安装环，直到全部安装环安装完毕；
67.s203.清理刀盘底部的6段外密封防尘安装环的安装槽，将防尘密封刷沿安装槽插入安装环内；
68.其中：在步骤s101等分切割外密封防尘安装环的过程中，需在刀盘底部的6段防尘密封安装环设置槽口，用于装配密封刷；
69.步骤三：刀盘内排渣
70.转动tbm刀盘，并启动输送带，在tbm刀盘转动过程中，利用重力排空刀盘内的石渣；
71.步骤四：tbm刀盘内密封阶段，其具体操作过程包括：
72.s401.将靠近内密封迷宫的接渣斗割除15cm，以便拆除10段内迷宫环，并在割除接渣斗的位置拆除10段内密封迷宫的内迷宫环；
73.s402.待迷宫环拆除后，在每段迷宫环对应的垫环螺栓孔位置增加开设3个m16螺栓孔；
74.s403.将开完孔的迷宫环重新安装回主驱动上；
75.s404.用m16*35螺钉将垫环和内密封橡胶垫固定在内密封迷宫的迷宫环上，并将接渣斗焊接恢复；
76.s405.使用hbw黑色润滑脂代替原用ep2油脂，hbw黑色润滑脂具有粘附性强、密度高、粘性强的特点，可以有效减少裂隙水引起的油脂冲失，显著提升tbm单唇密封对裂隙水的封堵效，hbw黑色润滑脂参数见表1所示：
77.表1：hbw黑色润滑脂参数
78.[0079][0080]
本发明所述上述敞开式tbm密封结构洞内改造方法，通过采用内、外密封加设防尘密封装置和采用hbw黑色润滑脂代替传统ep2油脂的手段来增加迷宫密封腔的回转次数和减少砂石颗粒的侵入，来提高油脂对水中砂石的封堵效果，为密封结构提供双重保障，能够有效减缓tbm密封失效，提高了敞开式tbm在富水软弱地层中的适用性；同时，相比改造tbm的密封迷宫腔，采用该技术极大缩短tbm改造工期，降低施工难度，创造了极大的经济效益。
[0081]
如图2
‑
7所示，通过如上所述的敞开式tbm密封结构洞内改造方法，得到了一种适用于富水破碎地层敞开式tbm改进的密封装置，所述的密封装置包括相互配合使用的外密封装置和内密封装置，所述外密封装置为外密封防尘机构，所述内密封装置包括内密封橡胶垫6和垫环7，所述内密封橡胶垫6和垫环7均设置在内密封迷宫9上，其中垫环7设置在内密封橡胶垫6的内侧。
[0082]
优选的，所述的内密封橡胶垫6和垫环7上分别设置有橡胶垫连接孔61和垫环螺栓孔71，所述内密封橡胶垫6和垫环7通过m16*35螺钉8安装在内密封迷宫9上，即在使用时，将m16*35螺钉8依次穿过橡胶垫连接孔61和垫环螺栓孔71，将内密封橡胶垫6和垫环7安装在内密封迷宫9上。
[0083]
优选的，所述的外密封防尘机构包括外密封防尘安装环3和防尘密封刷4，所述外密封防尘安装环3通过m8*45连接螺钉2安装在tbm外压紧环1上。
[0084]
优选的，所述刀盘底部的6段外密封防尘安装环3上均设置有安装槽31，所述防尘密封刷4安装在安装槽31内；所述外密封防尘安装环3上还设置有连接孔32，所述连接孔32与m8*45连接螺钉2配合使用。
[0085]
优选的，为保证密封效果，所述的内密封橡胶垫采用聚氨酯板制成；所述垫环采用402不锈钢制成；所述防尘密封安装环采用42铬钼制造；所述外密封防尘密封刷采用聚氨酯制造。
[0086]
优选的，所述内密封橡胶垫6和垫环7的外径均为3690mm，内径均为3570mm；所述橡胶垫连接孔61和垫环螺栓孔71的直径均为18mm，全环设置10个内密封橡胶垫6和5个垫环7。
[0087]
实施例1：将本发明所述适用于富水破碎地层敞开式tbm密封结构洞内改造方法应用在某引水隧洞的施工维修中，其过程如下：
[0088]
1.1工程地质条件
[0089]
新疆某引水隧洞，隧址位于新疆阿勒泰地区，该隧洞采用敞开式tbm施工，总长度26817.0m，分为tbm1
‑
1和tbm1
‑
2两段施工(中间设检修洞)，隧洞开挖直径为7830.0mm；线路的总体走向由西北向东南，地貌为低山丘陵。总地势为北高南低，东高西低；隧洞隧址海拔高程730～1400m，相对高差670m，洞室最大埋深约为718m，地形起伏，隧洞的沿线冲沟较发育，隧洞工程的平面图见图8所示；
[0090]
1.2tbm密封系统失效情况
[0091]
该敞开式tbm施工过程中，在2019年2月2日
‑
2月7日，机械出现齿轮油回油滤芯报警情况，检查发现齿轮油中有油脂混入，无泥砂，回油流量正常，因此未更换滤芯；在继续掘进过程中，在2月8日，出现回油滤芯持续报警，且滤芯桶内出现泥砂现象，为之清洗了滤芯桶和滤芯。
[0092]
其后tbm继续掘进，至2月9日，回油滤芯继续报警，滤芯桶内有泥砂，更换进油滤芯，再次检查，回油滤芯有泥砂；在跟踪检查过程中发现主驱动滤芯桶内有泥砂，通过对tbm主驱动进行全面检查发现，外密封泄漏腔堵塞，腔内存有ep2、齿轮油及泥砂，外密封异常；
[0093]
对外密封泄漏腔进行循环冲洗，对迷宫腔和密封腔加注油脂；外密封泄漏腔内注入齿轮油，液位快速下落，内密封液位可维持半小时；对驱动箱加气，外密封泄漏箱漏气明显；点动刀盘及清洗外泄漏腔过程中，泄漏腔内有水；隧洞开敞式tbm主驱动进泥沙、漏油及密封系统损坏情况见图9所示，综合判定tbm的主驱动三道外密封均已磨损失效；
[0094]
2.tbm密封失效原因判断
[0095]
引水隧洞隧道全线共穿越断层破碎带11处，断层破碎带组成物质有碎裂岩、糜棱岩、断层(泥)砾，松散、破碎，见图9(a)所示；隧洞地下水以基岩裂隙水为主，隧洞下穿断层破碎带，洞壁会伴有大量的线状出水点，见图9(b)所示，tbm1
‑
1段隧洞总涌水量为275m3/h；
[0096]
根据沿线钻孔资料和岩层揭露情况可以看出，隧洞出露的地层岩性主要为奥陶系中上统哈巴河组黑云母石英片岩；矿物成分分析结果表明角闪石、石英和斜长石占岩石矿物成分总量的87％，具体成分分布如表2所示，黑云母石英片岩内石英、石平行排列于黑云母间，在地下水的浸泡下表现出明显的遇水软化特点，岩石的平均饱和抗压强度24.8mpa；
[0097]
表1：矿物成分组成
[0098][0099][0100]
对tbm密封外的密封结构检查结果表明，外迷宫密封腔内的ep2油脂未填充满整个迷宫密封腔内，而是呈现间隔，如图10(a)和图10(b)所示；因ep2润滑油脂在外迷宫密封腔内未成密封环，导致水和石渣等固体杂质从没有ep2油脂间隔处进入迷宫密封腔并接触到唇形密封，并导致唇形密封磨损，直至整体失效；
[0101]
3.密封失效应对方案
[0102]
3.1密封实现应对思路
[0103]
前期采用洞内更换tbm密封的方法，应对tbm密封失效，更换后发现，经过2周的掘进，tbm的外迷宫密封中混入大量砂石；结合密封失效的主要成因可以看出，优化tbm迷宫密封腔的结构尺寸，增加迷宫密封腔的回转次数和减少砂石颗粒的侵入是减缓tbm密封失效的两种主要方式；
[0104]
对于已投入使用的tbm装备，拆解并重新修改其密封腔的结构十分困难；同时，会对工期造成极大影响；相比前者，后者实施的可能性更高；为了阻挡裂隙水中砂石颗粒向迷宫密封腔内侵入：
[0105]
(1)针对内、外密封加设防尘密封装置，外密封防尘装置由防尘密封刷和防尘密封安装环组成，内密封由橡胶垫和垫环组成，具体结构如图2所示；
[0106]
(2)同时，更换tbm密封油脂材料，采用hbw黑色润滑脂代替传统ep2油脂；hbw黑色润滑脂中的强粘附性可以有效提高油脂对水中砂石的封堵效果，为密封结构提供双重保障；
[0107]
3.1密封结构改造方案
[0108]
(1)外密封加设防尘密封装置阶段
[0109]
步骤一：tbm上圈外密封阶段
[0110]
s101.由于刀盘背部安装空间受限，为便于外密封防尘密封安装环的顺利装配，针对该环进行改造加工，将外密封防尘安装环等分切割为15段，且将每段环沿其中心位置切成两段；
[0111]
s102.在外压紧环上钻设连接孔；
[0112]
s103.将30段外密封防尘安装环采用30个m8*45连接螺钉穿过连接孔，将其逐一安装在tbm外压紧环上，安装后结果图如图11(a)所示；
[0113]
步骤二：tbm下圈外密封阶段
[0114]
采用断续焊接方式对外密封防尘安装环进行二次固定，使其与tbm下圈刀盘连接，所述焊点与外压紧环的连接螺钉距离控制在5m；其具体过程包括：
[0115]
s201.在焊接时，为保证焊接强度，在每段外密封防尘安装环与外压紧环焊接3个位置，且每个位置的焊接长度不小于8cm；
[0116]
s202.每安装完成一段外密封防尘安装环后，需手动控制逆时针转动刀盘12
°
后安装下一段外密封防尘安装环，直到全部安装环安装完毕；
[0117]
s203.清理刀盘底部的6段外密封防尘安装环的安装槽，将防尘密封刷沿安装槽插入安装环内，安装后结果图如图11(b)所示；
[0118]
其中：在步骤s101等分切割外密封防尘安装环的过程中，需在刀盘底部的6段防尘密封安装环设置槽口，用于装配密封刷；
[0119]
(2)刀盘内排渣阶段
[0120]
转动tbm刀盘，并启动输送带，在tbm刀盘转动过程中，利用重力排空刀盘内的石渣；
[0121]
步骤四：tbm刀盘内密封阶段
[0122]
s401.将靠近内密封迷宫的接渣斗割除15cm，以便拆除10段内迷宫环，并在割除接
渣斗的位置拆除10段内密封迷宫的内迷宫环；
[0123]
s402.待迷宫环拆除后，在每段迷宫环对应的垫环螺栓孔位置增加开设3个m16螺栓孔；
[0124]
s403.将开完孔的迷宫环重新安装回主驱动上；
[0125]
s404.用m16*35螺钉将垫环和内密封橡胶垫固定在内密封迷宫的迷宫环上，并将接渣斗焊接恢复；
[0126]
s405.使用hbw黑色润滑脂代替原用ep2油脂，安装后结果图如图11(c)所示。
[0127]
新疆某引水隧洞采用敞开式tbm施工，由于洞内裂隙水量大，水中砂石含量高引起tbm密封系统快速磨损、频繁失效；为了减少裂隙水中砂石颗粒向迷宫密封腔内侵入，从根源上减缓tbm密封失效，借鉴盾尾刷的设计思路，针对敞开式tbm密封结构洞内改造；通过内、外密封加设防尘密封装置；同时，采用hbw黑色润滑脂代替传统ep2油脂，作为tbm密封油脂材料；通过将本适用于富水破碎地层敞开式tbm密封结构洞内改造方法技术应用于新疆某水利工程项目，提高了敞开式tbm在富水软弱地层中的适用性；同时，相比改造tbm的密封迷宫腔，采用本技术极大缩短tbm改造工期，降低施工难度，创造了极大的经济效益。
[0128]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。