为解决目前双三角钻臂液压系统参数设计采用相关经验值加安全系数的方法存在的系统压力设计偏高、液压部件选配耐压等级大、系统发热严重、制造维保成本高、系统功耗大等问题,对双三角钻臂结构进行理论分析,采用运动轨迹投影和静力学分析的方法,建立钻臂运动过程中双三角负载与运动位置之间的关系,根据臂架设计参数获取其极值及其极值位置的油缸负载参数。根据双三角结构工作原理并结合臂架工作环境,设计一种负载敏感液压控制系统,经理论分析和计算,确定系统的原理和液压元件的主要参数并试验。试验结果表明,运动极值位置的液压系统负载参数与理论分析参数基本一致,系统运行整体平稳可靠,随动油缸调节功能正常,隧道内试验3 h液压系统温升65.5℃,证明该液压系统设计的合理性和可应用性。

为从不同工况、动态、静态等状态下分析主驱动密封润滑系统对主驱动轴承的保护效果,提出一些可以供掘进机主驱动设计、使用参考的建议。首先,制作透明的主驱动密封油脂扩散装置,通过油脂计量阀进行油脂注入,分别设置不同的迷宫长度、迷宫间隙和润滑量,进行油脂扩散弧长的计量,从而验证油脂的扩散与主驱动迷宫设计对主驱动保护的异同。然后,以某主驱动润滑系统模拟试验台为基础,采用不同的密封润滑剂形式、润滑剂量和刀盘转速相结合,从不同角度对主驱动密封的温度上升原因进行分析,并提出合适的密封工作温度建议。最后,针对部分TBM机型密封失效原因进行分析,并提出可以根据不同机型进行主驱动密封润滑系统设计的思路,以保证主驱动密封系统的良好性能。

为提升盾构主驱动密封系统的密封性能和使用寿命,在分析盾构主驱动密封常见失效形式和失效原因的基础上,针对现有盾构密封系统的布局、结构设计和安装工艺的不足,总结提出密封安装结构设计优化和密封安装工艺优化的方案,以提升主驱动密封系统的密封性能,保障盾构施工安全稳定。以目前广泛应用的唇形密封为例,就工作压力对密封系统的影响规律进行建模分析。研究发现:1)密封唇口的变形量主要受压力差影响;2)密封隔环设置支撑对密封的承压能力、使用寿命和防止密封翻转有改善作用;3)通过构建背压,形成合理的压差,能够提高密封系统整体的承压能力;4)并联安装中间环的方法,可有效解决因外载压力过大导致密封翻转、进而密封系统整体失效的问题。

盾尾密封系统是盾构重要系统之一,当其发生故障时,会产生漏水、漏浆等重大施工风险,对盾尾密封系统不同外部水压条件下(2~8MPa)的密封性能进行深入研究具有重要的现实意义。基于盾尾密封腔的空间构型,结合盾尾密封双向承压实验,运用计算流体动力学方法,对盾尾密封系统进行多相流的数值模拟,研究盾尾刷模型简化方法、盾尾油脂腔压力分布规律和水侵入的流动规律,分析盾尾密封系统不同外部水压条件下的密封性能。模拟结果表明,当注脂稳定后,油脂腔内压力处于0.8~1.2MPa,且油脂腔2压力始终大于油脂腔1压力,其压差始终保持在0.1~0.3MPa;当水完全击穿盾尾密封系统时,会形成一个稳定的流道;随着水压的不断增加,完全击穿盾尾密封系统的时间逐渐减少,且减少的幅度越来越小。本文针对盾尾密封系统的密封性能所做的流体仿真,可为盾尾密封系统的设计...

为解决目前国内外盾尾密封油脂抗水压密封测试标准不统一,不能定量测试油脂抗水压密封性等问题,研制出一种新型抗水压密封测试仪,并对国内外常见盾尾密封油脂进行抗水压密封性能测试。经分析,总结油脂抗水压密封机制,并定义水击穿压力测试指标,即实验室25℃下,使用1层网孔孔径为0.76 mm、丝径0.3 mm的金属钢丝网,300 g盾尾密封油脂被水击穿的最小压力。用水击穿压力可定量表征盾尾密封油脂抗水压密封性,进而提出抗水压密封测试标准。

为研究盾构隧道双道密封垫在防水性能提升上的效果,首先定性分析双道密封垫的防水机制,给出击穿水压概念以及基于弹性力学的密封垫击穿水压数值估算公式;然后开展双道密封垫试验,对击穿水压数值进行验证,得出影响双道密封垫防水性能的一些因素。研究结果表明:1)当外界水压大于外道密封垫初始防水能力的1.36倍时,密封垫被完全击穿,丧失残余防水能力;2)不同的密封垫布置方式会影响双道密封垫的防水能力,在双道密封垫的实际应用中,需要将防水能力更强的密封垫布置在外侧,且双道密封垫的防水能力差距不宜过大;3)沟槽的结构和尺寸会影响密封垫的防水能力;4)无论是单道密封垫,还是双道密封垫,无错位量密封垫的防水压力远大于有错位量密封垫的防水压力,因此施工中应采取措施尽量减少错位量。

为解决盾尾密封损坏导致的工程安全和进度问题,通过跟踪、统计多项盾构隧道工程盾尾密封使用和更换情况,总结盾尾密封的失效形式,并分析盾尾密封失效的原因,主要表现在盾尾密封设计缺陷、盾尾刷制造与安装质量差、油脂填充质量不高、施工过程控制不严以及应急预案准备不充分等方面。提出基于全过程管理理念的盾尾密封管理方法,从盾尾密封设计、盾尾刷制造和安装、初装油脂、施工管理、应急管理5个阶段,对盾尾密封的全过程管理要点和对策进行系统研究。该方法在中俄东线天然气管道长江盾构穿越工程得到成功应用,保障了盾构施工中盾尾密封安全,为盾尾密封的科学管理提供了新的思路和举措。

为克服现有连续掘进技术的不足,提出一种包含铰接滑筒结构的盾构,相较于常规盾构,该机型需要一套可靠的、长距离、高负荷的大直径往复直线动密封结构。为验证往复直线动密封结构的稳定性和可靠性,开展铰接滑筒动密封的仿真分析和模拟试验。仿真分析结果说明,试验台第1道聚氨酯鼓形双向密封在预设的初始压缩率条件下,极限承压能力为0.45 MPa。通过试验模拟不同介质环境,试验加压0.5 MPa,往复运动累计测试长度超过4000 m,试验结果表明,1道聚氨酯鼓形双向密封加3道填料密封结构的可靠性、耐用性满足要求。

为解决TBM在软弱围岩和断层破碎带中掘进的适应性以及有效应对收敛变形造成的侵限和卡机问题,结合秦岭隧道、大瑞铁路等TBM应用案例,通过对液压式扩挖刀、边滚刀外移、预留扩挖刀箱、主驱动偏心设计和更换刀盘边块5种针对性设计方案进行对比,得出不同扩挖方式的应用特点及适用机型。主要研究结论如下:1)液压式扩挖刀可单独适用,适用于短距离扩挖,其他4种方式均适用于长距离扩挖;2)在半径方向扩挖量大于50 mm时,边刀外移必须和刀盘抬升同时使用;3)半径方向最大扩挖量不宜超过100 mm,更大的扩挖必须通过更换边块方式解决;4)随着TBM技术的发展,半径方向100 mm以上的便捷扩挖方式仍是下一步研究的方向。

为解决综合管廊预制模板存在的混凝土胀模、支撑体系失稳、合模脱模效率低等问题,依托雄安新区长节段大吨位装配式综合管廊示范项目,研制出一套综合管廊整体预制液压模板。在综合管廊整体预制特点及施工流程分析的基础上,对液压模板的侧模、端模、内模结构及其驱动机构进行详细设计。侧模采用液压驱动机构,可避免拆模过程的廊体划伤;端模采用直线驱动机构,可使模板本体受力均衡;内模采用自行走装置和导向机构,可提高模板拆装效率;防鼓胀装置和姿态保持装置,可保障预制管廊的成型质量。开展预制液压模板的现场试验和工效分析可知,该液压模板可有效提高长节段大吨位综合管廊整体预制的质量和效率。