螺旋輸送機閘門密封結(jié)構(gòu)形式的對比分析

廖 倩

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100）

1 前言

土壓平衡盾構(gòu)由于其土體沉降控制能力強，地層適用性高，推進速度高，廣泛用于地鐵隧道挖掘施工中。螺旋輸送機是土壓平衡盾構(gòu)的重要組成部件之一，也是土壓平衡盾構(gòu)控制土體沉降的功能性元件之一。

盾構(gòu)正常掘進時，螺旋輸送機主要通過控制螺旋軸轉(zhuǎn)速，依靠螺旋葉片的降壓能力，達到盾構(gòu)土倉內(nèi)土壓與前方土體土壓動態(tài)一致，避免前方土體出現(xiàn)拱起或塌方；在富水地層、砂層等易噴涌地層掘進時，螺旋輸送機內(nèi)渣土與土倉內(nèi)貫通，無法達到有效的降壓效果，此時，僅能通過控制螺旋輸送機閘門開度，來調(diào)節(jié)渣土輸送量，避免噴涌導(dǎo)致的前方土體塌方，實現(xiàn)土倉渣土控制。

由于閘門密封屬于動密封，其在頻繁開閉過程中，因磨損、剪切等容易導(dǎo)致閘門密封失效，進而導(dǎo)致渣土等噴涌至隧道內(nèi)。目前，閘門密封形式主要有兩種：T型密封和盤根密封，其中T型密封由于其承壓能力高，密封性能強，空間占用小，安裝便捷等優(yōu)勢，廣泛使用在閘門上。

文章以珠三角水資源（京哈高速～潞苑北大街）改造工程為研究背景，設(shè)計多種閘門密封，并通過與原T型閘門密封進行有限元分析對比，提供一種更適用的閘門密封結(jié)構(gòu)形式。

2 工程概括

珠江三角洲水資源配置工程，盾構(gòu)段全長約5 600 m，管片外徑6 m，盾構(gòu)隧道頂部埋深為50~58 m。盾構(gòu)段隧道穿越的地層主要為泥質(zhì)粉砂巖，盾構(gòu)需下穿地鐵隧道、河流、高壓電塔，且穿越隧道區(qū)域存在十余處斷層或夾層現(xiàn)象。盾構(gòu)穿越區(qū)域地下水以孔隙性潛水為主，地表水與地下水互為補排，雨季時大氣降水和河流、渠道補給地下水，地下水位一般埋深0~3 m，揭露高程約0~2 m，受潮汐影響較大，且砂層透水性較好。

通過對珠江三角洲水資源配置工程地質(zhì)情況和工程特點分析可知，閘門密封在使用過程中易出現(xiàn)以下幾個問題：

（1）盾構(gòu)埋深大，土倉內(nèi)水壓高，易發(fā)生噴涌情況，該情況會導(dǎo)致閘門頻繁伸縮，增加閘門密封失效風(fēng)險，實際使用過程中，螺旋輸送機閘門處水壓長期保持在4 bar以上。

（2）盾構(gòu)穿越地層透水性較好，且穿越地區(qū)存在多處斷層或夾層區(qū)域，水流量大，出渣時閘門開啟度小，易導(dǎo)致渣土對閘門密封形成持續(xù)性沖刷，加劇閘門密封磨損。

（3）穿越地層為泥質(zhì)粉砂巖，砂層易加劇閘門門板、銅件、密封磨損，間接減小閘門密封壓縮量，導(dǎo)致密封失效。

3 閘門密封總體設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)組成

閘門密封是閘門的功能性元件之一，位于閘門上面板與門板之間，門板支撐在下面板上的導(dǎo)向銅件上。閘門密封一般為T型密封，通過T型密封槽固定在上面板上。上下面板之間通過螺栓固定，下面板上布置有支撐門板滑動的導(dǎo)向銅件，門板在導(dǎo)向銅件與上面板之間做往復(fù)運動，控制閘門的開閉。

圖1 閘門結(jié)構(gòu)圖

3.2 工作原理

正常出渣時，門板完全開啟，渣土從上面板開口位置掉落，此時閘門密封僅小部分（約1/4區(qū)域）與門板接觸（該部分閘門密封處于壓縮狀態(tài)），其余位置閘門密封與渣土直接接觸，處于自然狀態(tài)，該狀態(tài)下閘門密封不具備保壓能力，但容易因渣土沖刷導(dǎo)致密封磨損；出渣完成后，門板完全關(guān)閉，此時閘門密封處于完全壓縮狀態(tài)，閘門密封與門板之間形成密封腔；噴涌地層掘進時，為控制渣土流量，避免渣土量超過皮帶輸送能力，門板開度需時刻進行調(diào)整，此時，根據(jù)實際出渣情況，閘門密封持續(xù)性重復(fù)壓縮與回彈動作。

圖2 正常出渣狀態(tài)

圖3 閘門閉合狀態(tài)

圖4 噴涌地層掘進狀態(tài)

3.3 閘門密封結(jié)構(gòu)對比

閘門密封性能參數(shù)：

材質(zhì)：丁腈橡膠NBR；

材料硬度：75°±5°（邵A）；

表面粗糙度：Ra1.6~Ra3.2；

拉伸強度≥15 MPa；

扯斷伸長率≥220%；

撕裂強度≥30 KN/m；

扯斷永久變形≤10%；

彈性回復(fù)率≥30%；

壓縮永久變形（100℃×22 h）≤30%；

線膨脹系數(shù)K=（2-2.5）×10-4（1/℃）；

根據(jù)閘門密封結(jié)構(gòu)以及綜合本工程實際使用情況，共設(shè)計有三種閘門密封（含原有閘門密封）。

閘門密封結(jié)構(gòu)一（現(xiàn)有結(jié)構(gòu)）：本結(jié)構(gòu)通過其內(nèi)部的密封空腔及自身的壓縮性能，在密封磨損量較小時，其內(nèi)部密封空腔回彈，達到密封效果。

閘門密封結(jié)構(gòu)二：本結(jié)構(gòu)加大密封尖部壓縮量，當(dāng)尖部存在部分磨損時，閘門密封依然具備一定的密封效果。

閘門密封結(jié)構(gòu)三：本結(jié)構(gòu)在密封底部預(yù)設(shè)有球狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)上部密封磨損時，底部球狀結(jié)構(gòu)回彈，從而達到密封效果。

3.4 有限元分析

本次主要從壓縮量、接觸應(yīng)力、蓋板壓力等三方面分析，模擬閘門密封在實際使用中的受力情況。

（1）閘門密封結(jié)構(gòu)一（現(xiàn)有結(jié)構(gòu)）加載條件：0~1 s門板位移2 mm后，1~2 s密封接觸面施加1 MPa壓力。

（2）閘門密封結(jié)構(gòu)二加載條件：0~1 s門板位移2 mm后，1~2 s密封接觸面施加1 MPa壓力。

圖5 閘門密封結(jié)構(gòu)一承壓1 MPa

圖6 閘門密封結(jié)構(gòu)二承壓1 MPa

（3）閘門密封結(jié)構(gòu)三加載條件：0~1 s門板位移1.5 mm模擬密封安裝，1~2 s門板位移2 mm模擬密封壓緊，2~3 s密封接觸面施加1 MPa壓力。

圖7 閘門密封結(jié)構(gòu)三——預(yù)壓縮2.5 mm狀態(tài)后承壓1 MPa

圖8 閘門密封結(jié)構(gòu)三——預(yù)壓縮3 mm狀態(tài)

圖9 預(yù)壓縮3 mm狀態(tài)后承壓1 MPa

圖10 壓縮3 mm后門板承壓力

4 結(jié)論

通過對比3種閘門密封在預(yù)壓縮2 mm（閘門密封三預(yù)壓縮2.5 mm）且承受1 MPa壓力情況下的門板承壓能力。

表1 閘門密封承壓分析

經(jīng)分析，3種閘門密封均滿足閘門使用工況，在相同材質(zhì)，相同預(yù)壓縮量及承壓能力的情況下，閘門密封結(jié)構(gòu)三的接觸應(yīng)力更小，門板承受應(yīng)力更大，密封性能更好。