富水砂卵石地層隧道內(nèi)更換盾構(gòu)機(jī)主軸承內(nèi)密封

曹建輝

（中鐵三局集團(tuán)橋隧工程分公司盾構(gòu)工程段，河北 邯鄲 056036）

隨著我國(guó)城市地下空間迅速發(fā)展，盾構(gòu)法作為地下空間隧道施工的主要工法。以其安全可靠、工效高、工程成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)地下空間開(kāi)發(fā)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨新技術(shù)的不斷的應(yīng)用，盾構(gòu)機(jī)對(duì)不同地層的適應(yīng)性有了顯著的提高。主軸承是盾構(gòu)機(jī)的最核心部件。驅(qū)動(dòng)力通過(guò)主軸承傳遞到刀盤(pán)，使刀盤(pán)能有效的切削掌子面。主軸承密封系統(tǒng)是保障主軸承安全的關(guān)鍵因素，當(dāng)主軸承密封出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致外界的碴土進(jìn)入主驅(qū)動(dòng)箱，破壞主軸承和齒輪副，嚴(yán)重時(shí)需開(kāi)挖豎井吊出主機(jī)進(jìn)行維修，給工程帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響?？婇?分析了盾構(gòu)機(jī)主軸承密封系統(tǒng)的密封滑道在長(zhǎng)期使用后出現(xiàn)的磨損情況，總結(jié)出處理滑道磨損的方法。饒波 介紹了盾構(gòu)刀盤(pán)主軸承齒輪在隧道內(nèi)修復(fù)技術(shù)。目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)盾構(gòu)機(jī)主軸承的結(jié)構(gòu)及其密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工廠內(nèi)修復(fù)主軸承等方面介紹的較多。針對(duì)富水砂卵石地層隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)更換主軸承密封介紹較少或不夠全面。本文以成都地鐵八號(hào)線3標(biāo)九～永區(qū)間左線中鐵裝備CET129盾構(gòu)機(jī)更換內(nèi)密封為例，對(duì)主軸承結(jié)構(gòu)及其密封系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并特別介紹地層處理，主軸承密封及滑環(huán)拆解過(guò)程、密封系統(tǒng)的靜態(tài)建壓測(cè)試，全面介紹隧道內(nèi)更換主軸承密封的過(guò)程。

1 工程概況

成都軌道交通八號(hào)線三標(biāo)包含四個(gè)盾構(gòu)區(qū)間：殷家林站～高朋大道站區(qū)間、高朋大道站～九興大道站區(qū)間、九興大道站～永豐站區(qū)間、永豐站～芳草街站區(qū)間，全長(zhǎng)5784.391m。其中九興大道站～永豐站區(qū)間（以下簡(jiǎn)稱九～永區(qū)間）盾構(gòu)機(jī)由高朋大道站始發(fā)，沿高朋大道掘進(jìn)至九興大道站接收。左右線長(zhǎng)度各為989.53m。隧道側(cè)穿高朋大道高架橋樁，下穿二環(huán)高架橋樁，四川商檢局宿舍及圓夢(mèng)苑住宅樓等建構(gòu)筑物，下穿管線眾多。本區(qū)間九～永區(qū)間采用中鐵裝備CET6250復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

1.1 工程地質(zhì)

根據(jù)勘探資料顯示九～永區(qū)間地層自上而下由7個(gè)單元層組成：<1-1>雜填土、<2-2>粉質(zhì)黏土、<2-3>黏質(zhì)粉土、<2-5-1>松散卵石、<2-5-2>稍密卵石、<2-5-3>中密卵石，<2-5-4>密實(shí)卵石。隧道左線主要穿過(guò)<2-5-4>密實(shí)卵石，灰黃色，飽和，密實(shí)，卵石含量大于70%，卵石粒徑2～20cm，局部含漂石，磨圓度較好、分選性差，圓礫、中砂充填。卵石單軸極限抗壓強(qiáng)度為60～91MPa。地下水為第四系孔隙水，滲透系數(shù)大（一般滲透系數(shù)為20～25m/d）。成都充沛的降雨量是地下水的重要補(bǔ)給源之一，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)降水井測(cè)得靜水位在3.2m。本次盾構(gòu)停機(jī)刀盤(pán)頂部距離地面23.93m。

1.2 周邊環(huán)境

盾構(gòu)機(jī)因主軸承密封油脂壓力高，位于科園一路與高朋大道交叉口停機(jī)（刀盤(pán)中心ZK31+554.142），隧道左側(cè)與高架橋橋樁邊線3.5m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，有一根DN1200污水管道位于隧道正上方，呈南北走向，埋深7.8m。多束軍用光纜及通訊線位于隧道右側(cè)線距0.8m，呈南北走向，埋深0.5m。一束直徑50mm通訊線橫跨盾構(gòu)機(jī)，位于盾構(gòu)機(jī)前盾正上方埋深0.3m。一根DN700雨水管道橫跨隧道，距刀盤(pán)前方13.4m，埋深5.7m。一排16孔電力管道位于隧道右側(cè)5m，呈南北走向埋深1m。

2 主軸承結(jié)構(gòu)與密封系統(tǒng)

2019年3月8日至10日，九～永區(qū)間左線盾構(gòu)在掘進(jìn)第190環(huán)時(shí)掘進(jìn)參數(shù)正常。上部土壓0.16～0.18MPa，刀盤(pán)扭矩3500KN·m～4500KN·m，推力1400t～1600t左右，掘進(jìn)速度35～45mm/min。但盾構(gòu)機(jī)內(nèi)密封EP2壓力迅速上升達(dá)到1MPa以上。在第190環(huán)至197環(huán)掘進(jìn)中，內(nèi)密封EP2壓力一直保持在1MPa以上高壓狀態(tài)。盾構(gòu)司機(jī)停止掘進(jìn)作業(yè)，機(jī)管和維修人員對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行故障排查。圖1所示。

主軸承是盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的核心部件，其安全可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的重要保障。盾構(gòu)機(jī)的主軸承為三排圓柱滾子組合軸承。

2.1 主軸承結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)機(jī)主軸承結(jié)構(gòu)由4部分組成：滾子、保持架、內(nèi)圈和外圈（見(jiàn)圖2）。

主軸承滾子有3種類型：主推力滾子、徑向滾子和反推力滾子。其中主推力滾子主要承受刀盤(pán)切削的推進(jìn)力和刀盤(pán)自重產(chǎn)生的傾覆力矩；徑向滾子承受徑向力；反推力滾子承受傾覆力矩和反推力。在盾構(gòu)機(jī)主軸承的受力中，承受最大的是軸向力，傾覆力矩相對(duì)較小。

圖1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)顯示圖

圖2 盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)示意圖

內(nèi)圈為大齒圈，其中刀盤(pán)和刀盤(pán)連接體靠高強(qiáng)度螺栓連接為一體，刀盤(pán)連接體和大齒圈靠?jī)?nèi)拉拔螺栓連接為整體，主驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)通過(guò)三級(jí)行星減速箱驅(qū)動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪和大齒圈嚙合，進(jìn)而帶動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)。

外圈為雙半套圈組合結(jié)構(gòu)，由內(nèi)六角螺栓連接成為整體。其中外圈前半套圈為反推力滾子的滾道，外圈后半套圈為徑向滾子和主推力滾子的 滾道。

2.2 主軸承密封系統(tǒng)

主軸承密封系統(tǒng)包括外密封系統(tǒng)和內(nèi)密封系統(tǒng)。

中鐵裝備盾構(gòu)機(jī)主軸承內(nèi)密封系統(tǒng)由一道迷宮密封和二道唇形密封構(gòu)成，如圖3所示。密封之間采用密封隔環(huán)隔開(kāi)，密封之間的空腔則注入潤(rùn)滑脂。迷宮密封使用的HBW密封油脂由林肯油脂泵將HBW油脂輸送到主驅(qū)動(dòng)外側(cè)環(huán)區(qū)的4個(gè)注脂點(diǎn)；第一道唇形密封和第二道唇形密封之間是EP2油脂腔，油脂通過(guò)多點(diǎn)泵輸送到環(huán)區(qū)的6個(gè)注脂點(diǎn)；第二道唇形密封與第三道唇形密封之間是是泄漏檢測(cè)腔，環(huán)區(qū)的觀察口。

3 故障排查及處理方案

2019年3月10日上午，左線121#盾構(gòu)機(jī)正在掘進(jìn)197環(huán)，在掘進(jìn)到接近1200mm時(shí)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)密封EP2及HBW壓力均已達(dá)到1.3Mpa。盾構(gòu)司機(jī)停止掘進(jìn)作業(yè)，機(jī)管和維修人員對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行故障 排查。

3.1 排查主軸承HBW油路情況：

按主軸承HBW系統(tǒng)原理圖逐一排查各部件的工作狀況。HBW林肯泵、HBW內(nèi)封分配閥工作正常，脈沖計(jì)數(shù)傳感器及壓力傳感器計(jì)數(shù)正常。外密封管路QH1～OH8暢通，內(nèi)密封密封管路OM1～OM4暢通。

3.2 排查主軸承EP2潤(rùn)滑油路情況

按主軸承EP2系統(tǒng)原理圖逐一排查各部件的工作狀況。EP2林肯泵、多點(diǎn)泵工作正常，從多點(diǎn)泵至外密封前腔的8根（OZ1～OZ8）管路及內(nèi)密封前腔的6根（OP1～0P6）管路暢通，EP2潤(rùn)滑油流出速度均勻一致；

3.3 排查主軸齒輪油路情況

齒輪油泵，齒輪油分配器及高壓油過(guò)慮器工作正常；齒輪油脈沖計(jì)數(shù)器、溫度傳感器工作正常；齒輪油箱液位正常，齒輪油光譜分析正常各元素均未超標(biāo)。初步判斷主軸承沒(méi)有未污染及損傷。

打開(kāi)EP2內(nèi)密封壓力監(jiān)測(cè)腔時(shí)，起初有EP2滲出，待EP2滲出4cm左右之后，發(fā)現(xiàn)EP2內(nèi)摻雜有HBW，隨后慢慢滲出的全部為HBW，初步判斷內(nèi)密封第一道已開(kāi)始泄露，HBW已反向通過(guò)密封進(jìn)入黃油腔。根據(jù)以上檢查情況，初步判斷HBW及EP2內(nèi)密封失效，須開(kāi)倉(cāng)進(jìn)行檢查HBW及EP2內(nèi)密封情況。

3.4 處理方案及應(yīng)急準(zhǔn)備

根據(jù)盾構(gòu)停機(jī)位置的地質(zhì)情況、周邊建筑及地下管線情況。參照成都地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)，選擇素砼隔離柱+地層降水的方案。本方案在刀盤(pán)前1m處打3根隔離樁，隔離樁深度為刀盤(pán)下3m，混凝土澆筑長(zhǎng)度為刀盤(pán)上5m，下3m，共計(jì)14m。在刀盤(pán)兩側(cè)各施作2口降水井，共計(jì)4口降水井。降水井距離刀盤(pán)位置2～6m左右，降水井深度均為40m，降水半徑滿足左線開(kāi)倉(cāng)作業(yè)降水需求。降水井管直徑均為300mm，采用22KW的水泵。

（1）首先用惰性漿液將土倉(cāng)內(nèi)部填滿，在不出土的情況下盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)10～30cm，將掌子面地層擠密實(shí)，掘進(jìn)完成后往土倉(cāng)內(nèi)部加入膨潤(rùn)土，保證土倉(cāng)內(nèi)全部填充。

（2）盾體周?chē)⑷肱驖?rùn)土，保證開(kāi)倉(cāng)作業(yè)完成后，盾體不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間停機(jī)而“裹死”。

（3）用4mm厚鋼板對(duì)刀盤(pán)開(kāi)口部分進(jìn)行封開(kāi)口，確保土倉(cāng)內(nèi)人員的作業(yè)安全。

（4）地面準(zhǔn)備1臺(tái)250KW發(fā)電機(jī)組，確保地面及隧道照明和水泵的應(yīng)急電源。

（5）隧道內(nèi)準(zhǔn)備4臺(tái)7.5KW水泵，2臺(tái)24h排隧道內(nèi)的積水，2臺(tái)水泵準(zhǔn)用；土倉(cāng)內(nèi)安裝2臺(tái)3.5KW水泵，及時(shí)排出土倉(cāng)內(nèi)的積水，1臺(tái)備用，確保土倉(cāng)內(nèi)的積水在內(nèi)密封以下。

4 開(kāi)倉(cāng)更換內(nèi)密封

2019年3月30日，盾構(gòu)機(jī)開(kāi)倉(cāng)作業(yè)，發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)中心區(qū)域嚴(yán)重結(jié)泥餅，須用氣稿清除中心區(qū)域泥餅及碴土。3月31日～4月1日，拆解3道內(nèi)密封及隔環(huán)，檢查內(nèi)密封磨損情況。拆解時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)密封沒(méi)有斷裂，密封無(wú)翻轉(zhuǎn)等情況。內(nèi)密封滑環(huán)磨損嚴(yán)重，第一道密封處磨出一道4mm×2mm的溝槽，嚴(yán)重影響密封效果。4月2日～4月3日，調(diào)整內(nèi)密封滑環(huán)、安裝內(nèi)密封和隔環(huán)。4月4日，內(nèi)密封氣密性實(shí)驗(yàn)。4月6日，盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)掘進(jìn)。圖3所示。

圖3 土倉(cāng)中心區(qū)域結(jié)泥餅

4.1 調(diào)整滑環(huán)及更換密封標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)密封滑環(huán)磨損深度超過(guò)0.5mm，需要調(diào)整滑環(huán)。調(diào)整前，需先測(cè)量滑環(huán)磨損的寬度，從而判斷需要調(diào)整的距離，軸向外移距離應(yīng)該比磨損寬度大3mm，確保唇口徹底移出磨損范圍。

4.2 調(diào)整密封滑環(huán)更換內(nèi)密封

在拆卸內(nèi)密封前，提前聯(lián)準(zhǔn)備好密封等配件。土倉(cāng)內(nèi)更換內(nèi)密封過(guò)程中保證清潔，以保證更換完密封的使用效果。圖4、圖5所示。內(nèi)密封更換的具體步驟如下：

（1）根據(jù)主驅(qū)動(dòng)密封裝配圖，使用內(nèi)六角扳手先拆除內(nèi)密封壓環(huán)螺栓及第一道內(nèi)密封。

（2）在工藝孔上安裝吊環(huán)，使用吊環(huán)將密封隔環(huán)拉出；使用專用工具取出第二道密封；

（3）重復(fù)上一步工作，拆除第三道密封；

（4）使用干凈碎布和清洗劑清理內(nèi)密封安裝腔，保證干凈無(wú)雜質(zhì)；

圖4 土倉(cāng)內(nèi)拆卸內(nèi)密封壓板

圖5 內(nèi)密封滑環(huán)磨損

（5）使用清洗劑、碎布、細(xì)砂紙將隔環(huán)清洗干凈；使用內(nèi)徑卡規(guī)檢查密封腔室尺寸情況。

（6）使用內(nèi)密封滑環(huán)固定螺栓，在頂絲孔位置頂動(dòng)滑環(huán)，使滑環(huán)整體朝刀盤(pán)方向移動(dòng)5mm。調(diào)整過(guò)程須同時(shí)在圓周方向上均布不少于6個(gè)點(diǎn)的 頂動(dòng)。

（7）調(diào)整過(guò)程須反復(fù)進(jìn)行測(cè)量和調(diào)整。調(diào)整完成以后，用較原頂絲孔螺栓及內(nèi)密封滑環(huán)安裝螺栓各長(zhǎng)5mm的螺栓代替原螺栓回裝。

（8）將干凈齒輪油涂抹在內(nèi)密封滑環(huán)上，依次安裝最里一道密封、密封隔環(huán)、中間密封、隔環(huán)、外側(cè)密封。

安裝時(shí)注意密封唇口的朝向，將密封塞進(jìn)密封腔內(nèi)，記錄密封安裝的深度。在直徑周?chē)裙潭?個(gè)距離大約相等的位置，使用尼龍棒，將密封完全塞入這6個(gè)位置，然后逐步將密封其他部分塞進(jìn)密封腔內(nèi)。密封塞入完全后觀察密封是否翻轉(zhuǎn)，如果有翻轉(zhuǎn)，慢慢地繞著圓周方向“趕動(dòng)”密封，直到密封姿態(tài)正確；

4.3 主軸承內(nèi)密封氣密性實(shí)驗(yàn)

（1）內(nèi)HBW密封腔試壓：使用G3/4堵頭堵住OM0-4中的接口，留1個(gè)接口安裝補(bǔ)芯、空氣插頭減壓閥組并接到空壓機(jī)。調(diào)整減壓閥輸出壓力為0.1MPa保壓30min，如壓降范圍在0.1MPa以內(nèi)并記錄數(shù)據(jù)。

（2）內(nèi)EP2密封腔試壓：使用G3/4堵頭堵住OP0-6中的接口，留1個(gè)接口安裝補(bǔ)芯、空氣插頭減壓閥組，并接到空壓機(jī)。調(diào)整減壓閥輸出壓力為1MPa保壓30min，如壓降范圍在0.1MPa以內(nèi)并記錄數(shù)據(jù)。

（3）內(nèi)密封安裝完成后，啟動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)內(nèi)密封進(jìn)行油脂加注，直至油脂從壓板間隙溢出且溢出均勻?？辙D(zhuǎn)（正反轉(zhuǎn)）刀盤(pán)，使密封和滑環(huán)密切貼合。對(duì)密封腔做注油壓力檢測(cè)，合格則進(jìn)行下一步工作，不合格則進(jìn)行分析查找原因，直至注油檢測(cè)合格。圖6所示。

圖6 內(nèi)密封氣密性實(shí)驗(yàn)

通過(guò)開(kāi)倉(cāng)更換主軸承內(nèi)密封作業(yè)，分析此次內(nèi)密封壓力高的原因。盾構(gòu)司機(jī)沒(méi)有很好的掌掘富水砂卵石地層碴土改良工作，刀盤(pán)中心區(qū)域結(jié)泥餅。泥餅堵塞了HBW油脂向土倉(cāng)內(nèi)流動(dòng)的通道，在HBW油脂泵不斷加壓時(shí)，HBW油脂反向流向EP2油脂腔和泄漏油腔，從而盾構(gòu)機(jī)檢測(cè)到HBW油脂和EP2油脂壓力高。盾構(gòu)機(jī)內(nèi)密封更換后，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)密封監(jiān)測(cè)壓力正常。于2019年6月20日，九～永區(qū)間順利貫通。

5 結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)法施工的“核心”設(shè)備，主軸承是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件，主軸承密封系統(tǒng)是其有效運(yùn)行的保障。若主軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)直接影響盾構(gòu)施工掘進(jìn)。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中主軸承密封和齒輪油系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，維保工作非常重要，有利于將初期階段故障的及時(shí)處理。規(guī)范注入HBW油脂和Ep2油脂是確保盾構(gòu)機(jī)主軸承密封正常運(yùn)行有著密不可分的關(guān)系，應(yīng)避免盾構(gòu)機(jī)主軸承密封系統(tǒng)發(fā)生問(wèn)題。富水砂卵石地層碴土改良不好是發(fā)生主軸承密封系統(tǒng)壓力高的直接原因。詳細(xì)闡述了故障發(fā)生，富水砂卵石地層加固方案及隧道內(nèi)更換內(nèi)密封的全過(guò)程。詳細(xì)描述了密封的更換作業(yè)步驟，密封安裝完成后，內(nèi)密封氣密性實(shí)驗(yàn)是安封工作是否成功的唯一檢測(cè)手段。本次成功更換盾構(gòu)機(jī)內(nèi)密封，對(duì)今后隧道內(nèi)更換主軸承密封提供了有益的借鑒和參考。