盾构机主轴承密封维修改造方法

【摘 要】某盾构机在掘进过程中，主轴承的外周密封损坏，泥砂不断涌入盾体，掘进无法进行，通过在土仓内增加密封的措施，在掘进过程中不断完善维修方案，最终顺利掘进完成剩余的1472多米，经过分析发现该盾构机主轴承密封装配存在缺陷，在出洞后对密封进行维修、改造，提高其综合性能。

【关键词】主轴承外周密封大齿轮磨损密封压板密封固定栓孔密封衬套

中图分类号： U464.133+.4 文献标识码： A

前言

某盾构机在北京地铁某项目左线至238米时，主轴承的外周密封损坏，掘进时泥砂不断涌入盾体、齿轮箱、驱动减速机内，掘进无法进行，而此时盾构机所处的位置正好在一污水箱涵下方，情况异常危险，采取地面加固，常压开仓在土仓内增加2道VD密封，完成带病掘进1472米，出洞后对密封进行改造，更换。

工程地质及水文地质条件：

本标段盾构区间穿越粘质粉土砂质粉土②层，粉质粘土②－2层，粉细砂③层、圆砾④层、粘质粉土④－1层，地层交错混杂，卵石的粒径一般在200mm以内；地层中富含地水下，隧道局部地段下部已进入承压水中，这类地层虽然自身具有一定的稳定性，但由于粉细砂层和地下水的存在，开挖后较易发生意外。

根据区域水文地质资料，本标段盾构区间穿越地层主要为料径在30～90mm之间的卵石层，地下水类型为潜水，局部存在上层滞水，以及承压水。潜水赋存于中下部卵石层中，水位标高11.5～32.0m，区间隧道底板埋深11.5～20.0m，已进入潜水～承压水。地下水详细情况如下：

（一）上层滞水：含水层岩性为粉土③层及粉细砂③3层，含水层厚度0.6～3.2m，水位标高为27.35～29.07m，水位埋深为5.50～7.53m。该层水透水性较差，主要接受大气降水及侧向径流补给，以蒸发、侧向径流、向下越流补给的方式排泄。

（二）潜水：含水层岩性为粉细砂④3层及中粗砂④4层，含水层厚度0.5～6.4m，含水层顶部和底部均为粘性土隔水层；水位标高为19.63～24.87m，水位埋深为11.20～13.76m。该层水透水性好，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流方式排泄。

（三）层间潜水：含水层岩性为圆砾卵石⑤层及中粗砂⑤1层，含水层厚度2.3～8.5m，含水层顶部和底部均为粘性土隔水层，水位标高为16.53～22.14m，埋深为13.60～16.80m，局部有弱承压性。含水层主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流和人工开采的方式排泄。

（四）承压水：含水层岩性为粉细砂⑦2层、中粗砂⑦1层及圆砾卵石⑦层，含水层厚度2.00～10.45m，含水层顶部和底部均为粘性土隔水层，水头标高为9.87～11.39m，水位埋深为23.17～26.20m，水头高度0.5～4.2m。

一、盾构机主驱动泄漏故障：

盾构机在掘进至某区间238米时，刀盘扭矩增大，作业工人发现从前盾处不断涌出泥砂与泡沫的混合物，经现场核查：盾构机主轴承外周密封损坏，泥沙进入齿轮箱，小齿轮磨损严重，管理人员下令停机进行分析

二、泄漏原因分析：

盾构机主轴承密封可见下图： 盾构机主轴承的内外周密封都是由外侧的4道唇形密封与内侧的3道VD形密封组成，其中唇形密封采用胶粘固定，VD形密封采用混合胶粘在密封槽内。4道唇形密封与3道VD形密封之间组成3个腔，中间用持续不断供给的油脂填充。

当这些密封完好时，腔内的油脂持续不断的供给能形成一定的压力，可以阻止土仓内的水、泥砂及添加剂的混合物进入密封舱及齿轮箱内。

当唇形密封在连续运转摩擦后，温度升高，橡胶材料容易软化，从而降低了其材料的硬度，使其与周边钢衬套密封间隙变大，同时密封钢衬套与胶粘部分容易分离挤压变形，这时大大降低了其密封的效果，外部泥沙很容易进入密封舱内。

当VD形密封由于粘接不牢，主轴承不断旋转摩擦，VD形密封很容易被挤压变形、拉断，注入的密封油脂会从VD密封断裂处流入驱动齿轮箱，这时注入密封腔内的油脂不能全部供给前面的唇形密封，导致唇形密封供脂不足，密封压力急剧降低，泥砂轻易从土仓内轴承环处进入，穿过唇形密封、VD密封，进入主驱动大齿轮箱，随着不断推进大齿轮箱内的泥砂越积越多，并填满大齿轮箱，最后通过位于3号、4号减速机之间的1个检查口及大齿轮箱最下方的2个排污水口涌入盾体（如图所示）。主轴承和齿轮在转动中，带动泥沙严重的磨损密封（唇形密封、VD密封）、衬套、齿轮（轴承大齿轮、电机小齿轮），会造成诸多不可严重后果：①密封损坏、泥砂直接涌入齿轮箱，大齿轮严重磨损、无法啮合；②衬套磨损严重轴承滚珠外漏，轴承报废。而此时仍有1472米未掘进，给接下来的施工造成了很大的困难。

三、制定整修改装方案：

经施工方、盾构机设计制造方及业内专家共同研究决定以下整修、改装方案：

1、对主轴承密封进行洞内常压开仓维修，通过在主轴承外外周土仓壁处增设2道VD型密封、更换驱动小齿轮，阻止土仓内的水和泥沙进入到密封舱和齿轮箱内，保证主轴承、大齿轮不被继续磨损，完成剩余1472米掘进，维修方法如下图所示：

2、出洞后进行主轴承（含大齿轮）、密封更换，主轴承唇形密封安装时增设压板，通过螺栓、压板将密封牢固的安装在密封衬套上，改变其安装方法。如下图：改造后的密封。

四、洞内主轴承密封整修方法：

1、由于238米处上方有污水箱函，无法进行地面加固，选择在区间315米时停机，在地面打5排C15素桩，素桩在盾构机前50cm，成C型，然后打4眼深28米的降水井进行降水；盾构机掘进至加固区后，通过注浆系统向土仓注入C15素灰，36小时后常压打开人闸仓，人工对土仓内的C15素灰进行清除。

2、将提前加工好的VD密封内外周钢型密封衬套各分为6块组合成环形焊接在主轴承外圈土仓壁侧，将2道VD密封装入密封衬套内，同时在密封舱内设置了2道油路，采用注入30~35MPa盾尾油脂不断填充来阻止泥砂进入。

3、清理大齿轮箱内泥砂，更换驱动电机小齿轮，联轴器，增设一台盾尾油脂泵和一台集中油脂泵，掘进中不断进行油脂补给。

4、在掘进过程中派3人专门负责齿轮箱内观察，将主轴承密封内留存进入到齿轮箱了得泥沙不断进行清理，并采用清水不断冲洗大齿轮箱，避免齿轮被泥砂进一步磨损。

5、推进过程中，仍有少量泥砂涌入到大齿轮箱，同时用来密封的盾尾油脂也不断的涌入大齿轮箱，由于油脂粘稠，清水无法将油脂带出，将下部5、6号驱动电机及减速机整体拆除，采用8台电机驱动，每次掘进完成以后通过减速机孔人工清理盾尾油脂和泥砂混合物，同时上部采用循环清水进行齿轮箱不断清洗。在全体人员的共同努力下，顺利完成剩余1395米掘进。

五、出洞主轴承密封改造方法：

1、盾构机出洞后，将电机、主驱动拆解，在主轴承3道VD密封和4道唇形密封安装环面上钻72个Ф10x20的螺栓孔。

2、制作刚性环形密封压紧条，并在压紧条与密封安装环对应孔位打孔。

3、安装VD及唇形密封时，采用黏贴和螺栓压紧条装置固定，保证密封不被挤压变形、不会脱落，大大提高密封效果和使用寿命。

结论：通过土仓增加VD密封盾尾油脂密封可以有效阻止泥砂进入密封和齿轮箱，及时清洗齿轮箱，能够使盾构机安全顺利掘进完剩余1395米成功出洞。成为有效的补救办法。

经实践证明：对主轴承VD、唇形密封装配方法进行改造，采用螺栓压板固定，可以有效的、大幅度提高密封的牢固性与稳定性，使其在使用过程中更安全、可靠。

参考文献

[1] 朱科峰. 盾构法隧道施工背后注浆技术. 广东土木与建筑，2003，19-21.

[2] 张凤祥，傅德明，杨国祥，项兆池.《盾构隧道施工手册》［M］. 北京：人民交通出版社，2005.