土壓平衡盾構刀盤中心回轉接頭修復技術

勞懿斌

（上海城建市政工程（集團）有限公司機械施工分公司，上海 200065）

1 概述

刀盤中心回轉接頭安裝于刀盤中心后部并隨刀盤同步旋轉，是刀盤前方土體改良添加液若干壓注管道和刀盤液控仿形刀液壓管道的轉接樞紐。由于現代隧道施工常常遇到復雜地層及小曲率半徑的隧道線形，土體改良系統和仿形刀的正常工作與否往往成為工程順利進行的關鍵之一，對刀盤中心回轉接頭的密封可靠性提出了較高的要求。刀盤中心回轉接頭出現的問題主要是密封失效，在含砂量較多的地層中長期使用，刀盤中心回轉接頭的密封部件極易磨損，在掘進過程中若出現失效基本上無法修復，需要在盾構掘進前進行保養或更換。

中心回轉接頭是非標定制的設備，盾構制造商的設計沒有統一的標準，進口盾構在掘進一段距離后，必須重新向盾構制造商進口整套部件進行更換，費用高，采購周期長。因此，對進口盾構的刀盤中心回轉接頭進行功能修復勢在必行。本文將通過一個實例，簡單介紹刀盤中心回轉接頭的工作原理及修復關鍵技術。

2 工作原理與損壞形式

2.1 工作原理

刀盤中心回轉接頭由旋轉分配軸、外殼體和若干組密封圈組成，旋轉分配軸與刀盤相連接并跟隨刀盤同步旋轉，而外殼體則固定于盾構的密封隔倉板上，如圖1所示。軸與外殼之間按照刀盤旋轉速度做相對運動，轉速一般在0.3轉/min～3轉/min之間。

圖1 刀盤中心回轉接頭示意圖

中心回轉接頭通常至少有三路添加材料通道，額定工作壓力3 MPa；四路仿形刀液壓通道，額定工作壓力21 MPa；兩路潤滑油脂通道，工作壓力3 MPa。土倉內的土砂及各路流體介質之間，由若干非標密封圈相隔離。

2.2 損壞形式

在實踐中人們發現，刀盤中心回轉接頭的損壞形式主要包括：（1）土砂密封失效，土砂侵入到軸承部件，使得軸承卡死；（2）旋轉分配軸被隔倉間的密封圈磨出一道道溝槽，使各個通路的密封性降低，情況嚴重時發生穿通，特別是泥漿液體穿通到液壓通道，使仿形刀失效；（3）外筒體與軸體互相咬死；（4）管路堵死，使得仿形刀失效，或者使得添加劑無法注入土體。

3 主要部件的修復方案

3.1 土砂密封的修復

原設計采用了一道防塵圈，兩道密封圈的設計。如表1所列、

表1 土砂密封形式一覽表

在施工過程中，由于土砂密封失效，土砂突破了1道防塵圈、2道Y型密封圈的阻攔，進入到軸承處。使得軸承失效。并最終侵入到了中心回轉接頭本體，使得中心回轉接頭卡死。

原因分析：由于這種盾構機的中心回轉接頭的土砂密封比較簡易；在一條隧道的推進過程沒有潤滑油脂的補充，在含砂量較大的復雜地層中，極易造成密封件磨損。因此，對密封形式和結構進行了優化改進（見圖2）。

圖2 土砂密封的修復示意圖

如圖2（b）所示，原來的1道防塵圈、2道軸用Y型密封圈的形式，只是套用油缸的密封圈，是標準件；改制后采用非標定制的唇口式專用土砂密封，類似刀盤驅動體的土砂密封，耐久性和適用性均大大提高。另外、專門增加工作壓力在2MPa左右的集中潤滑油脂，用于在盾構推進過程中補充潤滑油脂。另外，對于非標唇口式密封圈的材質選擇，由于丁晴橡膠（NBR）特點是：耐汽油和脂肪烴油類的性能特別好，氣密性、耐磨及耐水性等均較好，糌結力強。缺點是耐臭氧性差彈性及耐酸性較差。比較適合盾構機設備的使用狀況、工作環境。因此可選用邵氏硬度為80以上丁晴橡膠作為非標唇口密封的材質。

3.2 旋轉分配軸的修復

原設計主要要求：直徑方向公差h6；表面光潔度 0.4；同心度0.021。

在使用過程中發現，由于外殼的材料和旋轉分配軸的材料是同牌號的材料，并且間隙較小，因此造成兩種材料發生親合作用而燒咬損傷積瘤（形成了很毛糙高低不平的凹槽）后粘連燒死現象。另外、密封圈在中心軸上碾磨成了溝槽，造成密封性變差引起泄漏。

修復方案如下：

（1）對旋轉分配軸先進行退鉻處理。

（2）對旋轉分配軸再進行冷焊焊補（可防止旋轉分配軸變形）。

（3）對旋轉分配軸進行鍍硬鉻處理。

（4）按配合尺寸對旋轉分配軸進行磨削處理。

（5）對旋轉分配軸進行鉗工處理（每道工序進行檢查）。

修復前后情況如圖3所示。

圖3 修復前后的旋轉分配軸實景

3.3 組合式外筒體連接塊A和外筒體連接塊B的修復

原設計主要要求：內孔公差：+0.55～+0.65；凸榫：光潔度1.6、公差0～-0.006。

實際損壞情況為外壁銹蝕，內孔局部磨損。

修復方案如下：

（1）對外筒體連結塊A的內孔進行柔性磨削。如圖4所示。

圖4 連接塊A內孔柔性磨削實景

（2）對外筒體連結塊B的內槽進行修復，使損傷的部位達到合圖紙上的要求。

（3）檢查修理后外筒體連結塊B的各部位的尺寸和表面粗糙度。如圖5所示。

圖5 修復后的連結塊B

3.4 組合式外筒體連接塊C

原設計主要要求：內孔公差：+0.12～+0.15；榫槽：光潔度1.6、公差0～+0.009。

由于外筒體連接塊3和中心軸是相同的牌號，因此在使用中造成燒咬的現象。

修復方案如下：

（1）對外筒體連結塊C的內孔改裝加槽，如圖6所示。

圖6 外筒體連結塊C加工溝槽后實景

（2）對外筒體連結塊C的內孔加裝耐磨的填充材料，如圖7所示。

圖7 外筒體連結塊C加裝耐磨環后實景

（3）對外筒體連結塊C的內孔加裝耐磨的填充材料進行加工到與旋轉分配軸外圓的配合尺寸。

4 組裝與試壓

如圖8所示，所有部件修復及檢測合格后，采用全新密封圈及軸承部件，完成刀盤中心回轉接頭的裝配，然后分別用油堵工裝堵塞油口，每個油口進行試油壓，試驗壓力21 MPa，保壓30 min應無泄漏現象（同時轉動回轉接頭）。每個水口進行試水壓，試驗壓力3 MPa，保壓30 min應無泄漏現象（同時轉動回轉接頭）。

圖8 壓力測試現場

5 總結和改進

采取本文所述的修復及優化改進措施，刀盤中心回轉接頭的密封可靠性和土體適應性分別得到了提高和拓展。在實際使用中，通過增加集中潤滑系統，如圖9所示，進一步提高了刀盤中心回轉接頭的密封可靠性，同時，有效地延長了其實際使用壽命。

圖9 集中潤滑示意圖

刀盤中心回轉接頭是土壓平衡盾構功能得到充分發揮的關鍵部件，建議不僅在施工過程中需要精心維護，而且在區間隧道推進結束后應進行有效的拆卸保養或維修，以確保盾構在下一區間隧道推進中保持原有的設計性能。