高埋深土壓平衡盾構主驅動密封改造關鍵技術

王純亮/WANG Chun-liang

（中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458）

隨著我國地下空間的開發利用和交通、能源等基礎設施建設的大規?？焖侔l展，盾構法隧道技術在穿江越海交通隧道領域得到了迅速的發展。隨著技術的發展，盾構隧道直徑、掘進長度、開挖深度和水壓也在不斷增加，大直徑盾構應用技術也越來越成熟。大直徑盾構隧道施工已成為水系發達地區交通聯絡的首選方案。

目前，大直徑盾構制造和施工技術比較成熟。隨著社會的發展，一些超大直徑隧道工程也應運而生。隨著施工的深入，國內外單位在大直徑盾構制造和施工技術方面都進行了很多研究，取得了不錯的成績，但仍然存在不少問題需要解決。

盾構設計理念不同，而主驅動密封的形式也有差異。但最終是要保證唇口與主驅動耐磨鋼環密貼性；通過注入油脂的作用保證密封效果，并增加潤滑以降低摩擦發熱和密封磨損，并最終能抵御前倉的壓力。

1 盾構主驅動密封構成與機理

為了達到良好的密封效果，大多采用不同的密封結構組合成密封系統，實現土倉內水土壓力和主驅動箱內驅動組件的有效隔離。密封系統主要形式有：①迷宮密封內HBW＋EP2＋320＃齒輪油＋泄露檢測腔；②迷宮密封內HBW＋68＃液壓油＋68＃液壓油＋泄露檢測腔；③迷宮密封內HBW＋NLGI2 油脂＋46＃液壓油＋泄露檢測腔。

不同的盾構廠家或者密封制造廠家對密封機理的認識不同，設計出不同主驅動密封系統，這些密封系統具備不同的優缺點。為了更好地理解不同組合的密封系統的性能，需要弄清楚基本的密封結構的作用機理。

首先，不論哪種密封系統的設計，只要符合密封作用的機理在一定的使用環境下均能達到設計目的；其次，主驅動密封系統運轉過程中，各密封腔的壓力監測非常重要，當發現壓力異常時，要及時根據密封設計的要求做相關的調整；最后，在主驅動密封系統的裝配過程中要保證各個密封單元的良好工作狀態，防止唇形密封的唇口預壓緊不一致，唇口扭轉或者運轉過程中密封的整體旋轉等不良安裝狀態。

某泥水盾構主驅動密封結構如圖1 所示，從結構來說，該盾構主驅動密封采用的是3 道唇形密封形式，配合HBW 油脂和EP2 油脂的注入，從而阻止外界雜質的進入，起到密封的作用。密封圈的工作壓力為預壓緊力與外界土倉壓力之和。當盾構土倉內壓力增大時，密封更加緊貼主驅動的耐磨鋼環，密封性能增強。當土倉壓力進一步中增大時，密封可能會出現唇口翻邊，密封失效，倘若壓力再增大也會出現密封被擊穿現象。

圖1 某盾構驅動密封結構圖

2 主驅動系統故障及分析

該盾構于2019 年4 月始發掘進，發現故障時已掘進122 環，刀盤所處位置隧頂埋深28m，水深約7m；掌子面地層為全斷面中風化花崗巖，掌子面穩定無明顯來水，切口環4 點方向存在后方來水約7m3/h，來水為清水無夾雜泥沙現象，地質狀況如圖2 所示。

圖2 盾構施工地層圖

掘進施工期間，按照管理規定多次對主驅動齒輪油進行抽樣檢測，結果正常，主驅動系統各部件運轉正常。經過5 天開倉換刀作業后，準備恢復掘進，過程中齒輪油泵多次跳閘，流量監測系統顯示流量為0，停機檢查齒輪油系統各部件工作正常，拆解流量計時發現齒輪油樣異常，隨后將底部球閥打開后，發現有清水流出，排出約1000mL 清水后有油液流出，油液為黃色，粘度較高，目測無法正常使用。檢查主驅動HBW 和EP2 油脂注入情況，HBW 油脂閥和EP2 黃油分配閥均有油注入。隨后準備更換齒輪油，放油13桶左右。期間HBW 和EP2 油脂間斷性注入，齒輪油放完后，加入液壓油3 桶，準備清洗軸承齒輪箱，發現齒輪油箱底部有清水，水量在100L 左右，排完后5min 左右有進水，立即通知主控室把倉內壓力由3.4bar 降為0bar，降為0 后無進水。項目部立即指派技術和維保人員采取以下措施，確定進水原因。

1）拆除熱交換器齒輪油管，沒有發現有水進入油管中，將熱交換器水管拆除，加7bar 壓縮空氣后熱交換器正常保壓，無泄漏。

2）檢查11 個減速機油位正常，無水串通現象。

3）檢查HBW、EP2、油脂分配閥注入量，注入量正常。

4）所有管路連接檢查結果與圖紙相符正確。

5）通過倉內逐步加壓檢查主驅動密封是否損壞，打開主軸承上泄漏油口，倉內開始逐步加壓，每次加壓0.2bar，并同步觀察主軸承油口泄漏情況。當加至1.0bar時，泄漏油口有清水流出，懷疑主驅動密封失效。

經討論認為，造成此次故障的原因如下。

1）主驅動密封因外界壓力受損，密封作用失效。土倉內壓力過高導致密封唇口翻邊，密封與主驅動耐磨鋼環之間形成通道，泥沙進入到齒輪腔中。或者土倉壓力過高直接將密封擊穿，泥沙直接通過破損面。

2）主驅動密封磨損。密封油脂注入量不足，則土層中的泥砂會進入潤滑通道，磨損主驅動唇形密封。

3）齒輪箱中傳動部件磨損，金屬磨粒從后部進入到密封腔中，鐵屑等顆粒夾雜在密封和耐磨鋼環之間，在運動的過程中導致了密封受損。

4）其他非使用原因。存在著由于密封質量本身原因導致密封受損；或者在工廠裝配的過程中密封沒有正確安裝，導致密封的密封性能下降。

3 主驅動密封系統改造技術

根據現場的實際情況，項目部決定更換主驅動密封件，從密封件的進場驗收到組裝完成試掘進采取了一系列的措施，保證維修、裝配和后續使用的質量。

3.1 密封采購與裝配

主軸承密封通過海瑞克公司采購原裝merkel密封件，配件到場后項目部聯合盾構售后人員共同對密封外觀及報關單進行驗收工作，確保密封質量良好。

密封安裝工作由具有豐富裝配經驗的人員進行，項目部技術人員全程監督安裝質量，每個密封件安裝完成后，技術人員和裝配人員分別用深度尺測量安裝情況并形成記錄。安裝密封時，同時對各油脂孔道進行疏通，確保各油脂孔孔道出脂量正常滿足施工要求。技術人員全程監督，并形成記錄。

3.2 主驅動密封系統的改造

3.2.1 增加壓力檢測裝置

在HBW、EP2 油脂腔加裝壓力傳感器，實時監測油脂腔壓力，壓力異常時報警，確保油脂正常注入，有效保護密封。原機迷宮密封系統和主驅動密封潤滑系統均沒有壓力檢測能力，需要增加壓力傳感器，對HBW 和EP2 油脂腔內的壓力進行監控。具體的加裝方式如下。

1）在HBW 的注入點（圖3）C7 進口處增加三通接頭，三通接頭的一個口用來安裝壓力傳感器，另一個口連接原球閥1V012；另在球閥1V012 后部增加三通接頭，其中一個口連接至馬達分配器的原輸出口，另一個口安裝球閥S1 連接到相鄰的注入口CA8 處。

圖3 HBW油脂注入點

現場需要檢測壓力時，可將球閥1V012（常開）關閉，球閥S1（常閉）打開，待壓力穩定后，讀取傳感器數值，作為實際值，檢測完畢后，將球閥恢復原始狀態，可繼續掘進。球閥1V012、S1 后期可更改為電磁閥，以實現自動控制。

2）EP2 的壓力傳感器加裝與HBW 類似，參考圖4 所示?，F場需要檢測壓力時，可將球閥W1（常開）關閉，球閥W2（常閉）打開，待傳感器壓力穩定后，讀取傳感器數值作為實際值。檢測完畢后，將球閥恢復原始狀態，可繼續掘進。球閥W1、W2 后期可更改為電磁閥，以實現自動控制。

圖4 EP2油脂注入點

3.2.2 泄漏腔檢測

主驅動密封泄漏腔設計為每班正常巡檢是否泄漏，在泄漏腔出口安裝稱重傳感器，安裝報警系統，實時監控泄漏，加大對主驅動密封保護。

3.2.3 增加EP2密封背壓裝置

加裝齒輪油罐，原理圖如圖5 所示，為EP2密封提供背壓，防止唇型密封受壓反向，同時提供一定的密封潤滑作用，齒輪油密封保壓腔常態保壓1.5bar（圖6）。具體操作如下。

圖5 齒輪油罐保壓操作示意圖

圖6 油脂腔壓力指示

1）加油和放油。加油時關閉球閥6，打開球閥2、球閥3、球閥5，從球閥5 處加注齒輪油至報警消失；齒輪油罐放油時打開球閥5、球閥6進行放油。

2）掘進過程中的充氣充壓操作①關閉球閥1、球閥2、球閥3，打開球閥5 放氣，放完氣后關閉球閥5；②根據實際情況調節減壓閥4 至需要的壓力，具體見表1 和表2；③打開球閥1、球閥2、球閥3。

表1 前方水土壓力低于2.7bar時壓力設定（單位：bar)

表2 前方水土壓力高于2.7bar時壓力設定（單位：bar)

3）主驅動內外密封保壓裝置由手動控制改為自動控制，保證密封完好。

根據施工情況，每天對主驅動齒輪油樣進行檢測，對主軸承、驅動電機、減速機進行相關參數檢測，并作好詳細記錄。

4 工程實踐

該盾構更換主驅動密封后，到目前為止已完成了一定量的掘進任務，主驅動系統狀況良好，潤滑系統工作正常，油脂系統工作壓力、油脂消耗量均在合理范圍內，沒有出現過較大故障。在施工過程中已經加大對主驅動密封潤滑的監測，對油脂注入量和泄漏實時監測。并加大了對潤滑系統各部分的維保工作，以保證潤滑系統工作的有效性。定期對齒輪油取樣分析，通過水分、粘度和金屬磨粒分析，判斷主驅動密封效果和內部傳動部件磨損情況。通過設備配置的監測手段和施工管理雙管齊下，保證盾構主驅動密封的完好性。

5 結論

盾構施工是地下作業，密封部件損壞后很難更換，除了優化密封系統設計，還要在裝配、使用過程中進行實時監控影響密封使用性能的不利因素，保證密封系統正常工作。

在施工過程中，密封系統對巖石、泥砂、水等非常敏感，密封潤滑系統必須要持續正常的工作，各工作參數要滿足設計要求，各密封腔的壓力監測很重要，當發生壓力異常時，及時采取措施保證密封不受損壞。