富水地層下盾構主驅動密封失效的應對措施

姚 平

（中億豐建設集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215131）

在盾構的所有組成部件中，負責驅動刀盤旋轉的主驅動是重中之重，是設備能夠順利掘進的關鍵。如果主驅動在掘進過程中出現密封系統失效的情況，設備將無法繼續掘進，由于空間尺寸、安裝結構等原因，想在地下對主驅動密封系統進行維修或更換是很困難的。常規方法需要在盾構主機前方加固土體后開挖，在刀盤前方的區域形成工作井，將主機和刀盤露出后進行維修和更換操作，不僅工期長，成本也非常高，而且如果遇到主機上方附近有建筑、山體等情況，無法正常開挖工作井，這種常規維修的方法就行不通了。主驅動密封系統失效的情況下，采取一定改造措施后，使得設備能夠繼續向前掘進，堅持掘進到適合開挖工作井的位置甚至貫通隧道就變得非常有意義。

1 工程概況

廣州市軌道交通某標段，穿越的地層包含人工埋土、粉細砂、中粗礫砂、粗礫砂、淤泥質土、坡積土、花崗巖殘積土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖。地下水主要有兩種基本類型，分別為松散土層孔隙水和基巖裂隙水，地下水穩定水位埋深為0.8～5.30m，平均埋深約為3.31m，水位標高為21.52～30.84m，平均標高為25.22m。地面上距離隧道軸線西側約20m 處有小區居民樓，在接收井的東北方向約58m 有小山丘，丘頂標高約70m。隧道軸線埋深為17m，工程為比較典型的富水復合地層隧道項目，易出現地表沉降情況且地上建筑物較近。

2 主驅動概況及主密封系統工作原理

本工程所使用的盾構是一臺的舊設備，設備已經累計掘進了8km，期間經歷過3 次大修，在本工程始發前進行了第4 次大修，并對主驅動進行了全面的檢查和翻新，不僅更換了主驅動的內外唇形密封件，還修復了已經磨損的密封接觸面。盾構主驅動的結構如圖1 所示，一旦密封系統失效，開挖艙內的雜物就會進入主軸承的滾子滾道腔和齒輪箱，造成主軸承滾道、滾子、大齒圈和小齒輪的異常磨損，并污染齒輪箱內的齒輪油。

圖1 主驅動結構剖面圖

主驅動的內外兩套密封系統均由5 道唇形密封組成，形成多個環形腔室，結構形式如圖2 所示。腔1 與開挖艙相通，注入的介質為HBW 油脂，起到密封作用，阻止雜物進入。腔2 和腔3注入的介質為PE2 潤滑脂，起到潤滑和承壓作用。腔4 注入的介質為46 號液壓油，起到冷卻作用。腔5 作為監測腔不注入介質，是空腔。腔6與主軸承相連，腔7 和腔8 注入的介質為680 號齒輪油，用來潤滑主軸承的滾子和滾道，最后齒輪油會通過滾道和滾子的間隙最終進入到齒輪箱并充滿腔6。

圖2 主驅動密封系統剖面圖

密封系統所用的唇形密封件在正常工作狀態可以承受的最大前后壓差的設計值為5bar，但是壓差越大，唇形密封和唇形密封接觸面的磨損也越快，因此，在條件允許的情況下應盡量讓唇形密封的前后壓差減小，以便減少磨損，延長密封件工作壽命。

在設備正常掘進時，假設開挖艙的壓力為P0，為了主驅動的密封效果，阻止開挖艙雜物進入，注入HBW 油脂的腔1 內的壓力P1要大于開挖艙的壓力P0，如此HBW 油脂才能從腔1 內擠出并流入到開挖艙，即P0＜P1。由于唇形密封可以承受前后的壓差，為了實現壓力的遞減，因此注入EP2 油脂的腔2 內的壓力P2小于P1，即P1＞P2。相同的，有P2＞P3。腔4 內注入的是46 號液壓油，主要起到冷卻的作用，因此P4的壓力略大于0 即可。腔5 為檢測空腔，可以視為與P4相等，即P4=P5。腔6、腔7 和腔8 都與齒輪箱相通，齒輪箱內為常壓狀態，考慮到腔7 和腔8 需要不停注入齒輪油保持循環潤滑，帶有一定壓力，可視為與腔4 和腔5 的壓力相同。綜上，密封系統各腔的壓力關系為P0＜P1＞P2＞P3＞P4=P5=P6=P7=P8＞0。

3 事故詳情

盾構在掘進倒數第40 環的時候中發現主驅動齒輪箱內有異響，推測有異物進入了齒輪箱，當主驅動內的大齒圈和小齒輪互相嚙合時對異物的擠壓造成異響。

施工方在發現異響后立刻停機檢查，發現齒輪箱的呼吸閥已經堵死，對齒輪箱的底部的油脂進行取樣檢查，發現流出的是黑色的、帶有細沙的膏狀油脂混合物，如圖3 所示，確定已經有泥沙進入齒輪箱，并且油脂混合物與使用的680 號齒輪油相比性狀已嚴重改變。通過檢驗油脂取樣，確定有HBW 油脂、EP2 油脂以及水和細沙進入到齒輪箱，說明密封系統已經失效，但不能確定失效的是內密封系統還是外密封系統。

圖3 齒輪箱油脂取樣照片

為了進一步確定具體情況，打開外密封系統中作為監測空腔的腔5 的接口，發現有少量的細沙和油水混合物流出，流空后沒有其他介質流出，說明外密封系統發生泄漏但又沒有完全失效。打開內密封系統中作為檢測空腔的腔5 的接口，發現有氣體和油沫續噴出，說明內密封系統的前4 道唇形密封已經失效。

為了進一步確定內密封系統的狀態，選取與內密封系統腔5 相連的2 個接口，其中一個位置較低的接口安裝壓力表，另一個位置較高接口安裝球閥并連接軟管，軟管末端放置在皮帶機上，有限度的打開球閥，軟管末端有氣體噴出，2h后，軟管開始流出與齒輪箱取樣油脂相同的膏狀油脂混合物，并且開挖倉壓力降低了1.1bar，新接的壓力表讀數和開挖倉壓力基本一致。現象表明內密封系統腔5 已經與開挖艙相通，開挖艙中保壓的壓縮氣從腔5 噴出，并且最后一道反向安裝的唇形密封也失效了，齒輪箱內的油脂可以通過腔5 排出，如果反向安裝的密封沒有失效的話，軟管流出的應該是前方HBW和EP2 與沙的混合物，與齒輪箱內取樣的混合物有所差別。所以最終判斷內密封系統已經完全失效，水和沙土主要是通過內密封系統進入齒輪箱的。在停機24h 后，監測到地表有明顯沉降，開始提高開挖艙氣壓并保壓，同時關閉所有接口。

4 現場問題分析和應對措施

4.1 現場問題分析

從現有的情況分析，確定需要解決以下主要問題和難點。

1）設備處于富水地層，且易發生沉降，自穩性差，開挖倉需要一直保持較高氣壓以防止地表沉降，因此不能常壓開倉檢修，如果進行帶壓進倉的作業，效率低且風險大。如果進行地下改造，需要保持較高的土倉氣壓以便防止地表沉降。

2）在開挖倉需要保持較高壓力的情況下，需要相應增加HBW 系統和EP2 系統油脂的注入壓力，但是因為密封系統失效，較高的注入壓力會使HBW 油脂和EP2 油脂混合泥沙等雜物持續返流到齒輪箱和主軸承。進入主軸承的泥沙會嚴重磨損主軸承的滾子和滾道，不僅縮短主軸承使用壽命，甚至可能造成主軸承卡死無法轉動。進入齒輪箱的泥沙會齒輪傳動系統的磨損，影響設備穩定運行。

3）由于齒輪箱內壓力的升高，安裝在主驅動上的減速機輸出端與齒輪箱內部相連，正常壓力情況下減速機的輸出端的骨架油封可以滿足密封性，但是在齒輪箱內部壓力升高的情況下，要防止骨架油封失效造成齒輪箱內雜質進入減速機內部。

4）因為密封系統失效，油脂無法有效的在兩道唇形密封之間填充成環，按照原來的密封系統原理，無論如何改變注入壓力無法阻止泥沙進入齒輪箱。

4.2 改造思路

在盾構上方不遠處還有建筑物、富水土層軟弱易沉降等情況下，如果采用在盾構上方進行土體開挖并維修的方案，風險高、工期長、成本高，考慮到盾構距離出洞距離很短，只有40 環管片的距離，經過對現場反饋的情況和的分析后，決定對盾構進行改造，爭取讓盾構繼續掘進直至貫通。

由于盾構主驅動齒輪的運行方式為低速重載，在主動降低掘進速度、減小扭矩載荷的情況下，齒輪系統的安全系數更大，與主軸承相比，齒輪箱的抗污染能力更強。因此在保持主軸承能夠正常運行，齒輪箱輕度污染的情況下，盾構就可以堅持掘進一段時間，只要在這段時間內將隧道貫通，就可以出洞后在對設備進行處理。

4.3 具體的應對措施

在改造期間，嚴格監控土倉壓力，保持壓力穩定防止地表沉降。具體措施如下。

1）向主軸承的腔7 和腔8 注入大量干凈的液壓油對主軸承滾道進行沖刷，盡可能的將滾道內的雜物沖刷到齒輪箱內，同時將齒輪箱內的油脂混合物排出，達到清洗主軸承的目的。

2）沖刷主軸承的同時，封閉齒輪箱以便在齒輪箱內建立壓力，阻止前方的油脂和泥沙繼續進入齒輪箱，在保持壓力穩定的前提下排出齒輪箱內的油脂泥沙混合物，期間可以通過對排出物的檢查，判斷齒輪箱內的污染情況。在齒輪箱內的混合物盡量排出后，重新注入EP2 油脂，注入量超過齒輪箱容積的1/2。目的是利用EP2 油脂代替原來的齒輪油對齒輪和主軸承進行干油潤滑。這樣做的好處是EP2 油脂流動緩慢，抗污染能力強，只要向腔7 和腔8 不斷的注入油脂，就可以阻止細沙等雜物通過密封系統反流進入到滾道和滾子的空腔7 和空腔8 中，從而保護的主軸承。壞處是EP2 油脂不利于散熱，后續施工時要隨時監控主驅動的溫度，超過50℃就要停機降溫，并且在主驅動外部采用大功率風扇對主驅動進行風冷降溫。

3）去除原有齒輪箱潤滑系統的連接管路，所有接口單獨連接管路以便控制壓力，由于封閉了齒輪箱并在齒輪箱內建立了壓力，因此注入滾道和齒輪箱的油脂最終會從密封系統擠出，從而阻止泥沙的進入。

4）對減速機油位進行監控，并提前在注油孔上安裝快速接頭，以便發現油位變化時及時對減速機內部建壓防止雜物進入。

5）將連通腔4 的所有接口全部安裝球閥、壓力表并接軟管，將軟管尾端放置在皮帶機上。控制球閥開度，在不造成土倉壓力波動的前提下，讓腔4 的壓力P4 成為整個密封系統的壓力最低點，把原來作為冷卻腔的腔4 變為排渣腔，讓前方密封系統進入的泥沙和后方齒輪箱的油脂都通過此腔排除，達到減少泥沙進入齒輪箱和主軸承的目的。把原來作為檢測腔的腔5 變為EP2 注脂腔，但是注脂壓力要小于齒輪箱內的壓力，以便齒輪箱內的油脂向前排出。改造后各腔的壓力關系為P0＜P1＞P2＞P3＞P4＜P5＜P6=P7=P8＞0。

6）監測每個腔的壓力值，并每天抽樣檢查各個腔內的油脂情況，以便檢測密封狀態。

4.4 改造后設備掘進過程中的管理措施

設備經過改造后重新恢復掘進，并按照改造方案對各個腔室的壓力值進行設定，連接腔4 的多根軟管有氣帶著黑色油脂、細沙噴出，相對來說接口位置高的軟管噴出的氣體較多，其他雜質較少，接口位置最低的軟管基本沒有氣體排出。

隨著掘進時間的增加，齒輪箱內油脂取樣中的雜質含量呈增加趨勢，但是在腔7 和腔8 的取樣中并未發現雜質。為了保證主驅動的順利運行，隔一段時間就對齒輪箱內的EP2 油脂進行更換。從設備開始恢復掘進直到隧道貫通，減速機的油位沒有發生變化，一直保持正常工作。

5 結語

在富水地層中，盾構主驅動密封系統失效后，采取對主驅動進行改造，并改變密封系統工作原理等一系列措施后，讓盾構最終順利的貫通隧道，避免了更大的成本和工期損失，對于遇到類似問題的工程有借鑒作用。

需要強調的是，本文中的改造方案只是一種在外部條件受限制的情況下的一種臨時妥協方案，并不能長時間使用，只適用于地表不具備開挖條件，且距離可開挖工作井的位置較近，或是隧道剩余距離短的工程項目。為保證工程能夠順利貫通，在始發前對主驅動密封系統進行壓力測試才是更好的保障措施。