狹小空間內TBM設備主軸承內密封更換技術研究

任喜平 王 俊 董團偉

(陜西引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710024)

地下洞室采用TBM設備掘進和常用的鉆爆法開挖相比，具有快捷、環保、安全等優點，特別是在一些距離長、埋深大的高難度隧洞選用比較多，是國內外的高鐵、水利水電、礦業、綜合管廊、城市軌道交通等領域選用的重要施工方案。同時，由于隧洞施工不斷向復雜地質條件和惡劣環境發展，使得TBM設備在掘進過程中關鍵部位零部件的損傷較大，施工困難不斷加大，對設備可靠性和現場快速消除故障的要求也隨之不斷加大。主軸承作為TBM設備的關鍵和核心部件，其性能狀況影響整個TBM設備的運行質量和效率，而此部件的正常運行與內外密封的可靠性密切相關。

目前，許多學者對復雜地質條件和惡劣環境中TBM設備主軸承零部件的修復和更換進行了研究，余海東等[1]分析研究了錦屏二級水電站項目TBM設備的主要部件主軸承的運行狀態，總結了主軸承系統潤滑油運行狀態的監測方案和產生故障時應急處理措施；韓小亮[2]分析研究了TBM設備主軸承外密封結構擋圈部件產生斷裂掉落現場的實例，根據現場狀況對三種處理措施進行對比研究得到一種安全、快速的修復處理方案；董仁濤[3]分析研究了TBM設備主軸承部件密封系統運行過程中故障的診斷分析和具體的保養措施，提出了合理的保養措施確保了高效運行；賈峰[4]分析研究了南疆吐庫二線鐵路中天山隧道右線項目TBM 設備主軸承密封耐磨鋼帶密封結構的損壞情況，在狹窄空間內通過優化傳統維修方案快速高效地完成了維修保養工作，張新彬[5]分析研究了蘭渝線西秦嶺特長隧道項目TBM設備主軸承現場快速、安全更換和修復措施，提出了一套迂回導洞和左線繞行相結合的實施方案，取得了良好的效果。

本文以引漢濟渭引水隧洞嶺南TBM施工段設備為例，通過分析TBM主軸承內密封損壞情況及影響，研究了狹窄空間內主軸承內密封更換方案、具體的操作方法及更換過程控制的重難點，采用該方案快速、安全地進行了主軸承內密封系統的更換和修復工作，確保了嶺南 TBM設備在不良地質環境施工中的高效運行，提高了TBM設備利用率和適應性，減少了故障率。

1 主軸承內密封損壞情況描述及更換的必要性

1.1 主軸承內密封損壞情況描述

引漢濟渭調水工程嶺脊段選用一臺敞開式TBM設備掘進施工，最大埋深達到2100m，洞內溫度達40℃左右，濕度超過90%，巖石最高強度達230 MPa，復雜地質條件和惡劣環境疊加，是調水工程隧洞施工難度最大的地段。洞內復雜地質條件和惡劣環境對TBM設備關鍵部位零部件造成諸多不利影響，在秦嶺隧洞硬巖掘進過程中TBM設備主軸承潤滑系統頻繁出現運行異常，主要表現為潤滑油脂硅成分含量異常，同時伴隨有粉塵和少量水分，造成閥塊卡頓等現象，經逐一排查發現主軸承內圈密封存在磨損，致使內密封沖洗水在主軸承內部無氣密保壓狀態下直接泄漏至主軸承內部。監測數據表明，潤滑油內硅成分含量持續上升，說明密封磨損為持續狀態，當內部風壓不能有效隔絕水沖洗時，主軸承工作環境將急劇惡化。

1.2 更換的必要性分析

密封磨損程度較輕的情況下，系統帶壓狀態下沖洗水雖不能泄漏至主軸承內部，但若不給予及時處理和更換，隨著時間的推移，密封磨損會不斷加劇，同時也會造成鋼帶磨損，當主軸承內部氣壓以及密封潤滑油脂不能有效隔絕水沖洗時，將導致大量沖洗水進入軸承內部，水與油脂混合，不能對主軸承造成有效潤滑，將對主軸承造成難以預料的損壞。

2 內密封更換總體方案描述

停機將刀盤內積渣清理干凈后，先拆除接渣斗導流板，其后拆除刀盤接渣斗以及1號皮帶從動端的滾筒渣斗[6]。以上工作完成后拆除刀盤內密封蓋板，取出內密封及隔圈，檢查鋼帶的完好性，視磨損情況決定是否更換鋼帶。若需更換鋼帶，將鋼帶拆除后，清理鋼帶安裝凹槽，加溫新鋼帶至120℃，安裝鋼帶，等鋼帶完全冷卻后，安裝新密封及密封壓環、蓋板等，恢復刀盤接渣斗，完成密封更換全過程。

3 吊裝方案的設計

在內密封更換過程需要進行吊裝的部件主要有刀盤接渣斗、密封內外蓋板以及密封壓環，更換期間需拆除部件的參數見表1。

表1 更換期間需拆除部件參數

3.1 手拉葫蘆選擇

本文涉及的吊裝部件主要為刀盤接渣斗，吊裝過程最大載荷的計算公式為

Q1=K1K2Q

(1)

式中：Q1為吊裝最大載荷,t；Q為渣斗和吊具重量的總和,t；K1為動載荷系數，取1.1；K2為不均衡載荷系數，取1.25。

由式(1)的計算可知，吊裝最大荷載為9.7t，根據市場常用手拉葫蘆參數選擇，采用2臺5t手拉葫蘆同步起吊。2個2t手拉葫蘆輔助渣斗平穩下降過程，可滿足作業要求。

3.2 刀盤隔板吊點載荷校核

通過吊點位置結構受力分析可知，刀盤隔板吊點位置存在最大受力點應力，最大受力點應力計算式為

σ=Qg/S

(2)

式中：σ為刀盤隔板最大受力點應力，MPa；Q為渣斗及索吊具重量總和,t；g為重力加速度,m/s2，取為9.8m/s2；S為刀盤隔板截面積,m2。

由式(2)的計算結果可知，吊裝的刀盤隔板結構最大受力點應力是38.27MPa，鋼結構材料的屈服強度取值為235MPa，在規范中按215MPa取值進行計算，遠大于刀盤隔板部位的最大受力點應力值，可滿足吊裝作業要求。

3.3 吊耳的選擇

根據吊耳標準參數，選用6.5t吊耳作為渣斗吊裝的主受力吊耳，選用2t吊耳作為渣斗輔助吊裝的平衡吊耳。

3.4 吊耳位置確定及焊接

吊耳安裝位置應與分段重心對稱，以保持吊耳復合的均衡和分段吊裝的平穩，且安裝方向應與其受力方向一致，以避免產生扭矩，其接渣斗對稱位置焊接2個2t吊耳，垂直方向在刀盤隔板位置焊接2個6.5t吊耳[7]。在吊耳焊接過程中，因刀盤內水分較多，必須保證焊接面干燥且無銹跡或灰塵，進行雙面連續角焊，以保證焊接質量。其吊耳位置因刀盤內部空間狹小，需根據現場位置遵循以上原則進行選擇，做到受力平衡方便吊裝和安裝工作[8]。

3.5 接渣斗位置下降

在吊耳焊接完成后，再用手拉葫蘆將渣斗與吊耳鏈接，使鏈條受力后，拆除接渣斗的鏈接銷，使用調整倒鏈將渣斗移至下落路徑無障礙物位置，緩慢下降至整個主軸承中央位置，使用手拉葫蘆將其固定[9]。在下降過程中需先拆除1號皮帶從動尾端，以免在下降過程中產生傾斜。

4 主軸承內密封更換步驟

4.1 主軸承密封端蓋拆除

密封蓋板分為內外兩個蓋板，具體結構見圖1，首先拆除內圈蓋板，在拆除之前在內蓋板焊接小吊點，使用1.5t倒鏈將其固定，拆除固定螺栓，利用4個頂孔用M16螺栓將其頂出，使用固定倒鏈將其吊起。然后使用同樣方式拆除外圈蓋板，見圖1。

圖1 端蓋及密封裝配結構注 編號8表示主軸承；編號表示下部端蓋外圈蓋板；編號表示上部端蓋外圈蓋板；表號⑤表示上部密封蓋板；編號表示下部密封蓋板

4.2 密封取出及鋼帶、壓環檢查

在取出密封前使用潤滑油脂將密封安裝槽潤滑，安排6～8人使用倒勾在整個密封槽對稱位置同步進行密封及壓環取出工作，在工作進行中切勿暴力損壞密封安裝槽以及密封壓環。取出密封后，檢查鋼帶磨損情況，看是否存在凹槽、毛刺等現象，如鋼帶磨損凹槽超過0.5mm，則需更換，同時檢查壓環表面有無損壞，是否存在尖銳棱角，如有損壞，視嚴重程度選擇修復或更換[10]。

4.3 鋼帶加熱及安裝

若需更換鋼帶，需將舊鋼帶切割取出，并清理檢查鋼帶安裝槽，將新鋼帶加熱至120～140℃，進行同步安裝，安裝方法為先將鋼帶對至安裝孔，使用6臺噴燈同時加熱，溫度達標后，由安裝人員穿上隔熱裝備進行安裝[11]。

4.4 密封安裝

在安裝密封前首先確定鋼帶溫度是否降至常溫，密封腔內表面、壓環表面、密封表面的清潔工作是否完成，以上工作無誤后使用輕質潤滑脂在相應表面做潤滑工作，然后按照圖1由右到左依次進行密封和壓環的安裝[12]。

根據圖紙將第一道密封唇口朝里安裝，密封腔周圍固定6～8個等邊點，幾點處的密封按照安裝方向塞入密封腔，然后逐步將其他部位塞入，等密封完全塞入后，確認密封沒有反轉現象，使用木棒或橡膠棒及橡膠錘將密封推至合適位置，然后安裝第一道壓環，安裝期間確保壓環干凈，沒有任何鋒利邊角。按照圖紙將第二道密封唇口朝外安裝，安裝步驟同上，同時安裝第二道壓環，第三道同理。安裝完成后，先安裝密封外圈蓋板，然后安裝內圈定位銷及蓋板，確定安裝位置無誤，使用螺栓固定，所有連接螺栓使用螺紋鎖固膠涂抹，并復合扭矩，螺母位置使用硅膠填充[13]。

4.5 刀盤渣斗安裝

在密封安裝完成后，先恢復1號皮帶從動尾端，繼而恢復刀盤接渣斗，使用固定倒鏈將渣斗提升至安裝位置，使用小倒鏈進行連接銷對孔工作，完成后進行鏈接銷安裝以及渣斗固定工作。

5 更換效果驗證

在密封更換完成后，拆除主軸承觀察蓋板，單獨啟動內密封沖洗，觀察主軸承內部是否有水溢入，若無水溢則更換效果能達到使用要求，反之則為不合格，需重新安裝。

6 施工控制重難點分析

a.主軸承內密封蓋板的拆卸與安裝。拆卸前用兩個螺栓孔在主軸承上找出對應的連接螺栓孔位置，做上標記，拍照留底。安裝前對準標記位置，復核定位銷位置，保證所有螺栓連接孔正確對應；安裝前檢查蓋板表面有無鋒利尖銳棱角，避免劃傷密封，影響密封使用效果[14]。

b.緊固螺栓的質量控制。對于高強度螺栓一定要按照初擰、復擰、終擰步驟進行緊固，初擰和復擰階段的扭矩操作到螺栓所需扭矩的一半，終擰階段按外六角螺栓(M16×60mm) 規定的相關扭矩擰緊，在實施過程中必須按照12.9級高強度螺栓的緊固規范，24h內應完成所有螺栓的終擰工作。

c.刀盤接渣斗拆除及安裝。由于刀盤內部空間狹小，且渣斗體積較大，吊裝空間有限，在渣斗拆除過程中，阻礙較多，考慮到密封更換完成后的恢復問題，拆除時不能隨意切割，故而難度較大，是耗時最長的一道工序[15]。

d.舊鋼帶的切除和新鋼帶的加熱、安裝工作。鋼帶熱裝至鋼帶安裝槽內為一個整體，舊鋼帶在切割時要盡量避免對安裝凹槽的傷害；又因在隧洞內空間有限，切除工作困難，該項工作在拆開后視情況而定，盡量不實行切割工作，采取熔化措施。新鋼帶安裝需加熱至120～140℃，因洞內條件有限，至今沒有很好的加熱方式，擬定使用噴燈進行烘烤，其效率較慢。新鋼帶安裝屬高溫時安裝，在安裝時，安裝人員必須穿戴隔熱服以及隔熱手套，避免造成人員傷害[16]。

7 結 語

受不良地質和惡劣環境的影響，嶺南TBM主軸承內密封出現了磨損現象，會導致大量沖洗水進入軸承內部，水與油脂混合不能對主軸承造成有效潤滑，將對主軸承造成難以預料的損壞，導致TBM設備安全、快速掘進產生諸多故障隱患。

本文針對洞內更換作業空間狹小，分析了主軸承部件內密封的損壞情況及更換的必要性，介紹了內密封更換總體方案及吊裝設計、內密封更換步驟、效果驗證，也對更換過程中控制的重難點進行了分析，成功實現了狹小空間內主軸承內密封的安全、快速更換，確保了嶺南 TBM設備在不良地質環境施工中的高效運行，提高了TBM設備利用率和適應性，減少了故障率和成本支出，也為洞內狹小空間條件下主軸承內密封安全、快速的更換提供了參考實例。