不良地層敞開式TBM主驅動密封隧道內(nèi)更換技術

劉華

（中國鐵建重工集團股份有限公司，長沙 410100）

0 引言

全斷面隧道掘進機是一種集機、電、光、液于一體的大型高端隧道施工裝備，隧道施工過程中能夠同時完成開挖、支護、出渣、導向等工廠化作業(yè)，廣泛應用于鐵路隧道、公路隧道等大型工程建設[1-2]。主驅動密封是掘進機主軸承與外界環(huán)境之間的重要屏障，施工過程中若發(fā)生損壞，將會導致齒輪油外泄，塵渣、異物、水等進入主軸承，直接威脅到主軸承壽命[3-4]。敞開式TBM施工過程中常常經(jīng)過破碎地層，遭遇涌水、涌沙狀況，極易導致主驅動密封損壞，同時TBM具有長距離掘進特點，如不及時對損壞密封進行處理將給后期施工帶來巨大風險，因此不良地層下主驅動密封隧道內(nèi)更換存在迫切需求[5]。

有鑒于此，針對某引水隧道工程敞開式TBM主驅動密封不良地層下?lián)p壞的突發(fā)狀況，面對涌水、涌沙、斷裂破碎帶惡劣地質條件對刀盤拆卸及刀盤復位的苛刻要求，通過充分開展注漿止水、地層加固工作，并制定針對性方案對刀盤進行牢固固定，順利完成主驅動密封的更換，更換過程有條不紊，極大壓縮了作業(yè)工期，更換后密封工作狀態(tài)良好，解決了不良地層下主驅動密封不易更換的難題。

1 工程概況及故障情況

本案例中TBM承擔某引水隧道工程掘進任務，掘進過程中多次出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，并伴隨掌子面出現(xiàn)碎石、塌方情況。隨后出現(xiàn)齒輪油回油濾芯報警，多次更換濾芯并清洗濾芯桶和濾芯后，仍然出現(xiàn)報警現(xiàn)象，同時回油濾芯存在粉塵。通過以上報警信息判斷，主驅動密封可能失效。

2 故障排查及原因分析

針對以上故障，對主驅動各部件（主軸承、大齒圈、小齒輪）、內(nèi)外密封系統(tǒng)、齒輪油潤滑系統(tǒng)、油脂潤滑系統(tǒng)進行全面檢查，部分故障排查過程如圖1所示。排查過程中發(fā)現(xiàn)外密封泄漏腔堵塞，腔內(nèi)存有EP2、齒輪油及粉塵，驅動箱內(nèi)齒輪油雜質含量較少，雜質軟、石英含量低，齒輪油磁性過濾器無鐵、銅雜質，主軸承、大齒圈及小齒輪狀態(tài)良好。對外密封進行保壓試驗后發(fā)現(xiàn)，外密封泄漏腔漏氣嚴重，判斷3道外密封均磨損失效。根據(jù)前期施工過程，分析外密封失效原因主要為多次涌水攜帶泥沙進入密封腔，對外密封進行長期浸泡，并與其長時間摩擦所致。

圖1 故障排查

3 主驅動密封更換

3.1 拆卸刀盤

3.1.1 準備工作

針對涌水、涌沙、地質破碎地層難以滿足穩(wěn)固固定刀盤的問題，首先通過超前鉆孔、注堵水材料進行止水、止沙，然后通過在圍巖較好區(qū)域進行注漿對破碎地層加固處理，最后在盾體后方鉆孔、錨桿，注錨固劑，通過錨桿拉拔實驗確定錨桿是否具有完全固定刀盤的能力。結果顯示，錨桿拉拔力滿足要求，破碎地層加固處理效果明顯，滿足刀盤拆裝要求。于是設備開始停機并準備進行刀盤固定和拆卸工作，刀盤旋轉定位使鏟刀關于中心對稱。然后主機后退200 mm，拆卸刀盤外圓邊刀、中心刀及所有鏟刀。因接渣斗與刀盤兩處刀箱存在封閉區(qū)域，考慮后期無法轉動刀盤，提前拆卸兩處刀箱螺柱。刀盤內(nèi)清理虛渣，再次將刀盤頂緊掌子面，鏟刀的左上、左下、右上、右下位置噴漆確定錨桿鉆孔位置，刀盤后退1.8 m，清理刀盤內(nèi)、刀盤面板及掌子面區(qū)域虛渣，搭設平臺鉆孔，虛渣清理及作業(yè)平臺搭建過程如圖2所示。

圖2 虛渣清理及作業(yè)平臺搭建

3.1.2 主機狀態(tài)調(diào)整

調(diào)整轉矩油缸使刀盤中心抬頭，將刀盤旋轉至預定位置后，啟動推進油缸，將刀盤面板頂至掌子面。刀盤向前頂進過程中，密切關注推力，同時關注刀盤位置是否有異響。將刀盤面板頂至掌子面后推力為12 000 kN時停止掘進，并拆掉刀盤鑰匙，防止刀盤再次發(fā)生轉動。記錄此時刀盤姿態(tài)。

3.1.3 刀盤固定

針對不良地層下更換密封過程中刀盤存在的移動、下沉及傾倒風險，采用墊楔塊、鋼板方式對刀盤進行預固定，并通過錨桿安裝的方式對刀盤進行牢固固定，確保密封更換完成后刀盤能夠順利地對接安裝至主機上。

3.1.3.1 墊楔塊及鋼板

通過清理刀盤底部及內(nèi)部虛渣，在刀盤錐板位置墊4處楔塊，轉動刀盤將楔塊從鏟刀口放置于刀盤正下方往左右各15°與30°的鏟刀附近，其中側面楔塊使用鋼筋插入巖壁定位，然后刀盤回正。楔塊角度按刀盤錐板角度30°制作，表面尺寸為640 mm×200 mm。楔塊與刀盤間隙通過墊尺寸為640 mm×200 mm且不同厚度的鋼板填補，同時使用千斤頂將楔塊整體推進頂緊刀盤錐板面，楔塊與鋼板及鋼板與刀盤焊接固定。刀盤外圓非耐磨板位置墊3處尺寸為200 mm×120 mm×30 mm的鋼板，分別位于刀盤正下方與左下、右下鏟刀附近。墊楔塊及鋼板的過程如圖3所示。

圖3 墊楔塊及鋼板

3.1.3.2 安裝固定錨桿

完成楔塊及鋼板對刀盤的預固定后，進行錨桿安裝固定刀盤。對刀盤左上、右上、右下與左下4處位置安裝錨桿并注入充足的錨固劑。因刀盤結構原因，錨桿不能與刀盤直接焊接，故刀盤上需焊接筋板與封板，筋板支撐封板，封板按照錨桿伸出位置對應割孔，錨桿突出封板150 mm，再將錨桿折彎于封板上焊接，并通過在封板上焊接橫筋來增強封板強度，完成錨桿固定，錨桿安裝固定示意圖如圖4所示。

圖4 錨桿安裝及固定

3.1.3.3 拆卸刀盤螺柱

錨桿焊接固定后，確定刀盤支撐牢固的情況下，對單個刀箱的M48連接螺柱進行松懈，松懈后的螺柱再使用50%的拉拔力預緊，按照此方式將16個刀箱的螺柱對稱松懈并進行預緊，以消除可能存在的內(nèi)應力，防止機體與刀盤分離時產(chǎn)生突發(fā)的位移現(xiàn)象。標記3處刀盤法蘭與主驅動法蘭止口位置，同時測量止口間隙尺寸以便于后期復位刀盤參考。然后對每個刀箱的螺柱對稱松懈，松懈后的螺母退出一扣。16個刀箱的螺柱對稱松懈后，再確定每個刀箱的螺柱是否可正常擰松，確認可正常擰松后逐個刀箱拆卸螺柱，并對螺柱進行清洗涂油防護。

圖5 松懈螺柱

3.1.4 后退主機脫離刀盤

刀盤螺柱拆卸后，檢查錨桿固定狀態(tài)及刀盤穩(wěn)定性，均未發(fā)現(xiàn)異常。刀盤脫離前安排專人觀察后配套水管、電纜等有無干涉及觀察護盾后方有無干涉異常。同時刀盤與主控室使用對講機隨時操控，記錄主控室屏顯主機狀態(tài)數(shù)據(jù)，后退主機1.5 m，完成刀盤拆卸。

3.2 更換密封

完成刀盤拆卸后，進行主驅動外密封的更換，并注意在更換密封過程中始終做好防護，減少粉塵污染。在護盾上方尋找合適位置焊接吊耳、在隧道上方尋找合適位置設置吊耳。在刀盤和主驅動之間架立工作平臺。清理外密封擋塵板、外壓緊環(huán)、外密封迷宮環(huán)表面污物。在主驅動法蘭上方左右兩邊連接2根M48長螺桿，用以存放外密封環(huán)件。

完成準備工作后，依次拆卸外密封擋塵板、外密封迷宮環(huán)、外壓緊環(huán)、第一道外密封、第一外隔離環(huán)、第二道外密封、第二外隔離環(huán)、第三道外密封及外密封環(huán)。對外環(huán)件、法蘭進行打磨、清洗。清理外密封腔及外密封油脂孔，此時可將外密封油脂管拆除并進行管路清洗。更換法蘭與外密封環(huán)配合面之間的密封條，密封條表面涂抹少量320齒輪油。安裝外密封環(huán)，使用調(diào)整墊片或調(diào)整螺釘將外密封環(huán)向掘進方向調(diào)整10 mm，并安裝好連接螺釘。使用齒輪油槍在外密封腔內(nèi)壁上涂抹少量齒輪油，然后依次安裝第三道外密封、第二外隔離環(huán)、第二道外密封、第一外隔離環(huán)及第一道外密封。最后將外壓緊環(huán)、外密封迷宮環(huán)和外密封擋塵板安裝到位，至此完成密封更換。

3.3 復位刀盤

完成外密封的更換后，即可重新安裝刀盤。清理恢復所有輔助工具及工裝，將主機調(diào)整為拆卸刀盤最終狀態(tài)后向前推進，將主驅動銷子孔與刀盤上的銷對準。通過主機區(qū)域的撐靴油缸、轉矩油缸及左右側護盾來對主驅動左右調(diào)向，通過主機區(qū)域的轉矩油缸和后支腿油缸對主驅動進行上下調(diào)向，對上銷孔后繼續(xù)整機前進，將刀盤與主驅動結合面貼緊，安裝刀盤與主驅動的連接螺柱，裝好螺栓帽。最后清洗主驅動變速箱及齒輪油潤滑系統(tǒng)，并恢復油脂潤滑系統(tǒng)。完成主驅動外密封更換所有工作。

4 結語

針對某引水隧道工程敞開式TBM主驅動密封不良地層下?lián)p壞的突發(fā)狀況，結合豐富的施工經(jīng)驗，進行了充分的故障排查及原因分析。面對復雜地質條件下主驅動密封的更換難題，通過注漿止水、地層加固改善地層條件，并結合多種方式對刀盤進行牢固固定，順利完成主驅動密封的更換。更換后的主驅動密封工作狀態(tài)良好，對全斷面隧道掘進機主驅動密封不良地層下更換提供重要的指導。