某盾構(gòu)機(jī)主軸承外周密封損壞后的應(yīng)對措施

邢學(xué)峰

（中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 100025）

某盾構(gòu)機(jī)在北京地鐵6號線一期工程掘進(jìn)青年路站一中間風(fēng)井至199環(huán)時，主軸承的外周密封損壞。當(dāng)掘進(jìn)時，泥砂不斷涌入盾體，掘進(jìn)無法進(jìn)行，而此時盾構(gòu)機(jī)所處的位置正好在污水箱涵下方，情況異常危險，必須采取措施對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行維修，并確保盾構(gòu)機(jī)能恢復(fù)正常狀態(tài)后才能掘進(jìn)。

1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

本標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間穿越黏質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土②層、粉質(zhì)黏土②-2層、粉細(xì)砂③層、圓礫④層、黏質(zhì)粉土④-1層，地層交錯混雜，卵石的粒徑一般在200 mm以內(nèi)；地層中富含地下水，隧道局部地段下部已進(jìn)入承壓水中。這類地層雖然自身具有一定的穩(wěn)定性，但由于粉細(xì)砂層和地下水的存在，開挖后較易發(fā)生意外。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，本標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間穿越地層主要為料徑在30～90 mm之間的卵石層，地下水類型為潛水，局部存在上層滯水，以及承壓水。潛水賦存于中下部卵石層中，水位標(biāo)高11.5～32.0 m，區(qū)間隧道底板埋深11.5～20.0 m，已進(jìn)入潛水至承壓水。地下水詳細(xì)情況如下。

第一，上層滯水，含水層巖性為粉土③層及粉細(xì)砂③3層，含水層厚度0.6～3.2 m，水位標(biāo)高為27.35～29.07 m，水位埋深為5.50～7.53 m。該水層透水性較差，主要接受大氣降水及側(cè)向徑流補(bǔ)給，以蒸發(fā)、側(cè)向徑流、向下越流補(bǔ)給的方式排泄。

第二，潛水，含水層巖性為粉細(xì)砂④3層及中粗砂④4層，含水層厚度0.5～6.4 m，含水層頂部和底部均為黏性土隔水層，水位標(biāo)高為19.63～24.87 m，水位埋深為11.20～13.76 m。該水層透水性好，主要接受側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流方式排泄。

第三，層間潛水，含水層巖性為圓礫卵石⑤層及中粗砂⑤1層，含水層厚度2.3～8.5 m，含水層頂部和底部均為黏性土隔水層，水位標(biāo)高為16.53～22.14 m，埋深為13.60～16.80 m，局部有弱承壓性。含水層主要接受側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流和人工開采的方式排泄。

第四，承壓水，含水層巖性為粉細(xì)砂⑦2層、中粗砂⑦1層及圓礫卵石⑦層，含水層厚度2.00～10.45 m，含水層頂部和底部均為黏性土隔水層，水頭標(biāo)高為9.87～11.39 m，水位埋深為23.17～26.20 m，水頭高度0.5～4.2 m。

2 盾構(gòu)機(jī)主軸承外周密封損壞

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)至青年路站—褡褳坡站199環(huán)時，作業(yè)工人發(fā)現(xiàn)從前盾處不斷涌出泥砂與泡沫的混合物，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)從盾構(gòu)前體大齒輪箱處中間的檢查口（注：檢查口是直通大齒輪箱，正常情況下應(yīng)該從這里溢出潤滑油脂的油泥）及最下面2個排污口排出的泥砂與泡沫的混合物。確認(rèn)異常后，管理人員下令停機(jī)。

3 外周密封損壞的原因分析

盾構(gòu)機(jī)主軸承的內(nèi)外周密封都是由外側(cè)的4道唇形密封與內(nèi)側(cè)的3道VD形密封組成，其中唇形密封采用螺栓固定，VD形密封采用混合膠粘在密封槽內(nèi)。4道唇形密封與3道VD形密封之間組成3個腔，中間用持續(xù)不斷供給的潤滑油脂填充，如圖1所示。

當(dāng)這些密封完好時，腔內(nèi)的油脂持續(xù)不斷地供給能形成一定的壓力，可以阻止土倉內(nèi)的泥砂及添加劑的混合物進(jìn)入密封內(nèi)。

圖1 盾構(gòu)機(jī)主軸承外周密封示意圖

當(dāng)VD形密封由于黏接不牢，刀盤扭腿在轉(zhuǎn)運過程中，VD形密封很容易被拉斷，這時注入密封腔內(nèi)的油脂不能供給前面的唇形密封，只能順著VD形密封的方向注入到大齒輪箱內(nèi)。這時由于唇形密封與VD形密封之間沒有油脂潤滑及形成一定的壓力，泥砂很容易從唇形密封處進(jìn)入，再到大齒輪箱。經(jīng)過一段時間后，大齒輪箱內(nèi)的泥砂越積越多，并填滿大齒輪箱，最后通過位于3號、4號減速機(jī)之間的1個檢查口和大齒輪箱最下方的2個排污水口涌入盾體（如圖1中的箭頭所指方向）。大齒輪箱因進(jìn)入大量泥砂，驅(qū)動的大齒輪及與其嚙合的小齒輪急劇磨損，如果大齒輪齒厚磨損到一定程度后，將無法修復(fù)。而此時仍有超過1 400 m未掘進(jìn)，對于施工方來說，這無疑是一場大災(zāi)難。

4 制定措施

如果能把土倉內(nèi)的泥砂擋住，不讓泥砂進(jìn)入大齒輪箱內(nèi)，大齒輪磨損不嚴(yán)重（驅(qū)動電機(jī)上傳動的小齒輪在作業(yè)空間就能進(jìn)行更換，而大齒輪不能更換），就能順利掘進(jìn)完成剩余的隧道。經(jīng)過施工方、盾構(gòu)機(jī)制造廠家、盾構(gòu)專家的討論研究，通過常壓開倉的方法，在土倉內(nèi)扭腿的內(nèi)外側(cè)各增加2道VD形密封，并且通過注入這2道VD形密封腔油脂形成一定壓力，可以防止泥砂的涌入，如圖2所示。

圖2 防止泥砂涌入控制示意圖

5 具體實施步驟

首先，在土倉內(nèi)增加2道密封，并把大小齒輪箱清理干凈。因盾構(gòu)機(jī)此時所處位置的上方正好有污水箱涵斜經(jīng)過，如果在此位置進(jìn)行開倉作業(yè)，風(fēng)險將會加大，所以先把盾構(gòu)推出污水箱涵的位置。這就需要再往前推進(jìn)64環(huán)的距離才能避開，而往前64環(huán)的位置能進(jìn)行素樁及注漿加固，以達(dá)到常壓開倉的目的。當(dāng)然，這一段距離的推進(jìn)，如果不采取措施，仍然會發(fā)生從大齒輪箱處的檢查孔發(fā)生噴涌泥砂的現(xiàn)象。考慮到盾尾油脂密封性好，且流動性差的原因，因此把外周密封注入潤滑脂的管改成注入盾尾油脂管，這在一定程度上減少了泥砂的涌入。經(jīng)過不斷注入盾尾油脂，將盾構(gòu)機(jī)推至預(yù)先做好加固區(qū)的位置，進(jìn)行開倉作業(yè)。土倉內(nèi)增加的VD形密封通過預(yù)先加工好的密封槽固定在扭腿位置的內(nèi)外側(cè)，內(nèi)部各用2道VD形密封，并通過改裝油脂管往密封腔內(nèi)注入2道盾尾油脂，通過油脂的壓力來防止泥砂的涌入。此時的盾尾油脂注入需要單獨增加1臺油脂泵專門給土倉內(nèi)的密封注入油脂，同時考慮到大齒輪箱處齒輪進(jìn)行嚙合時需要油脂進(jìn)行潤滑，又增加1臺潤滑油脂專門給大齒輪箱注入潤滑油脂。因為原有的主軸承外周密封的損壞，涌入不少泥砂進(jìn)入大齒輪箱及小減速機(jī)，所以在增加土倉內(nèi)的密封工作進(jìn)程中，應(yīng)把大齒輪箱清理干凈，同時把小減速機(jī)拆開清理。

其次，掘進(jìn)過程中要進(jìn)行維護(hù)。當(dāng)維修完成后，不斷地給土倉內(nèi)增加的密封注入盾尾油脂，盾尾油脂泵的壓力需要一直維持在25～35 MPa之間。掘進(jìn)時，派專人在大齒輪箱處的觀察孔看是否仍有泥砂進(jìn)入大齒輪箱。在掘進(jìn)到400多環(huán)時，發(fā)現(xiàn)仍有少量泥砂涌入，只是比在增加密封以前要少多了。大齒輪箱進(jìn)入少量的泥砂，如果不清理干凈，將會加大對大齒輪的磨損。當(dāng)磨損到一定程度后，大齒輪將無法正常工作，所以必須再增加其他措施來減少泥砂對大齒輪的磨損。只有通過從大齒輪箱最下面的兩個排污口注入干凈水，一個口進(jìn)，另一個口排出，效果明顯好轉(zhuǎn)。但同時也增加了掘進(jìn)班組的工作量，因每一環(huán)都需要清理流出到盾尾的泥砂和污水。

當(dāng)掘進(jìn)到560多環(huán)時，下面兩個排污口已不能注入水及排出水，檢查發(fā)現(xiàn)注入到密封處的盾尾油脂和泥砂的混合物完全把排污口給堵住了，導(dǎo)致掘進(jìn)暫停，最后想辦法把最下面的兩個驅(qū)動電機(jī)及減速機(jī)拆開，采用8臺驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動刀盤。這樣露出了兩個比較大的孔當(dāng)作排污孔，方便清理大齒輪，也是原來大小齒輪嚙合的位置注入循環(huán)水進(jìn)行清理，當(dāng)最上面的齒輪上齒面上積有盾尾油脂及泥砂的混合物時，人為進(jìn)行清理，再不斷從最下面兩個孔注入循環(huán)水。在上面大齒輪箱觀察口注入潤滑油脂，同時不斷給土倉內(nèi)增加的密封腔內(nèi)注入盾尾油脂的措施，一直堅持到把剩余的800多環(huán)掘進(jìn)完成。

6 結(jié)束語

采用在土倉內(nèi)增加密封的方法，經(jīng)過1 200多環(huán)的掘進(jìn)，雖然過程中也曾經(jīng)出現(xiàn)過其他問題，但是通過給密封倉內(nèi)注入盾尾油脂，用水清洗大齒輪，不讓泥砂黏在大齒輪齒面上。雖然掘進(jìn)班組增加了一些工作量，但是能有效減少大齒輪的磨損，最終順利出洞，這起極其罕見的案例給盾構(gòu)機(jī)廠家就主軸承密封安裝模式提供了修改意見，可以避免今后發(fā)生類似事故。