曹建辉

（中铁三局集团桥隧工程分公司盾构工程段，河北 邯郸 056036）

随着我国城市地下空间迅速发展，盾构法作为地下空间隧道施工的主要工法。以其安全可靠、工效高、工程成本低、绿色环保等优势在国内地下空间开发中应用越来越广泛。随新技术的不断的应用，盾构机对不同地层的适应性有了显著的提高。主轴承是盾构机的最核心部件。驱动力通过主轴承传递到刀盘，使刀盘能有效的切削掌子面。主轴承密封系统是保障主轴承安全的关键因素，当主轴承密封出现故障，将导致外界的碴土进入主驱动箱，破坏主轴承和齿轮副，严重时需开挖竖井吊出主机进行维修，给工程带来巨大的经济损失和不良的社会影响。缪楠 分析了盾构机主轴承密封系统的密封滑道在长期使用后出现的磨损情况，总结出处理滑道磨损的方法。饶波 介绍了盾构刀盘主轴承齿轮在隧道内修复技术。目前，行业内对盾构机主轴承的结构及其密封系统设计，工厂内修复主轴承等方面介绍的较多。针对富水砂卵石地层隧道内盾构机更换主轴承密封介绍较少或不够全面。本文以成都地铁八号线3标九～永区间左线中铁装备CET129盾构机更换内密封为例，对主轴承结构及其密封系统进行介绍，并特别介绍地层处理，主轴承密封及滑环拆解过程、密封系统的静态建压测试，全面介绍隧道内更换主轴承密封的过程。

1 工程概况

成都轨道交通八号线三标包含四个盾构区间：殷家林站～高朋大道站区间、高朋大道站～九兴大道站区间、九兴大道站～永丰站区间、永丰站～芳草街站区间，全长5784.391m。其中九兴大道站～永丰站区间（以下简称九～永区间）盾构机由高朋大道站始发，沿高朋大道掘进至九兴大道站接收。左右线长度各为989.53m。隧道侧穿高朋大道高架桥桩，下穿二环高架桥桩，四川商检局宿舍及圆梦苑住宅楼等建构筑物，下穿管线众多。本区间九～永区间采用中铁装备CET6250复合式土压平衡盾构机。

1.1 工程地质

根据勘探资料显示九～永区间地层自上而下由7个单元层组成：<1-1>杂填土、<2-2>粉质黏土、<2-3>黏质粉土、<2-5-1>松散卵石、<2-5-2>稍密卵石、<2-5-3>中密卵石，<2-5-4>密实卵石。隧道左线主要穿过<2-5-4>密实卵石，灰黄色，饱和，密实，卵石含量大于70%，卵石粒径2～20cm，局部含漂石，磨圆度较好、分选性差，圆砾、中砂充填。卵石单轴极限抗压强度为60～91MPa。地下水为第四系孔隙水，渗透系数大（一般渗透系数为20～25m/d）。成都充沛的降雨量是地下水的重要补给源之一，根据现场降水井测得静水位在3.2m。本次盾构停机刀盘顶部距离地面23.93m。

1.2 周边环境

盾构机因主轴承密封油脂压力高，位于科园一路与高朋大道交叉口停机（刀盘中心ZK31+554.142），隧道左侧与高架桥桥桩边线3.5m。根据现场调查情况，有一根DN1200污水管道位于隧道正上方，呈南北走向，埋深7.8m。多束军用光缆及通讯线位于隧道右侧线距0.8m，呈南北走向，埋深0.5m。一束直径50mm通讯线横跨盾构机，位于盾构机前盾正上方埋深0.3m。一根DN700雨水管道横跨隧道，距刀盘前方13.4m，埋深5.7m。一排16孔电力管道位于隧道右侧5m，呈南北走向埋深1m。

2 主轴承结构与密封系统

2019年3月8日至10日，九～永区间左线盾构在掘进第190环时掘进参数正常。上部土压0.16～0.18MPa，刀盘扭矩3500KN·m～4500KN·m，推力1400t～1600t左右，掘进速度35～45mm/min。但盾构机内密封EP2压力迅速上升达到1MPa以上。在第190环至197环掘进中，内密封EP2压力一直保持在1MPa以上高压状态。盾构司机停止掘进作业，机管和维修人员对盾构机进行故障排查。图1所示。

主轴承是盾构机驱动刀盘转动的核心部件，其安全可靠的运转是盾构机掘进的重要保障。盾构机的主轴承为三排圆柱滚子组合轴承。

2.1 主轴承结构

盾构机主轴承结构由4部分组成：滚子、保持架、内圈和外圈（见图2）。

主轴承滚子有3种类型：主推力滚子、径向滚子和反推力滚子。其中主推力滚子主要承受刀盘切削的推进力和刀盘自重产生的倾覆力矩；径向滚子承受径向力；反推力滚子承受倾覆力矩和反推力。在盾构机主轴承的受力中，承受最大的是轴向力，倾覆力矩相对较小。

图1 盾构掘进参数显示图

图2 盾构主驱动示意图

内圈为大齿圈，其中刀盘和刀盘连接体靠高强度螺栓连接为一体，刀盘连接体和大齿圈靠内拉拔螺栓连接为整体，主驱动液压马达通过三级行星减速箱驱动小齿轮转动，小齿轮和大齿圈啮合，进而带动刀盘旋转。

外圈为双半套圈组合结构，由内六角螺栓连接成为整体。其中外圈前半套圈为反推力滚子的滚道，外圈后半套圈为径向滚子和主推力滚子的 滚道。

2.2 主轴承密封系统

主轴承密封系统包括外密封系统和内密封系统。

中铁装备盾构机主轴承内密封系统由一道迷宫密封和二道唇形密封构成，如图3所示。密封之间采用密封隔环隔开，密封之间的空腔则注入润滑脂。迷宫密封使用的HBW密封油脂由林肯油脂泵将HBW油脂输送到主驱动外侧环区的4个注脂点；第一道唇形密封和第二道唇形密封之间是EP2油脂腔，油脂通过多点泵输送到环区的6个注脂点；第二道唇形密封与第三道唇形密封之间是是泄漏检测腔，环区的观察口。

3 故障排查及处理方案

2019年3月10日上午，左线121#盾构机正在掘进197环，在掘进到接近1200mm时，发现内密封EP2及HBW压力均已达到1.3Mpa。盾构司机停止掘进作业，机管和维修人员对盾构机进行故障 排查。

3.1 排查主轴承HBW油路情况：

按主轴承HBW系统原理图逐一排查各部件的工作状况。HBW林肯泵、HBW内封分配阀工作正常，脉冲计数传感器及压力传感器计数正常。外密封管路QH1～OH8畅通，内密封密封管路OM1～OM4畅通。

3.2 排查主轴承EP2润滑油路情况

按主轴承EP2系统原理图逐一排查各部件的工作状况。EP2林肯泵、多点泵工作正常，从多点泵至外密封前腔的8根（OZ1～OZ8）管路及内密封前腔的6根（OP1～0P6）管路畅通，EP2润滑油流出速度均匀一致；

3.3 排查主轴齿轮油路情况

齿轮油泵，齿轮油分配器及高压油过虑器工作正常；齿轮油脉冲计数器、温度传感器工作正常；齿轮油箱液位正常，齿轮油光谱分析正常各元素均未超标。初步判断主轴承没有未污染及损伤。

打开EP2内密封压力监测腔时，起初有EP2渗出，待EP2渗出4cm左右之后，发现EP2内掺杂有HBW，随后慢慢渗出的全部为HBW，初步判断内密封第一道已开始泄露，HBW已反向通过密封进入黄油腔。根据以上检查情况，初步判断HBW及EP2内密封失效，须开仓进行检查HBW及EP2内密封情况。

3.4 处理方案及应急准备

根据盾构停机位置的地质情况、周边建筑及地下管线情况。参照成都地区施工经验，选择素砼隔离柱+地层降水的方案。本方案在刀盘前1m处打3根隔离桩，隔离桩深度为刀盘下3m，混凝土浇筑长度为刀盘上5m，下3m，共计14m。在刀盘两侧各施作2口降水井，共计4口降水井。降水井距离刀盘位置2～6m左右，降水井深度均为40m，降水半径满足左线开仓作业降水需求。降水井管直径均为300mm，采用22KW的水泵。

（1）首先用惰性浆液将土仓内部填满，在不出土的情况下盾构机掘进10～30cm，将掌子面地层挤密实，掘进完成后往土仓内部加入膨润土，保证土仓内全部填充。

（2）盾体周围注入膨润土，保证开仓作业完成后，盾体不会因为长时间停机而“裹死”。

（3）用4mm厚钢板对刀盘开口部分进行封开口，确保土仓内人员的作业安全。

（4）地面准备1台250KW发电机组，确保地面及隧道照明和水泵的应急电源。

（5）隧道内准备4台7.5KW水泵，2台24h排隧道内的积水，2台水泵准用；土仓内安装2台3.5KW水泵，及时排出土仓内的积水，1台备用，确保土仓内的积水在内密封以下。

4 开仓更换内密封

2019年3月30日，盾构机开仓作业，发现刀盘中心区域严重结泥饼，须用气稿清除中心区域泥饼及碴土。3月31日～4月1日，拆解3道内密封及隔环，检查内密封磨损情况。拆解时发现内密封没有断裂，密封无翻转等情况。内密封滑环磨损严重，第一道密封处磨出一道4mm×2mm的沟槽，严重影响密封效果。4月2日～4月3日，调整内密封滑环、安装内密封和隔环。4月4日，内密封气密性实验。4月6日，盾构机恢复掘进。图3所示。

图3 土仓中心区域结泥饼

4.1 调整滑环及更换密封标准

当密封滑环磨损深度超过0.5mm，需要调整滑环。调整前，需先测量滑环磨损的宽度，从而判断需要调整的距离，轴向外移距离应该比磨损宽度大3mm，确保唇口彻底移出磨损范围。

4.2 调整密封滑环更换内密封

在拆卸内密封前，提前联准备好密封等配件。土仓内更换内密封过程中保证清洁，以保证更换完密封的使用效果。图4、图5所示。内密封更换的具体步骤如下：

（1）根据主驱动密封装配图，使用内六角扳手先拆除内密封压环螺栓及第一道内密封。

（2）在工艺孔上安装吊环，使用吊环将密封隔环拉出；使用专用工具取出第二道密封；

（3）重复上一步工作，拆除第三道密封；

（4）使用干净碎布和清洗剂清理内密封安装腔，保证干净无杂质；

图4 土仓内拆卸内密封压板

图5 内密封滑环磨损

（5）使用清洗剂、碎布、细砂纸将隔环清洗干净；使用内径卡规检查密封腔室尺寸情况。

（6）使用内密封滑环固定螺栓，在顶丝孔位置顶动滑环，使滑环整体朝刀盘方向移动5mm。调整过程须同时在圆周方向上均布不少于6个点的 顶动。

（7）调整过程须反复进行测量和调整。调整完成以后，用较原顶丝孔螺栓及内密封滑环安装螺栓各长5mm的螺栓代替原螺栓回装。

（8）将干净齿轮油涂抹在内密封滑环上，依次安装最里一道密封、密封隔环、中间密封、隔环、外侧密封。

安装时注意密封唇口的朝向，将密封塞进密封腔内，记录密封安装的深度。在直径周围先固定6个距离大约相等的位置，使用尼龙棒，将密封完全塞入这6个位置，然后逐步将密封其他部分塞进密封腔内。密封塞入完全后观察密封是否翻转，如果有翻转，慢慢地绕着圆周方向“赶动”密封，直到密封姿态正确；

4.3 主轴承内密封气密性实验

（1）内HBW密封腔试压：使用G3/4堵头堵住OM0-4中的接口，留1个接口安装补芯、空气插头减压阀组并接到空压机。调整减压阀输出压力为0.1MPa保压30min，如压降范围在0.1MPa以内并记录数据。

（2）内EP2密封腔试压：使用G3/4堵头堵住OP0-6中的接口，留1个接口安装补芯、空气插头减压阀组，并接到空压机。调整减压阀输出压力为1MPa保压30min，如压降范围在0.1MPa以内并记录数据。

（3）内密封安装完成后，启动润滑系统对内密封进行油脂加注，直至油脂从压板间隙溢出且溢出均匀。空转（正反转）刀盘，使密封和滑环密切贴合。对密封腔做注油压力检测，合格则进行下一步工作，不合格则进行分析查找原因，直至注油检测合格。图6所示。

图6 内密封气密性实验

通过开仓更换主轴承内密封作业，分析此次内密封压力高的原因。盾构司机没有很好的掌掘富水砂卵石地层碴土改良工作，刀盘中心区域结泥饼。泥饼堵塞了HBW油脂向土仓内流动的通道，在HBW油脂泵不断加压时，HBW油脂反向流向EP2油脂腔和泄漏油腔，从而盾构机检测到HBW油脂和EP2油脂压力高。盾构机内密封更换后，盾构机内密封监测压力正常。于2019年6月20日，九～永区间顺利贯通。

5 结束语

盾构机是盾构法施工的“核心”设备，主轴承是盾构机的关键部件，主轴承密封系统是其有效运行的保障。若主轴承润滑系统出现问题，会直接影响盾构施工掘进。盾构掘进过程中主轴承密封和齿轮油系统的监测，维保工作非常重要，有利于将初期阶段故障的及时处理。规范注入HBW油脂和Ep2油脂是确保盾构机主轴承密封正常运行有着密不可分的关系，应避免盾构机主轴承密封系统发生问题。富水砂卵石地层碴土改良不好是发生主轴承密封系统压力高的直接原因。详细阐述了故障发生，富水砂卵石地层加固方案及隧道内更换内密封的全过程。详细描述了密封的更换作业步骤，密封安装完成后，内密封气密性实验是安封工作是否成功的唯一检测手段。本次成功更换盾构机内密封，对今后隧道内更换主轴承密封提供了有益的借鉴和参考。