某盾构机主轴承外周密封损坏后的应对措施

邢学峰

（中铁三局集团第四工程有限公司，北京 100025）

某盾构机在北京地铁6号线一期工程掘进青年路站一中间风井至199环时，主轴承的外周密封损坏。当掘进时，泥砂不断涌入盾体，掘进无法进行，而此时盾构机所处的位置正好在污水箱涵下方，情况异常危险，必须采取措施对盾构机进行维修，并确保盾构机能恢复正常状态后才能掘进。

1 工程地质及水文地质条件

本标段盾构区间穿越黏质粉土和砂质粉土②层、粉质黏土②-2层、粉细砂③层、圆砾④层、黏质粉土④-1层，地层交错混杂，卵石的粒径一般在200 mm以内；地层中富含地下水，隧道局部地段下部已进入承压水中。这类地层虽然自身具有一定的稳定性，但由于粉细砂层和地下水的存在，开挖后较易发生意外。

根据区域水文地质资料，本标段盾构区间穿越地层主要为料径在30～90 mm之间的卵石层，地下水类型为潜水，局部存在上层滞水，以及承压水。潜水赋存于中下部卵石层中，水位标高11.5～32.0 m，区间隧道底板埋深11.5～20.0 m，已进入潜水至承压水。地下水详细情况如下。

第一，上层滞水，含水层岩性为粉土③层及粉细砂③3层，含水层厚度0.6～3.2 m，水位标高为27.35～29.07 m，水位埋深为5.50～7.53 m。该水层透水性较差，主要接受大气降水及侧向径流补给，以蒸发、侧向径流、向下越流补给的方式排泄。

第二，潜水，含水层岩性为粉细砂④3层及中粗砂④4层，含水层厚度0.5～6.4 m，含水层顶部和底部均为黏性土隔水层，水位标高为19.63～24.87 m，水位埋深为11.20～13.76 m。该水层透水性好，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流方式排泄。

第三，层间潜水，含水层岩性为圆砾卵石⑤层及中粗砂⑤1层，含水层厚度2.3～8.5 m，含水层顶部和底部均为黏性土隔水层，水位标高为16.53～22.14 m，埋深为13.60～16.80 m，局部有弱承压性。含水层主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流和人工开采的方式排泄。

第四，承压水，含水层岩性为粉细砂⑦2层、中粗砂⑦1层及圆砾卵石⑦层，含水层厚度2.00～10.45 m，含水层顶部和底部均为黏性土隔水层，水头标高为9.87～11.39 m，水位埋深为23.17～26.20 m，水头高度0.5～4.2 m。

2 盾构机主轴承外周密封损坏

盾构机在掘进至青年路站—褡裢坡站199环时，作业工人发现从前盾处不断涌出泥砂与泡沫的混合物，经检查发现从盾构前体大齿轮箱处中间的检查口（注：检查口是直通大齿轮箱，正常情况下应该从这里溢出润滑油脂的油泥）及最下面2个排污口排出的泥砂与泡沫的混合物。确认异常后，管理人员下令停机。

3 外周密封损坏的原因分析

盾构机主轴承的内外周密封都是由外侧的4道唇形密封与内侧的3道VD形密封组成，其中唇形密封采用螺栓固定，VD形密封采用混合胶粘在密封槽内。4道唇形密封与3道VD形密封之间组成3个腔，中间用持续不断供给的润滑油脂填充，如图1所示。

当这些密封完好时，腔内的油脂持续不断地供给能形成一定的压力，可以阻止土仓内的泥砂及添加剂的混合物进入密封内。

图1 盾构机主轴承外周密封示意图

当VD形密封由于黏接不牢，刀盘扭腿在转运过程中，VD形密封很容易被拉断，这时注入密封腔内的油脂不能供给前面的唇形密封，只能顺着VD形密封的方向注入到大齿轮箱内。这时由于唇形密封与VD形密封之间没有油脂润滑及形成一定的压力，泥砂很容易从唇形密封处进入，再到大齿轮箱。经过一段时间后，大齿轮箱内的泥砂越积越多，并填满大齿轮箱，最后通过位于3号、4号减速机之间的1个检查口和大齿轮箱最下方的2个排污水口涌入盾体（如图1中的箭头所指方向）。大齿轮箱因进入大量泥砂，驱动的大齿轮及与其啮合的小齿轮急剧磨损，如果大齿轮齿厚磨损到一定程度后，将无法修复。而此时仍有超过1 400 m未掘进，对于施工方来说，这无疑是一场大灾难。

4 制定措施

如果能把土仓内的泥砂挡住，不让泥砂进入大齿轮箱内，大齿轮磨损不严重（驱动电机上传动的小齿轮在作业空间就能进行更换，而大齿轮不能更换），就能顺利掘进完成剩余的隧道。经过施工方、盾构机制造厂家、盾构专家的讨论研究，通过常压开仓的方法，在土仓内扭腿的内外侧各增加2道VD形密封，并且通过注入这2道VD形密封腔油脂形成一定压力，可以防止泥砂的涌入，如图2所示。

图2 防止泥砂涌入控制示意图

5 具体实施步骤

首先，在土仓内增加2道密封，并把大小齿轮箱清理干净。因盾构机此时所处位置的上方正好有污水箱涵斜经过，如果在此位置进行开仓作业，风险将会加大，所以先把盾构推出污水箱涵的位置。这就需要再往前推进64环的距离才能避开，而往前64环的位置能进行素桩及注浆加固，以达到常压开仓的目的。当然，这一段距离的推进，如果不采取措施，仍然会发生从大齿轮箱处的检查孔发生喷涌泥砂的现象。考虑到盾尾油脂密封性好，且流动性差的原因，因此把外周密封注入润滑脂的管改成注入盾尾油脂管，这在一定程度上减少了泥砂的涌入。经过不断注入盾尾油脂，将盾构机推至预先做好加固区的位置，进行开仓作业。土仓内增加的VD形密封通过预先加工好的密封槽固定在扭腿位置的内外侧，内部各用2道VD形密封，并通过改装油脂管往密封腔内注入2道盾尾油脂，通过油脂的压力来防止泥砂的涌入。此时的盾尾油脂注入需要单独增加1台油脂泵专门给土仓内的密封注入油脂，同时考虑到大齿轮箱处齿轮进行啮合时需要油脂进行润滑，又增加1台润滑油脂专门给大齿轮箱注入润滑油脂。因为原有的主轴承外周密封的损坏，涌入不少泥砂进入大齿轮箱及小减速机，所以在增加土仓内的密封工作进程中，应把大齿轮箱清理干净，同时把小减速机拆开清理。

其次，掘进过程中要进行维护。当维修完成后，不断地给土仓内增加的密封注入盾尾油脂，盾尾油脂泵的压力需要一直维持在25～35 MPa之间。掘进时，派专人在大齿轮箱处的观察孔看是否仍有泥砂进入大齿轮箱。在掘进到400多环时，发现仍有少量泥砂涌入，只是比在增加密封以前要少多了。大齿轮箱进入少量的泥砂，如果不清理干净，将会加大对大齿轮的磨损。当磨损到一定程度后，大齿轮将无法正常工作，所以必须再增加其他措施来减少泥砂对大齿轮的磨损。只有通过从大齿轮箱最下面的两个排污口注入干净水，一个口进，另一个口排出，效果明显好转。但同时也增加了掘进班组的工作量，因每一环都需要清理流出到盾尾的泥砂和污水。

当掘进到560多环时，下面两个排污口已不能注入水及排出水，检查发现注入到密封处的盾尾油脂和泥砂的混合物完全把排污口给堵住了，导致掘进暂停，最后想办法把最下面的两个驱动电机及减速机拆开，采用8台驱动电机驱动刀盘。这样露出了两个比较大的孔当作排污孔，方便清理大齿轮，也是原来大小齿轮啮合的位置注入循环水进行清理，当最上面的齿轮上齿面上积有盾尾油脂及泥砂的混合物时，人为进行清理，再不断从最下面两个孔注入循环水。在上面大齿轮箱观察口注入润滑油脂，同时不断给土仓内增加的密封腔内注入盾尾油脂的措施，一直坚持到把剩余的800多环掘进完成。

6 结束语

采用在土仓内增加密封的方法，经过1 200多环的掘进，虽然过程中也曾经出现过其他问题，但是通过给密封仓内注入盾尾油脂，用水清洗大齿轮，不让泥砂黏在大齿轮齿面上。虽然掘进班组增加了一些工作量，但是能有效减少大齿轮的磨损，最终顺利出洞，这起极其罕见的案例给盾构机厂家就主轴承密封安装模式提供了修改意见，可以避免今后发生类似事故。