盾構螺旋機驅動密封故障處理與維修

劉思迅

（中鐵隧道集團機電工程有限公司，河南洛陽 471009）

0 引言

盾構螺旋輸送機在隧道掘進工程盾構施工時，應充分考慮地質條件，盾構機的使用強度，設備自身的配置、性能等，因為這些方面決定螺旋輸送機葉片的磨損程度。刀具碎片和楔形塊被吸進螺旋葉片外緣，盾構機螺旋驅動簡體內部，可能卡死螺桿，造成螺旋機嚴重磨損，增大葉片與簡體內徑之間的間隙，降低出土效率等，可能進一步導致螺桿焊接處斷開，唇形密封損壞等。目前，有關盾構螺旋輸送機損壞維修方面的研究成果較多，但是對螺旋輸送機驅動密封故障及處理的研究較少[1]。

1 工程概況

某隧道工程項目所在區域地質地貌受到地臺階升高和高原流水等的侵蝕，存在顯著的下切作用，沖蝕而成的V 形溝壑發育趨勢緩慢，呈縱橫分布和破碎態勢。地層從新至老地層巖性依次為：第四層系主要為全新集合風貌積（Q3eol）砂土質黏性土以及新集沖紅積累（Q2al+pl）細粒圓粒徑砂土，白堊地層系之下則（K1l）集漯河組分砂巖。該隧道項目位于山西、甘肅、寧夏凹印陜斜坡區位，呈現出西高東低地勢，無大型褶皺和斷層，地質構造簡單。

該隧道全線長48.71 km，其中盾構試驗段工程區間線路長16.52 km。出口坡度30°左右，基巖地質完整性良好，巖石天然抗壓強度（8～45）MPa，根據已有的隧道工程地質條件研究成果，基巖整體性越好，基巖對隧道盾構螺旋機等所使用的刀具的磨損程度越嚴重，盾構設備的防扭處理等方面的要求也就越高。

2 盾構螺旋輸送機工作原理及驅動密封故障

2.1 工作原理

隧道盾構出渣主要通過周邊起驅動作用的軸式螺旋輸送機完成，功率200 kW 螺旋輸送機最大值154 kN·m，平均轉速15 r/min。螺旋輸送機周圍的孔主要用于油脂注入，降低盾構機殼、螺桿和沙土間的摩擦及對葉片的磨損。見圖1。

圖1 盾構螺旋輸送機工作原理

2.2 螺旋機驅動密封失效分析

2.2.1 螺旋機設計不合理

由于隧道盾構螺旋輸送機長時期處于不良作業環境，一前一后雙組銅制套筒滑動軸承替換滾動軸承并不適用，滑動軸承承受徑向力較大，要求螺旋軸和滑動軸承之間必須留有一定間隙，并保證潤滑油脂的足量性。但本次隧道工程盾構施工過程中，螺旋機軸承處于懸臂狀態[2]，滑動軸承承受部分徑向力的同時，還承受一定彎矩。

2.2.2 螺旋機螺桿偏移或滑動

螺旋輸送機螺桿位置發生變化，首先會增加其與周邊組件的摩擦，加劇密封銅套磨損，進而齒輪上的油脂會不斷出現滴漏，本隧道工程盾構螺旋機掘進地層主要為砂巖，螺旋機本身材料構造等導致葉片磨損較為嚴重，難以借助隧道掘進中產出的渣土完成螺旋軸的浮動處理，螺機桿偏移進一步加劇的話，唇形的銅套密封也將進一步增大其縫隙，齒輪油脂流失速率增大，泥漿涌入減速箱后損壞密封。

螺旋輸送機作業過程中銅套及其他配件磨損程度增大，間隙也隨之增大，輸送機安裝角為21.5°，出渣的同時渣土向螺桿施加反力，在結構自重和振動等共同作用下，螺桿發生滑動，大齒圈逐漸向箱體靠攏，進而導致箱體局部磨損，螺桿驅動端的固定作用逐漸減弱，難以發揮浮動支撐作用，增加螺旋機作業過程中的振動。

2.2.3 連接盾構機筒體面損壞

螺旋機葉片的磨損將加速機器連接筒體面的進一步磨損，消除驅動密封裝置結構以上筒體和筒面連接構件的間隔，更有甚者，隨后壓死筒體，在盾構隧螺旋機出渣的具體環節，連接面磨損程度將始終不斷間隔模式加劇。這種情況下，螺旋機筒體連接面將發揮密封作用，本隧道工程盾構螺旋機驅動密封筒體設計厚度15 mm，磨損后邊緣位置厚度僅5 mm，泥漿不斷涌入唇形密封圈和減速箱內，齒輪油損耗程度及軸套磨損程度加劇。各筒體連接面間隙均比設計值大，即便更換新的密封裝置后仍難以達到預期效果。

2.2.4 油脂注入量不足

在隧道盾構螺旋輸送機驅動密封銅套以內按照設計速率倒入油脂，從而使其在各中發揮著潤滑和填充密封腔等作用，本隧道工程盾構輸送機前后密封腔共8 個油脂注入孔，油脂的注入與分配主要通過遞進式分配閥完成，注入量≤0.4 l/h。當盾構掘進始終顯示出一種保壓狀態時，滑動軸承上面所顯示出的注脂設計壓力將快速下降，螺旋機機腔內的壓力值逐漸上升直至超過油脂注入時刻的壓力值，加快泥漿入滲，引發唇形密封銅套唇口出現難逆磨損。

3 盾構螺旋機驅動密封故障處理與維修措施

3.1 更換螺旋機驅動唇形密封

減速箱內進入泥沙太多將損傷箱體內的齒輪、軸套等部件，為此，必須更換螺旋機驅動唇形密封。先拆卸掉螺旋機驅動部分和后閘門之間的連接螺栓，待螺旋機完全伸出后其唇形密封將全部露出，進行拆卸，并徹底清理密封腔內的油污、泥沙后更換新的密封裝置與鋼環。更換結束后再次收回螺旋機，對接安裝驅動段和后閘門段的螺栓并擰緊。后部密封拆卸更換完畢后，隨即更換前部密封，用工字鋼將螺旋機驅動部分焊接于設備橋，用手拉葫蘆將其固定于頂部管片螺栓，之后拆卸驅動段和全部筒體段的連接螺栓，待螺旋機伸出、前部唇形密封完全露出后清理密封腔，更換密封裝置，最后收回螺旋機，安裝連接螺栓并擰緊。

3.2 螺旋機葉片修復

該隧道工程盾構螺旋機葉片初始厚度275 mm，螺旋機葉片磨損程度從取土端開始向驅動端逐漸遞減，通過土倉及螺旋機筒體的觀察孔進行隧洞內葉片磨損程度的觀察，并進行HARDOX-500 耐磨鋼板的分段焊接實現對葉片的補焊與修復。葉片補焊修復過程中，必須確保焊接后葉片的平整性與圓弧度，防止局部不平整導致其運轉中與筒體摩擦和卡機等情況的發生。在葉片耐磨版處設置焊接坡口，確保焊接質量，同時嚴格按照測量結果進行耐磨版厚度的設置。補焊結束后，徹底清理盾構螺旋機內部的雜物，掘進恢復后徹底檢查螺旋輸送機運行狀況，尤其要注意是否存在異聲和較大的振動。

3.3 調整油脂注入量

正確連接原來的EP2 油脂管路，同時布置連接HBW 密封油脂管理和馬達配置器。在盾構螺旋機原唇形密封位置增設4個HBW 油脂注入孔，注入孔的間距從油脂泵管路到馬達分配器之間平均分配，以增加螺旋機驅動的密封程度，徹底杜絕外部泥漿涌入引發密封故障。

4 結語

隧道盾構施工過程中一旦發生螺旋輸送機驅動密封故障，必將影響隧道掘進施工進度，如果在隧道內進行螺旋機葉片補焊和修復，施工效率將受到影響。因此，隧道盾構掘進的同時，必須密切關注地質條件的變化，加強對螺旋輸送機運行情況和磨損程度的監控，及時調整掘進參數，避免因螺旋輸送機密封故障而造成整機癱瘓所引發的系列損失。本隧道工程施工經驗表明，驅動密封故障的恰當處理對于盾構螺旋機恢復正常有積極作用，既能提升盾構螺旋機掘進效率，又能延長盾構機的使用壽命。