超大直徑盾構機主驅動密封帶壓更換技術

摘要：隨著盾構施工技術的日漸成熟，盾構機作為核心設備被越來越多的投入到地鐵、高鐵隧道施工中。針對濟南黃河隧道施工中，使用的超大直徑復合式泥水平衡盾構機盾構機主驅動密封失效問題，經過現場檢查、制定方案，最后在粉質黏土地層中采用帶壓進倉方式，成功完成了超大直徑盾構機主驅動密封的更換，國內首次實現了自主帶壓進倉更換主驅動密封，具有較為深遠的意義。

關鍵詞：盾構;主驅動密封;帶壓;超大直徑

0" "引言

眾所周知，城市地鐵、隧道的發展近些年來非常迅速，盾構機作為修建城市隧道最常用的設備，其安全性、可靠性、穩定性備受大家的關注，其中主驅動作為盾構機最核心的部件，其密封性能是影響整個盾構機正常工作的最關鍵裝置，所以在施工過程中對主驅動密封的檢測維修非常重要。

隨著盾構機數量的增加，主驅動密封問題時有發生，國內眾多技術人員對其各個方面也進行了深入研究。袁曉亮[1]、張拓[2]對盾構機主驅動密封系統及密封的結構形式進行了研究與分析。孫靈巧[3]、凌波[4]對盾構機主驅動外密封失效的原因進行了分析，并提出了密封失效的處置方法及預防措施。陳亞南[5]提出了盾構機主驅動密封失效的檢測方法，并進行了原因分析。徐長勝[6]對始發井下盾構機主驅動密封系統的維修進行了研究分析。曹向清[7]、王林全[8]等對隧道內常壓情況下，主驅動密封更換技術進行了詳細說明。羅賽楠[9]介紹了MJS工法樁地層加固技術，并分享了常壓進倉修復大直徑盾構機主驅動密封的方法。

以上主驅動密封的研究或修復更換方法，都是基于6～11m級盾構機，且為常壓進倉進行修復。本文研究的盾構機直徑達到了15m級，采用帶壓進倉方式，最終順利完成了主驅動密封更換，在此過程中總結了一些經驗和方法，可為類似盾構作業提供借鑒參考。

1" "工程概況

濟南黃河隧道地處濟南城市中部，北接鵲山片區、濟北次中心，南接中心城區主干道濟濼路。隧道采用城市道路與軌道交通M2線同管共建方案，為超大斷面盾構法隧道，盾構段全長2519.2m，共計1260環。

該隧道采用海瑞克生產的復合式泥水平衡式盾構機施工，開挖直徑15740mm，裝機功率11300kW，最小轉彎半徑750m。盾構機由北向南掘進，覆土深度11.2～42.3m，主要穿越地層為第四系上更新統（Q3），可塑-硬塑狀粉質黏土，局部夾鈣質結核層、砂層，最大坡度為2.8%。

2" "密封失效及修復方案

2.1" "主驅動密封結構形式

主驅動外密封為一個多重密封系統，從外到內共4道唇形密封裝置，其中3道密封唇口向外，一道密封唇口向內，隔出5個腔室，分別為CA腔、FA腔、OA油氣加壓腔、LA泄漏檢測腔、大齒圈腔體，如圖1所示。

其中CA腔室中充滿HBW油脂與開挖倉內的泥漿直接接觸，是隔斷開挖倉的第一道屏障。FA腔室中為EP2潤滑油脂。OA腔內一部分為齒輪油，一部分為氣體，當開挖倉壓力高于CA腔、FA腔設計壓力時，OA腔會自動加壓，為前兩道密封系統提供背壓，以平衡開挖倉的壓力。LA腔是一個空腔，主要作用是檢測前幾道密封性能是否正常，最后為大齒圈腔體。

2.2" "密封失效

盾構機掘進至474環時，技術人員發現LA檢漏腔檢查杯內有泥渣，現場當即停止掘進進行檢查，并通過OA腔管路放出大量泥漿。主驅動密封失效狀況如圖2所示。檢查發現，漏腔出現泥漿或泥渣，表明主驅動外密封前3道已經失效。同時開挖倉內的泥漿及渣土已經透過CA腔、FA腔及OA腔進入到了LA檢漏腔。對此必須停機進行檢查外密封損壞情況，并進行修復。

2.3" "修復方案

盾構機停機位置處于黃河漫灘，地面地勢平坦，四周空曠，埋深約36.5m，主要地層：自上向下依次為①沖填土、②粉質黏土、③黏質粉土、④粉質黏土、⑤粉質黏土、⑥粉質黏土、⑦粉質黏土、⑧鈣質結核、⑨粉質黏土。

推進至停機位置，利用泥水循環帶走開挖倉內松散土體，并降低倉內液位，然后帶壓進倉檢查掌子面情況。若掌子面不夠穩定，則繼續向前推進，直至掌子面滿足帶壓進倉要求。在地面打設觀察井，判斷停機地層含水量，根據含水情況打設降水井進行降水，同時于盾體環形空間注入克泥效封堵。帶壓進倉過程中，倉內檢查人員根據掌子面實際情況，判斷是否需要進行噴射高粘度膨潤土來穩定掌子面。

在密封失效狀態下向前推進，需要準備一套LA腔清洗裝置，來阻止應急推進過程中泥漿進入大齒圈。LA腔共有8個接口LA1-LA8，推進中需要將這8個接口接入工業水。LA腔清洗裝置如圖3所示。利用水壓力封堵進入前兩道密封的泥漿或渣土，同時在大齒圈腔施加背壓，以防止LA腔的工業水進入其中。

3" "帶壓更換主驅動密封技術

密封更換前，通過向前多次推進保壓試驗，帶壓進倉觀察掌子面情況，來確定停機位置。最終推至487環位置時符合要求，開始進倉作業。實際試驗中通過降低地下水位，降低進倉壓力的效果并不理想，出現了多次掌子面坍塌孔洞情況。在理論計算及實際試驗下確定進倉壓力0.42MPa，并輔助噴射高粘度膨潤土來維持掌子面的穩定，確保密封更換安全順利進行。

3.1" "密封拆除

密封拆除流程：排空大齒圈齒輪油→拆除壓環→拆除夾緊環→拆除第1道密封→拆除第1道隔距環→拆除第2道密封→拆除第2道隔距環→拆除第3道密封。圖4為拆除密封的實物圖，從圖4可以看出，密封都有不同程度的磨損、變形或斷裂。

由于作業空間問題，不再拆除第3道隔距環。第3道密封拆除后，用工業水對LA腔各管路進行清洗，然后通過內窺鏡對密封腔室進行目視檢查。利用內卡規測量密封腔安裝高度，確定其尺寸在公差范圍內。然后在耐磨環上密封唇尖接觸區域去蠟樣，檢查耐磨環磨損情況。在以上檢查滿足要求后，開始進行新密封的安裝。

3.2" "密封安裝

密封安裝流程如下：①測量第3道隔距環位置尺寸;②安裝第3道密封;③安裝第2道隔距環及第3、4道密封測試;④安裝第2道密封;⑤安裝第1道隔距環;⑥安裝第1道密封;⑦安裝夾緊環、壓環及FA腔泄漏測試;⑧恢復主驅動性能及相關檢查工作。

在密封安裝過程中，密封長度控制以及接頭處理是最為關鍵的。根據廠家提供的參數可知，盾構機主驅動密封理論長度為22.833m。實際安裝的密封長度必須控制在要求范圍內，更換的3條密封實際長度要長于理論長度，平均為22.905m，密封長度短于理論長度會造成安裝困難，嚴重影響密封性能。

開挖倉內帶壓與常壓相比，溫度低、濕度高，且作業條件差，前兩項環境指標對密封接頭的粘接影響非常大，所以要嚴格控制接頭粘貼的溫度和時間。倉內密封接頭粘貼加溫如圖5所示。接頭粘接完成打磨后狀態如圖6所示。

3.3" "密封失效原因分析

盾構機主驅動密封是盾構機的主驅動的防水保護裝置，系統連鎖復雜，任何一道出現問題都有可能引起密封整體失效。綜合分析認為，造成主驅動密封失效的原因主要是設計有缺陷、安裝不當、密封質量存在問題、操作不當等。根據本文中拆除的密封情況進行分析，可以初步判定是安裝及密封不良引起的主驅動密封失效。

4" "結語

本次帶壓進倉進行超大直徑盾構機主驅動密封更換，在國內盾構施工歷史是第一次，沒有成功案例或經驗可以借鑒，對整個密封更換的施工組織協調提出了非常大的挑戰。進倉壓力高、有效工作時間短、作業空間狹窄等因素，影響了密封更換效率。倉內溫度低、濕度高，對密封接頭粘接穩定性提出了較高要求。密封長度長，要求對接頭粘接后密封周長控制更加精準。此種帶壓密封更換方法要求地層具有一定的穩定性，并輔以掌子面穩定措施。在此過程中總結了一些經驗和方法，可為類似盾構作業提供借鑒參考。

參考文獻

[1] 袁曉亮.盾構主驅動密封形式的對比與分析[J].盾構工程，2020（4）：20-21.

[2] 張拓，穆立燁.盾構機主驅動密封系統研究[J].科技創新導報，2018（25）：19-21.

[3] 孫靈巧.盾構主驅動密封失效的原因及預防措施[J].機械工程師，2012（7）：207-209.

[4] 凌波，李飛.泥水盾構主驅動外圈密封失效處置[J].盾構工程，2012（3）：92-94.

[5] 陳亞南，陳良武，趙磊，等.盾構主驅動密封失效檢測及原因分析[J].隧道建設， 2020，40（S1）： 419-422.

[6] 徐長勝，張軍，許磊.始發井下盾構機主驅動密封系統維修[J].設備管理與維修，2019（11）：179-181.

[7] 曹向清.隧道內常壓處理盾構機主驅動密封及管控要點[J].工程建設與設計，2018（10）：144-145.

[8] 王林全.隧道內盾構機主驅動密封更換技術[J].云南水力發電，2019（35）：103-106.

[9] 羅賽楠.復雜地層中大直徑泥水盾構主驅動密封更換技術[J].上海建設科技，2016（1）：11-13.