鄢海金
北京市政建设集团有限责任公司北京市100000
摘要：盾构机是集机械、电气、液压于一体的大型隧道挖掘设备，主要由刀盘、盾体、拼装机、螺旋机、设备桥、台车等部件组成。而主驱动是盾构机的核心组成部分，主驱动的好坏直接决定着盾构机能否一次性完成隧道的掘进；主驱动安装在盾体的前端与盾体前端壳体及土仓隔板共同组成土仓，它由主轴承、轴承箱、刀盘体、隔板环、四指密封、VD密封、齿轮油循环系统、黄油润滑系统、电机等组成，盾构机通过主驱动使刀盘进行旋转，刀盘在旋转的过程中进行土体的切削及渣土的改良。因此，盾构机在使用过程中主驱动的润滑保护是保证盾构机进行正常掘进的重点，其中对主驱动密封的润滑保护更是重中之重。
关键词：盾构机，主驱动，主驱动密封，黄油润滑系统
引言
近年来，随着我国城镇化的不断推进，越来越多的人口向城市聚集，使得城市的基础设施建设迎来了爆发式的发展。党的十八大以来，党中央对城市的发展提出了新的思路，要求城市的扩张不能无限制的占用土地，要增强城市的宜居性、优化城市空间布局、加强市政基础设施建设、保护历史文化遗产。在这样的社会背景下，使城市地铁隧道、热力隧道、电力隧道等市政基础设施的建设得到了跨越式的发展，而盾构机正是建设隧道市政基础设施的主要设备。在利用盾构机进行地下隧道的建设时，盾构机必须一次性完成隧道的挖掘工作，中途不可出现盾构机无法继续工作的故障；由于主驱动是决定盾构机能否一次性完成隧道挖掘工作的关键，因此研究盾构机主驱动在工作时的正确维护方法及其故障的排查方法和解决方案有很重要的借鉴、指导作用。本论文以北京地铁16号线18标工程木～达区间盾构法施工出现的主驱动漏油事件为例，详细的介绍了主驱动漏油事件产生的原因、事件排查方法、事件的解决方案，希望对今后类似事件有一定的借鉴及指导作用。
一、工程概况
北京地铁16号线18标工程木樨地站～木达区间右线盾构接收井（不含）隧道自木樨地站南端（K8+571.592）出发，依次穿越木樨地立交桥桩基、永定河引水渠，沿规划三里河南延路向南铺设，经过莲花池东路、地下直径线、京九铁路到达木达区间盾构接收井北端（K9+937.300）。区间线长1363.052m（1137环）、区间纵坡为一字坡，最大坡度为3.880‰，区间主要穿越地层为强风化砾岩及强风化泥岩，区间采用盾构法施工。
工程采用φ6560土压平衡盾构机，开挖直径φ6590，刀盘扭矩7531KN· M（α=29.3），总推力48000KN,最大推速80mm/min。
二、盾构机主驱动在隧道掘进中的重要作用
由于城市土地资源的紧缺和占地成本的提高，在城市建成区进行盾构隧道的挖掘中，如果盾构机不能一次性完成隧道的挖掘,盾构机主驱动能否正常运转是决定盾构机能否一次性完成隧道挖掘工作的关键。盾构机在进行隧道挖掘时对主驱动进行正确的维护，可以提高盾构机一次性完成隧道掘进工作的概率，避免盾构机无法一次性完成隧道掘进，造成施工成本、资金成本和时间成本剧增情况的出现。
三、盾构机主驱动的故障分析和解决方法
在盾构机的各组成构件中主驱动是最核心、最重要的部件。主驱动由主轴承、轴承箱、刀盘体、隔板环、四指密封、VD密封、齿轮油循环系统、黄油润滑系统、电机等组成，其中黄油润滑系统主要给四指密封进行润滑，通过给四指密封润滑来降低密封的磨损，提高密封使用寿命，同时黄油润滑系统还起着阻止土仓渣土进入主驱动的作用。主驱动的组成见图3-1。
.png)
3.1盾构机主驱动的工作原理
主驱动工作原理：电气控制系统控制主驱动尾部的电机进行旋转，电机的旋转运动通过减速机传递到小齿轮上，小齿轮通过与主轴承大齿圈的啮合将旋转运动传递给主轴承，主轴承再通过与大齿圈连接固定在一起的刀盘体，将旋转运动传递给刀盘（刀盘通过法兰面与刀盘体进行螺栓连接），刀盘的旋转运动使安装在辐条上的刀具切削土体，切削下来的土体跌落汇集在土仓中并通过螺旋机进行排泄。盾构机主驱动安装部位图见3-2。
.png)
3.1.1盾构机主轴承安装部位及润滑方式
主轴承安装在轴承箱中，主轴承箱内加注有220#的闭式齿轮油800L，部分主轴承浸没在齿轮油中进行润滑，主轴承在运行过程中未浸没在齿轮油中的部分，利用齿轮油循环系统把轴承箱下部的齿轮油输送到轴承箱的上部对主轴承进行淋浴式润滑降温。齿轮油循环系统即为主轴承进行润滑，同时也间接为主轴承进行降温。对主轴承进行正确的润滑是保证主驱动正常运转、提高主驱动使用寿命的前提。
3.1.2盾构机主驱动密封安装部位及润滑方式
盾构机主驱动一共有6道密封，其中4道为聚氨酯材料制成的四指密封，2道为VD密封，密封的抗压强度为1MPa。主驱动密封安装在刀盘体内外周上，内外周分别安装3道密封，用于密封刀盘体外周与轴承箱之间及刀盘体内周与隔板环之间的间隙，四指密封和VD密封都为唇形密封，唇口朝向掘进侧。刀盘体在主轴承的驱动下带动刀盘做旋转运动，刀盘体内、外周密封在刀盘体旋转的过程中会与轴承箱及隔板环之间形成很大的摩擦力，在这种情况下如果不对密封进行润滑，四指密封及VD密封很容易被损坏，更甚者密封会在轴承箱及隔板环光滑的金属壁上磨出沟槽，使主驱动轴承箱与土仓相通，使轴承箱里的齿轮油渗入土仓或者土仓里的渣土及水、泡沫等进入轴承箱损坏主轴承或者两种情况兼尔有之。因此，在刀盘体旋转时需要及时的对其内外周密封进行润滑，降低密封的磨损，提高密封的使用寿命。
主驱动密封使用黄油润滑系统对密封处直接加注黄油进行润滑，黄油除了对密封进行润滑外，还起到阻挡土仓渣土及水、泡沫等进入主轴承箱的作用。
3.2盾构机主驱动使用过程中的故障排查及解决方案
北京地铁16号线18标工程木达区间右线隧道掘进时遇到了下述现象。
木达区间右线隧道盾构机掘进至1020环时，盾构机操作室上位机报警界面显示主驱动齿轮油低液位报警且无法进行报警复位，报警发生后盾构司机立即向盾构机维保人员报告了这种情况。维保人员接到报告后立即对主驱动齿轮油低液位报警故障展开了排查，首先查看了主驱动物理液位计，发现物理液位计显示的齿轮油液面低于维保手册要求的最低液位（维保手册是盾构机制造厂编制的，其中标注的关乎盾构机使用安全的技术要点都在PLC中与相关系统做了连锁，齿轮油低液位报警在PLC中与刀盘旋转做了连锁）；如果报警在5分钟内不及时消除，PLC内部连锁启动禁止刀盘工作，由于主驱动齿轮油箱在主驱动安装完成后属于全封闭的箱体，理论上齿轮油箱中加注的齿轮油不存在消耗减少的情况，现实确是齿轮油液位计显示的数值与盾构机始发前主驱动加注齿轮油后显示的液位计数值存在差值。基于这种情况维保人员怀疑主驱动齿轮箱存在漏油点，随后维保人员对主驱动安装部位进行了仔细的检查，未发现主驱动齿轮箱存在渗漏点，为了快速消除报警避免PLC连锁启动禁止刀盘旋转影响掘进，维保人员请示领导并与盾构机制造厂技术人员沟通后向主驱动齿轮箱加注了200L齿轮油，报警经复位后消除，盾构机实现了正常运转。
盾构机主驱动经过一段时间的运转后，在隧道掘进至1065环时盾构机操作室上位机报警界面又显示齿轮油液位低报警，维保人员接到报告后再次对主驱动部位进行了细致的检查，未发现主驱动齿轮箱存在渗漏点。伴随这次齿轮油液位低报警一起出现的还有内、外周密封压力高，导致整个黄油润滑系统不能正常工作，如果黄油供脂异常报警不能及时消除，5分钟后黄油泵就会停止进而引起PLC内部连锁启动，禁止刀盘旋转；维保人员针对黄油系统出现的报警对黄油润滑系统故障进行了细致的排查，发现黄油润滑系统为主驱动刀盘体内、外周密封处加注润滑脂的分配阀多处显示跳闸，找出故障产生的原因后，维保人员首先在黄油润滑系统的点检口处给系统泄压，然后再把分配阀上的复位指示器按下，使整个黄油润滑系统恢复了正常。维保人员经请示领导并与盾构机制造厂技术人员沟通后又向主驱动齿轮箱加注了200L齿轮油，报警经复位后消除，盾构机实现了正常运转。
盾构机在掘进至1090环和1105环时都出现了齿轮油液位低警报，维保人员对主驱动部位进行了细致的检查，都未发现主驱动齿轮箱存在渗漏点。维保人员经请示领导并与盾构机制造厂技术人员沟通后又向主驱动齿轮油箱加注200L齿轮油，报警经复位后消除，盾构机实现了正常运转。通过对1020～1105环向主驱动加注的齿轮油量及每次加注齿轮油后可以保证推进的环数进行统计分析，发现主驱动漏油速率正在加剧，这就要求维保人员需要尽快找出造成主驱动漏油的原因并采取补救措施，避免主驱动出现无法运行的情况。齿轮油加注量统计分析图见3-3。
.png)
自从1065环后盾构机除了出现齿轮油液位低报警外，基本上每推进3环都会出现内、外周密封压力高报警引起黄油润滑系统停止工作的情况。为了进一步验证猜想，维保人员调取了从1000～1105环的掘进参数及地质资料，并分别从10个驱动电机减速箱及主驱动轴承箱进行齿轮油取样检查，发现从1000～1105环盾构机的推力始终处于30000KN以上（最大推力48000KN），刀盘扭矩4000KNM以上（最大7531KNM），土仓土压为0.15～0.22MPa,地层处于全断面泥岩及砾岩地层中且上软下硬，主驱动在这种地层中工作极易造成密封偏磨，使金属壁磨出沟槽，并且主驱动内部压强为大气压（约0.1MPa），主驱动与土仓之间存在压差，这样也为土仓渣土进入密封提供了动力；从10个电机减速箱及主驱动轴承箱中放出的齿轮油发现，主驱动齿轮油稍微有些发黑且粘度比较低（正常齿轮油显示微黄色），2～5号驱动电机减速箱内的齿轮油发黑、发臭且几乎没有粘度（减速机过热容易引起这种现象），这些情况侧面证实了主驱动出现了偏受力及偏磨现象。通过齿轮油取样检查及对盾构机推进参数和地质情况的综合分析，验证了主驱动密封出现了划痕或密封将刀盘体与轴承箱及隔板环接合处金属壁磨出沟槽情况的真实存在。
如果主驱动密封出现划痕或者刀盘体上的密封将刀盘体与轴承箱及隔板环接合处金属壁磨出沟槽的情况不及时采取补救措施，会造成土仓里的渣土进入主驱动损坏主轴承，使主轴承轴套破碎不能继续运转，导致刀盘出现无法切削土体的情况。如果出现这种情况，只能采用以下方案继续进行隧道的挖掘，一种是在盾构机停止的地方再次做一个竖井，将盾构机吊出进行维修调试，在盾构机维修调试好后进行二次始发；另一种做法是将盾构机进行洞内解体后，剩余隧道进行矿山法施工，不论采用上述那种方案都会造成施工成本的剧增且在行业里造成巨大的名誉损失。
鉴于上述情况，维保人经过与盾构机制造厂技术人员及土木工程师沟通并查阅相关技术资料后，制定主驱动的维修方案，方案如下：
第一步：鉴于盾构机包裹在全断面泥岩及砾岩中，这种地层土体的自立性很强，短时间排空土仓渣土不会形成地面塌陷，首先让盾构司机排空土仓渣土，使土仓压力不高于0.1MPa。
第二步：给主驱动接上气管进行加压，加压至0.9MPa。
第三步：利用给主驱动密封加注黄油的高压管路作为通道，给密封唇口部位输送高压力的液压油进行清洗，液压油压力控制在0.5MPa（压力油控制在0.5MPa，可以与主驱动形成一个0.4MPa的压差，在冲洗密封时避免把渣土冲入主驱动承箱内），这样做一方面可以疏通被渣土堵塞的黄油口，另一方面可以把填满密封唇口的渣土给冲洗入土仓。
第四步：给主驱动及驱动电机减速机更换齿轮油。
第五步：改造黄油润滑系统，加大主驱动密封处的黄油加注量及使用高粘度的黄油，使靠近土仓一侧的密封黄油加注压力比靠近主轴承侧的密封黄油加注压力低0.2MPa，且密封处加注黄油的压力整体高于盾构机掘进时的土仓压力。
第六步：盾构机掘进时给盾体加注径向减阻，并加大刀盘处的泡沫加注量，尽量降低推力及刀盘扭矩。
第七步：进行欠压掘进，进一步降低刀盘扭矩，通过降低刀盘的扭矩减轻主驱动密封的偏磨。
制定好维修方案报请领导批准后，维保人员对主驱动进行了维修并且成功的解决了主驱动漏油现象。
四、结论
随着城市地下空间的不断开发利用，盾构机在城市地下隧道的挖掘中将会占据主导地位。在盾构机进行隧道挖掘的过程中，对主驱动及其密封进行正确的维护，延长主驱动及其密封的使用寿命，避免主驱动出现无法运转的故障，使盾构隧道一次性掘进完成是最经济、最省时、最安全的做法。
同时对盾构机主驱动的构造、工作原理、润滑方式及已发生的主驱动故障的排查方法、解决方案进行深入的研究，对盾构机维保人员具有重要的借鉴和指导意义；这些方面的研究可以帮助盾构机维保人员在遇到主驱动故障时，能够迅速的找到主驱动产生故障的原因，进而制定维修方案，确保盾构机不会因为主驱动不能工作导致隧道无法继续挖掘的现象出现。
五、参考文献
[1]张迪海.土压平衡盾构机的驱动部件安装[J].上海建设科技。2011（12）。
[2] 马鹤. 盾构机主驱动密封维修改造关键技术的思考，2018.03。