浅谈盾构机加装土砂密封设计

浅谈盾构机加装土砂密封设计

梁兆临

中传检测（广州）科技有限公司， 广东广州， 511400

摘要：本文介绍了盾构机主驱动在土舱部位加装隔离泥砂水与驱动内部轴承的土砂动密封装置，该装置包括土砂密封、密封压板、跑道环、冷却水道及相关附件，本文重点介绍其设计与实施的过程，为配置土砂密封设置的盾构机改造提供参考依据。

关键词：盾构机; 加装; 主驱动; 土砂密封

一、前言

盾构机作为隧道暗挖施工的重要设备之一，近二十年被广泛应用，特别在地铁项目、地下综合管廊项目、排污、送水等等，而盾体机的主要动力执行部件-主驱动是盾构机的最重要部件，其主要作用是支承刀盘以及提供刀盘开挖转动扭矩及转动速度。在盾构机掘进过程中，主驱动最前部位与开挖土体的刀盘一起在盾体外直接与泥砂水接触，因此为了保护主驱动内部主轴承、齿轮、减速机等等，需要主驱动密封进行隔离，但如果主驱动密封磨损或失效，渣土和泥水会进入主驱动的齿轮腔造成齿轮、主轴承磨损，甚至使整个主驱动装置损坏，主驱动一旦损坏，可能会给整个工程带来不可估计的灾难性损失。因此，盾构机的主驱动需做双重或多重密封装置作为必要的防护。

本文介绍的加装土砂动密封装置就是某些机型原有密封基础上增加多一重密封，提高主驱动保险系数，降低盾构机是地下作业风险。

二、盾构主驱动密封失效的原因分析

主驱动密封一般是由两道或多道唇形密封（密封圈）组成。防止主轴承和轴承密封圈受到外界的渣土，泥水的侵入，影响密封效应及盾构机运行。因为盾构密封是隔绝外界泥水的两大防线，是盾构安全施工的根本。

　1.盾构主驱动密封的主要失效形式。主要有一下几种形式：（1）橡胶过早老化和唇口的过度磨损；（2）当主驱动在运行过程中温度提升到60℃时，密封容易产生粘接强度下降而开胶现象；（3）密封背部压力丧失，在前端土压力作用下导致泥沙进入其中，是密封产生严重磨损，导致失效。其中第（1）种形式是主驱动唇形密封失效的主要形式，一旦出现这种情况下，只能采用调整外密封环的位置或更换新的唇形密封来保证密封效果。
　　2.密封失效的原因分析。引起主驱动密封失效的因素较多，可能发生在从主驱动设计、制造至使用维护期间的任何阶段，其中主要原因总结如下：（1）土砂进入油脂密封通道的间隙过大。因为盾构主驱动的密封环件尺寸较大，加上环件刚度较小，受力易产生变形，所以设计中一般将压紧环与密封环处的间隙设计为3~5mm，这样就使土砂很容易进入密封前端，在地层的水土压力及密封旋转产生的螺旋传动作用下进入主驱动箱体，进而损坏主轴承及齿轮。（2）唇形密封安装质量不合格。目前盾构主驱动唇形密封主要用耐油耐水高强度耐磨丁腈橡胶、带夹布和聚氨酯的三种材料制作。密封件的结构设计保证密封唇口有很好的跟随性，保持与旋转轴有最佳的接触角度；在保证密封效果的同时减小密封件的动接触面积，在最大程度上降低摩擦发热和密封唇口磨损，使之能用于压力工况。（3）密封油脂注入量不足。盾构在主驱动运转时，其密封系统的油脂泵要同时工作，确保润滑油脂能及时进入油脂腔润滑密封。

三、某盾构机主驱动的结构和特点

某盾构机设备主驱动的内外主密封形式为：迷宫型密封钢环+两道轴向唇形密封组成（见下图1），防止主轴承和轴承密封圈受到外界的渣土，泥水的侵入，影响密封效应及盾构机运行。结合粘稠度大的HBW油脂注入挤排的方式，由于迷宫型密封钢环本身间隙大，原则上只是防止大砂石进入第一道唇形密封，但当防不了的细沙、泥浆水进入密封腔里，真正起压力密封作用的唇形密封就很容易磨损失效，这样这种设计需要大量HBW油脂起挤排作业将异物排出才能更好保护唇形密封，而整环密封腔的HBW是由油脂分配器对设置各点位进行注入供给，分配器的结构形式，对HBW质量要求高，尤其是其所含纤维尺寸，否则极易堵塞分配器。因此成本很高，也因注入量及均匀性很难保证而影响密封效果。

迷宫型钢密封

唇形密封

图1.主驱动的结构图

三、设计思路及改进办法

针对以上设计形式的主驱动密封形式，该主驱动的密封结构需要填充防水油脂（HBW）才能起到基本密封的作用，在实际施工时很难保证其操作性（密封性、均匀性、连续性、充满性等）；从而产生土仓的泥土进入主驱动的主密封的现象，如果这一现象没有得到改善，以后就有可能泥土经过主密封进入主轴承，造成主轴承损坏，后果非常严重；同时HBW防水油脂价格比较贵，造成生产成本高，所以施工方提出对盾构机这一部位进行改造。

考虑到现在主驱动密封整体结构已定型，更换新驱动不符合再制造工艺要求及经济效益性，目前只能从技术上在原来的基础上加强其密封性即可，因此结合唇形密封结构形式以及驱动空间位置，采取在外内侧密封各增加一道土砂密封初步设计方案，主要考虑到土砂密封旋转作业的状态需要减轻磨损、增强密封性及降低摩擦产生热量。

首先对土砂密封设计为多唇密封形式，确保多层保护，增强密封性，材料选择为聚氨脂，有一定硬度初步选择HB90~95，确保其耐磨性。其次设计密封跑道环，由于密封硬度增加其耐磨性也能相应提高，但旋转过程会产生及较大热量，时间长了会过热而损坏密封性，因此考虑在唇形接触的密封跑道环工作面与密封唇的摩擦产生的热量，这样密封不能直接跟盾体或主动壳体接触，因此设计带水槽耐磨环，密封跑道环底部为水槽，另外考虑磨损更换性，耐磨环设计采用螺栓安装，方便密封跑道环在磨损量大时则拆下更换。最后密封磨损后也要可更换，因此设计为有密封压板,结构见图2密封压板结构示意图，采用螺栓拧紧形式，根据需要更换密封。

图2.密封压板

根据HBW油脂使用情况选用合适的油脂分配器，改变设备对高质量HBW油脂选择的单一性，结合新增加唇形密封后不需要纤维性黑油脂（HBW）的强制性挤排作用，因此改用EP2黄油脂，其流动性好，润滑性好，价格相对便宜，减低施工耗材成本。

四、方案实施：

1. 订制加工密封压板（见图2），材料为Q345b，截面为L形，通过螺栓能将唇形密封压紧。

2. 订制土砂密封

土砂密封一般选用多唇形密封圈，唇形密封圈依靠其张开的唇边贴于密封副耦合面，无内压时，仅仅因唇尖的变形而产生很小的接触压力。在密封受内压后，唇部受到周向压缩，唇口与密封面接触变宽，同时接触压力增大。当内压在升高时，接触压力的分布和大小进一步改变，密封性能更好。从密封性来考虑，唇形密封唇数越多密封性也好，也有保证，但因在原有空间增加密封安装，其位置限制唇形数量，最终内、外土砂密封均选用三唇密封，考虑到耐磨及压密性，材料为聚醚聚氨脂PU，材料硬度Shore A90º±3º，拉伸强度≥40Mpa,扯断伸长率≥400％，耐温性：-30ºC～80ºC。安装好的土砂密封结构实物见下图3；

土砂密封压板

土砂密封

图3.土砂密封安装实物图

3. 订制加工内、外密封跑道环（见下图4），材料为Q345b，为截面为136*30环状部件，密封跑道环底部设有水槽，水槽大小根据主轴承转速密封摩擦产生热量需要冷却水散热决定，并加工沉头螺栓孔用螺栓安装便于更换及清理，安装后利用加装的循环冷却水，为唇形密封工作摩擦时产生的热量降温，达到确保唇形密封使用性能。

图4.内、外密封跑道环

4. 在牛腿内、外侧焊接密封安装座（见下图5），以牛腿原安装加工面为基准，并通过机床加工土沙密封的安装面。加工平面度＜0.1mm，与牛腿安装面平行度＜0.1mm。加工压板安装螺栓孔，达到安装土沙密封和压板尺寸要求。

密封安装座

图5.牛腿加工后实物图

5. 因注入孔在设计土砂位置需移走，前盾上的土砂密封对应位置由于原来是非加工面不平整，需加工保证整个平面都能加工到（如下图6）。以主驱动牛腿安装面为基准前盾加工平面，加工平面度＜0.1mm，平行度＜0.1mm，并加工密封跑道环的安装螺栓及密封槽，获得密封跑道环安装位置及要求；

冷却环

图5.前盾加工后实物图

6. 在盾体上开孔接通密封跑道环及冷却水系统；

7. 对密封水腔进行压力试验，保证冷却水密封性。试压压力3Bar，时间30min,要求压力没有降低。

8. 根据HBW油脂使用情况选用合适的油脂分配器，改变设备对高质量HBW油脂选择的单一性，改用EP2黄油脂，减低施工耗材成本； 在调试时将黄油脂的流量调节为在密封唇边略有溢出即可。完成安装的示意图如下图6。

图6.加装土砂密封效果图

五、改造效果

通过上述的方式改造，在新地铁项目进行掘进使用，对比黑油脂HBW用量以及黄油EP2的用量，已经设备返厂维修时轴向密封磨损情况，使用时效果应该说非常理想，油脂减少，成本降低，密封保护增强，得到了客户的高度赞同；此后，以上述的方式对另一种品牌结构不同的两台盾构机进行成功改造。另外，其它施工单位也用这种思路自行对盾构机改造，同时效果理想。

六、结束语

主驱动作为盾构机的核心部件，对盾构机功能的发挥起着至关重要的作用，决定着盾构机掘进的工作的质量和效率；并且在隧道掘进中主驱动置于土体当中，一旦出现问题如果地层不稳定在盾构机内部是无法维修，这样只能在地面采用开挖竖井进行处理，那样耗时成本高，为了保证主驱动的安全使用，因此，加装了土砂密封，能将土仓的土砂进行有效的阻挡，从而保护好主驱动的主密封，免受泥水的污染，减少主驱动的维周期，提高盾构机的利用率。

参考文献

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