1、前言
城市地铁建设中, 盾构机大显身手, 发挥了巨大的作用, 作为盾构机核心部件主轴承起着支承盾构刀盘并使之回转破岩的作用, 由于盾构施工工艺的不可退的特殊性, 如果主轴承部件发生故障, 需要临时施做竖井将主轴承部分吊到地面才能进行修复, 周期长、费用高、影响大, 对项目工期和企业信誉造成很大影响。因此对在在长距离硬岩极端条件下掘进, 主轴承系统的管理以及维护保养直接影响着项目管理的成败。国内外因管理或维护保养不当发生很多盾构机主驱动故障的案例, 教训深刻, 例如:美国西雅图隧道伙伴公司 (STP) 2013年始发掘进西雅图SR99公路隧道后不久, 由于主轴承与密封出现故障而不得不停机, 利用两年多时间, 开挖抢修井, 更换主轴承部件与维修使得工程的工期延迟了800余天。1998年广州地铁1号线公元前-烈士陵园盾构区间发生主轴承严重损伤事例, 轴承密封损坏失效, 造成盾构机主轴承系统故障, 幸好离终点还有20米, 最后通过简易整修, 勉强到达终点。本文通过长距离硬岩复杂条件下的盾构机主轴承科学的管理措施与维护保养方法进行论述, 对盾构机复杂条件下管理有很大借鉴意义。
2、工程实例描述
广州地铁13号线文园~庙头站区间, 选用海瑞克S465/466盾构机, 其为液压驱动, 其主驱动主要结构包括主轴承、主驱动箱、密封、液压马达、减速机等部件。其他部件发生故障都可在现场采取可操作性方案解决, 而主轴承一旦失效必须吊到地面进行维修, 因此本文主要介绍主轴承的针对性管理及维护保养, 通过科学管理始终使盾构主驱动系统处于良好状态, 顺利圆满完成了施工任务。
2.1 工程项目及地质条件
广州地铁13号线文园~庙头站区间 (DK43+078-DK45+228) 全长2150米, 根据地质勘察结果及补勘确认, 隧道断面地质左右线各有709m为全断面中微风化混合花岗岩 (8Z、9Z) , 天然极限抗压强度在80~175MPa, 由于特殊原因矿山法施工受到限制, 采用盾构法施工。下图为该区间175MPa地段DK43+560至DK787段岩层和取芯图。
2.2 主驱动的主要风险
在硬岩掘进中, 我们对常规的容易卡壳, 掉刀、崩刀圈、刀具刀盘磨损严重、速度慢工期不可控等风险认识很清楚。但对因主轴承温度过高、润滑不到位、密封失效, 最终导致滚柱铬层剥落失圆变形、齿圈断裂等主驱动异常损坏风险认识不足, 敏感性不强。一旦出现问题, 损失和后果是致命的, 甚至比前者的后果还严重, 需要特别注意。
3、长距离硬岩掘进中主驱动管理措施
根据项目地质的艰难性, 加强人员培训教育, 使每个维保人员、盾构司机、主要管理人员掌握主驱动结构原理, 并认识到其极端的重要性及可能的严重后果, 在基本管理基础上采取针对性的措施以克服困难, 参数不得调整, 达到红线必须上报, 制定违例淘汰机制, 取得了非常好的效果。
3.1 选用合理参数降低负荷
在全断面硬岩地层段, 盾构施工通过几组参数的实验, 最终确定为:掘进速度控制在5~15mm之间, 刀盘转速1.8~2.0转/min, 推力700t~1200t, 主驱动刀盘工作压力80~120bar, 扭矩0.8~1.5MNm, 采取小推力, 中转速, 小扭矩原则, 减少了主驱动过载、偏载、冲击、振动, 防止造成轴承及辅助系统的不正常疲劳磨损而破坏。
3.2 严格温度红线原则
在全断面硬岩地层中, 盾构机在持续的长时间的大负荷作业, 采取注入泡沫剂进行改良掌子面, 润滑并降低刀盘的扭矩, 减小主驱动负荷, 进而降低掌子面和主驱动温度, 渣土温度控制在50度, 齿轮油温度、驱动马达泄漏油温度、油箱温度控制在52度, 必须树立红线意识, 监测温度, 发生异常立即停机并查找原因, 否则容易发生温水煮青蛙的后果。项目采取多方面措施, 改善盾构主驱动及作业环境温度, 隧道内每个台车增加轴流风机向外排风, 降低作业空间温度, 齿轮油系统增加串联1台齿轮油散热器提高散热效率, 采用水头对8个驱动马达液压部分持续性淋水降温, 对井口外水循环水池增加一台冷却水塔保证进水快速降温并保持在30度以下。
3.3 严控油脂注入标准
密封系统第3道密封 (土仓方向) 以外注入HBW密封油脂, HBW密封油脂分配器出来4路, 油脂压力在5bar, 频次为每分钟6次, 每路注入量10cm3/min;第3和2道密封之间注入EP2润滑油脂, EP2润滑油多点泵通过递进式分配器单点压力要达到5bar, 保证每个油脂分配器出来6路油脂均匀达到填充润滑效果, 每路注入量为130cm3/h, 必须按标准 (如图1) 要求做好。内密封处油压较小且外部无压力, 需保持清洁人工润滑到位。四路注入点, 每路每天注入量为5-10cm3。如果油脂供应不足或脉冲次数不够, 坚决停机待料, 不能冒险作业, 不能给外界岩粉无阻挡进入润滑系统提供机会, 留下隐患。
3.4 尝试气压辅助模式掘进
HBW密封油脂设计为4个点注入, 在刀盘转动时, 在自由状态填充孔道, 尝试气压辅助模式掘进, 同时有利于对主轴承外部HBW密封油脂腔形成反压, 使密封油脂可以很好的填充整个腔道, 保证密封的效果, 在硬岩掘进下, 为减低负荷习惯于采用常开模式掘进, 同时还可以减少喷涌, 保证同步注浆质量, 在埋深17m情况下, 建立0.8~1.0bar气压进行掘进, 取得比较好的效果。
4、主轴承系统维护保养措施
刀盘主轴承主要由3排滚柱轴承构成, 分别承受径向和轴向荷载。一般情况下主轴承运行里程超过5km或6000h需要拆解保养, 两台盾构机已在深圳5号线和11号线掘进约3.5km运行3300h, 根据油品检测报告分析, 运行状态良好, 未进行拆解检查。维护保养要掌握原理, 明确标准, 注重细节, 并针对硬岩条件采取合适的措施。
4.1 密封系统维护保养
密封系统是主轴承的一个关键部件, 外密封位于土仓的前端, 共3道密封, 能够承受刀盘土仓3bar的土压或水压, 阻止泥碴进入主轴承, 主轴承发生故障都是因为外密封失效, 造成主轴承齿轮油泄漏或泥碴颗粒进入齿轮箱, 而引起主轴承或齿轮损坏, 该密封系统无法在隧道洞室内更换。本项目在盾构始发前, 盾构机掘进里程为3.3km, 采取更换密封, 调整密封和衬套接触位置约5mm的位移量, 使主轴承密封唇口紧紧贴合没有磨损的衬套表面, 并对密封系统进行3bar耐压气压试验, 保证了主轴承密封的密封性能。
4.2、HBW密封油脂系统维护保养
HBW密封油脂系统是主轴承第一道防线, 必须保证HBW的注入压力和注入量充满前部腔体起到密封保护作用。油脂泵进气压值调整为2.5~4bar, 泵送压力在60bar。注入量与运转时间成正比, 在硬岩段掘进过程中是常规情况3倍左右。在进入土仓检查刀具时, 一定要观察唇形密封唇口处是否有油脂挤出, 否则掘进前必须打足油脂。HBW注入效果通过主控室出现脉冲报警信息观察, 分配阀堵塞、脉冲传感器故障、油脂桶空就会报警, 出现问题必须停机检查, 不要采用屏蔽方式盲推。分配阀要求每月清洗一次, 因油脂内有大量纤维丝和金属颗粒会影响效果。每班安排专人打开分配阀到主轴承进油口, 观察确认油脂的流量和压力, 这是最简单直接, 也是最有效的检查方法。在带压状态下检查时必须将主轴承进口的球阀关闭, 防止卸压后泥浆倒流。每班对油水分离器进行排水, 检查油脂泵压盘密封, 柱塞泵的密封并加润滑油, 如出现漏油脂, 需及时更换密封。为不影响保养进度, 两台盾构机备用1个分配阀。
4.3、EP2润滑系统维护保养
EP2润滑系统起到填充密封空隙和润滑的作用, 与HBW相同结构部分维护保养方法相同, 增加了多点泵系统。始发前要对系统柱塞进行检查, 对压力进行试验台测试, 达不到要求, 要对柱塞和分配阀进行更换, 要保持压力达到5bar, 油位传感器完好, 每周必须对油脂泵虑芯进行清洗一次。每班对分配阀到主轴承主入口进油口, 人工打开观察确认油脂的流量和压力。EP2系统出现报警信息, 出现问题必须停机检查, 不允许采用屏蔽方式盲推。
4.4、齿轮油系统维护保养
针对硬岩掘进情况, 始发前对散热器内部进行除锈清洗, 并串联一个采用外水散热的散热器, 改进散热效果。对齿轮泵进行维修保养, 对压力传感器、液位传感器、滤芯、压力表、温度表等部件标定更换, 并更换新油。
每天检查主轴承油位, 保证油位不低于1/2, 泄露邮箱不应有泥水油成分。保持齿轮油温度低于52℃, 观察散热器的冷却水温30~45℃左右;齿轮油压力不低于30bar, 每路注入量5L/min, 主控室齿轮油位温度报警, 必须停机检查。根据经验500环或300h后提取齿轮油油样送检, 铜削、杂质、水分超标要更换齿轮油和滤芯。硬岩掘进情况下, 由于外密封系统效果不好, 长时间停机主驱动静止状态由于掌子面水压原因经常发生土仓内水进入主轴承腔内现象, 要特别注意, 要安排人员转动刀盘并定时注入密封油脂。
5、结束语
本项目在硬岩特殊条件下, 采用S465/466土压平衡盾构机掘进, 施工管理措施精细, 维护保养方法得当, 主驱动系统核心部件始终处于良性运行状态, 2台盾构机顺利完成区间掘进任务, 得到业主等各方好评, 同时对类似项目管理有很大借鉴意义。
摘要：在盾构法隧道施工过程中, 主驱动是盾构机的核心驱动部件, 起到动力转换和输出的作用。本文通过长距离硬岩复杂条件下的盾构机主驱动管理与维护保养方法及管理要点进行论述, 对盾构机管理有很大借鉴意义。
关键词：长距离硬岩,主驱动,管理与维护
参考文献
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[3] 盾构机刀盘驱动系统动力计算分析[J].王得军.山东交通科技.2009 (01)