汪 朋，姚冬冬，高建業(yè)

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000）

近年來，隨著城市化進程的加速和人口增長，地鐵隧道在城市交通中的地位越來越重要。未來地鐵隧道的發(fā)展前景非常廣闊。隨著科技的進步和城市規(guī)模的擴大，地鐵隧道將不斷提升安全性和效率，滿足更多人口的出行需求，同時更加注重環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。盾構法在隧道施工中具有安全，高效且對地層擾動小的特點，在城市地鐵隧道，引水工程以及市政管道施工等領域應用頗豐。

盾構作為盾構法施工的關鍵設備在施工過程中扮演著極其重要的角色。刀盤主驅動系統(tǒng)是盾構的核心部件。它包含的主驅動大齒圈，主軸承等零部件在施工的過程中無法單獨進行更換。其壽命直接決定了整臺盾構的使用壽命，因此在盾構使用過程中，對主驅動的狀態(tài)監(jiān)測、維護保養(yǎng)以及損傷維修應高度重視。閻向林、李原曾對盾構主驅動故障及維修做了相關的研究，總結了隧道內盾構主驅動大齒圈損傷補焊及雜質清理方法。但是未對大齒圈損傷處理方法進行總結對比以及大齒圈現(xiàn)場維修技術進行總結，本文以某局S658 盾構為例，主要針對隧道內盾構主驅動大齒圈損傷處理方法進行對比，并對大齒圈現(xiàn)場維修技術進行總結。

1 土壓平衡盾構主驅動介紹

S658 海瑞克土壓平衡盾構主驅動如圖1所示，刀盤主軸承設計為3 排滾子軸承，其3 排滾子分別為主推力滾子、反推力滾子和徑向推力滾子，S658 主驅動電機如圖2 所示，共11 臺，小齒軸承前后端各1 個，共22 個軸承。主驅動大齒圈與小齒輪進行嚙合將減速機輸出的扭矩傳遞至刀盤。同時將刀盤掘進過程中產(chǎn)生的反推力、傾覆力矩和徑向力傳遞至主驅動軸承滾子上。主驅動密封系統(tǒng)主要分為內外兩圈密封系統(tǒng)，每圈密封系統(tǒng)由4 道澆鑄式聚氨酯唇形密封及密封油脂組成。密封壓入內外2 圈密封安裝槽中，形成一定的預壓縮量，在主驅動旋轉部件與固定部件之間的間隙形成密封作用，進而將主軸承與土倉進行隔絕，防止土倉內雜質進入。

圖1 刀盤主驅動系統(tǒng)示意圖

圖2 主驅動電機及減速機分布圖

2 土壓平衡盾構大齒圈損傷情況及原因

2.1 大齒圈損傷情況

2020 年5 月17 日，盾構掘進過程中維保值班工程師在例行檢查，對主驅動油樣進行取樣檢測，發(fā)現(xiàn)金屬雜質超標，停機使用內窺鏡檢查主驅動內部時發(fā)現(xiàn)有軸承保持架損壞碎粒，如圖3所示，隨后將減速機和電機拆除進行檢查，發(fā)現(xiàn)3 號小齒前端軸承散架，看不到完整軸承，8 號前端軸承內圈斷裂，未跟隨小齒同步拆出（圖4）。其他位置小齒軸承拆出外觀完整。未發(fā)現(xiàn)明顯肉眼可見損傷。大齒圈進行滲透探傷檢查過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)處齒頂壓痕及齒面裂縫損傷，如圖5 所示。

圖3 軸承保持架磨損碎粒

圖4 3號小齒輪前端軸承損壞情況

圖5 大齒圈齒頂壓痕及齒面損傷

2.2 大齒圈損傷原因分析

零部件裝配精度以及后期使用中的維護情況均會對主驅動壽命造成巨大影響。以S658 盾構為例，由于3 號小齒前端軸承損壞，軸承碎片進入大齒圈齒輪嚙合面導致大齒圈損傷?？偨Y了導致小齒軸承損壞情況的主要原因有以下幾點。

1）前端軸承外圈定位槽與軸承座定位銷錯位，導致軸承沿軸向未安裝到位，軸承外圈與定位銷卡死，軸承滾珠受較大的軸向力，導致軸承損壞，如圖6 所示。

圖6 軸承沿軸向未安裝到位

2）驅動小齒輪前后端軸承偏載，軸承單側滾子受力，形成單側滾道壓痕，嚴重縮短軸承壽命，如圖7 所示。

圖7 偏載造成軸承滾道單側壓痕

3）因主驅動密封損壞，齒輪箱進入泥沙，軸承潤滑油受到污染，導致軸承損壞，如圖8所示。

圖8 齒輪箱內部雜質

3 盾構主驅動大齒圈損傷處理辦法探討

盾構主驅動屬于盾構的核心部件，其內部結構復雜，在隧道內無法進行大齒圈零部件替換，因此主驅動大齒圈一旦出現(xiàn)損傷，采取何種適當?shù)?、?jīng)濟的維修方法，是盾構長期使用后的一大難題。根據(jù)現(xiàn)場情況探討幾種相應的大齒圈損傷處理方法。

3.1 大齒圈損傷位置補焊

隧道內將主驅動電機、減速機，小齒輪拆除，形成一定的作業(yè)空間，對主驅動大齒圈齒面及齒根進行探傷，判斷其損傷程度，制定與其對應的焊接方案。

大齒圈焊接前先進行軸承箱清理，將泥沙及鐵塊全部清理干凈，使用大功率吸塵機進行雜物清理。最后使用煤油清洗軸承箱，循環(huán)清洗主軸承滾柱。在開始修復前要對軸承箱進行防護，使用面團封堵各縫隙，防止磨屑進入其他小驅動箱。打磨過程中每半小時，使用吸塵器對打磨區(qū)域清理。焊接時要注意防火措施。按照預先制定的焊接方案進行施焊作業(yè)。焊接后進行探傷并進行運轉過程的震動數(shù)據(jù)采集，評估主驅動狀態(tài)，具體修復過程以海瑞克S658 盾構為例進行論述。

3.2 開挖豎井進行主驅動整體更換

通過注漿加固地面，開挖支護，在盾構的主機上方進行豎井開挖，開挖完成后將盾構刀盤、盾體依次進行拆除吊運至地面，將盾構主驅動運輸至工廠進行維修，維修完成后再進行主驅動，盾體的組裝，豎井的回填。該方法適用于盾構主驅動損壞嚴重無法進行現(xiàn)場維修的情況。

開挖豎井進行主驅動整體更換成本較高，且要求地面構筑物簡單易拆除，地質條件允許開挖，交通便利，具備作業(yè)場地和運輸?shù)臈l件，豎井開挖風險較高，工期長，開挖難度大。作業(yè)過程中社會面影響較大。盾構主驅動拆除吊裝出井后需運輸至廠家進行維修或整體更換，維修完成后進行盾構主機的組裝。

4 盾構主驅動大齒圈齒面損傷的處理措施

4.1 大齒圈齒面修復方案的確定

S658 盾構主軸承在長株潭項目使用約7 400m，2018 年5 月，在中鐵華隧佛山工廠拆解檢測，對主軸承內外圈滾道和兩端保持架進行了修磨。主推力滾子、副推力滾子、徑向滾子各更換了一套。大齒圈損傷時S658 盾構已累計掘進8 040m，主軸承運轉時間為2 923h。驅動電機減速機拆除后，發(fā)現(xiàn)軸承箱內有鐵塊及軸承保持架和泥沙，經(jīng)檢查，3 號驅動前端軸承完全損壞，鐵屑為軸承零碎件。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)大齒圈損傷情況如表1 所示。鑒于該大齒圈的損壞情況，考慮工期以及成本，最好的辦法是對大齒圈損傷位置進行補焊。

表1 大齒圈損傷情況

4.2 大齒圈齒面修復方案的實施

4.2.1 S658盾構主驅動大齒圈材質特性。

S658 盾構主驅動為德國海瑞克生產(chǎn)，大齒圈為SKF 公司制造，材質為：42CrMo4v，相當于國標42CrMo，其化學成分及力學性能如表2、表3 所示。42CrMo 鋼屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性，淬硬傾向性大，淬火時變形小，高溫時有高的蠕變強度和持久強度，母材金屬熱影響區(qū)容易產(chǎn)生低塑性的淬硬組織，工件愈厚，則淬硬傾向愈大。且該焊件剛性大，若焊條或焊接工藝選用不當在焊件冷卻至300℃以下時，容易沿熱影響區(qū)的淬硬區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。對焊接條件、焊材、焊接人員的要求高，極易產(chǎn)生焊接裂紋。

表2 42CrMo鋼化學成分

表3 42CrMo鋼力學性能

4.2.2 焊材以及焊接保護氣體的選擇。

焊接材料的選擇原則是焊材化學成分及力學性能盡量與母材相似且抗拉強度等于或稍高于母材的焊條，保證焊縫的強度，韌性達到技術要求。具有很高的延展和抗裂性能，由于需要采取多層堆焊焊接，因此焊材在多次的加熱冷卻過程防止出現(xiàn)延遲裂紋以及再熱裂紋。本次焊接焊材選用ER-80G 焊絲，其抗拉強度σb≥800MPa。焊接保護氣體使用80%Ar+20CO2混合氣體，具有飛濺率低、焊縫成型美觀、韌性高的特點。

4.2.3 大齒圈齒面焊接過程

1）焊條進行烘干除潮：由于焊絲在使用前存放不當會導致焊條受潮，先將焊絲放入烤箱設定溫度150℃進行保溫1h，烘干后放入保溫箱內隨用隨取。

2）損壞齒面處理：用角磨機將損壞齒面部位進行打磨，打磨完成后進行滲透探傷，直至未發(fā)現(xiàn)損傷裂紋為止，焊接坡口采用“U”型或“V”型。打磨完成后使用洗滌劑對焊接位置表面進行清理，去除油污及金屬碎屑。

3）齒面焊接前使用氧氣乙炔割槍進行300℃預熱，焊接完成后立即進行后熱工藝將焊接位置均勻加熱至200～350℃使用石棉布包裹進行保溫緩冷。每焊完一道焊縫進行焊渣清除及消除應力處理。

4）齒輪參數(shù)因磨損原因與英制和國標標準尺寸不匹配，為保證修復后的齒形參數(shù)，需要現(xiàn)場對照已正常磨損的齒制作齒形樣板，以此樣板修正齒形。

5）焊接參數(shù)，底層焊道采用0.8mm 焊絲，焊接電流80～100A，電弧電壓為15～20V，堆焊層使用1.2mm焊絲，焊接電流100～130A，電弧電壓22V，直流反接，焊接過程中注意防止產(chǎn)生未熔合，裂紋，表面氣孔及外露夾渣的問題，單個齒的缺陷處理應連續(xù)進行不得中斷，中斷焊接后需重新預熱，同時做好焊渣打磨時鐵削的收集處理，做好防護，防止落入主驅動狹小縫隙內。

6）焊接完成后對修復的齒面進行超聲波和滲透探傷，結果2#、3#、4#、5#和10#輪齒（檢測長度均為250mm）均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

5 主驅動大齒圈補焊修復效果評價

主驅動大齒圈齒面補焊修復完成后委托SKF工程師對主驅動試運行狀態(tài)進行檢測評估，通過在主驅動上設置4 個監(jiān)測點位，分別安裝4 個加速度包絡數(shù)值和振動傳感器在主驅動空載運行狀態(tài)下進行數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測示意圖及數(shù)據(jù)采集結果如圖9 和表4 所示，數(shù)據(jù)結果顯示振動速度整體數(shù)據(jù)偏小，說明設備整體運行尚可，4 個測點加速度包絡值偏大，說明齒輪有不均勻受力，且齒面存在磨損。

表4 監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖9 監(jiān)測示意圖

S658 盾構修復后已經(jīng)于2023 年2 月完成剩余2 936.6m 的掘進任務，最終掘進完成隧道貫通，掘進完成后盾構主驅動運輸至洛陽特重軸承有限公司進行檢測維修，大齒圈拆除后進行著色探傷，未發(fā)現(xiàn)原焊接位置掉塊，僅有部分裂紋，探傷結果如圖10 所示，此次修復的盾構主驅動大齒圈完全滿足了施工需求。

圖10 大齒圈探傷結果

總結此次隧道內盾構主驅動大齒圈維修過程，相比于通過豎井開挖更換主驅動而言，不僅節(jié)省了大量成本，同時縮短了工期，且維修結果可靠。進一步論證了隧道內進行主驅動大齒圈齒面現(xiàn)場維修技術的可行性及經(jīng)濟性。