盾构施工阶段螺旋轴尾端断裂修复方法

2021-09-16

来源：《设备管理与维修》2021年第1期

杨凌霄

（武汉重型机床集团有限公司，湖北武汉 430200）

摘　要：以西安地铁某项目施工时盾构机螺旋轴尾端断裂事故为例，浅析盾构机螺旋机在遇到大量孤石地层掘进时螺旋轴断裂事故经过，并提出在隧道中工作条件有限的情况下，螺旋轴尾端断裂的修复方法，总结经验。

0. 引言

盾构螺旋机输送机在施工过程中主要作为渣土输送和建立土压平衡的手段，渣土在螺旋筒内通过螺旋叶片传输将土仓压力降至常规压力，并从螺旋机闸门排出至皮带机上。如图1所示，螺旋输送机安装在前盾底部，大约呈23°左右角度斜穿管片拼装机回转中心，螺旋轴前端伸入土仓，尾端由液压马达驱动。

1. 问题情况

某台常规土压平衡盾构机在西安地铁建设项目施工阶段，在黏土地层中出现大量未勘测到的强度60MPa以上的孤石碎块，导致螺旋机长时间在高速、高扭矩情况下运转，并经常出现螺旋机卡停情况，通常盾构机操作司机会通过快速频繁正反切换螺旋轴旋转方向来恢复螺旋轴卡死故障。在一次螺旋机卡死后，操作人员做恢复操作过程中，突然发现螺旋机正常高速旋转并且扭矩降至0，通过听螺旋筒外部声音，发现螺旋轴并没有旋转。现场施工人员随即打开螺旋机尾端侧面法兰盖板观察，发现螺旋轴在离马达15cm左右位置断裂，断裂位置如图2所示。由于螺旋机筒中渣土的作用，断裂部分螺旋轴未向下掉落。

2. 螺旋输送机结构介绍

该螺旋输送机为中心螺杆式结构，由筒体、中心轴、叶片、传动部分和筒体伸缩油缸组成，通过螺旋叶片转动对渣土进行定向输送，能输送具有一定摩擦力的渣土，具有很好的抵抗土压、控制土压沿输送衰减、保持土压动态平衡的能力，适用于所有土压平衡盾构机使用，中间伸缩结构可用于螺旋机修复和前防水闸门关闭。其主要规格参数：螺旋输送机总长12500mm，螺旋轴直径220mm，螺旋叶片直径850mm，螺旋筒Z大伸缩行程1000mm，螺旋机Z大正转转速22.1r/min，螺旋机Z大反转转速7.2r/min。

3. 断轴修复

考虑到断裂位置离螺旋驱动部分的轴承位置只有15cm，在定位焊接时，焊接热影响会烧坏密封，因此，修复焊接过程必须先将螺旋机驱动与螺旋轴分离。

3.1 修复前准备

拆除螺旋机卸料闸门处挡泥板等设备，为人工作业留出工作空间，清理卸料闸门区域糊在筒壁上的渣土，打开侧面的法兰盖板接入电灯和鼓风设备，并在周边工作区域铺上石棉防火布。

3.2 断裂位置焊接坡口制作

利用螺旋机中间筒伸油缸将后部螺旋筒向后移动，将螺旋轴断裂的两部分分离。作业工人站在皮带机上，从卸料闸门处进入作业区域，清理打磨两个断面，并在下部轴端面制作焊接坡口：先用碳弧气刨，再打磨，坡口角度45°，坡口深度80mm。

3.3 初步定位

将驱动部分回缩，使两个断面基本靠拢，通过测量周圈轴外圆对齐检测两断轴的同轴度，若不符合要求，利用螺旋机驱动缓慢转动上半部断轴，找到周圈对齐Z好的位置，采用马板骨架将两端轴连接；再将伸缩筒伸出，使驱动部分带动整根螺旋轴向后移动1m。

3.4 驱动分离

由于在隧道内各种限制，螺旋机驱动在隧道内安装定位非常困难，拆卸连接螺栓后，采用1m长丝杆继续连接，方便后续回装。

①拆除驱动与筒体整圈连接螺栓，周圈采用8根丝杆均布连接；

②固定螺旋机驱动部分与盾构机连接桥连接，回缩螺旋机筒体80cm，使螺旋机驱动带轴与筒体分离；

③连接螺旋轴与上半筒体，焊接牢固；

④拆除螺旋轴与驱动连接螺栓，采用4根丝杆均布连接；

⑤螺旋机筒体带动螺旋轴回缩20cm，使螺旋轴与驱动部分完全分离，并使断裂部位处于螺旋筒外部。

3.5 焊接修复

使用火焰割枪对焊接部位预热至220℃左右，使用二氧化碳保护焊，采用ER50-6焊丝对断裂部分坡口进行焊接，焊接采用多层多道圆周均匀焊接，焊接完成后采用防火石棉覆盖缓慢冷却，以防止热应力导致内部缺陷。

3.6 检测探伤

检查螺旋轴对焊后的同轴度，采用超声波探伤检测焊缝熔深，看是否焊缝位置及焊缝周边存在内部缺陷，再采用着色探伤检查焊缝位置及周边是否存在缺陷。

3.7 驱动回装

回装步骤：①向后伸出筒体及轴，使螺旋轴法兰与驱动连接，拆除丝杆，安装连接螺栓，并打扭矩；②拆除螺旋筒体与螺旋轴连接工装，继续向后伸螺旋筒体，使筒体与驱动连接，拆除丝杆，安装连接螺栓，并打扭矩；③拆除驱动固定工装，整体回缩螺旋机筒体。

3.8 试机

检查并恢复螺旋机及周边设施，确认无误后开始试机。先慢速正向转动螺旋机，然后逐渐加大转速至Z大转速，观察螺旋机出土情况，听螺旋机工作是否有异响；再反向旋转螺旋轴缓慢至Z大转速，所有检查参数按出厂标准进行检验。

至此，完成螺旋轴尾端断裂的修复工作。修复后，该盾构机螺旋机恢复正常，随后投入正常使用，至该隧道区间掘进结束。

4. 结语

螺旋输送机是土压平衡盾构机重要的组成部分，在施工过程中应认真分析相关资料，操作人员应重视盾构机参数变化，及时调整掘进参数。通过本次螺旋轴尾端断裂修复处理，在汲取教训的同时获得以下经验：

①根据地质情况变化，盾构机掘进参数要随时调整，不能为施工进度而放弃其他，应对特殊情况时，需充分借鉴类似底层掘进经验，对可能发生的问题做足论证和研究，提前采取应对措施；

②焊接工艺和焊接质量是影响螺旋轴修复成败的直接因素，必须选择技术经验水平高超的技术工人，控制焊接变形和焊接质量，去应力和探伤措施必须及时到位；