盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)斷軸故障原因分析探討

張 萌/ZHANG Meng

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 設(shè)備分公司，河南 洛陽 471000）

隨著我國城市地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)施工工法憑借其對地面、地下環(huán)境影響小，掘進(jìn)速度快，地表沉降小，安全性能高等優(yōu)勢，成為目前城市地鐵區(qū)間隧道建設(shè)的主要施工工法，螺旋輸送機(jī)作為盾構(gòu)的關(guān)鍵部件之一，是盾構(gòu)的排土裝置，其主要作用是將刀盤切下來的泥土從盾構(gòu)土倉中排出[1]。然而，螺旋輸送機(jī)斷軸現(xiàn)象在近期盾構(gòu)施工過程中頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響著現(xiàn)場施工的順利進(jìn)行，對最終施工節(jié)點(diǎn)的保證也影響頗大。

目前，國內(nèi)已有部分專家學(xué)者針對螺旋輸送機(jī)斷軸故障進(jìn)行相關(guān)研究。范紅梅等[2]對輸送化工原料用螺旋輸送機(jī)軸斷裂進(jìn)行了原因分析及維修；陳海恩等[3]分析的螺旋輸送機(jī)軸斷裂故障為PTA生產(chǎn)裝置；王治華等[4]也針對PTA裝置中螺旋輸送機(jī)突然發(fā)生斷軸情況分析原因并提出改造方案。但針對盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)斷軸故障原因分析較少，李文榮[5]從盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的配置選型進(jìn)行了研究；楊永[6]研究了螺旋輸送機(jī)軸的加工制造；賈朝斌等[7]研究了螺旋輸送機(jī)參數(shù)化設(shè)計方法；劉學(xué)等[8]研究了盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)螺旋軸疲勞斷裂問題；李旭輝等[9]提出了在隧道內(nèi)修復(fù)盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)斷軸的方法；丁枲召等[10]研究了隧道內(nèi)盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)拆裝及修復(fù)工藝。但目前針對盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)斷軸故障原因并無一個統(tǒng)一的認(rèn)識。

本文通過對成都地鐵盾構(gòu)施工項目在砂卵石地層中螺旋輸送機(jī)斷軸的問題進(jìn)行分析總結(jié)，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施，對以后避免類似問題發(fā)生提供合理的解決辦法和經(jīng)驗，為同行提供借鑒和參考。

1 螺旋輸送機(jī)斷軸概述

1.1 工程地質(zhì)情況

如圖1、圖2所示，成都某項目盾構(gòu)施工螺旋軸斷軸區(qū)間穿越地層主要為：隧道上覆：<1>人 工 填 土、<2-4>粉 土、<2-5>細(xì) 砂、<2-8-1>松散卵石、<2-8-2>稍密卵石、<2-8-3>中密卵石。隧道范圍內(nèi)：<2-8-3>中密卵石、<2-8-2>稍密卵石，埋深9m。該地層卵石含量大，100～150mm卵石含量占30%～40%；100mm以內(nèi)卵石含量占60%～70%。

圖1 螺機(jī)第一次斷軸停機(jī)位置地質(zhì)縱斷面圖

圖2 螺機(jī)二次斷軸停機(jī)位置地質(zhì)縱斷面圖

1.2 螺旋輸送機(jī)斷軸概述

盾構(gòu)新造螺旋輸送機(jī)在掘進(jìn)第26環(huán)260mm、累計掘進(jìn)1505m時，有卡機(jī)現(xiàn)象，經(jīng)正反轉(zhuǎn)循環(huán)約1min后，螺旋輸送機(jī)脫困，瞬時最大扭矩為119kNm。脫困后，發(fā)現(xiàn)出渣速度減慢，逐漸沒有渣土。拆開螺旋伸縮套側(cè)面觀察窗發(fā)現(xiàn)螺旋軸在實心軸與空心軸六方接頭連接根部焊接部位斷裂。經(jīng)協(xié)調(diào)，借調(diào)另1臺同型號盾構(gòu)新制的螺旋輸送機(jī)使用，又掘進(jìn)200m后，螺旋輸送機(jī)再次發(fā)生斷軸現(xiàn)象。

1.2.1 掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)斷軸處主要掘進(jìn)參數(shù)如表1所示。

表1 掘進(jìn)參數(shù)表

從上位機(jī)參數(shù)中查出螺旋輸送機(jī)最大扭矩為119kNm（額定扭矩為210kNm）。

1.2.2 螺旋軸的結(jié)構(gòu)

該盾構(gòu)螺旋軸分為3段，分別為前端實心軸、中間空心軸、后端實心部分，三部分對接后焊接而成，螺旋軸的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 螺旋軸結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 螺旋輸送機(jī)斷軸位置

盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)發(fā)生2次斷軸現(xiàn)象，斷軸位置如圖4所示。第一次斷軸部位在離前端2m處的實心軸與空心軸的連接部位，斷面情況如圖5所示，第二次斷軸斷面情況如圖6所示。

圖4 螺旋機(jī)斷軸位置

圖5 螺旋機(jī)第一次斷軸斷面情況

圖6 螺旋機(jī)第二次斷軸斷面情況

1.2.4 螺旋輸送機(jī)斷軸修復(fù)工藝及后續(xù)使用情況螺

旋輸送機(jī)第二次斷軸后，緊急修復(fù)第一臺斷軸螺旋輸送機(jī)，斷裂面處打磨平整，見金屬光澤，端面裂紋刨除干凈，選擇合適的焊條后，對斷裂面兩側(cè)的螺旋軸進(jìn)行預(yù)熱，溫度為120℃，預(yù)熱范圍長度應(yīng)大于120mm（根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整），焊接層間溫度不超過200℃，焊接后應(yīng)使用保溫棉裹住焊縫進(jìn)行保溫，保溫時間為24h（根據(jù)實際情況調(diào)整），待冷卻至常溫后進(jìn)行無損探傷檢測焊接質(zhì)量。經(jīng)焊接的螺旋輸送機(jī)運(yùn)至工地后，繼續(xù)完成后續(xù)350m區(qū)間隧道施工。

2 螺旋輸送機(jī)斷軸原因分析及預(yù)防措施

2.1 設(shè)計原因

通過對比成都地鐵該螺旋輸送機(jī)與其他產(chǎn)品前端筒體長度，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)該盾構(gòu)前端伸縮筒體相對螺旋軸支點(diǎn)靠后，造成螺旋輸送機(jī)軸懸臂太長（該盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)伸入土倉長度為1233mm，其他盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)伸入土倉長度為818mm），可能導(dǎo)致其可承受的側(cè)向力相對較弱。

圖7 其他盾構(gòu)螺機(jī)與成都地鐵該盾構(gòu)螺機(jī)安裝對比圖

預(yù)防措施：在設(shè)計時應(yīng)充分考慮實際工況對設(shè)備所造成的影響，針對螺機(jī)前端伸縮筒體相對螺旋軸支點(diǎn)靠后，造成螺旋軸懸臂太長問題，需充分考慮到螺旋軸在復(fù)雜地層中掘進(jìn)所受到的沖擊現(xiàn)象，在不影響出渣的前提下，可將伸縮筒體進(jìn)行適當(dāng)加長，盡量減少螺旋軸的懸臂長度。

2.2 材質(zhì)原因

從成都地鐵螺旋輸送機(jī)軸斷面外觀來看，螺機(jī)軸芯部顏色不一，從宏觀斷口來看，其斷裂屬于脆性斷裂。螺機(jī)軸的材質(zhì)為Q345B圓鋼，切取斷軸部分做成4個試塊01#、02#、03#、04#（取樣部位為斷裂面處螺旋軸分為四部分），通過沖擊試驗機(jī)和金相顯微鏡等測試設(shè)備，按照GB/T 1591-2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)檢測其化學(xué)成分、夾雜物，結(jié)果如表2所示：碳含量超標(biāo)達(dá)到0.40%以上；夾雜物合格；沖擊韌性4J到12J，沖擊韌性較低。故螺旋輸送機(jī)斷軸可能是因為材料選擇不合格，沖擊韌性低，在應(yīng)力及扭力共同作用下產(chǎn)生的脆性斷裂。

表2 材質(zhì)檢測分析表

預(yù)防措施：螺旋輸送機(jī)制造單位應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求選材，材質(zhì)須經(jīng)過相關(guān)機(jī)構(gòu)檢驗合格后方可應(yīng)用。

2.3 制造工藝原因

螺旋輸送機(jī)軸作為焊接件，在制造過程中可能存在焊接工藝不當(dāng)、焊接后冷卻方式不當(dāng)或質(zhì)檢不合格，導(dǎo)致焊接部位存在缺陷，將影響螺旋輸送機(jī)軸結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷能力和抵抗應(yīng)力腐蝕開裂等綜合性能，使螺旋軸在長期使用過程中易出現(xiàn)斷軸的情況。

預(yù)防措施：螺旋輸送機(jī)軸的材質(zhì)為Q345B，根據(jù)Q345B相關(guān)焊接工藝可知，Q345B圓鋼經(jīng)過焊接后，1個局部的熱循環(huán)，使得各種金屬元素在一系列的相變、質(zhì)變后形成的焊縫金屬，其硬度比原來母材有所增加，尤其是在打底層，其硬度會高出很多，由此可知，在中厚度、大厚度的該種材質(zhì)圓鋼的焊接工藝中應(yīng)突出對于焊接后熱處理工藝及焊接后的冷卻方式進(jìn)行規(guī)定，主要對于150～200℃區(qū)段的低溫?zé)崽幚?，?xì)化晶粒，以減少有害組織的產(chǎn)生。在焊接完成后，需進(jìn)行超聲波探傷，檢查焊接質(zhì)量，記錄實際焊接深度，若無條件進(jìn)行超聲波探傷，應(yīng)進(jìn)行磁粉探傷，檢查焊接是否產(chǎn)生裂紋。

2.4 地層原因

在成都砂卵石地層中掘進(jìn)，或在廣州遭遇孤石，可能會出現(xiàn)土倉中卵石在螺機(jī)進(jìn)渣口有堆積情況，因刀盤旋轉(zhuǎn)擾動卵石，螺旋輸送機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)過程中突然停止，螺旋輸送機(jī)軸前端受到較大的慣性沖擊，可能導(dǎo)致螺旋軸斷裂。

預(yù)防措施：螺旋輸送機(jī)在選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分考慮地層因素，合理選材、合理設(shè)計，并選擇合適的制造工藝。

2.5 使用管理原因

在地質(zhì)條件相對復(fù)雜的地層中掘進(jìn)，因掘進(jìn)參數(shù)選擇不合理，可能會導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中，承受較大載荷或沖擊，頻繁過載或遭受沖擊后可能會導(dǎo)致斷軸，對螺旋輸送機(jī)的檢查維護(hù)保養(yǎng)不到位也是造成斷軸的可能原因之一。

預(yù)防措施：在現(xiàn)場施工過程中，要選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)，做好應(yīng)對復(fù)雜地層的相預(yù)案，保證較好的渣土改良效果，隨時注意地層及掘進(jìn)參數(shù)的變化，遇到異常的情況及時做出應(yīng)急處理，制定應(yīng)對方案，將設(shè)備風(fēng)險和異常磨損的可能降到最低，加強(qiáng)設(shè)備的養(yǎng)護(hù)工作，增加施工人員的基本責(zé)任感。

3 結(jié)論與討論

通過分析成都地鐵及廣州地鐵盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)斷軸情況，總結(jié)出螺旋輸送機(jī)斷軸主要由以下原因?qū)е隆?/p>

1）設(shè)計剛度、強(qiáng)度的分析計算及結(jié)構(gòu)尺寸的選擇不合理導(dǎo)致斷軸。

2）材料選擇不合理或材質(zhì)不合格導(dǎo)致斷軸。

3）制造工藝（包括執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)、焊接工藝、質(zhì)檢等）不合理導(dǎo)致斷軸。

4）螺旋輸送機(jī)在復(fù)雜地層中掘進(jìn)，因地層和使用管理因素導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)軸受到過載或慣性沖擊導(dǎo)致斷軸。

由于盾構(gòu)施工的復(fù)雜性，本文僅結(jié)合成都地鐵盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)斷軸分析其原因，并提出相關(guān)預(yù)防措施，而實際施工過程中，螺旋輸送機(jī)斷軸的原因可能是復(fù)雜多樣的，也是多種因素的結(jié)合。在將來的施工過程中，怎樣把控好每一個環(huán)節(jié)，從而避免螺旋輸送機(jī)斷軸，是有待于進(jìn)一步研究和討論的。