EPB掘進(jìn)過程中螺旋機(jī)軸的維修更換關(guān)鍵技術(shù)

錢 超 陳招偉 王振坤

中國葛洲壩集團(tuán)市政工程有限公司 湖北 宜昌 443002

“EPB”即土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，是地鐵隧道暗挖施工盾構(gòu)工法施工主要設(shè)備，隧道的成敗，關(guān)鍵在于盾構(gòu)機(jī)的選型，即盾構(gòu)機(jī)各項技術(shù)參數(shù)、性能選擇與項目地質(zhì)條件、環(huán)境是否相適應(yīng)。其中，螺旋機(jī)是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分，當(dāng)螺旋機(jī)軸在掘進(jìn)過程中斷裂、損壞時，更換和維修便困難重重。因此，在設(shè)計生產(chǎn)過程中，對螺旋軸的材質(zhì)選擇、設(shè)計參數(shù)、制造焊接工藝要求等極為苛刻。

1 概況

武漢軌道交通一地鐵區(qū)間，右線全長2 133.925 m，左線全長2 125.254 m。區(qū)間施工工法為盾構(gòu)法，沿線建筑物主要有三環(huán)線高架、融科智谷工業(yè)園區(qū)、世茂林嶼岸高層小區(qū)，區(qū)間隧道路側(cè)建筑距離1D以內(nèi)，隧道下穿中石油加油站、側(cè)穿三環(huán)線高架橋樁和巡司河橋樁，下穿中壓天然氣管道，并在接收段有近300 m長的淺覆土區(qū)（圖1）。

圖1 區(qū)間總平面示意

1.1 地質(zhì)概況

本區(qū)間盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)主要穿越的地層為③2a黏土、⑦2粉質(zhì)黏土、③2a黏土、⑦3粉質(zhì)黏土、③2黏土、③2b淤泥質(zhì)黏土、①3淤泥、⑨含泥礫卵石。①3、③2、③2b呈流塑狀，具高壓縮性，靈敏度高，對土壓平衡和地面沉降較難控制；⑦2、③2a呈軟塑狀，該土層具有高黏性，易黏著盾構(gòu)設(shè)備或造成管路堵塞，致使刀盤空轉(zhuǎn)、槽口及出土管道堵塞，導(dǎo)致地層隆起、沉降；⑨含泥礫卵石層呈稍密～中密狀態(tài)，滲水性大、靈敏度高，易產(chǎn)生開挖面失穩(wěn)、地面沉降及塌陷。

1.2 地質(zhì)水文

沿線場地地表水主要有野芷湖、湯遜湖、巡司河及沿線魚塘、菱角塘等，主要接受大氣降水補(bǔ)給，水量、水位與季節(jié)性及人為活動關(guān)系密切。沿線地下水主要類型有上層滯水、孔隙承壓水、碎硝巖裂隙水等。上述幾類地下水中，以上層滯水及孔隙承壓水對擬建工程的影響最為突出，勘察期間測得水位標(biāo)高17.50～19.00 m。綜合上述地質(zhì)、水文條件，該區(qū)間優(yōu)選土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

2 螺旋機(jī)工作原理及功能

盾構(gòu)螺旋機(jī)屬于無撓性輸送設(shè)備，由液壓驅(qū)動，套筒，伸縮油缸，螺旋軸，進(jìn)、出土閘門等部件組成。根據(jù)軸構(gòu)造不同，可分為有軸螺旋式、無軸帶式2種。工作時，軸旋轉(zhuǎn)，泥土從進(jìn)土口充滿套筒，在泥土自身重力和與套筒壁所產(chǎn)生的摩擦力作用下，套筒內(nèi)的泥土類似不能旋轉(zhuǎn)的螺母隨軸的旋轉(zhuǎn)，沿著軸的軸向作平移滑動，使泥土只能在葉片的推送下沿著螺旋機(jī)的進(jìn)土口向出土口輸送[1-4]。

本例發(fā)生故障的盾構(gòu)機(jī)編號是日立H024的螺旋機(jī)，采用的是有軸式螺旋機(jī)。盾體規(guī)格為φ6 250 mm，原設(shè)計用于南水北調(diào)工程，完成該項目后，將盾構(gòu)機(jī)改造為φ6 450 mm，用于武漢地鐵本案例區(qū)間。

3 故障經(jīng)過及原因分析

在該區(qū)間掘進(jìn)過程中，經(jīng)過世茂林嶼岸風(fēng)井后，前后6次出現(xiàn)螺旋軸斷裂，2次斷裂位置集中在螺旋軸端部，如圖2所示，斷口齊平；4次主要斷裂位置集中在驅(qū)動端與螺旋軸連接處，斷裂時，位置均在驅(qū)動一端連接軸上，斷裂截面齊根斷裂，見圖3中的六方體根部。

圖2 螺旋軸端部斷裂部位及實物

圖3 螺旋驅(qū)動軸三維仿真圖和螺旋驅(qū)動軸斷裂面照片

根據(jù)分析，發(fā)生故障主要是由于應(yīng)力集中導(dǎo)致。在斷裂處，零件的結(jié)構(gòu)形狀在該位置形成突變，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中。對結(jié)構(gòu)靜力分析的結(jié)果顯示，在最大扭矩為132 kN·m時，此處的安全系數(shù)為1.35左右；將傳動軸兩端組合分析，靜態(tài)情況下，斷裂位置安全系數(shù)為1.15左右（圖4、圖5）。

圖4 驅(qū)動軸靜力分析

圖5 傳動軸兩端組合分析

螺旋機(jī)在使用過程中，承受沖擊載荷，最大應(yīng)力會達(dá)到靜態(tài)時的2～3倍，因此在使用過程中易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效。經(jīng)分析，造成這一失效的原因為扭矩過大，而產(chǎn)生扭矩過大的原因是該地層黏土改良不佳，導(dǎo)致扭矩超出設(shè)計參數(shù)。

綜合分析后發(fā)現(xiàn)是設(shè)計缺陷和渣土改良不佳這2個方面共同造成了斷軸故障頻發(fā)。

4 維修前準(zhǔn)備

4.1 水位查探

水位查探是螺旋軸更換前必須要做的工作之一，因故障時盾構(gòu)刀盤所處地層③2黏土呈流塑狀，具高壓縮性；⑨含泥礫卵石層呈稍密～中密狀態(tài)，滲水性大、靈敏度高，易造成開挖面失穩(wěn)、地面沉降及塌陷。

為防止螺旋井拆除時從拆除口涌水、涌砂事故，在螺旋軸拆除前應(yīng)從地面修建降水井，水位至少應(yīng)降至盾體底部以下。由于故障盾構(gòu)機(jī)位于文華大道右側(cè)的湯遜湖下，場地不能采取降水井降水。通過專家分析，最終采用向土壤添加膠凝劑方案，改變其透水性，將膠凝劑注入土倉內(nèi)，用刀盤攪拌，防止了噴涌事故的發(fā)生。

4.2 專用工、器具準(zhǔn)備

本例中螺旋機(jī)的維修更換方案是拆除螺旋機(jī)驅(qū)動，拔出螺旋軸斷裂段，將螺旋斷裂軸和驅(qū)動運出隧道維修、更換，再安裝恢復(fù)等。整個維修包括驅(qū)動拆除，螺旋軸斷裂段拆除，更換和維修驅(qū)動、軸，重新安裝螺旋軸、驅(qū)動等4個步驟。螺旋機(jī)驅(qū)動和螺旋軸需要經(jīng)過拆除、提升、后移、下放等操作才能放到隧道內(nèi)平板車上，更換維修驅(qū)動軸、螺旋軸后，再經(jīng)過相反的步驟重新裝回原位。由于拆裝在隧道內(nèi)實施，操作空間狹小，且無法使用大型起重設(shè)備，操作難度大、風(fēng)險高。為方便拆裝操作，降低作業(yè)風(fēng)險，需在螺旋機(jī)后上方的隧道管片頂部制作安裝專用吊裝孔裝置（見圖6，該裝置由開孔間距500 mm、厚20 mm鋼板以及垂直焊接于該鋼板的多個夾板吊耳組成，安裝于管片螺栓上），配合葫蘆安裝于不同孔位進(jìn)行換位操作，實現(xiàn)沿隧道軸向前后移動吊裝。

圖6 吊裝孔裝置

5 維修更換步驟

5.1 拆卸前準(zhǔn)備

1）制作專用吊裝孔裝置和螺旋機(jī)筒端頭封蓋，專用吊裝孔裝置采用長寬為12 000 mm×150 mm、厚20 mm鋼板制作，在適當(dāng)位置開孔，孔徑40 mm，孔距500 mm，采用叉型小鋼板，與其垂直焊接，再將小鋼板端部開孔安裝于管片螺栓上，最終組成如圖6所示的裝置，并在開孔上安裝適當(dāng)數(shù)量的10 t馬蹄形卸扣，其中3個卸扣上各掛1個5 t手拉葫蘆，用于螺旋機(jī)驅(qū)動和軸的拔出、移動、放倒工作。

2）拆除皮帶斜坡段，采用電瓶車將其運出洞外，為螺旋輸送機(jī)拆除部件留出外運空間。

3）打開出土口閘門、1#檢查口，將斷口兩端泥土清洗干凈，采用小鋼板將斷口臨時連接。

4）將螺旋機(jī)軸往后軸向退出，直至螺旋軸最前端退出前閘門，關(guān)閉前閘門，通過泡沫系統(tǒng)注入膠凝劑，轉(zhuǎn)動刀盤，攪拌充分并保壓，檢測土倉土壓。

5）拼裝機(jī)爪手旋轉(zhuǎn)至正上方，拆除螺旋機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)管線，并對拆除工作面及附近的管線進(jìn)行保護(hù)，避免作業(yè)時被破壞。

5.2 驅(qū)動拆除、拔出螺旋軸

1）打開2#檢修口，查看滲水情況，若安全（若不安全，則再次注入化學(xué)膠凝劑，直至安全），則清理泥土，直至裸露出螺旋軸連接處（本螺旋軸采用兩節(jié)設(shè)計，中間使用插銷鎖定），采用2根長度適當(dāng)、φ32 mm螺紋鋼，將螺旋軸下半段與筒體焊接固定，保證下半段不能活動，拆除螺旋軸連接銷鍵，關(guān)閉2#檢修口。

2）斷開斷口臨時連接，用2個手拉葫蘆固定好螺旋機(jī)驅(qū)動，然后拆除驅(qū)動和螺旋機(jī)筒的連接螺栓，再利用第3個手拉葫蘆，參與在特制吊裝孔裝置上倒換手拉葫蘆的方法，實現(xiàn)移動驅(qū)動，直至放到準(zhǔn)備好的管片小車上。

3）在斷軸端部焊接吊裝孔，利用特制吊裝孔裝置上掛手拉葫蘆，固定好螺旋軸上焊接的吊裝孔，并采用上步2中的方法實現(xiàn)螺旋軸拔出、放平，然后放置到管片小車上。

4）關(guān)閉1#檢查口、出口閘門，螺旋筒驅(qū)動拆除端采用特制螺旋機(jī)筒端頭封蓋封堵，保證拆除后防噴涌。

5.3 螺旋軸、驅(qū)動重新安裝

螺旋軸、驅(qū)動重新安裝是驅(qū)動拆除、拔出螺旋軸的逆過程。首先拆除特制螺旋機(jī)筒端頭封蓋，將螺旋軸安裝到螺旋機(jī)筒體內(nèi)，并與螺旋軸下半段對接，安裝鎖定插銷；將驅(qū)動吊裝到位，對接并安裝鎖定銷軸，去除2#檢查口內(nèi)臨時固定螺紋鋼，關(guān)閉觀察口，安裝管線，打開前閘門，將螺旋軸插入土倉并調(diào)試。

6 關(guān)鍵技術(shù)要點

1）控制滲水。為保證螺旋軸拔出過程中的施工安全，拆除前必須通過土倉隔板上的球閥開啟，查看土倉內(nèi)的地下水情況，只有在確認(rèn)土倉內(nèi)地下水無明流時才能實施。

2）螺旋機(jī)拆除前應(yīng)采取措施穩(wěn)定地層。

3）定時定量向護(hù)盾尾注入密封油脂，防止漏水涌砂。

4）吊具的選擇應(yīng)該與負(fù)載相匹配，防止超載。

5）小空間內(nèi)安全、有效地拆卸和維修，須制作專用吊裝孔裝置。

7 結(jié)語

本案例螺旋機(jī)斷軸故障頻發(fā)，通過分析存在2個方面的原因：一是設(shè)計缺陷，二是黏土改良不佳。對此，可從優(yōu)化設(shè)計、材質(zhì)選擇、提升渣土改良效果等方面解決，避免類似工程安全隱患的發(fā)生。

施工時螺旋機(jī)拆開處未出現(xiàn)滲、漏水現(xiàn)象，驗證了本辦法安全可靠，應(yīng)用吊裝孔輔助裝置后效率顯著提高（從第1次的15 d，到后來7 d即可完成維修工作），該裝置與在一個管片螺栓上吊裝相比增加了起吊質(zhì)量，安全性也得以提高。本辦法起重利用了構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)（管片）作為吊裝受力點，適用于空間狹小、吊裝受力點受限的有管片襯砌的隧道內(nèi)重、大物品的吊裝。