盾構螺旋輸送機斷軸故障原因分析探討

張 萌/ZHANG Meng

（中鐵隧道局集團有限公司 設備分公司，河南 洛陽 471000）

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

目前，國內已有部分專家學者針對螺旋輸送機斷軸故障進行相關研究。范紅梅等[2]對輸送化工原料用螺旋輸送機軸斷裂進行了原因分析及維修；陳海恩等[3]分析的螺旋輸送機軸斷裂故障為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。但針對盾構螺旋輸送機斷軸故障原因分析較少，李文榮[5]從盾構螺旋輸送機的配置選型進行了研究；楊永[6]研究了螺旋輸送機軸的加工制造；賈朝斌等[7]研究了螺旋輸送機參數(shù)化設計方法；劉學等[8]研究了盾構螺旋輸送機螺旋軸疲勞斷裂問題；李旭輝等[9]提出了在隧道內修復盾構螺旋輸送機斷軸的方法；丁枲召等[10]研究了隧道內盾構螺旋輸送機拆裝及修復工藝。但目前針對盾構螺旋輸送機斷軸故障原因并無一個統(tǒng)一的認識。

本文通過對成都地鐵盾構施工項目在砂卵石地層中螺旋輸送機斷軸的問題進行分析總結，并提出相應的預防措施，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 螺旋輸送機斷軸概述

1.1 工程地質情況

如圖1、圖2所示，成都某項目盾構施工螺旋軸斷軸區(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 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：<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以內卵石含量占60%～70%。

圖1 螺機第一次斷軸停機位置地質縱斷面圖

圖2 螺機二次斷軸停機位置地質縱斷面圖

1.2 螺旋輸送機斷軸概述

盾構新造螺旋輸送機在掘進第26環(huán)260mm、累計掘進1505m時，有卡機現(xiàn)象，經(jīng)正反轉循環(huán)約1min后，螺旋輸送機脫困，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，借調另1臺同型號盾構新制的螺旋輸送機使用，又掘進200m后，螺旋輸送機再次發(fā)生斷軸現(xiàn)象。

1.2.1 掘進參數(shù)

盾構螺旋輸送機斷軸處主要掘進參數(shù)如表1所示。

表1 掘進參數(shù)表

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

1.2.2 螺旋軸的結構

該盾構螺旋軸分為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，螺旋軸的結構如圖3所示。

圖3 螺旋軸結構圖

1.2.3 螺旋輸送機斷軸位置

盾構螺旋輸送機發(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 螺旋機斷軸位置

圖5 螺旋機第一次斷軸斷面情況

圖6 螺旋機第二次斷軸斷面情況

1.2.4 螺旋輸送機斷軸修復工藝及后續(xù)使用情況螺

旋輸送機第二次斷軸后，緊急修復第一臺斷軸螺旋輸送機，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，對斷裂面兩側的螺旋軸進行預熱，溫度為120℃，預熱范圍長度應大于120mm（根據(jù)現(xiàn)場情況調整），焊接層間溫度不超過200℃，焊接后應使用保溫棉裹住焊縫進行保溫，保溫時間為24h（根據(jù)實際情況調整），待冷卻至常溫后進行無損探傷檢測焊接質量。經(jīng)焊接的螺旋輸送機運至工地后，繼續(xù)完成后續(xù)350m區(qū)間隧道施工。

2 螺旋輸送機斷軸原因分析及預防措施

2.1 設計原因

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

圖7 其他盾構螺機與成都地鐵該盾構螺機安裝對比圖

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

2.2 材質原因

從成都地鐵螺旋輸送機軸斷面外觀來看，螺機軸芯部顏色不一，從宏觀斷口來看，其斷裂屬于脆性斷裂。螺機軸的材質為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），通過沖擊試驗機和金相顯微鏡等測試設備，按照GB/T 1591-2008《低合金高強度結構鋼》標準檢測其化學成分、夾雜物，結果如表2所示：碳含量超標達到0.40%以上；夾雜物合格；沖擊韌性4J到12J，沖擊韌性較低。故螺旋輸送機斷軸可能是因為材料選擇不合格，沖擊韌性低，在應力及扭力共同作用下產(chǎn)生的脆性斷裂。

表2 材質檢測分析表

預防措施：螺旋輸送機制造單位應嚴格按照設計要求選材，材質須經(jīng)過相關機構檢驗合格后方可應用。

2.3 制造工藝原因

螺旋輸送機軸作為焊接件，在制造過程中可能存在焊接工藝不當、焊接后冷卻方式不當或質檢不合格，導致焊接部位存在缺陷，將影響螺旋輸送機軸結構件的疲勞強度、抗脆斷能力和抵抗應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。

預防措施：螺旋輸送機軸的材質為Q345B，根據(jù)Q345B相關焊接工藝可知，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、大厚度的該種材質圓鋼的焊接工藝中應突出對于焊接后熱處理工藝及焊接后的冷卻方式進行規(guī)定，主要對于150～200℃區(qū)段的低溫熱處理，細化晶粒，以減少有害組織的產(chǎn)生。在焊接完成后，需進行超聲波探傷，檢查焊接質量，記錄實際焊接深度，若無條件進行超聲波探傷，應進行磁粉探傷，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，或在廣州遭遇孤石，可能會出現(xiàn)土倉中卵石在螺機進渣口有堆積情況，因刀盤旋轉擾動卵石，螺旋輸送機在高速旋轉過程中突然停止，螺旋輸送機軸前端受到較大的慣性沖擊，可能導致螺旋軸斷裂。

預防措施：螺旋輸送機在選材及結構設計時應充分考慮地層因素，合理選材、合理設計，并選擇合適的制造工藝。

2.5 使用管理原因

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

預防措施：在現(xiàn)場施工過程中，要選擇合理的掘進參數(shù)，做好應對復雜地層的相預案，保證較好的渣土改良效果，隨時注意地層及掘進參數(shù)的變化，遇到異常的情況及時做出應急處理，制定應對方案，將設備風險和異常磨損的可能降到最低，加強設備的養(yǎng)護工作，增加施工人員的基本責任感。

3 結論與討論

通過分析成都地鐵及廣州地鐵盾構螺旋輸送機斷軸情況，總結出螺旋輸送機斷軸主要由以下原因導致。

1）設計剛度、強度的分析計算及結構尺寸的選擇不合理導致斷軸。

2）材料選擇不合理或材質不合格導致斷軸。

3）制造工藝（包括執(zhí)行的標準、焊接工藝、質檢等）不合理導致斷軸。

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

由于盾構施工的復雜性，本文僅結合成都地鐵盾構螺旋輸送機斷軸分析其原因，并提出相關預防措施，而實際施工過程中，螺旋輸送機斷軸的原因可能是復雜多樣的，也是多種因素的結合。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斷軸，是有待于進一步研究和討論的。