盾構施工階段螺旋軸尾端斷裂修復方法

楊凌霄

（武漢重型機床集團有限公司，湖北武漢 430200）

0 引言

盾構螺旋機輸送機在施工過程中主要作為渣土輸送和建立土壓平衡的手段，渣土在螺旋筒內通過螺旋葉片傳輸將土倉壓力降至常規壓力，并從螺旋機閘門排出至皮帶機上。如圖1 所示，螺旋輸送機安裝在前盾底部，大約呈23°左右角度斜穿管片拼裝機回轉中心，螺旋軸前端伸入土倉，尾端由液壓馬達驅動。

圖1 土壓平衡盾構機主機部分

1 問題情況

某臺常規土壓平衡盾構機在西安地鐵建設項目施工階段，在黏土地層中出現大量未勘測到的強度60 MPa 以上的孤石碎塊，導致螺旋機長時間在高速、高扭矩情況下運轉，并經常出現螺旋機卡停情況，通常盾構機操作司機會通過快速頻繁正反切換螺旋軸旋轉方向來恢復螺旋軸卡死故障。在一次螺旋機卡死后，操作人員做恢復操作過程中，突然發現螺旋機正常高速旋轉并且扭矩降至0，通過聽螺旋筒外部聲音，發現螺旋軸并沒有旋轉。現場施工人員隨即打開螺旋機尾端側面法蘭蓋板觀察，發現螺旋軸在離馬達15 cm 左右位置斷裂，斷裂位置如圖2 所示。由于螺旋機筒中渣土的作用，斷裂部分螺旋軸未向下掉落。

圖2 螺旋軸斷裂位置

2 螺旋輸送機結構介紹

該螺旋輸送機為中心螺桿式結構，由筒體、中心軸、葉片、傳動部分和筒體伸縮油缸組成，通過螺旋葉片轉動對渣土進行定向輸送，能輸送具有一定摩擦力的渣土，具有很好的抵抗土壓、控制土壓沿輸送衰減、保持土壓動態平衡的能力，適用于所有土壓平衡盾構機使用，中間伸縮結構可用于螺旋機修復和前防水閘門關閉。其主要規格參數：螺旋輸送機總長12 500 mm，螺旋軸直徑220 mm，螺旋葉片直徑850 mm，螺旋筒最大伸縮行程1000 mm，螺旋機最大正轉轉速22.1 r/min，螺旋機最大反轉轉速7.2 r/min。

3 斷軸修復

考慮到斷裂位置離螺旋驅動部分的軸承位置只有15 cm，在定位焊接時，焊接熱影響會燒壞密封，因此，修復焊接過程必須先將螺旋機驅動與螺旋軸分離。

3.1 修復前準備

拆除螺旋機卸料閘門處擋泥板等設備，為人工作業留出工作空間，清理卸料閘門區域糊在筒壁上的渣土，打開側面的法蘭蓋板接入電燈和鼓風設備，并在周邊工作區域鋪上石棉防火布。

3.2 斷裂位置焊接坡口制作

利用螺旋機中間筒伸油缸將后部螺旋筒向后移動，將螺旋軸斷裂的兩部分分離。作業工人站在皮帶機上，從卸料閘門處進入作業區域，清理打磨兩個斷面，并在下部軸端面制作焊接坡口：先用碳弧氣刨，再打磨，坡口角度45°，坡口深度80 mm。

3.3 初步定位

將驅動部分回縮，使兩個斷面基本靠攏，通過測量周圈軸外圓對齊檢測兩斷軸的同軸度，若不符合要求，利用螺旋機驅動緩慢轉動上半部斷軸，找到周圈對齊最好的位置，采用馬板骨架將兩端軸連接；再將伸縮筒伸出，使驅動部分帶動整根螺旋軸向后移動1 m。

3.4 驅動分離

由于在隧道內各種限制，螺旋機驅動在隧道內安裝定位非常困難，拆卸連接螺栓后，采用1 m 長絲桿繼續連接，方便后續回裝。①拆除驅動與筒體整圈連接螺栓，周圈采用8 根絲桿均布連接；②固定螺旋機驅動部分與盾構機連接橋連接，回縮螺旋機筒體80 cm，使螺旋機驅動帶軸與筒體分離；③連接螺旋軸與上半筒體，焊接牢固；④拆除螺旋軸與驅動連接螺栓，采用4 根絲桿均布連接；⑤螺旋機筒體帶動螺旋軸回縮20 cm，使螺旋軸與驅動部分完全分離，并使斷裂部位處于螺旋筒外部。

3.5 焊接修復

使用火焰割槍對焊接部位預熱至220 ℃左右，使用二氧化碳保護焊，采用ER50-6 焊絲對斷裂部分坡口進行焊接，焊接采用多層多道圓周均勻焊接，焊接完成后采用防火石棉覆蓋緩慢冷卻，以防止熱應力導致內部缺陷。

3.6 檢測探傷

檢查螺旋軸對焊后的同軸度，采用超聲波探傷檢測焊縫熔深，看是否焊縫位置及焊縫周邊存在內部缺陷，再采用著色探傷檢查焊縫位置及周邊是否存在缺陷。

3.7 驅動回裝

回裝步驟：①向后伸出筒體及軸，使螺旋軸法蘭與驅動連接，拆除絲桿，安裝連接螺栓，并打扭矩；②拆除螺旋筒體與螺旋軸連接工裝，繼續向后伸螺旋筒體，使筒體與驅動連接，拆除絲桿，安裝連接螺栓，并打扭矩；③拆除驅動固定工裝，整體回縮螺旋機筒體。

3.8 試機

檢查并恢復螺旋機及周邊設施，確認無誤后開始試機。先慢速正向轉動螺旋機，然后逐漸加大轉速至最大轉速，觀察螺旋機出土情況，聽螺旋機工作是否有異響；再反向旋轉螺旋軸緩慢至最大轉速，所有檢查參數按出廠標準進行檢驗。

至此，完成螺旋軸尾端斷裂的修復工作。修復后，該盾構機螺旋機恢復正常，隨后投入正常使用，至該隧道區間掘進結束。

4 結語

螺旋輸送機是土壓平衡盾構機重要的組成部分，在施工過程中應認真分析相關資料，操作人員應重視盾構機參數變化，及時調整掘進參數。通過本次螺旋軸尾端斷裂修復處理，在汲取教訓的同時獲得以下經驗：①根據地質情況變化，盾構機掘進參數要隨時調整，不能為施工進度而放棄其他，應對特殊情況時，需充分借鑒類似底層掘進經驗，對可能發生的問題做足論證和研究，提前采取應對措施；②焊接工藝和焊接質量是影響螺旋軸修復成敗的直接因素，必須選擇技術經驗水平高超的技術工人，控制焊接變形和焊接質量，去應力和探傷措施必須及時到位；③隧道內作業由于空間和環境限制，每一步工序前必須充分考慮后續恢復作業是否方便，提前準備好應對措施，節省作業時間。