EPB掘進過程中螺旋機軸的維修更換關鍵技術

錢 超 陳招偉 王振坤

中國葛洲壩集團市政工程有限公司 湖北 宜昌 443002

“EPB”即土壓平衡盾構機，是地鐵隧道暗挖施工盾構工法施工主要設備，隧道的成敗，關鍵在于盾構機的選型，即盾構機各項技術參數、性能選擇與項目地質條件、環境是否相適應。其中，螺旋機是土壓平衡盾構機的重要組成部分，當螺旋機軸在掘進過程中斷裂、損壞時，更換和維修便困難重重。因此，在設計生產過程中，對螺旋軸的材質選擇、設計參數、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間，右線全長2 133.925 m，左線全長2 125.254 m。區間施工工法為盾構法，沿線建筑物主要有三環線高架、融科智谷工業園區、世茂林嶼岸高層小區，區間隧道路側建筑距離1D以內，隧道下穿中石油加油站、側穿三環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（圖1）。

圖1 區間總平面示意

1.1 地質概況

本區間盾構機掘進主要穿越的地層為③2a黏土、⑦2粉質黏土、③2a黏土、⑦3粉質黏土、③2黏土、③2b淤泥質黏土、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，易黏著盾構設備或造成管路堵塞，致使刀盤空轉、槽口及出土管道堵塞，導致地層隆起、沉降；⑨含泥礫卵石層呈稍密～中密狀態，滲水性大、靈敏度高，易產生開挖面失穩、地面沉降及塌陷。

1.2 地質水文

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給，水量、水位與季節性及人為活動關系密切。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高17.50～19.00 m。綜合上述地質、水文條件，該區間優選土壓平衡盾構機。

2 螺旋機工作原理及功能

盾構螺旋機屬于無撓性輸送設備，由液壓驅動，套筒，伸縮油缸，螺旋軸，進、出土閘門等部件組成。根據軸構造不同，可分為有軸螺旋式、無軸帶式2種。工作時，軸旋轉，泥土從進土口充滿套筒，在泥土自身重力和與套筒壁所產生的摩擦力作用下，套筒內的泥土類似不能旋轉的螺母隨軸的旋轉，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的進土口向出土口輸送[1-4]。

本例發生故障的盾構機編號是日立H024的螺旋機，采用的是有軸式螺旋機。盾體規格為φ6 250 mm，原設計用于南水北調工程，完成該項目后，將盾構機改造為φ6 450 mm，用于武漢地鐵本案例區間。

3 故障經過及原因分析

在該區間掘進過程中，經過世茂林嶼岸風井后，前后6次出現螺旋軸斷裂，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動端與螺旋軸連接處，斷裂時，位置均在驅動一端連接軸上，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 螺旋驅動軸三維仿真圖和螺旋驅動軸斷裂面照片

根據分析，發生故障主要是由于應力集中導致。在斷裂處，零件的結構形狀在該位置形成突變，極易產生應力集中。對結構靜力分析的結果顯示，在最大扭矩為132 kN·m時，此處的安全系數為1.35左右；將傳動軸兩端組合分析，靜態情況下，斷裂位置安全系數為1.15左右（圖4、圖5）。

圖4 驅動軸靜力分析

圖5 傳動軸兩端組合分析

螺旋機在使用過程中，承受沖擊載荷，最大應力會達到靜態時的2～3倍，因此在使用過程中易出現結構失效。經分析，造成這一失效的原因為扭矩過大，而產生扭矩過大的原因是該地層黏土改良不佳，導致扭矩超出設計參數。

綜合分析后發現是設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。

4 維修前準備

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，滲水性大、靈敏度高，易造成開挖面失穩、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，在螺旋軸拆除前應從地面修建降水井，水位至少應降至盾體底部以下。由于故障盾構機位于文華大道右側的湯遜湖下，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，用刀盤攪拌，防止了噴涌事故的發生。

4.2 專用工、器具準備

本例中螺旋機的維修更換方案是拆除螺旋機驅動，拔出螺旋軸斷裂段，將螺旋斷裂軸和驅動運出隧道維修、更換，再安裝恢復等。整個維修包括驅動拆除，螺旋軸斷裂段拆除，更換和維修驅動、軸，重新安裝螺旋軸、驅動等4個步驟。螺旋機驅動和螺旋軸需要經過拆除、提升、后移、下放等操作才能放到隧道內平板車上，更換維修驅動軸、螺旋軸后，再經過相反的步驟重新裝回原位。由于拆裝在隧道內實施，操作空間狹小，且無法使用大型起重設備，操作難度大、風險高。為方便拆裝操作，降低作業風險，需在螺旋機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行換位操作，實現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 拆卸前準備

1）制作專用吊裝孔裝置和螺旋機筒端頭封蓋，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數量的10 t馬蹄形卸扣，其中3個卸扣上各掛1個5 t手拉葫蘆，用于螺旋機驅動和軸的拔出、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）將螺旋機軸往后軸向退出，直至螺旋軸最前端退出前閘門，關閉前閘門，通過泡沫系統注入膠凝劑，轉動刀盤，攪拌充分并保壓，檢測土倉土壓。

5）拼裝機爪手旋轉至正上方，拆除螺旋機驅動系統、潤滑系統管線，并對拆除工作面及附近的管線進行保護，避免作業時被破壞。

5.2 驅動拆除、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（本螺旋軸采用兩節設計，中間使用插銷鎖定），采用2根長度適當、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驅動，然后拆除驅動和螺旋機筒的連接螺栓，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，實現移動驅動，直至放到準備好的管片小車上。

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中的方法實現螺旋軸拔出、放平，然后放置到管片小車上。

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

5.3 螺旋軸、驅動重新安裝

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

6 關鍵技術要點

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，查看土倉內的地下水情況，只有在確認土倉內地下水無明流時才能實施。

2）螺旋機拆除前應采取措施穩定地層。

3）定時定量向護盾尾注入密封油脂，防止漏水涌砂。

4）吊具的選擇應該與負載相匹配，防止超載。

5）小空間內安全、有效地拆卸和維修，須制作專用吊裝孔裝置。

7 結語

本案例螺旋機斷軸故障頻發，通過分析存在2個方面的原因：一是設計缺陷，二是黏土改良不佳。對此，可從優化設計、材質選擇、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生。

施工時螺旋機拆開處未出現滲、漏水現象，驗證了本辦法安全可靠，應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量，安全性也得以提高。本辦法起重利用了構筑物結構（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重、大物品的吊裝。