EPB掘进过程中螺旋机轴的维修更换关键技术

钱 超 陈招伟 王振坤

中国葛洲坝集团市政工程有限公司 湖北 宜昌 443002

“EPB”即土压平衡盾构机，是地铁隧道暗挖施工盾构工法施工主要设备，隧道的成败，关键在于盾构机的选型，即盾构机各项技术参数、性能选择与项目地质条件、环境是否相适应。其中，螺旋机是土压平衡盾构机的重要组成部分，当螺旋机轴在掘进过程中断裂、损坏时，更换和维修便困难重重。因此，在设计生产过程中，对螺旋轴的材质选择、设计参数、制造焊接工艺要求等极为苛刻。

1 概况

武汉轨道交通一地铁区间，右线全长2 133.925 m，左线全长2 125.254 m。区间施工工法为盾构法，沿线建筑物主要有三环线高架、融科智谷工业园区、世茂林屿岸高层小区，区间隧道路侧建筑距离1D以内，隧道下穿中石油加油站、侧穿三环线高架桥桩和巡司河桥桩，下穿中压天然气管道，并在接收段有近300 m长的浅覆土区（图1）。

图1 区间总平面示意

1.1 地质概况

本区间盾构机掘进主要穿越的地层为③2a黏土、⑦2粉质黏土、③2a黏土、⑦3粉质黏土、③2黏土、③2b淤泥质黏土、①3淤泥、⑨含泥砾卵石。①3、③2、③2b呈流塑状，具高压缩性，灵敏度高，对土压平衡和地面沉降较难控制；⑦2、③2a呈软塑状，该土层具有高黏性，易黏着盾构设备或造成管路堵塞，致使刀盘空转、槽口及出土管道堵塞，导致地层隆起、沉降；⑨含泥砾卵石层呈稍密～中密状态，渗水性大、灵敏度高，易产生开挖面失稳、地面沉降及塌陷。

1.2 地质水文

沿线场地地表水主要有野芷湖、汤逊湖、巡司河及沿线鱼塘、菱角塘等，主要接受大气降水补给，水量、水位与季节性及人为活动关系密切。沿线地下水主要类型有上层滞水、孔隙承压水、碎硝岩裂隙水等。上述几类地下水中，以上层滞水及孔隙承压水对拟建工程的影响最为突出，勘察期间测得水位标高17.50～19.00 m。综合上述地质、水文条件，该区间优选土压平衡盾构机。

2 螺旋机工作原理及功能

盾构螺旋机属于无挠性输送设备，由液压驱动，套筒，伸缩油缸，螺旋轴，进、出土闸门等部件组成。根据轴构造不同，可分为有轴螺旋式、无轴带式2种。工作时，轴旋转，泥土从进土口充满套筒，在泥土自身重力和与套筒壁所产生的摩擦力作用下，套筒内的泥土类似不能旋转的螺母随轴的旋转，沿着轴的轴向作平移滑动，使泥土只能在叶片的推送下沿着螺旋机的进土口向出土口输送[1-4]。

本例发生故障的盾构机编号是日立H024的螺旋机，采用的是有轴式螺旋机。盾体规格为φ6 250 mm，原设计用于南水北调工程，完成该项目后，将盾构机改造为φ6 450 mm，用于武汉地铁本案例区间。

3 故障经过及原因分析

在该区间掘进过程中，经过世茂林屿岸风井后，前后6次出现螺旋轴断裂，2次断裂位置集中在螺旋轴端部，如图2所示，断口齐平；4次主要断裂位置集中在驱动端与螺旋轴连接处，断裂时，位置均在驱动一端连接轴上，断裂截面齐根断裂，见图3中的六方体根部。

图2 螺旋轴端部断裂部位及实物

图3 螺旋驱动轴三维仿真图和螺旋驱动轴断裂面照片

根据分析，发生故障主要是由于应力集中导致。在断裂处，零件的结构形状在该位置形成突变，极易产生应力集中。对结构静力分析的结果显示，在最大扭矩为132 kN·m时，此处的安全系数为1.35左右；将传动轴两端组合分析，静态情况下，断裂位置安全系数为1.15左右（图4、图5）。

图4 驱动轴静力分析

图5 传动轴两端组合分析

螺旋机在使用过程中，承受冲击载荷，最大应力会达到静态时的2～3倍，因此在使用过程中易出现结构失效。经分析，造成这一失效的原因为扭矩过大，而产生扭矩过大的原因是该地层黏土改良不佳，导致扭矩超出设计参数。

综合分析后发现是设计缺陷和渣土改良不佳这2个方面共同造成了断轴故障频发。

4 维修前准备

4.1 水位查探

水位查探是螺旋轴更换前必须要做的工作之一，因故障时盾构刀盘所处地层③2黏土呈流塑状，具高压缩性；⑨含泥砾卵石层呈稍密～中密状态，渗水性大、灵敏度高，易造成开挖面失稳、地面沉降及塌陷。

为防止螺旋井拆除时从拆除口涌水、涌砂事故，在螺旋轴拆除前应从地面修建降水井，水位至少应降至盾体底部以下。由于故障盾构机位于文华大道右侧的汤逊湖下，场地不能采取降水井降水。通过专家分析，最终采用向土壤添加胶凝剂方案，改变其透水性，将胶凝剂注入土仓内，用刀盘搅拌，防止了喷涌事故的发生。

4.2 专用工、器具准备

本例中螺旋机的维修更换方案是拆除螺旋机驱动，拔出螺旋轴断裂段，将螺旋断裂轴和驱动运出隧道维修、更换，再安装恢复等。整个维修包括驱动拆除，螺旋轴断裂段拆除，更换和维修驱动、轴，重新安装螺旋轴、驱动等4个步骤。螺旋机驱动和螺旋轴需要经过拆除、提升、后移、下放等操作才能放到隧道内平板车上，更换维修驱动轴、螺旋轴后，再经过相反的步骤重新装回原位。由于拆装在隧道内实施，操作空间狭小，且无法使用大型起重设备，操作难度大、风险高。为方便拆装操作，降低作业风险，需在螺旋机后上方的隧道管片顶部制作安装专用吊装孔装置（见图6，该装置由开孔间距500 mm、厚20 mm钢板以及垂直焊接于该钢板的多个夹板吊耳组成，安装于管片螺栓上），配合葫芦安装于不同孔位进行换位操作，实现沿隧道轴向前后移动吊装。

图6 吊装孔装置

5 维修更换步骤

5.1 拆卸前准备

1）制作专用吊装孔装置和螺旋机筒端头封盖，专用吊装孔装置采用长宽为12 000 mm×150 mm、厚20 mm钢板制作，在适当位置开孔，孔径40 mm，孔距500 mm，采用叉型小钢板，与其垂直焊接，再将小钢板端部开孔安装于管片螺栓上，最终组成如图6所示的装置，并在开孔上安装适当数量的10 t马蹄形卸扣，其中3个卸扣上各挂1个5 t手拉葫芦，用于螺旋机驱动和轴的拔出、移动、放倒工作。

2）拆除皮带斜坡段，采用电瓶车将其运出洞外，为螺旋输送机拆除部件留出外运空间。

3）打开出土口闸门、1#检查口，将断口两端泥土清洗干净，采用小钢板将断口临时连接。

4）将螺旋机轴往后轴向退出，直至螺旋轴最前端退出前闸门，关闭前闸门，通过泡沫系统注入胶凝剂，转动刀盘，搅拌充分并保压，检测土仓土压。

5）拼装机爪手旋转至正上方，拆除螺旋机驱动系统、润滑系统管线，并对拆除工作面及附近的管线进行保护，避免作业时被破坏。

5.2 驱动拆除、拔出螺旋轴

1）打开2#检修口，查看渗水情况，若安全（若不安全，则再次注入化学胶凝剂，直至安全），则清理泥土，直至裸露出螺旋轴连接处（本螺旋轴采用两节设计，中间使用插销锁定），采用2根长度适当、φ32 mm螺纹钢，将螺旋轴下半段与筒体焊接固定，保证下半段不能活动，拆除螺旋轴连接销键，关闭2#检修口。

2）断开断口临时连接，用2个手拉葫芦固定好螺旋机驱动，然后拆除驱动和螺旋机筒的连接螺栓，再利用第3个手拉葫芦，参与在特制吊装孔装置上倒换手拉葫芦的方法，实现移动驱动，直至放到准备好的管片小车上。

3）在断轴端部焊接吊装孔，利用特制吊装孔装置上挂手拉葫芦，固定好螺旋轴上焊接的吊装孔，并采用上步2中的方法实现螺旋轴拔出、放平，然后放置到管片小车上。

4）关闭1#检查口、出口闸门，螺旋筒驱动拆除端采用特制螺旋机筒端头封盖封堵，保证拆除后防喷涌。

5.3 螺旋轴、驱动重新安装

螺旋轴、驱动重新安装是驱动拆除、拔出螺旋轴的逆过程。首先拆除特制螺旋机筒端头封盖，将螺旋轴安装到螺旋机筒体内，并与螺旋轴下半段对接，安装锁定插销；将驱动吊装到位，对接并安装锁定销轴，去除2#检查口内临时固定螺纹钢，关闭观察口，安装管线，打开前闸门，将螺旋轴插入土仓并调试。

6 关键技术要点

1）控制渗水。为保证螺旋轴拔出过程中的施工安全，拆除前必须通过土仓隔板上的球阀开启，查看土仓内的地下水情况，只有在确认土仓内地下水无明流时才能实施。

2）螺旋机拆除前应采取措施稳定地层。

3）定时定量向护盾尾注入密封油脂，防止漏水涌砂。

4）吊具的选择应该与负载相匹配，防止超载。

5）小空间内安全、有效地拆卸和维修，须制作专用吊装孔装置。

7 结语

本案例螺旋机断轴故障频发，通过分析存在2个方面的原因：一是设计缺陷，二是黏土改良不佳。对此，可从优化设计、材质选择、提升渣土改良效果等方面解决，避免类似工程安全隐患的发生。

施工时螺旋机拆开处未出现渗、漏水现象，验证了本办法安全可靠，应用吊装孔辅助装置后效率显著提高（从第1次的15 d，到后来7 d即可完成维修工作），该装置与在一个管片螺栓上吊装相比增加了起吊质量，安全性也得以提高。本办法起重利用了构筑物结构（管片）作为吊装受力点，适用于空间狭小、吊装受力点受限的有管片衬砌的隧道内重、大物品的吊装。