含碎石黏土地层中盾构螺旋输送机故障分析及应对措施

2023-11-23刘春桃刘志贺

今日自动化 2023年7期

刘春桃，刘志贺，王鹏

（中车智能交通工程技术有限公司，北京 100078）

盾构法是修建城市轨道交通隧道较常用的方法。盾构隧道的施工距离一般长达数公里，在开挖过程中可能会遭遇各种复杂工况。若盾构掘进断面夹杂着粒径较大且分布不均的碎石，则隧道施工时较易出现掘进速度变慢、开挖面水土压力波动较大及螺旋输送机故障等问题，威胁着盾构隧道开挖的安全与稳定。目前，对于盾构隧道穿越含碎石黏土地层时遇到的施工风险和应对措施还未形成有效的认识。因此，文章以东南沿海某地区轨道交通盾构隧道工程为背景，分析了盾构在含碎石黏土地层中掘进时遭遇螺旋输送机故障时的应对措施，相关分析和结论可为类似工程的施工提供参考。

1 盾构机及其机械设备概述

盾构法是城市轨道交通隧道建设中较常用的方法之一。其盾构机为核心设备，通过推进盾构机进行地下隧道的开挖和施工。盾构机作为一种复杂的机械设备，包括多个关键组成部分，每个部分协同运作，共同完成隧道开挖任务。

1.1 盾构机基本结构

盾构机通常由刀盘、主轴、螺旋输送机、推进系统、支撑系统等部分组成。刀盘位于盾构机前端，是开挖的主要工具。刀盘上装有刀具和刀齿，可以切削地层并将土层推入螺旋输送机。主轴连接刀盘和推进系统的关键部件，承受刀盘的转动力和推进力，确保盾构机稳定推进。螺旋输送机位于盾构机后部，负责将切削的土层和碎石通过螺旋输送机械输送至盾构机的尾部，进而将土层排出隧道。推进系统通过液压和电动机等设备驱动盾构机，推动整个盾构机向前施工。支撑系统在盾构机开挖过程中，通过安装预制管片等方式支撑隧道壁面，确保施工区域的稳定。

1.2 盾构机工作原理

盾构机工作的基本原理是“掘进—支护—排土”的循环过程。具体如下：①刀盘旋转切削地层，螺旋输送机负责将切削的土层和碎石输送至盾构机尾部；②随着盾构机的推进，支撑系统及时安装预制管片等支撑隧道壁面，防止地层塌方；③排土系统将土层从盾构机尾部排出隧道，完成一次“掘进—支护—排土”循环。

1.3 盾构机穿越含碎石黏土地层中的挑战

盾构机在含碎石黏土地层中进行施工时面临许多挑战，例如：碎石含量较高，增加了刀盘和刀具的磨损；黏土地层的高压缩性，可能导致隧道变形和不稳定；大块混凝土等异物可能导致螺旋输送机排土不畅和断轴故障。盾构机机械设备的故障严重影响施工进度和隧道工程的安全性，特别是在含碎石黏土地层中，机械设备的故障可能更加频繁和严重，因此必须采取适当的措施进行应对和预防。

2 工程及地质概况

文章以东南沿海某地区轨道交通盾构隧道工程为研究背景。该工程长度约860 m，线路平面最小曲线半径为1000 m，最大纵坡为3.942‰。区间隧道采用预制钢筋混凝土管片错缝拼装，管片外径为8500 mm，环宽为1600 mm，混凝土等级C55。区间隧道穿越主要地层为人工填土、淤泥质黏土层及含碎石（角砾）粉质黏土。淤泥质黏土层物理力学性质较差，具有高压缩性，层厚1.5～14.3 m。含碎石（角砾）粉质黏土层的砾石含量约为10%～20%，碎石含量10%，粒径以0.2～4 cm 为主，个别大于6 cm。隧道线路东侧为市政河道，河道宽约30～40 m，勘察期间河面标高约1.500 m，水深1.5～2.5 m，河底淤泥厚0.5～0.8 m，河岸设置浆砌片石护坡。

3 盾构螺旋输送机故障及其原因

3.1 故障情况

盾构机掘进时出现螺旋输送机排土不畅情况，并导致设备停机。此次排土不畅表现为螺旋输送机不排土，但可排出少量泥水。经采取正常操作（正反转螺旋输送机，伸缩螺旋输送机，启闭前土仓闸门），排土没有明显改善。经打开螺旋输送机前部球阀，发现螺旋输送机前部无渣土，判断为：渣土、碎石组合体堵塞螺旋输送机前闸门，并形成“拱包”，且有较大颗粒堵塞前闸门位置和螺旋输送机输送通道。图1为螺旋输送机排出的直径60 cm×40 cm 的混凝土块。

图1 螺旋输送机排出的直径60 cm×40 cm的混凝土块

3.2 螺旋输送机故障原因

经过仔细地检查和分析判断，确认故障原因为螺旋轴断裂，阻碍了前闸门的正常关闭。经与工程图纸进行对比，估计螺旋轴断裂长度约为1.1 m。此时，通过观察穿越河流至今的螺旋输送机排土情况和留存的渣样，发现渣土中夹杂着不同粒径的碎石、混凝土、钢筋等异物，其中最大粒径约为60 cm×40 cm。在与盾构机厂家共同分析后初步判定，这次螺旋输送机断轴是由于盾构机洞身范围地层含有接近螺旋输送机出土能力极限的大块混凝土，而这些大块混凝土可能来自附近大桥桩基冲桩的残留物。

为了解决这个问题，盾构机厂家和施工团队需要共同合作，采取有效的措施。施工团队方面，需提前在盾构机洞身范围内进行地层勘探，及时发现潜在的大块混凝土区域，并进行相应处理。盾构机厂家方面，需在设计和制造螺旋输送机时考虑可能遇到含碎石黏土地层的情况，并提高螺旋输送机的出土能力，以应对类似的挑战。此外，定期对螺旋输送机进行维护和检查，确保其在施工过程中的正常运行，也是预防类似故障发生的重要措施。

综上所述，螺旋输送机故障是由于盾构机洞身地层中含有超出其出土能力极限的大块混凝土所导致。通过采取相应措施可以有效预防和解决这类机械故障，确保盾构施工的顺利进行。这对未来类似工程的设计与施工提供了重要的经验教训。

4 螺旋输送机维修及应急措施

4.1 维修措施

（1）在排土不畅的情况下，应对排土通道进行彻底检查，清除可能导致不畅的大颗粒、碎石等异物。具体操作如下：①在土仓内添加适量的水和泡沫，增加土层的润滑性和流动性，并通过反向旋转螺旋输送机来破坏“拱包”，使排土通道恢复畅通；②在土仓内插入部分大颗粒材料，如20 cm×20 cm×60 cm 方木，并注入泡沫，然后反向旋转螺旋输送机，以帮助打破“拱包”，恢复螺旋输送机的排土功能。

（2）对于螺旋输送机断轴的情况，需做到以下几点：①安装安全门确保维修人员的安全；②将断裂的螺旋轴临时焊接在主轴上，防止其阻碍前闸门的关闭；③使用松动千斤顶油缸等工具，将断轴安全拉出前闸门范围；④完成上述步骤后，关闭前闸门，避免泥水涌入螺旋输送机内，导致土仓失压；⑤修复断轴，确保其完整性和稳固性。

（3）维修后的测试和检验也十分重要。进行螺旋输送机的功能测试，确保其排土畅通和运行正常，并对维修质量进行检验，确保螺旋输送机符合设计要求和安全标准。螺旋输送机恢复正常工作后，还需对其进行持续监测和观察，以及时发现和解决潜在的问题。

（4）为了保障螺旋输送机的长期稳定运行，必须定期进行维护保养。建立定期检查机制，对螺旋输送机进行检查，包括润滑油、密封件等的检查和更换。同时，对螺旋输送机的排土通道、输送通道及土仓等部分进行清理和保养，防止碎石等异物堆积。定期维护润滑系统，确保其正常运转和使用寿命。

综合采取上述维修和维护保养措施，可以有效应对螺旋输送机故障，并保障盾构机的正常运行和施工安全。在实际施工中，维修工作应由经验丰富的专业人员进行，并严格遵守安全操作规程，确保维修工作的顺利进行和人员的安全。

4.2 维修期间应急措施

为了应对螺旋输送机断轴故障，并防止在拔出断裂的螺旋轴时导致泥水涌入螺旋输送机内，引起土仓失压和地面过大沉降，需采取地面注浆加固和土仓卸压措施。

（1）地面注浆加固。这种加固方法采用水泥、水玻璃双液浆，通过地面引孔后退式注浆的方式，对刀盘顶部和掌子面前方土体进行挤密，以增加土体的稳定性。注浆的浆液配比为水泥浆水灰比1 ∶1，水玻璃溶液浓度18～25°Bé，水泥浆和水玻璃溶液体积比例为1 ∶1。根据注浆位置的不同，选择不同初凝时间的浆液：靠近刀盘或盾体注浆孔位，采用初凝时间较短的浆液，20～30 s；远离刀盘或盾体注浆孔位，采用初凝时间较长的浆液，30～60 s。每个注浆孔位的注浆量不少于2 m3，注浆压力不超过0.2 MPa，并确保注浆引起的地面隆起不大于1.5 cm。为了保持注浆的均匀性和有效性，注浆孔位采用梅花形布置，间距设置为1 m。在进行注浆加固前，还需要通过改性水玻璃和膨润土的注浆施工来填充土仓上部空间和包裹盾体。

（2）土仓卸压。地面注浆加固完成后，采用松动千斤顶油缸，打开土仓壁上的6个球阀，使刀盘上部约2m 范围为空腔，保持气压状态，而下部则是实土。通过钢筋插入，确认无泥水涌出，并观察到渣土具有较大粘性和流动性差的特点。

整个维修过程需要高度的技术操作和安全意识。应严格按照相关操作规程进行施工，确保维修措施的有效性和维修工作的安全进行。同时，定期检查和维护盾构螺旋输送机，及时处理潜在问题，是确保盾构隧道施工安全和顺利进行的重要措施。