盾构螺旋输送机隧道内拆卸与维修

 

1 螺旋输送机技术特点

螺旋输送机的功能是将刀盘开挖下来的渣土从盾构土仓排出，其入口位于土仓内，螺旋输送机采用液压马达由减速机直接驱动，其输出端通过驱动环带动螺杆旋转。西安地铁项目使用的土压平衡盾构，由于考虑到在砂层中施工，所以采用对止水性更为有利的装置，配置了可伸缩的有轴螺旋机和可关闭土仓的前闸门，并在螺旋机的后部排土口设置了二道由液压油缸控制的防喷涌排土闸门，以控制排土量；且安装有行程传感器，可根据盾构掘进速度和土仓压力的大小在主控室内有效控制闸门的开启度，随时调节排土量来实现土塞效应，以形成良好的排土和止水效果。螺旋输送机的防喷涌闸门如图1所示。

防喷涌排土闸门的结构及其拆卸位置

 

在涌水较多的场合，可以通过先将第1道闸门关闭，第2道闸门开启将渣土存放在出口处，然后将第2道闸门关闭，第1道闸门开启，把渣土排放出。

 

排土闸门的液压系统中设有蓄能应急装置，在突然断电、液压泵站停止工作的情况下，可启动蓄能装置关闭排土闸门。

 

在螺旋机前中后位置各开有1个维修观察窗，以方便工作人员对螺旋机的维修和障碍物的排除。螺旋输送机的筒体上设有3个添加剂注入孔，必要时可以加注添加剂，以改良渣土，提高排土效率。

 

螺旋轴采用驱动端固定，另一端浮动的支撑形式，取土端的外壳焊接有耐磨合金，螺旋叶片边缘焊有硬质合金块，叶片受渣土摩擦的一面堆焊有硬质合金条纹，这些设计使得螺旋机具有较好的耐磨性能（见图2）。

 

2 螺旋输送机隧道内拆卸技术

2008年2月7日，盾构掘进作业时，螺旋输送机不能正常排土，压力高达300bar。经检查，主要故障为螺旋输送机尾部驱动环部位的叶片断裂，需整体拆出，运至工厂进行返修。

 

1）拆除防撞梁　拆除盾构防溜车装置的防撞梁，用双轨梁吊机将防撞梁吊至管片车上运出，铺设轨道至最前方管片安装机下，并安装好防撞轨挡，以防止管片车撞到管片安装机上。

 

2）拆除螺旋机后方装置　割断皮带机皮带，将皮带拖到一号拖车后，将设备桥上的皮带机的前半截机架解体吊到管片车上运出，拆除螺旋输送机后部平台。使得螺旋输送机后方无阻碍物。

 

3）拆除防喷涌闸门　由于螺旋输送机整体长度近11m、重14t，因此，在管片安装完毕后，将螺旋输送机整体拆除是十分困难的。根据螺旋输送机的结构，先将螺旋机后部的防喷涌闸门从驱动套上先行拆除（见图1），在管片的连接螺栓上安装吊耳，利用手拉葫芦吊出，放置在管片车上运出隧道。

 

4）缩回螺杆，关闭前仓门　螺旋输送机的防喷涌装置拆卸完毕后，利用螺旋输送机的伸缩油缸将螺杆全部缩回，然后将前舱门关闭使得盾构土仓与隧道外部密闭保压，并确认前舱门关闭严实。然后将盾构的调试测试线接上，使得盾构在不转动螺旋输送机和刀盘的情况下空推前进建立土压，在监测盾构前方土压的同时，加强地面监测，实时监测地表沉降，应避免由于土压降低导致地面沉降，可适当稍小推进，以保持土压。

 

5）在盾尾上焊承力吊耳　在建立好土压后，如果盾构推进油缸行程太短（即盾尾内有一环半管片），可使用管片安装机将上部管片拆掉两块，拆下的管片用管片车运出，然后在已拆除管片的盾尾上部焊接两个吊耳，吊耳沿着盾构轴线方向布设，这两个吊耳是拆除螺旋输送机的主要承力吊耳。必要时，在吊耳两侧焊接人字撑，撑腿支在两侧的梁上。

 

6）拆除螺旋机的管线　拆除螺旋输送机的所有管线，并将每根管线进行标识。将管片安装机伸缩油缸伸出，顶至下面的管片上，为螺旋输送机的拆除腾出空间。

 

7）拆除螺旋机　利用盾尾上焊接的吊点及盾壳内原有吊点，配合管片螺栓上的吊点，使用倒换手拉葫芦的方法将螺旋输送机向后平移，直至螺旋输送机完全平放，吊至管片车上固定后运出洞外。

 

3 螺旋机的修理工艺

造成此次螺旋输送机叶片断裂（见图3）的原因有二：①加工工艺不正确，造成螺旋输送机同轴度误差较大，螺旋机运转时螺旋轴与筒体间隙偏小，运转扭矩大；②焊接质量存在问题。

 

由于造成螺旋输送机叶片断裂的主要原因是加工工艺不正确，因此进行焊接修复不能满足质量和使用要求，需重新加工制造螺旋输送机驱动环及叶片，同时对螺旋输送机轴进行加工、维修。加工、焊接和维修方案以及工艺流程如下：

 

1）部件解体　螺旋输送机拆出后，将螺旋输送机全部解体，将驱动环与螺旋轴分断，再将螺旋轴从两节联接处割开，抽出连接的六方轴的销子（螺旋轴末端方向），将螺旋轴分成两截。

 

2）新叶片铸造　将驱动环内的断叶片用气割将焊缝割开，将半周断叶片取出，打磨飞边毛刺，用造型模具重新铸造半周新叶片，两端各加长100mm，铸造完成后进行退火处理。

 

3）清洗打磨　将螺旋输送机解体件清洗干净，在螺旋轴断叶片处开双向坡口，打磨光滑。

 

4）焊接　焊接分两部分，一是带式叶片之间的焊接；二是螺旋轴与驱动环之间的焊接，驱动环材料为45#钢，焊接性能较差，需合理的焊接工艺才能保证焊接质量（焊前预热150℃～250℃；焊后进行去应力热处理，一般600℃～650℃保温3h～4h）；焊接位置在螺旋机最关键部位，此处有唇形密封、马达、大齿圈、小齿轮等关键部件（见图4），焊接、预热及后热时均可能对关键部件产生损害。焊接工艺为：将铸造好的新叶片按焊接要求开焊接坡口，将新叶片与螺旋轴叶片断开处焊接成一体，保证螺旋叶片的外径一致，不要有过大的偏差，在新制的叶片工作面上Æ670mm以内焊接耐磨层，进行Æ670mm机加工。将加工完的Æ670mm螺旋轴，与新制的已加工好的内孔驱动环焊接成一体，补焊耐磨层，加工驱动环的外径尺寸，钻法兰盘与齿圈连接孔。

 

5）装配与试验将加工好的螺旋轴与齿圈装为一体，将两截螺旋轴通过六方轴定位，将叶片焊接成一体。完成组装后利用外接泵站进行转动试验。

 

4 隧道内拆修的安全措施

1）及时密封土仓　螺旋机拆除后，使用石棉垫和薄钢板将螺旋输送机分断处的法兰密封起来，以确保土仓压力，防止地下水渗入隧道内、以免造成开挖面失稳和地面沉降。

 

2）加强盾尾油脂的注入　为避免长期停机造成地下水从盾尾密封处渗入隧道，应加强盾尾油脂的注入。

 

3）利用推进系统进行土仓保压　螺旋输送机分断处的法兰接口用石棉垫片封闭后，仍应密切监测土仓压力，并加强地面监测，土压值应稍大于开挖面的水土土压力，土压稍有降低时可稍小推进，以保持土压。

 

4）利用土仓压力调节系统保压　如果盾构前方土质自稳性能不好时，必要时，可利用土仓压力调节系统（见图5）进行保压。压力传感器采集到的土仓气压与设计土压进行比较，当气压过大（大于设计土压时）时，PLC系统自动控制打开减压阀，排出一部分气体，以维持土仓压力恒定，确保土仓气压始终满足开挖面土体稳定。

 

螺旋输送机在盾构施工的中途拆修必须特别注意施工安全。丹麦的斯多贝尔特海峡隧道施工时，就因维修螺旋输送机造成在盾构的土仓和海水之间形成了一个水力通道，海水以极快的速度突然大量涌入隧道并流进相邻的另一条隧道，淹没了斯普罗岛的部分工地现场。通过潜水员用粘土覆盖盾构上方的海水通道，抽除隧道内涌水并修复隧道，10个月后才恢复推进。因此，螺旋机拆修时，必须采取有效的安全措施。