張濤

（中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司，重慶 400065）

盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送系統(tǒng)包含螺旋筒、螺旋軸、出碴閘門、驅(qū)動(dòng)單元、液壓及控制系統(tǒng)等組成部分，將螺旋器伸入土倉內(nèi)促進(jìn)土體連續(xù)排出，在此過程中，使機(jī)內(nèi)土體形成密封土塞，保持土倉內(nèi)土壓的動(dòng)態(tài)平衡。然而，受施工環(huán)境變化的影響，易導(dǎo)致螺旋輸送系統(tǒng)出現(xiàn)磨損、卡滯等問題，對其技術(shù)改造提出了迫切要求。

1 盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送系統(tǒng)不適用情況分析

1.1 螺旋軸斷裂

以某地鐵工程隧道盾構(gòu)項(xiàng)目為例，在項(xiàng)目施工過程中，發(fā)生螺旋軸斷裂問題，且螺旋軸葉片單邊磨損約為100mm。針對其螺旋軸斷裂原因進(jìn)行分析，大體包含以下四點(diǎn)：其一，是材料問題，工程選用的盾構(gòu)機(jī)螺旋器軸尺寸為φ244.5×30，選取20#鋼材料制造，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為120kN·m，結(jié)合20#鋼的抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度數(shù)值，可得出該螺旋器軸的最大剪切力為62MPa，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度有待提升；其二，是磨損問題，由于葉片單邊磨損較為嚴(yán)重，易因刀具碎塊進(jìn)入葉片與筒體間的間隙導(dǎo)致螺桿卡死，進(jìn)而增大傳輸轉(zhuǎn)矩；其三，是焊接問題，螺旋軸斷裂后通常會(huì)采用焊接方式進(jìn)行補(bǔ)修，焊接后，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力未得到有效釋放，易引發(fā)螺旋軸多次斷裂問題；其四，是碴土性能，為滿足盾構(gòu)機(jī)開挖需求，通常會(huì)選取發(fā)泡劑進(jìn)行碴土性能改良，而發(fā)泡劑系統(tǒng)供給量不足將導(dǎo)致設(shè)備處于超負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，引發(fā)螺旋軸多次斷裂問題。

1.2 后閘門磨損

以某電纜隧道工程土建項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目盾構(gòu)區(qū)間長度為3966m 左右，其中，SJ2-SJ3 井區(qū)間總長度為983.4m。工程選用的盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑為4850mm，由于在該工程中涉及不良地層與空間條件的限制，因此，其螺旋輸送系統(tǒng)的后閘門采用單閘門形式，開口方向與掘進(jìn)方向相反，后閘門采用Q345B 材料制成，其上面板與下部支撐框架為焊接結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 上面板與下部支撐框結(jié)構(gòu)示意圖

該工程中，SJ2-SJ3 井的埋深為9.2 ～12.7m，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的具體參數(shù)設(shè)置如表1 所示，致力于將礫質(zhì)黏性土層改良為流塑狀態(tài)。由于掘進(jìn)作業(yè)區(qū)的地下水、地表水較為豐富，導(dǎo)致螺旋輸送系統(tǒng)難以形成土塞效應(yīng)，其后部壓力始終保持在0.8bar 左右，在長期作業(yè)過程中，礫質(zhì)黏性土中的石英顆粒反復(fù)沖刷后閘門，導(dǎo)致后閘門產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。

表1 盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的參數(shù)設(shè)置情況

1.3 螺旋輸送系統(tǒng)無法伸縮

部分螺旋輸送機(jī)未設(shè)有伸縮功能，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，開展掘進(jìn)作業(yè)經(jīng)常面臨以下兩項(xiàng)問題：其一，是由于螺旋輸送機(jī)無法伸縮，導(dǎo)致其前端缺少閘門，在緊急情況下無法順利收回螺旋輸送機(jī)、關(guān)閉進(jìn)土口；其二，是無法靈活移動(dòng)螺旋軸，易引發(fā)卡滯問題，并且還會(huì)增大檢修作業(yè)環(huán)節(jié)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送系統(tǒng)的技術(shù)改造思路探討

2.1 螺旋器改造技術(shù)

2.1.1 材料選取與尺寸計(jì)算

為解決螺旋器多次斷裂問題，需針對螺旋器制造工藝進(jìn)行改進(jìn)，選用規(guī)格為φ250×48 的20#鋼管作為原材料，其抗扭截面系數(shù)為：

在保持最大轉(zhuǎn)矩120kN·m 恒定的情況下，圓軸的最大剪切應(yīng)力為：

2.1.2 螺旋葉片改造

為解決葉片磨損問題，擬在保留葉片原外圓節(jié)距、葉片厚度等參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取厚20mm 的硬質(zhì)合金板條焊接在葉片外圓處，以此提高葉片的耐磨性。

2.1.3 螺旋軸制造

在螺旋軸制造工藝改進(jìn)方面，首先，將螺旋軸軸頭拆下，依照φ154×10 的尺寸完成止口加工，將焊接后螺旋軸與軸頭的總長度控制為9171mm；隨后調(diào)直鋼管，將其直線度控制在5mm 左右；選用模具將葉片壓制成型。在焊接過程中，注意控制螺距，并完成耐磨板的焊接；接下來將軸頭裝回，調(diào)平、固定軸承座，將螺旋軸的另一端焊接工藝軸，利用托輪作為支承，并完成螺旋軸與軸頭的焊接處理，將同軸度設(shè)為6mm。在此過程中，還需加強(qiáng)對技術(shù)要點(diǎn)的把控。例如，確保葉片與螺旋軸執(zhí)行分段對稱施焊，在焊接耐磨板前，需對其進(jìn)行高溫烘烤，待完成焊接處理后，需校正螺旋軸的直線度，并且在焊接新舊螺旋軸前，需做好同軸度的校對處理。

2.2 后閘門結(jié)構(gòu)改良

2.2.1 新閘板材料選取

為克服后閘門的磨損問題，選取Hardox400 板作為閘板材料，該材料的布氏硬度為400HB，可選用氣割加工工藝進(jìn)行焊接，且具備良好的冷彎性能，可借助冷加工成型，適用于抗磨損工況，具備較高的耐磨強(qiáng)度。

2.2.2 上面板與下部支撐框安裝

由于后閘門采用單閘門形式設(shè)置，通過針對其受力部位進(jìn)行分析，擬選定后閘門長期受泥沙沖刷部位，選用Hardox400 板進(jìn)行可更換式部件設(shè)計(jì)。在尺寸設(shè)計(jì)上，將上面板的長、寬、厚度設(shè)為300×45×12mm，選取沉頭螺栓進(jìn)行固定處理；將下部支撐框的長、寬、厚度設(shè)為330×47×12mm，并選取沉頭螺栓進(jìn)行固定（如圖2 所示）。在完成板材選取與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，保持地層、掘進(jìn)參數(shù)不變，選定在700mm 位置進(jìn)行部件更換。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在盾構(gòu)掘進(jìn)1200m 的條件下，新后閘門板磨損約60mm、上面板與下部支撐結(jié)構(gòu)沿厚度方向約磨損6mm，由此證明，改進(jìn)后可有效解決后閘門磨損問題，為盾構(gòu)施工安全提供有力保障。

圖2 安裝Hardox400 板后的上面板與下部支撐框結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 增設(shè)伸縮功能

為滿足復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的作業(yè)需求，擬針對螺旋輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。

首先，針對套筒部位進(jìn)行改造，將套筒部分節(jié)段變更為內(nèi)外套筒雙層結(jié)構(gòu)，分別安裝伸縮油缸。

其次，是沿伸縮方向增設(shè)導(dǎo)向裝置，保障螺旋機(jī)作軸向上的相對運(yùn)動(dòng)。

再次，是圍繞伸縮套筒間增設(shè)密封裝置與潤滑點(diǎn)，優(yōu)化其密封性能，且減少摩擦系數(shù)；最后，是選取螺旋機(jī)前端口部位增設(shè)一組閘門，便于在螺旋機(jī)收縮時(shí)有效關(guān)閉土倉。

3 結(jié)語

材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工環(huán)境等因素都將對盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送系統(tǒng)的運(yùn)行效能產(chǎn)生一定影響，對此還需結(jié)合實(shí)際作業(yè)需求進(jìn)行螺旋輸送系統(tǒng)的技術(shù)改造，基于工程環(huán)境針對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性改造與升級，保障其出土、維持土壓平衡等核心功能的有效發(fā)揮，以此為工程實(shí)踐提供參考。