盾构螺旋输送机断轴故障原因分析探讨

张 萌/ZHANG Meng

（中铁隧道局集团有限公司 设备分公司，河南 洛阳 471000）

随着我国城市地铁建设的快速发展，盾构施工工法凭借其对地面、地下环境影响小，掘进速度快，地表沉降小，安全性能高等优势，成为目前城市地铁区间隧道建设的主要施工工法，螺旋输送机作为盾构的关键部件之一，是盾构的排土装置，其主要作用是将刀盘切下来的泥土从盾构土仓中排出[1]。然而，螺旋输送机断轴现象在近期盾构施工过程中频繁出现，严重影响着现场施工的顺利进行，对最终施工节点的保证也影响颇大。

目前，国内已有部分专家学者针对螺旋输送机断轴故障进行相关研究。范红梅等[2]对输送化工原料用螺旋输送机轴断裂进行了原因分析及维修；陈海恩等[3]分析的螺旋输送机轴断裂故障为PTA生产装置；王治华等[4]也针对PTA装置中螺旋输送机突然发生断轴情况分析原因并提出改造方案。但针对盾构螺旋输送机断轴故障原因分析较少，李文荣[5]从盾构螺旋输送机的配置选型进行了研究；杨永[6]研究了螺旋输送机轴的加工制造；贾朝斌等[7]研究了螺旋输送机参数化设计方法；刘学等[8]研究了盾构螺旋输送机螺旋轴疲劳断裂问题；李旭辉等[9]提出了在隧道内修复盾构螺旋输送机断轴的方法；丁枲召等[10]研究了隧道内盾构螺旋输送机拆装及修复工艺。但目前针对盾构螺旋输送机断轴故障原因并无一个统一的认识。

本文通过对成都地铁盾构施工项目在砂卵石地层中螺旋输送机断轴的问题进行分析总结，并提出相应的预防措施，对以后避免类似问题发生提供合理的解决办法和经验，为同行提供借鉴和参考。

1 螺旋输送机断轴概述

1.1 工程地质情况

如图1、图2所示，成都某项目盾构施工螺旋轴断轴区间穿越地层主要为：隧道上覆：<1>人 工 填 土、<2-4>粉 土、<2-5>细 砂、<2-8-1>松散卵石、<2-8-2>稍密卵石、<2-8-3>中密卵石。隧道范围内：<2-8-3>中密卵石、<2-8-2>稍密卵石，埋深9m。该地层卵石含量大，100～150mm卵石含量占30%～40%；100mm以内卵石含量占60%～70%。

图1 螺机第一次断轴停机位置地质纵断面图

图2 螺机二次断轴停机位置地质纵断面图

1.2 螺旋输送机断轴概述

盾构新造螺旋输送机在掘进第26环260mm、累计掘进1505m时，有卡机现象，经正反转循环约1min后，螺旋输送机脱困，瞬时最大扭矩为119kNm。脱困后，发现出渣速度减慢，逐渐没有渣土。拆开螺旋伸缩套侧面观察窗发现螺旋轴在实心轴与空心轴六方接头连接根部焊接部位断裂。经协调，借调另1台同型号盾构新制的螺旋输送机使用，又掘进200m后，螺旋输送机再次发生断轴现象。

1.2.1 掘进参数

盾构螺旋输送机断轴处主要掘进参数如表1所示。

表1 掘进参数表

从上位机参数中查出螺旋输送机最大扭矩为119kNm（额定扭矩为210kNm）。

1.2.2 螺旋轴的结构

该盾构螺旋轴分为3段，分别为前端实心轴、中间空心轴、后端实心部分，三部分对接后焊接而成，螺旋轴的结构如图3所示。

图3 螺旋轴结构图

1.2.3 螺旋输送机断轴位置

盾构螺旋输送机发生2次断轴现象，断轴位置如图4所示。第一次断轴部位在离前端2m处的实心轴与空心轴的连接部位，断面情况如图5所示，第二次断轴断面情况如图6所示。

图4 螺旋机断轴位置

图5 螺旋机第一次断轴断面情况

图6 螺旋机第二次断轴断面情况

1.2.4 螺旋输送机断轴修复工艺及后续使用情况螺

旋输送机第二次断轴后，紧急修复第一台断轴螺旋输送机，断裂面处打磨平整，见金属光泽，端面裂纹刨除干净，选择合适的焊条后，对断裂面两侧的螺旋轴进行预热，温度为120℃，预热范围长度应大于120mm（根据现场情况调整），焊接层间温度不超过200℃，焊接后应使用保温棉裹住焊缝进行保温，保温时间为24h（根据实际情况调整），待冷却至常温后进行无损探伤检测焊接质量。经焊接的螺旋输送机运至工地后，继续完成后续350m区间隧道施工。

2 螺旋输送机断轴原因分析及预防措施

2.1 设计原因

通过对比成都地铁该螺旋输送机与其他产品前端筒体长度，如图7所示，发现该盾构前端伸缩筒体相对螺旋轴支点靠后，造成螺旋输送机轴悬臂太长（该盾构螺旋输送机伸入土仓长度为1233mm，其他盾构螺旋输送机伸入土仓长度为818mm），可能导致其可承受的侧向力相对较弱。

图7 其他盾构螺机与成都地铁该盾构螺机安装对比图

预防措施：在设计时应充分考虑实际工况对设备所造成的影响，针对螺机前端伸缩筒体相对螺旋轴支点靠后，造成螺旋轴悬臂太长问题，需充分考虑到螺旋轴在复杂地层中掘进所受到的冲击现象，在不影响出渣的前提下，可将伸缩筒体进行适当加长，尽量减少螺旋轴的悬臂长度。

2.2 材质原因

从成都地铁螺旋输送机轴断面外观来看，螺机轴芯部颜色不一，从宏观断口来看，其断裂属于脆性断裂。螺机轴的材质为Q345B圆钢，切取断轴部分做成4个试块01#、02#、03#、04#（取样部位为断裂面处螺旋轴分为四部分），通过冲击试验机和金相显微镜等测试设备，按照GB/T 1591-2008《低合金高强度结构钢》标准检测其化学成分、夹杂物，结果如表2所示：碳含量超标达到0.40%以上；夹杂物合格；冲击韧性4J到12J，冲击韧性较低。故螺旋输送机断轴可能是因为材料选择不合格，冲击韧性低，在应力及扭力共同作用下产生的脆性断裂。

表2 材质检测分析表

预防措施：螺旋输送机制造单位应严格按照设计要求选材，材质须经过相关机构检验合格后方可应用。

2.3 制造工艺原因

螺旋输送机轴作为焊接件，在制造过程中可能存在焊接工艺不当、焊接后冷却方式不当或质检不合格，导致焊接部位存在缺陷，将影响螺旋输送机轴结构件的疲劳强度、抗脆断能力和抵抗应力腐蚀开裂等综合性能，使螺旋轴在长期使用过程中易出现断轴的情况。

预防措施：螺旋输送机轴的材质为Q345B，根据Q345B相关焊接工艺可知，Q345B圆钢经过焊接后，1个局部的热循环，使得各种金属元素在一系列的相变、质变后形成的焊缝金属，其硬度比原来母材有所增加，尤其是在打底层，其硬度会高出很多，由此可知，在中厚度、大厚度的该种材质圆钢的焊接工艺中应突出对于焊接后热处理工艺及焊接后的冷却方式进行规定，主要对于150～200℃区段的低温热处理，细化晶粒，以减少有害组织的产生。在焊接完成后，需进行超声波探伤，检查焊接质量，记录实际焊接深度，若无条件进行超声波探伤，应进行磁粉探伤，检查焊接是否产生裂纹。

2.4 地层原因

在成都砂卵石地层中掘进，或在广州遭遇孤石，可能会出现土仓中卵石在螺机进渣口有堆积情况，因刀盘旋转扰动卵石，螺旋输送机在高速旋转过程中突然停止，螺旋输送机轴前端受到较大的惯性冲击，可能导致螺旋轴断裂。

预防措施：螺旋输送机在选材及结构设计时应充分考虑地层因素，合理选材、合理设计，并选择合适的制造工艺。

2.5 使用管理原因

在地质条件相对复杂的地层中掘进，因掘进参数选择不合理，可能会导致螺旋输送机在旋转过程中，承受较大载荷或冲击，频繁过载或遭受冲击后可能会导致断轴，对螺旋输送机的检查维护保养不到位也是造成断轴的可能原因之一。

预防措施：在现场施工过程中，要选择合理的掘进参数，做好应对复杂地层的相预案，保证较好的渣土改良效果，随时注意地层及掘进参数的变化，遇到异常的情况及时做出应急处理，制定应对方案，将设备风险和异常磨损的可能降到最低，加强设备的养护工作，增加施工人员的基本责任感。

3 结论与讨论

通过分析成都地铁及广州地铁盾构螺旋输送机断轴情况，总结出螺旋输送机断轴主要由以下原因导致。

1）设计刚度、强度的分析计算及结构尺寸的选择不合理导致断轴。

2）材料选择不合理或材质不合格导致断轴。

3）制造工艺（包括执行的标准、焊接工艺、质检等）不合理导致断轴。

4）螺旋输送机在复杂地层中掘进，因地层和使用管理因素导致螺旋输送机轴受到过载或惯性冲击导致断轴。

由于盾构施工的复杂性，本文仅结合成都地铁盾构螺旋输送机断轴分析其原因，并提出相关预防措施，而实际施工过程中，螺旋输送机断轴的原因可能是复杂多样的，也是多种因素的结合。在将来的施工过程中，怎样把控好每一个环节，从而避免螺旋输送机断轴，是有待于进一步研究和讨论的。