孤石地层盾构螺旋输送机断轴原因探究

代 为

（中铁二十五局集团有限公司 广东广州 510600）

1 引言

螺旋输送机是土压平衡盾构机的关键核心部件之一，在盾构渣土排放过程中，受地质条件、掘进参数、渣土改良效果以及地层异物等影响，易导致螺旋轴、叶片和筒壁磨损，焊缝或结构开裂乃至螺旋轴整体断裂。

近年来，为了有效提高盾构螺旋输送机的使用寿命和可靠性，设备制造商、施工承包商和科研机构的专家学者开展了大量富有成效的理论研究和工程实践。江玉生［1］等利用土压平衡原理，建立土压平衡盾构螺旋输送机力学模型，推导出螺旋输送机底部压力在静力平衡条件下的力学表达式；郑军［2］等开展了基于Fluent的螺旋输送机数值模拟与试验研究；胡国良［3］等进行了土压平衡盾构螺旋输送机排土控制分析；杨永［4］、徐寅［5］等分别对螺旋轴、叶片的加工工艺和制造技术进行了优化和改进；夏毅敏［6］等通过对螺旋输送机筒壁进行系统的应力应变分析，提出一种精准便捷的螺旋输送机卡死位置无损检测方法；施振丁［7］研究了盾构机螺旋输送机卡停后的脱困方式；李旭辉［8］、丁枲诏［9］等提出了在隧道内拆装及修复盾构螺旋输送机的实施方案；刘学［10］等对盾构螺旋输送机的螺旋轴疲劳断裂问题进行了系统研究，基于Fe-safe疲劳分析软件提出一种预估螺旋轴疲劳寿命的方法；曹丽娟［11］等将螺旋输送机的旋转速度和盾构机的推进速度作为可控变量，采用优化算法提高了盾构机土舱压力的自适应控制能力；邹今检［12］依托现场监测数据建立基于动态神经网络逆控制前馈作用下的螺旋输送机转速控制模型，降低了盾构机土舱的压力波动；张哲铭［13］等将最小二乘支持向量机（LS-SVM）机器学习技术应用于掘进参数预测中，优化后的掘进参数对防止螺旋输送机卡滞有一定积极作用。

此外，在地质预处理方面，蒋浩梁［14］研究了盾构区间上悬孤石群导洞法加固技术；还可通过盾构机冷冻刀盘技术，将盾构机开挖舱、刀盘掌子面及周边地层冻结后，在常压条件下安全地对螺旋输送机进行更换或修复。

目前，随着设计、制造和应用水平的不断提高，盾构螺旋输送机常见的失效形式为正常磨损，通过及时维修，不会对工程建设造成重大影响。但盾构机在穿越孤石、大粒径砂卵石地层等不良地质时，螺旋输送机断轴事故仍时有发生，给工程安全和进度造成不利影响。本文结合孤石地层中盾构螺旋输送机断轴事故案例，分析查明断轴原因并进行有限元模拟，给出了盾构施工及设计方面的优化建议，以期业界有效避免此类事故的发生。

2 螺旋输送机断轴事故概述

某φ8.8 m土压平衡盾构机在孤石地层中掘进时，螺旋输送机多次出现卡停、出渣不畅乃至卡死情况，现场采用正反转和伸缩螺旋轴进行脱困。在第546环脱困后发现螺旋输送机抖动剧烈且无法出渣。打开螺旋输送机筒壁检修口发现螺旋轴及叶片断裂，断裂位置在土舱中隔板后、螺旋输送机前部渣土入口处，距离螺旋轴前端约1 400 mm，见图1。

图1 螺旋输送机断轴实况

3 螺旋输送机断轴原因排查及分析

3.1 断轴原因排查

按照机械事故诊断排查的历史追溯原则，分别从设计、制造和应用三个阶段，对螺旋机断轴原因进行逐一排查。

3.1.1 设计阶段原因排查

查阅盾构机出厂随机文件，该螺旋输送机筒体内径1 020 mm，基本设计参数见表1。螺旋轴无缝钢管型号为245×50／Q345B，螺旋叶片钢板型号为60／Q345B，材料特性参数见表2。

表1 螺旋输送机基本设计参数

表2 材料特性参数取值

（1）螺旋轴设计抗拉强度校核

忽略叶片对螺旋轴的加强等有利因素，计算螺旋轴钢管在最大伸缩拉力Fmax作用下承受的拉应力：

可知，螺旋轴的设计抗拉安全余量非常大。

（2）螺旋轴整体设计抗扭强度校核

建立与螺旋输送机实际结构尺寸一致的几何模型，采用有限元分析软件MSC.Patran2014＆Nastran2014，模拟螺旋输送机同时承受土压力及最大扭矩时的应力状态，对螺旋输送机进行整体强度校核。模型载荷如下：

螺旋轴驱动端输出最大扭矩为249 kN·m；

叶片承受的土压为0.004 3 MPa；

模型重力加速度取值为9.8 N／kg。

计算得出应力最大值为390 MPa，位于螺旋轴端头与叶片连接处，为建模未倒角所致，分析时可忽略。取安全系数为1.25时，材料的许用应力［σ］为220 MPa。显示大于［σ］的应力分布见图2，图中应力单位为MPa。应力云图中颜色条的不同颜色标识所受到应力大小的程度，颜色由蓝色逐渐过渡到红色表示所受应力由小变大。

由图2可知：忽略红色部分由于建模原因导致的应力集中点，在螺旋输送机驱动端输出设计最大扭矩Tmax时，螺旋轴整体应力为29～59 MPa，断轴所处部位的应力为29～44 MPa；且在正常情况下，螺旋输送机扭矩一般在50 kN·m以下，因此，该螺旋输送机的抗扭设计安全余量也很大。

图2 大于螺旋轴许用应力的应力分布

因抗拉、抗扭设计的安全余量均很大，分析时未进行螺旋轴的拉伸扭转耦合强度校核。

3.1.2 制造阶段原因排查

螺旋轴由3节无缝钢管对（焊）接而成，且设计要求叶片的接缝位置不得与螺旋轴钢管对（焊）接位置重叠，对（焊）接位置如图3所示。将螺旋轴对接位置与断裂位置进行对比，螺旋轴断裂位置不在对（焊）接位置及其相应的热影响区范围内。

图3 螺旋轴对（焊）接位置（单位：mm）

此外，实地考察了制造厂，查阅了该螺旋输送机的制造工艺流程卡、螺旋轴超声波检测UT报告、自检报告以及钢管、钢板和焊材的材质报告等质量证明档案文件，没有发现不合格项，质量符合出厂要求。随后，对断轴部位进行材料取样并委外分析，结果表明材料符合设计要求并与档案文件吻合。

3.1.3 应用阶段原因排查

分析研究了盾构机操作系统自动保存的全部已掘进里程的实时掘进参数，逐一排除了诸如在螺旋轴未缩回时关闭土舱防涌门、调高螺旋输送机液压系统压力等违规操作造成断轴的情况，但发现螺旋输送机扭矩和转速参数多次出现异常情况。

本区间掘进过程中，螺旋输送机参数正常时扭矩在45 kN·m以下，转速在6～10 rpm。在第147环螺旋输送机第一次出现参数异常，扭矩变化较大，扭矩多次突然跃升，最大值达118 kN·m，见图4a。经查阅地质剖面图发现在第146环左右盾构机进入孤石区；第147环盾构掘进时螺旋输送机出现出渣不畅现象且需要多次采用正反转的方式进行改善；在第148环盾构掘进时有超过设计最大通过粒径的孤石排出，见图5a。此后，在第407～428环，螺旋输送机频繁出现卡停，尤其在第423环，扭矩最大值达到177 kN·m，见图4b。

图4 螺旋输送机扭矩－转速曲线

图5 孤石渣样

断轴前的10环即第537～546环掘进中螺旋输送机再次频繁出现卡停，在第546环断轴前出现旋转和伸缩同时卡死的情况，扭矩最大值达到190 kN·m；脱困后螺旋输送机参数从高扭矩、低转速向低扭矩、高转速突变，推断参数突变时间点发生断轴事故，见图6。在第539环再次有超过螺旋输送机设计最大通过粒径的孤石排出，见图5b，随后在第546环螺旋输送机旋转和伸缩同时卡死，现场通过同时采用正反转和伸缩螺旋轴的方法强行脱困后，螺旋输送机抖动剧烈且无出渣，检查发现螺旋轴及叶片整体断裂。

图6 螺旋输送机断轴时间段扭矩－转速曲线

3.2 断轴原因分析

通过原因排查，可基本排除设计、制造阶段引起断轴的因素。应用阶段系统记录的螺旋输送机扭矩最大值为190 kN·m，没有达到设计最大扭矩。

施工过程中，螺旋输送机排出多个超过设计最大通过粒径的孤石，这会造成螺旋轴、叶片焊缝及结构的损伤，可能造成螺旋输送机断轴；但通过观察断口形式，发现断裂位置不在焊缝处，断口整齐且螺旋轴、螺旋叶片的断裂位置在同一平面上，因此也可以基本排除疲劳损伤引起本次断轴的可能。

分析发现，断轴之前螺旋输送机虽然多次出现卡停情况，但都可以通过正反转和伸缩螺旋轴的方式顺利脱困；在第546环螺旋输送机出现旋转和伸缩同时卡死的情况后，再用上述方式脱困就造成了断轴事故。因此推测：螺旋输送机在旋转和伸缩同时卡死的情况下，同时采用正反转和回缩螺旋轴进行脱困，是造成本次断轴的主要原因。

4 有限元模拟及分析

4.1 有限元模型概述

在螺旋轴底部距离轴端1 400 mm处，即断轴位置叶片边缘施加固定约束，模拟螺旋轴旋转和伸缩同时完全卡死的状态。

（1）在螺旋轴驱动端施加断轴时间段系统记录的扭矩最大值，扭矩T＝190 kN·m。

（2）伸缩油缸处于回缩状态，因为在断裂处施加了固定约束，因此螺旋轴此时承受的拉力为最大回缩拉力，Fmax＝884.2 kN。

建立与实际结构尺寸一致的几何模型，模型受力见图7。

图7 有限元分析模型受力简图

4.2 有限元分析

计算得到最大应力为2 860 MPa，最大应力位于固定约束施加位置边界，为应力集中区域，应力集中的最大值分析时暂不考虑。应力分布见图8a，图中应力单位为MPa。大于材料屈服强度σS即大于275 MPa的应力分布见图8b，红色区域的应力大于材料屈服强度σS。

图8 螺旋轴应力分布

4.3 分析结果

叶片不能满足模拟工况下的强度条件。叶片破坏的同时，轴同时发生破坏。

5 结论与建议

5.1 结论

盾构机在孤石地层中掘进时，螺旋输送机旋转自由度经常会被大粒径石块限制，此时可以通过正反转和伸缩螺旋轴的方法进行脱困；当旋转和伸缩两个自由度均被完全约束时，即出现旋转和伸缩同时卡死的特殊工况，脱困时同时施加扭矩和轴向拉力，叠加载荷会造成螺旋轴及叶片发生瞬时屈服破坏。因此，遇到上述特殊工况，正反转和伸缩螺旋轴两种脱困手段不得同时采用。

5.2 建议

施工方面：盾构机穿越孤石地层时，应提前探明孤石并进行有效的预处理；加强掘进参数管理，参数出现异常时应及时分析原因并采取有效措施，遇到极端工况应立即停机处理。

设计方面：应进一步优化刀盘开口部位的尺寸和形状，限制进入土舱的渣土粒径在螺旋输送机最大通过粒径范围内，降低螺旋输送机卡停、卡死概率；优化螺旋输送机前端叶片尺寸和形状，使进入螺旋输送机筒体内的渣土可以顺畅排出。