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技术中心

全断面砂层土压盾构螺旋输送机应急处理及改造分析

王明亮,郭建明,宋俊岭,刘强,梁肖然

(河北冀科工程项目管理有限公司)

摘 要:为解决全断面砂层 ZTE6250 土压盾构螺旋输送机应急处理及改造问题,文章以石家庄市轨道交通 1 号线二期工程福泽站至东上泽站区间盾构施工为依托,结合土压盾构机在全断面砂层施工特点,对采用中驱周边驱动的螺旋输送机减速机故障原因进行了分析,并总结了应急处理措施及改造方法,以期为类似盾构机在相似工程施工提供参考。

随着我国经济的不断发展,大量基础设施建设应运而生。基建过程中有大量隧道需要建设,盾构机因具有受环境限制小、高功效、自动化程度高等优点在隧道施工过程中得到了广泛应用。其中,土压平衡盾构机因其独特的优势,成为工程项目中应用的重点。

螺旋输送机作为土压平衡盾构机中关键的核心组成部分,具有技术复杂、价值高等特点;其性能的好坏直接影响盾构机掘进施工的安全性及作业效率,在掘进施工中维持掌子面稳定、控制地表沉降方面有不可替代的作用。深入研究螺旋输送机的工作原理及合理的设计方案,对我国基础设施建设具有重要意义。 

1 工程概况 

石家庄市轨道交通 1 号线二期工程是地铁 1 号线北延部分,工程起于洨河大道站,止于正定新区北端东洋站,沿秦岭大街和新城大道敷设,线路全长约 13.246km。福泽站~东上泽站盾构区间下穿老旧城区东上泽村,区间房屋较为密集, 多为 1 ~ 2 层房屋,房屋为砖混结构,基础较浅。隧道所处地层主要为粉细砂、中粗砂,采用的盾构机为中国铁建重工集团有限公司首批生产的 ZTE6250 土压平衡盾构机。

2 螺旋输送机概况 

该项目盾构螺旋输送机采用中驱周边驱动的轴式螺旋输送方式出渣,螺旋轴中部固定,两端浮动支撑;驱动轴前后两侧各设 3 道唇形密封保护轴承,通过前后各 6 个孔注入 3 道密封油脂(EP2),盾构螺旋输送机驱动原理图如图 1 所示。在筒体上设有 3 个检修门,必要时可以打开检修门清理被卡在螺旋叶片间的碴土。螺旋机筒体上布置有 2 个注入口,以便盾构在砂层中掘进时,可通过这些孔注入膨润土或泡沫改善碴土的流塑性,减小摩擦阻力,降低螺旋输送机阻力和磨损。螺旋输送机参数详如表 1 所示。

3 螺旋输送机故障及原因分析 

3.1 螺旋输送机故障 

盾构机在掘进至 305 环时,盾构维保人员发现减速机内部有异响,而且机体发热,进而形成螺旋机运转不畅的现象。打开检查孔,发现螺旋机内部有油泥,判断是因为减速机密封失效,随后停机。打开螺旋输送机减速机齿轮油箱,发现密封已严重磨损,有泥沙流入减速机内部,造成减速机运转不畅,且减速机齿轮有损坏。 

3.2 螺旋输送机故障原因分析 

通过对盾构机下井前的维修保养情况、螺旋输送机工作原理、螺旋输送机故障的实际情况、对螺旋输送机相关部位的检查及相关施工经验进行分析,得出可能造成螺旋输送机减速机故障的四个原因。

(1)螺旋输送机组装不到位。盾构下井前,盾构机随机维保人员对螺旋输送机进行了拆卸维保;由于螺旋输送机技术复杂、专业性强,随机维保人员在组装过程中可能存在些许偏差。 

(2)螺旋输送机为中驱周边驱动模式。驱动轴叶片末端焊接在回转体上,减速机通过带动回转体驱动螺旋轴,回转体与筒体之间通过唇形密封圈密封;唇形密封圈在筒体的外周,摩擦长度大,在螺旋输送机长期运转过程中,容易造成过度磨损。 

(3)螺杆变形。在上个区间隧道掘进过程中,螺杆出现过断裂事故,在该区间盾构下井前对螺杆进行的重新焊接, 有可能出现螺杆中心不直,变形现象。回转体实际运转过程中不能使螺旋轴处于悬臂状态,造成唇形密封与腔体间隙变大,使齿轮油从唇形密封间隙流失,泥沙流入减速机腔体内。 

(4)密封油脂(EP2)注入量不足。此区间采用的螺旋输送机驱动设备前后密封腔共 12 个油脂注入孔,通过多点泵根据设计压力均匀注入进行密封。在盾构掘进过程中,螺旋机内部的水土压力值大于设计值,致使泥沙、水进行减速机内部,并对唇形密封造成了不可逆转?磨损,进而形成了减速机内部与筒体间的通道。

4 螺旋输送机应急处理 

该区间上方房屋较为密集,且螺旋机故障所在处正上方为民居房,盾构机不能在此处长时间停机,出土和保持土压稳定又是螺旋输送机的核心功能,需要进行应急处理。由于地面情况复杂,在施工的不同阶段采取了不用的措施。 

4.1 渣土改良 

根据全断面砂层地质工况,选择更优的泡沫剂,改善渣土的流塑性。使其不仅方便土体开挖、兼具润滑效果,更能改善螺旋输送机内部土压力的作用,平衡唇形密封内外压差。 

4.2 减速机维修 

对减速机内部全方位清理、清洗,更换齿轮油、更换减 速机备用齿轮,并在掘进过程中根据实际情况不断进行清洗、 齿轮油更换。 

4.3 增加密封油脂注入量 

减速机与筒体内部已有渗漏通道,为了加强密封性,进 一步调高密封油脂(EP2)注入压力,加强其密封性,防止泥沙再次流入减速机内部。在实际掘进过程中,由于密封渗漏通道的存在,密封油脂注入压力的增强,使减速机舱体内部也充满了密封油脂,在此种情况下仍出现了泥沙的渗入现象,影响减速机运转。 

4.4 密封油脂类型 

盾构掘进至 320 环时,减速机与筒体内部渗漏通道有所增大,齿轮油的更换频率已影响到正常掘进。根据盾构厂家技术人员建议,将 3 道密封油脂(EP2)中外侧两道更换为HBW 密封油脂,同时布置 HBW 密封油脂管路与适配器。通过此种应急处理,盾构机掘进至 336 环,脱离了地面民房区域。 

5 螺旋输送机改造 

由以上应急措施可以看出,在隧道内未进行唇形密封更换。因为螺旋输送机中部驱动结构有一重大缺陷,周边驱动相关部件损坏后无法在隧道内解体修复。在隧道施工过程中, 螺旋输送机在长期运转下,周边驱动模式极易出现过度磨损现象。为了从根本上提高螺旋输送机的适应性,满足盾构施工实际需求,减少并便于维保工作,对螺旋输送机及皮带输送机进行以下改造。 

(1)中驱改为后驱,由周边驱动模式改为中心轴带动整个螺旋轴回转模式。此种改造后驱动轴直接与螺旋轴采用轴销连接,驱动或密封出现故障后可直接在隧道内拆卸、更换,便于维修保养;且相对于原结构,减少了回转周长,增加了实际使用寿命。 

(2)出土口由原驱动上部出土改为驱动下部出土,降低泥沙流入密封内部概率;将单闸门改为双闸门,提高在富水地层的适应性。 

(3)皮带输送机相应的向前延伸,适应出土口位置改造。 

6 结束语 

文章对 ZTE6250 土压平衡盾构机螺旋输送机应急处理及改造的描述,基本形成了一种类似盾构螺旋输送机应急及改造方法。在中国盾构机技术飞速发展,推陈出新的当下,通过对旧设备的适应性改造,能实现其价值化,并减少成本, 提高企业经济效益和节约社会资源。

(来源:中天重工)

发布时间:2023-06-20


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