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城市隧道施工中盾构机螺旋输送器卡壳一种脱困方式研究

摘     要:城市的地面车水马龙,交通繁忙,空间狭小,城市轨道交通系统发展极为迅速的今天,在城市隧道施工中,盾构施工因其占地小,对城市地面需要较小,盾构施工工艺越来越多的被采用,盾构机越来越多的穿梭于各大城市的地下空间中。盾构施工工艺中,盾构机作为重要施工设备,在地下施工将会不可避免的遇到各种各样的不明障碍物,导致盾构机出现各种不利施工的现象,本文主要针对盾构机螺旋输送器的卡壳后采用的一种脱困方式进行研究,以供后来者参考。
  本工程为南方某城市轨道交通系统建设工程。该工程某盾构单线区间全长约 720m,最小曲率半径 292m,最大纵坡 29.2‰,采用 1.2m 宽隧道管片,选用德系土压平衡盾构机,其前期设计选型采用的原装螺旋输送器为固定直筒螺旋输送器,属于较早盾构机设计机型。工程施工过程中,盾构机正常掘进某一环中,在油缸行程至 0.8m 时出现螺旋机喷涌现象,上部土仓压力从 1.9bar 迅速降低为 1.4bar,盾构司机关闭螺旋机旋转马达继续推进,至管理行程 1.1m 时喷涌现象停止,继续推进至拼装行程,完成该环施工,该环推进过程中参数为刀盘平均扭矩 2.1kN·m、螺旋机转速为 5rpm、螺旋机扭矩为 36kN·m。在下一环推进开始后,遇到突发情况,螺旋机扭矩突然增大,直到螺旋机无法转动。

1 当前地质环境及周边环境

  盾构机所处地层自上而下分布依次为①杂填土层、③3 砂质粉土层、③6 粉砂层、⑥1 粘土层和⑦1 粉质粘土层。地层分布如图 1 所示。右线盾构机停滞位置刀盘上半部为③6 粉砂层,下半部为⑦1 粉质粘土层。盾构机穿过已经前一建筑工程所回填报废降水井,尚未穿越到地面建筑下方。

图 1 盾构机位置土层及地下剖面图

2 螺旋输送器卡壳原因分析及排除

2.1 螺旋机“土塞”及土体板结原因

  从泡沫剂和粘土分散剂的使用,螺旋机中间检修孔至出土孔段渣土清空,以及螺旋机下检修孔的涌泥现象,从而排除“土塞”及土体板结原因。

2.2 设备故障原因

通过对螺旋机驱动电机、液压马达、制动系统、变速系统、液压管路 及PLC 控制系统的检测,排除了设备故障原因。

2.3 地下不明障碍物卡住螺旋机

  若盾构机被不明障碍物卡住,最易被卡牢的部位是螺旋机叶轮和桶壁之间的缝隙(缝隙宽度仅 7.5mm),尤其是螺旋机进土口加焊耐磨条的部位,如图 2 所示。
  综上分析,螺旋输送器内可能进入其他杂物,尤其以上一建筑工地  掉落于回填掉降水井内硬块杂物卡住螺旋输送器为分析出的最重要可  能。出于安全及地面无处理空间等方面考虑,拟采取对螺旋输送器进行改造的方式,增加螺旋输送器内轴承伸缩、旋转功能,然后利用伸缩、旋转功能进行反复挤压脱困的方式进行处理。即,通过安装后加工套筒的方式将固定直筒式螺旋输送器改造为可伸缩性螺旋输送器。

图 2 障碍物可能卡壳部位示意图

3 螺旋机脱困改造方案确认

  根据过往类似故障处理经验,通过盾构机螺旋输送器内轴承前后伸缩,使螺旋输送器内卡壳障碍物松动,同时可在伸缩过程中转动轴承,进而通过输送器带出,使螺旋输送器脱困,解决故障。
基于以上解决思路,项目部对螺旋输送器进行细查,本工程盾构机 为海瑞克 S638 型号,螺旋机直径 700mm,输送能力 250m3/h,功率110kW,转速 0~19rpm,额定扭矩 90kN·m,螺旋输送器本身不具备轴承前后伸缩功能,需要对螺旋输送器进行改造,确保伸缩功能实现。
  通过与厂家设计人员共同讨论,并根据带螺旋输送器功能的海瑞克盾构机的设计及制造情况,对本盾构机进行螺旋输送器改造。通过在现有筒体外侧增设 1.1m 钢套筒,并在套筒两侧的固定滑槽上安装可回收式千斤顶,通过千斤顶伸缩,带动套筒伸缩,带动出土口及马达部位前后伸缩,带动轴承前后伸缩,使现有螺旋机具备伸缩功能。对螺旋输送器的  详细核验后,确定于螺旋输送器上部,固定销以上到出土口以下部分,增加套筒,使螺旋输送器马达及出土口部位能通过增加的套筒进行前后伸缩,并进而带动螺旋输送器内轴承前后伸缩,实现目的。如图 3~图 5 所示。

4 螺旋输送器加工成型套筒及密封装置

  根据 S638 盾构机螺旋输送器尺寸情况,进行了套筒尺寸设计,并请专业厂家进行了压膜制造,材料采用 Q-345 型钢板,采用内六角 M20*65等级 12.9 螺栓连接,套筒钢板厚度 3cm,滑槽导轨钢板厚度 3cm,滑槽导轨与原套筒连接固定端长度为 50cm,密封采用黑油盘更,孔隙耐磨及固定采用铜条板。隙耐磨及固定采用铜条板,如图 6~图 11 所示。

图 3  螺旋机伸缩筒大样图 图 4  螺旋输送器改造示意图

图 5 现场螺旋输送器切割位置实拍图

图 6  套筒剖面示意图 图 7 加工成型套筒及导轨

图 8  千斤顶及手拉葫芦 图 9 套筒密封端

图 10  密封黑油盘根 图 11 密封及固定的铜条板

5 伸缩筒安装过程

(1)上半圆套筒定位。首先将原筒体上半圆在吊钩下 10cm 处进行切割(图 12 左中深灰色为原筒体),之后将上半圆套筒定位。
切割前采用 4 条扁担在螺旋输送器下部进行多道焊接固定,确保套筒切割后,内轴承及套筒能固定在同一轴线上。

图 12 上半圆套筒
(2)下半圆套筒定位。上半套筒固定后,需要切割下半原套筒,安装下半部分新造套筒,在此阶段,出土口及马达与原套筒分开,上半部分新安套筒亦与原套筒分开,加固过程中,会内轴承与套筒同一轴线造成  错开。因此,切割前需采用 5 个 5t 手拉葫芦先对马达部位进行整体固定,防止轴线偏差,确保新旧套筒及内轴承处于同心圆上。

图 13 下半圆套筒
 
(3)套筒上下半圆螺栓连接固定。

图 14 上下半圆连接板
(4)引轨定位。
  将导向板固定端与下半部分原套筒焊接固定。

图 15  滑槽引轨
(5)套筒与上部筒体焊接,油顶安装,拆除固定架,完成安装。

6 实施过程中关键应急措施

(1) 确保降水井持续降水,备足备用水泵,确保降水井水位处于盾构机底部 1m 以下。地面备用应急发电机,一旦停电马上启用,确保降水井正常运转。
(2) 拆除螺旋机前,通过土仓承压隔板底部阀门和螺旋机底部维保口阀门检验是否喷涌。如有喷涌,及时关闭阀门,确保万无一失。
(3) 通过土仓承压隔板底部阀门压注聚氨酯,封堵螺旋机进土口, 防止土仓及外部水土进入螺旋机(此步提前实施最为关键)。
目前已经顺利完成施工,固定不可伸缩式盾构机隧道内切割改造安装套筒取得了成功,盾构机螺旋输送器顺利按方案完成了脱困。

7 结论与建议

  本文讨论了盾构机螺旋输送器卡壳中的一种处理方式,主要针对螺旋输送器不具备前后伸缩功能的盾构机的一种可能的改造方式进行论  述。在城市轨道交通隧道施工中,针对盾构机掘进中可能造成的卡壳的一种处理方式是可行的,且在该类盾构机场外改造中也提供了一种可参考的方式。
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