雙圓改成單圓盾構(gòu)機(jī)的主要技術(shù)措施與應(yīng)用

陳佳璋

上海市第二市政工程有限公司,上海

1 概述

從日本“IHI”重工引進(jìn)的 Φ 6520 mm 雙圓盾構(gòu)機(jī),經(jīng)上海軌道交通4、6號線隧道施工使用,雖有一次掘進(jìn)形成雙向隧道、工期周期縮短的優(yōu)點(diǎn),但在群樓密集和各種地下管線較多的地區(qū)使用,因地表沉降較大等因素,受到限制、因此,雙圓盾構(gòu)將退出在上海的應(yīng)用。

引進(jìn)一臺新盾構(gòu)的價格,日本制造的約為人民幣3000萬元,歐盟制造的價更高。把在上海棄用的雙圓盾構(gòu),采取合理的技術(shù)改造措施后,改成兩臺單圓盾構(gòu)是可行的,而使每臺改制費(fèi)用控制在人民幣1000萬元左右,其經(jīng)濟(jì)和社會效益十分顯著。

2 主要技術(shù)措施

1、設(shè)計(jì)、制造盾構(gòu)新殼體：如圖1所示,雙圓盾構(gòu)的殼體是“眼鏡型”的。其外徑為 Φ 6520 mm,且切口環(huán)和支撐環(huán)的殼體是左右拼裝結(jié)構(gòu)。新設(shè)計(jì)的單圓盾構(gòu)殼體的整圓切口環(huán)、支撐環(huán)和盾尾的外徑為 Φ 6340 mm,長度分別為 2845 mm,2820 mm,2230 mm(見圖2),并充分考慮了它們的強(qiáng)度與剛度。

2、原刀盤的改進(jìn)

圖1 雙圓盾構(gòu)正視圖Fig.1 The double-circular shied front view

雙圓盾構(gòu)分左、右兩個扇形條幅式的刀盤,切削直徑為 Φ 6520 mm。改進(jìn)后的刀盤切削直徑為Φ 6350 mm,結(jié)構(gòu)尺寸的改進(jìn)見圖3：①4根主幅條改成6根(見圖3);②在仿形刀的2根主幅條中間截開,去除多余長度以適應(yīng)切削直徑的變動,而仿形刀的安裝結(jié)構(gòu)不變(見圖4);③無仿形刀的2根主幅條截去外周多余長度(見圖4);④檢查受損刀具數(shù)量,并及時更換或修復(fù);⑤新增幅條上的主切削刀和貝殼刀;⑥為增強(qiáng)切削土層的適應(yīng)性,在刀盤周邊配置4把強(qiáng)化刀;⑦刀盤外圈用耐磨合金材料堆焊與外圈保護(hù)刀予以保護(hù)(見圖5、圖6、圖7);⑧重新布置刀盤攪拌片。

圖2 1-切口環(huán),2-驅(qū)動裝置,3-支撐環(huán),4-盾尾,5-行星減速器Fig.2 1-slotted ring,2-driver,3-retaining ring,4-shield tail,5-planetary reducer

3、刀盤驅(qū)動裝置的參數(shù)分析

刀盤由13臺電動機(jī)通過減速比為186.7的行星齒輪減速器和回轉(zhuǎn)支承(減速比為9.4)來驅(qū)動。今與相似直徑的單圓盾構(gòu)驅(qū)動參數(shù)的分析、比較見表1。

圖3 新刀盤Fig.3 New culterhead

圖4 原刀盤的改進(jìn)Fig.4 Original cutter improvement

圖5 刀盤外圈Fig.5 Cutter outer ring

圖6 外圈保護(hù)刀Outer ring protective cutter

圖7 強(qiáng)化刀g.7 Uprated cutter

由表內(nèi)數(shù)據(jù)可見,Φ 6.34 m盾構(gòu)(本方案)與Φ 6.14 m盾構(gòu)(用于北京軌交10號線)相比較,反映盾構(gòu)能力的刀盤驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速是能滿足使用要求的。

4、拼裝機(jī)的改進(jìn)

單圓盾構(gòu)所用的管片與雙圓盾構(gòu)的管片是不同的。因此雙圓盾構(gòu)所用的單臂管片、中柱管片拼裝機(jī)及管片頂升裝置均不能在單圓盾構(gòu)中使用,但對雙圓機(jī)原有的盤體、油馬達(dá)、行星減速器及大齒圈等驅(qū)動裝置可予利用,改成適用于懸壁梁結(jié)構(gòu)的單圓盾構(gòu)通用管片拼裝機(jī)。拼裝機(jī)驅(qū)動裝置的主要參數(shù)分析與比較,見表2。由表內(nèi)數(shù)據(jù)可見,Φ 6.34 m與Φ 6.14 m盾構(gòu),所用油馬達(dá)為同一型號,但使用工作壓力不同,公稱排量與輸出轉(zhuǎn)矩也接近。因此,改成單圓盾構(gòu)后,拼裝工況能滿足要求。

表1 單圓盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動參數(shù)分析Table 1 Single-circular shield cutter drive parameter analysis

5、液壓推進(jìn)系統(tǒng)的改進(jìn)

①為節(jié)約成本,原則上充分利用原有的液壓元件。但在重裝時,對元件進(jìn)行清洗、油漆、重新調(diào)試、安裝。從實(shí)際使用結(jié)果看,這樣做是合理的、成功的。

②關(guān)于液壓推進(jìn)系統(tǒng),作了較大的改進(jìn)。按照Φ 6340 mm單圓盾構(gòu)工作時土壓的分布是較深區(qū)域大于較淺區(qū)域。為了平衡各區(qū)域的推進(jìn)力,將上、下、左、右4個區(qū)域的油缸配置,由原來各區(qū)域均為4個缸,改成上區(qū)3個缸,下區(qū)為5個缸,左、右2區(qū)不變?nèi)詾楦?缸(見圖8)。經(jīng)油缸配置變動后,各區(qū)域的推進(jìn)力與其土壓相匹配,而各區(qū)域的調(diào)控壓力、即減壓閥的二次壓力,基本上相差不大。在直線推進(jìn)時,總壓力可往下調(diào),達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)需要向上或向下,向左或向右調(diào)控掘進(jìn)方向時,減壓閥的二次壓力的變化亦相對減小。有利于總壓力的下降,使液壓控制系統(tǒng)更合理和方便。

③在仿形刀的液壓系統(tǒng)上,有一個累積式流量計(jì),用于測定仿形刀的位置。該流量計(jì)以往由日本進(jìn)口,價格昂貴。本次改用自行研制的流量計(jì),使用可靠、方便,而價格僅為進(jìn)口的1/3。

表2 Table 2

④原雙圓盾構(gòu)中拆下的液壓元件作如下處理：凡完好的,清洗調(diào)試后作備件;少量已損壞的,或污染嚴(yán)重、銹蝕、磨損的予以報廢。

⑤液壓推進(jìn)系統(tǒng)的原有一個閥組設(shè)計(jì)并不先進(jìn),也不合理。如用插裝閥、電磁球閥(小型)、液動閥、單向閥、小濾芯等組成,是非標(biāo)準(zhǔn)件,即復(fù)雜,制造又困難,估計(jì)是日本“IHI”公司 20年前的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在隨著液壓技術(shù)的進(jìn)步,已大量使用大流量密封性好的電磁球閥在推進(jìn)系統(tǒng)中,使其結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化,方便維修與更換。另外一種平衡閥也是同樣情況。由于這次修改時間緊迫,這進(jìn)一步的改進(jìn),留待日后進(jìn)行。

6、電氣設(shè)備及控制系統(tǒng)的改進(jìn)

原雙圓盾構(gòu)的強(qiáng)電設(shè)備均為日本進(jìn)口,這次改進(jìn)時一臺盾構(gòu)機(jī)沿用了原有電氣設(shè)備。另一臺采用了國產(chǎn)的高低壓柜,柜里邊配備了國產(chǎn)的高壓開關(guān)和變壓器以及低壓總開關(guān),電氣設(shè)備已經(jīng)全部國產(chǎn)化。在自動控制方面,原日本進(jìn)口盾構(gòu)機(jī)的控制方式已經(jīng)陳舊,有多個PLC主站控制多個機(jī)械、液壓及氣動系統(tǒng),站間控制點(diǎn)較多且聯(lián)絡(luò)接線繁多,安裝調(diào)試復(fù)雜,系統(tǒng)維護(hù)很麻煩。這次我們做了改進(jìn),采用了PLC的主從站控制方式,由一個PLC主站控制有12個遠(yuǎn)程I/O模塊組成的從站,主站設(shè)置在盾構(gòu)機(jī)主控制柜里,從站直接布置在各個獨(dú)立的機(jī)械、液壓,氣動等系統(tǒng)設(shè)備旁邊的電氣控制分柜里。采用了CC—LINK通信方式。這樣布局合理,使得設(shè)備安裝調(diào)試檢測與系統(tǒng)維護(hù)都很方便。另外控制系統(tǒng)的傳感器也基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。

3 在杭州地鐵施工中的應(yīng)用

該兩臺盾構(gòu)機(jī)改制后分別于今年6、7月份陸續(xù)在杭州軌交二號線的掘進(jìn)施工中應(yīng)用,到9月初,第一臺盾構(gòu)掘進(jìn)了570 m,第二臺盾構(gòu)掘進(jìn)了290 m。盾構(gòu)機(jī)刀盤切土順暢,開挖面的土壓平衡控制良好,地表的沉降控制在施工規(guī)定的范圍內(nèi)。刀盤轉(zhuǎn)矩在3000～5000 KN.m之間,而刀盤油壓在 25 MPa～32 M Pa之間。管片拼裝機(jī)動作準(zhǔn)確到位,工作正常。推進(jìn)系統(tǒng)最大油壓為34 M Pa,最大總推力為3400噸。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度為4～6 cm/min。盾構(gòu)機(jī)4個分區(qū)油壓調(diào)節(jié)控制良好使機(jī)器糾偏自如,操作性能好,機(jī)器運(yùn)行正常。符合改制的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及要求。

[1]汽車工程設(shè)計(jì)手冊[M].設(shè)計(jì)篇.北京：人民交通出版社,2001.

[2]肖超勝,陸華忠,云 皓.豐田汽車維修手冊[M].底盤新技術(shù)新結(jié)構(gòu).長春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社,1996.