土壓平衡盾構再制造技術及實例分析

(無錫中鐵城軌裝備制造有限公司，江蘇 無錫 214000)

隨著國內城市的發(fā)展，地鐵建設增多，盾構以其地質適應性好、施工安全高效以及場地要求低等特點在城市地鐵建設中獲得了廣泛的應用[1]。我國盾構在地鐵隧道建設的應用自20 世紀90年代以來發(fā)展愈發(fā)蓬勃，而盾構設計使用壽命在10km 左右[2]，目前市場上已經(jīng)有大部分的舊盾構面臨廢棄或再制造的局面。本文針對不同工況條件下的盾構再制造技術分類說明并舉例分析。

1 盾構再制造依據(jù)及要求

1）盾構再制造主要依據(jù) 原盾構技術參數(shù)、原項目使用情況、再制造后使用項目的工程概況及施工單位的其他相關要求。

2）盾構再制造主要要求 從經(jīng)濟性、環(huán)保性出發(fā)，充分利用原有設備及部件，設備經(jīng)再制造后能滿足隧道施工安全、高效地進行。

2 盾構再制造組合形式分類

根據(jù)施工項目工程地質及隧道直徑這兩項的變化，將盾構再制造工況分為以下幾種形式排列組合（表1）。

表1 盾構再制造組合形式分類

3 不同組合形式下盾構再制造關鍵技術

根據(jù)以上分類，我們針對這幾種情況進行盾構再制造關鍵技術分析。

1）刀盤 若管片直徑增大（A、B、C），則刀盤直徑加大，結構需新制或者擴徑改造；若管片直徑變小（G、H、K），則刀盤直徑需變小，結構需新制或縮徑改造；對于A、D、G 中，刀盤用于復合地層，需新制復合刀盤；而C、F、K 中，需新制軟土刀盤，刀盤新制的具體結構形式、布刀方式、刀具類型數(shù)量以及耐磨措施等需根據(jù)工程概況進行設計。

2）主驅動 在A、B、C、D、G 這幾種類型情況下，由于管片增大或地層變得復雜，需要采用T=αD3（其中：T為刀盤扭矩；D為刀盤開挖直徑；α為扭矩系數(shù)，與地層有關。）初步核算驅動扭矩及總功率，并核算軸承的承載能力是否滿足[3]，若核算的參數(shù)不滿足使用要求，則需增加驅動組數(shù)或新制軸承及相關件。對于E、F這兩種情況下，只需要對原件進行檢修維護即可。若管片直徑變?。℅、H、K），需模擬主驅動尺寸是否存在繼續(xù)利用的空間，若不能，則需新制。

3）螺旋輸送機 當管片直徑增大或地層復雜時（A、B、C、D、G），采用經(jīng)驗公式T=αD2（其中：T為螺旋機扭矩；D為螺旋機筒體內徑；α為扭矩系數(shù)，與地層有關。）估算扭矩及功率、轉速等是否滿足要求，且需根據(jù)公式Q=3600×π/4×（D2-d2）×φ×（S×n）/60（其中：Q為渣土輸送量；D為螺旋機筒體內徑；d為螺旋桿直徑；S為節(jié)距；n為轉速；φ為物料填充系數(shù)。）估算螺旋機直徑是否滿足輸送要求[3]，若不滿足則需新制。在E、F 情況下，只需要對原件進行檢修維護即可。若管片直徑變?。℅、H、K），則需核對螺旋機外形尺寸是否滿足空間布置要求，若不滿足，則需新制。具體耐磨或其他情況可根據(jù)項目要求進行改造。

4）管片拼裝機 由于隧道管片直徑變大（A、B、C），需根據(jù)公式M=RmaxGmax+GR+FwRmax（其中：Rmax為最大回轉半徑；Gmax為管片重量；G為結構件重量；R為結構件重心與回轉中心的距離；F為管片環(huán)間密封擠壓力；w為管片環(huán)寬。）復核管片機最大回轉力矩是否滿足要求，同時需復核回轉支承的載荷能力，推拉油缸、提升油缸等能力及行程是否滿足要求，若不滿足要求，需新制。對于管片直徑縮小（G、H、K），則需核對管片及外形尺寸能否滿足使用要求，若不滿足，則需新制結構件。

5）盾體 若管片直徑加大（A、B、C），可新制盾體，同時需根據(jù)F=αA（其中：α為推力比；F為總推進力；A為開挖面的面積。）核算推進油缸推力是否滿足；若管片直徑變?。℅、H、K），需新制盾體；若地層變化而管片直徑不變（D、E、F），也需根據(jù)地層實際情況相應地增加或減小盾殼厚度及其它針對性設計改造，其中若有管片分度的變化，則需同時考慮推進油缸的分布是否合理。

6）后配套結構件 當管片直徑加大時，后配套結構可加高加寬改造或新制；當管片直徑變小時，后配套結構需相應地減低縮小改造，以滿足隧道直徑使用要求。

以上改造方式未考慮項目特殊情況要求（如渣土改良要求、特殊地層要求、特殊設計要求等），若有，再制造改造時需根據(jù)實際情況進行設計。對于管片直徑、地層均不變或變化很小可忽略不計的情況，只需對盾構進行檢修處理，更換易損件及損壞件。

4 盾構再制造技術案例分析

4.1 項目背景

原盾構用于西安地鐵項目，掘進里程約6 487m，主要地層為粉質粘土，管片規(guī)格?6000×5400-1200/1500/36°，改造后擬投入杭州地區(qū)，管片規(guī)格為?6200/5500～1200/1500/22.5°，主要地層為粉砂夾砂質粉土、砂石、礫石。

4.2 改造內容

1）刀盤 根據(jù)杭州地鐵設計隧道管片外徑6.2m，原盾構配置的軟土輻條式刀盤，開挖直徑?6 280mm，無法滿足施工要求，故需新制復合型刀盤。新制刀盤開挖直徑?6 430mm。根據(jù)水文地質情況，刀盤配置可更換撕裂刀，撕裂刀和滾刀可以根據(jù)地層進行互換，通用性較強。

2）主驅動 原設備額定扭矩為5 813kNm，脫困扭矩為6 976kNm。改造后工程所需扭矩T=αD3=5503kNm ＜5813kNm，原有配置能力基本滿足使用要求。需將主驅動全部拆解，更換密封，螺栓等，主驅動減速機、螺栓、主軸承等全部分解清洗，返廠專業(yè)檢測維護。

3）螺旋機 由于原螺旋輸送機采用周邊驅動后置出渣形式，該驅動方式密封容易損壞，導致泥沙進入齒輪箱[4]，本次改為中心驅動形式，需全新制作。按照新制螺旋輸送機內徑為750mm，轉速范圍0～25rpm，扭矩為125kNm，計算出渣量Q=3600×π/4×（D2-d2）×φ×（S×n）/60（其中：D為螺旋機筒體內徑；d為螺旋桿直徑；S為節(jié)距；n為轉速；φ為物料填充系數(shù)。）計算得Q=291.6m3/h＞刀盤出土量Q1=L×π/4D2=116.8m3/h（其中：D為開挖直徑；L為盾構每分鐘掘進軸線長度。），滿足使用要求。

4）管片機 原管片機回轉扭矩為282.7kNm，計算得現(xiàn)項目最大管片重量Gmax=（π（D2-d2））/4×α/360×w×γ=47kN（其 中：D為管片外徑；d為管片內徑；α為管片最大夾角；w為管片寬度；γ為管片密度。）則需要的最大回轉力矩M=RmaxGmax+GR+FwRmax=243.267kNm（其中：R為結構件重心與回轉中心的距離；G為結構件重量；F為管片環(huán)間密封擠壓力；w為管片環(huán)寬。）原管片機系統(tǒng)基本滿足改造項目使用要求。由于拼裝機回轉環(huán)磨損嚴重，需要重新制作，其余部件進行維修恢復，如馬達、閥組、油缸等需返廠清潔維修，結構件進行清理校正。

5）盾體 由于管片直徑增大，前、中、尾盾均已無法繼續(xù)使用，故需新制盾體。原推進缸的規(guī)格為?260/?190-2150，共22 根。其總推力為3 773t，根據(jù)公式F=αA（其中：α為推力比；A為開挖面的面積。）計算得所需推力F=3570t＜3773t，滿足施工要求，可重復利用原22 根推進油缸。因管片分度由36°改為22.5°，推進系統(tǒng)推進油缸需要重新布置，撐靴附件需要重新制作。原有鉸接油缸的規(guī)格為?332/?220-230，共12 根，鉸接總推力為3 456t，根據(jù)經(jīng)驗所需鉸接力一般為所需總推力的80%左右，因此，原鉸接油缸滿足使用要求?？芍貜屠迷?2 根鉸接油缸。由于管片分度改變，推進油缸重新布置，因而鉸接油缸也需重新布置。

6）后配套 原設備皮帶機帶寬800mm，帶速在176m/min，輸送量滿足使用要求，但由于采用定頻驅動，且結構變形嚴重。需將原有的定頻驅動升級為變頻驅動，帶速無極可調，減少對皮帶的磨損以及皮帶機頻繁啟動對驅動的沖擊；同時將皮帶機傾斜段角度根據(jù)螺旋輸送機雙閘門設置為10°。

原吊機系統(tǒng)起升機構為環(huán)鏈式電動葫蘆，行走機構為鏈輪鏈條結構形式，使用故障率高，改為起升機構采用鋼絲繩+滑輪+油缸形式。行走機構重復利用原有的吊機梁和鏈輪鏈條機構。

原拖車適應6m 管片，為了保證拖車中心線與隧道中心線齊平，需新增墊板，將拖車抬高50mm。將原拖車結構變形部位進行校正，并對結構進行加強。

其他流體及電氣配套設施根據(jù)各系統(tǒng)的改造需求進行更換或維護處理。

5 結語

盾構再制造技術在保證施工安全可靠的基礎上可節(jié)約資源、降低成本，給隧道施工單位創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。本文通過對不同形式工況下盾構各系統(tǒng)再制造技術的分析及實例說明，可將一般情況下土壓平衡盾構的再制造技術系統(tǒng)化、簡單化，為施工單位及相關設計人員提供參考。