直徑9m級(jí)土壓平衡盾構(gòu)再制造升級(jí)實(shí)踐與分析

馬傳智，李 坤，趙新合，鐘慶豐，陳良武

（中鐵工程裝備集團(tuán)技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構(gòu)作為隧道施工領(lǐng)域的高端智能裝備，廣泛用于地鐵工程、城市綜合管廊、鐵路及公路隧道、引水隧道等工程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2019 年底，我國盾構(gòu)保有量已超過2 000 臺(tái)套，且仍以平均每年300 臺(tái)套的速度增長(zhǎng)。隨著盾構(gòu)掘進(jìn)里程及使用年限的增加，市場(chǎng)上的盾構(gòu)產(chǎn)品有30%將面臨大修和報(bào)廢，且實(shí)際應(yīng)用中盾構(gòu)僅使用一次就報(bào)廢的工況很少，往往會(huì)涉及多個(gè)項(xiàng)目，盾構(gòu)再制造前景廣闊，將逐步成為行業(yè)新興的組成部分。

1 盾構(gòu)再制造

“再制造”概念于20 世紀(jì)90 年代被提出，是利用高新技術(shù)對(duì)有剩余壽命的報(bào)廢零部件進(jìn)行專業(yè)化修復(fù)、性能升級(jí)，獲得技術(shù)性能和質(zhì)量上不低于甚至超過原機(jī)新品的水平再制造產(chǎn)品的過程，有利于降低成本、降低資源和能源消耗、減少環(huán)境污染，是制造產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，能以最小的投入實(shí)現(xiàn)最大的產(chǎn)出效益。新造盾構(gòu)機(jī)與再制造盾構(gòu)機(jī)能源消耗比較如表1 所示。

表1 新造盾構(gòu)與再制造盾構(gòu)能源消耗比較（單位：t）

1.1 盾構(gòu)再制造原則總體方案設(shè)計(jì)

盾構(gòu)作為集機(jī)、電、液、光、傳感和信息于一體的大型高精尖裝備，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件種類多、數(shù)量大等特點(diǎn)，其再制造應(yīng)遵循以下基本原則。

1）滿足適應(yīng)性條件下，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保等因素，堅(jiān)持節(jié)能環(huán)保優(yōu)先原則，降低成本和對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

2）根據(jù)產(chǎn)品附加值不同，實(shí)行分級(jí)管理，高附加值零部件以修復(fù)和性能提升為主，低附加值零部件以更換為主。

3）多元并舉，合作開展再制造。外圍零部件可選用合作開發(fā)或委外加工的模式。

4）技術(shù)創(chuàng)新，結(jié)合產(chǎn)品制造優(yōu)勢(shì)，開展技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)新技術(shù)，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)軟實(shí)力。

5）基于上述原則，盾構(gòu)再制造過程中零部件分擔(dān)比例如圖1 所示。

圖1 盾構(gòu)再制造過程零部件的分擔(dān)比例

1.2 盾構(gòu)再制造流程

由于盾構(gòu)配置情況、作業(yè)環(huán)境及使用工況不同，在對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行再制造時(shí)需要結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)備履歷、動(dòng)靜態(tài)評(píng)估報(bào)告、維修保養(yǎng)記錄等進(jìn)行全面評(píng)估分析，清楚地了解盾構(gòu)的狀況，再綜合擬用項(xiàng)目地質(zhì)資料及調(diào)入地盾構(gòu)管理要求，得出最佳的再制造方案，經(jīng)專家論證評(píng)審?fù)ㄟ^后開始再制造工作，通過設(shè)備驗(yàn)收保障其性能、參數(shù)達(dá)到再制造要求，其主要工作流程如圖2 所示。

圖2 再制造工作流程圖

1.3 盾構(gòu)再制造關(guān)鍵技術(shù)

運(yùn)用盾構(gòu)評(píng)估技術(shù)結(jié)合盾構(gòu)施工工況、歷維修保養(yǎng)等因素，對(duì)盾構(gòu)整機(jī)狀況做出判定，預(yù)估盾構(gòu)剩余壽命，判定盾構(gòu)再制造的必要性。綜合再制造適用性技術(shù)對(duì)將要掘進(jìn)區(qū)間的地質(zhì)適應(yīng)性、施工風(fēng)險(xiǎn)和施工重難點(diǎn)分析，做出工程適應(yīng)性評(píng)價(jià)并利用現(xiàn)行的技術(shù)對(duì)盾構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，提高盾構(gòu)可靠性。

1）整機(jī)機(jī)況評(píng)估技術(shù) 綜合運(yùn)用油液檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)、整機(jī)性能檢測(cè)等方法對(duì)整機(jī)進(jìn)行機(jī)況判定。

2）剩余壽命綜合評(píng)估技術(shù) 利用整機(jī)機(jī)況評(píng)估技術(shù)，結(jié)合盾構(gòu)歷史故障及處理方法、效果，評(píng)估判斷整機(jī)剩余壽命。

3）再制造綜合必要評(píng)估技術(shù) 運(yùn)用整機(jī)機(jī)況評(píng)估和關(guān)鍵核心部件和剩余壽命綜合評(píng)估技術(shù)，評(píng)估盾構(gòu)再制造的必要性：以掘進(jìn)里程大于等于10km 進(jìn)行判定。

4）再制造適用性技術(shù) 根據(jù)擬使用項(xiàng)目的設(shè)計(jì)線路、水文、工程地質(zhì)等條件，評(píng)估論證舊盾構(gòu)的選型、設(shè)備配置及參數(shù)的合理性，保證盾構(gòu)的適應(yīng)性。

2 案例實(shí)踐

2.1 設(shè)備概況

中鐵450 號(hào)盾構(gòu)由北京城建于2018 年4 月20 日～2019 年1 月23 日北京市軌道交通新機(jī)場(chǎng)線一期工程土建06 標(biāo)磁各莊站-1#區(qū)間風(fēng)井掘進(jìn)2 712m。

再制造改造后將用于珠三角城際琶洲支線PZH-1 標(biāo)，貝崗公園明挖段-大學(xué)城東站區(qū)間里程左線DK4+550-DK5+774 距離約1 222.395m，右線YDK4+550-YDK5+774 距離約1 221.762m。掘進(jìn)區(qū)間里程約2 444m，主要地質(zhì)全風(fēng)化混合巖、強(qiáng)風(fēng)化混合巖、泥質(zhì)砂巖地層，局部中風(fēng)化軟硬不均地層。

2.2 功能改造與提升方案

為滿足珠三角城際琶洲支線盾構(gòu)適應(yīng)性需求，安全、優(yōu)質(zhì)、高效地完成本標(biāo)段施工任務(wù)提供設(shè)備保障，需對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)徑再制造。

2.2.1 改造前后技術(shù)參數(shù)對(duì)比（表2）

表2 改造前后技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

2.2.2 各系統(tǒng)分析

1）開挖直徑變大，新制刀盤 刀盤開挖直徑為?9 130mm，采用6 主梁+6 面板+6 扭腿的結(jié)構(gòu)形式，刀盤開口率33%（中心開口率38%），開口分布均勻，刀盤同時(shí)具備軟土、硬巖掘進(jìn)的能力。刀盤刀具設(shè)計(jì)考慮了硬、軟巖刀具可進(jìn)行互換，刀盤既可安裝撕裂刀，也可安裝滾刀；刀盤初裝刀為19 寸單刃滾刀（可安裝20 寸刀圈）。改造前后刀盤方案對(duì)比如圖3 所示。

圖3 改造前后刀盤方案對(duì)比圖

2）擴(kuò)徑改造，新制盾體 盾體設(shè)計(jì)是采用外置注漿管，主要適用于軟土地層。新項(xiàng)目主要是復(fù)合地層，需對(duì)原盾體系統(tǒng)進(jìn)行再制造。由于管片分度發(fā)生變化，由原22 個(gè)點(diǎn)位變?yōu)?9 個(gè)點(diǎn)位，中盾需要重新制作，前盾分塊位置、鉸接座子布置和筋板布置全部不合適，需要重新布置。再制造方案為整套盾體全部重新制作，包括前盾、中盾和尾盾，注漿管采用內(nèi)置式注漿管。新制盾體直徑為?9090mm／?9075mm／?9060mm。

3）管片拼裝機(jī) 原管片拼裝機(jī)適應(yīng)管片規(guī)格 為?8800mm／?7900mm-1600／16.3°，由 于新項(xiàng)目管片內(nèi)徑和分度發(fā)生變化，真空吸盤結(jié)構(gòu)不再適用，需新制真空吸盤適應(yīng)管片規(guī)格?8800mm／?8000mm-1800／12.8°。

4）管片吊機(jī) 原管片吊機(jī)結(jié)構(gòu)形式為鏈輪+鏈條結(jié)構(gòu)，起吊重量為4×5t，抓取形式為真空吸盤結(jié)構(gòu)。原管片吊機(jī)能力滿足新項(xiàng)目使用需求；由于管片規(guī)格發(fā)生變化，原吊機(jī)真空吸盤不再適用，需新制真空吸盤，其余部件可重復(fù)利用。

5）推進(jìn)系統(tǒng)和鉸接系統(tǒng) 原推進(jìn)油缸布置對(duì)應(yīng)原項(xiàng)目管片22 個(gè)螺栓孔，新項(xiàng)目管片為19 個(gè)連接螺栓。使用于新項(xiàng)目時(shí)，存在局部點(diǎn)位不能拼裝和推進(jìn)油缸撐靴存在騎縫現(xiàn)象。重復(fù)利用原推進(jìn)系統(tǒng)，對(duì)原推進(jìn)油缸進(jìn)行重新分組、布置，推進(jìn)油缸分組為6+8+3+4+3+4，如圖4 所示。

圖4 推進(jìn)油缸分組示意圖

3 過程管理要點(diǎn)

3.1 設(shè)備評(píng)估及方案管控

設(shè)備評(píng)估有動(dòng)態(tài)評(píng)估和靜態(tài)評(píng)估兩種。為保證評(píng)估的準(zhǔn)確，需對(duì)以下方面加強(qiáng)管控。

1）油樣抽取一般在熱機(jī)狀態(tài)進(jìn)行，不得停機(jī)一段時(shí)間后抽取。

2）承包商應(yīng)如實(shí)提供盾構(gòu)的履歷，包括項(xiàng)目名稱、地點(diǎn)、時(shí)間、水文、地質(zhì)情況及故障處理、維修保養(yǎng)記錄等。

3）刀盤、盾體等鋼結(jié)構(gòu)需委托有專業(yè)資質(zhì)的廠家進(jìn)行無損探傷。

4）對(duì)盾構(gòu)部件的現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)的檢修并拍照留檔。

5）再制造方案需尊徐行業(yè)改造原則并滿足項(xiàng)目使用要求；方案評(píng)審時(shí)需機(jī)械和地質(zhì)方面專家參加。

3.2 生產(chǎn)分級(jí)管理

根據(jù)系統(tǒng)的重要程度及對(duì)設(shè)備的影響，將盾構(gòu)各系統(tǒng)分為一級(jí)維修項(xiàng)、二級(jí)維修項(xiàng)、三級(jí)維修項(xiàng)三級(jí)，進(jìn)行分級(jí)管理（表3）。

表3 分級(jí)管理定義與項(xiàng)目分類

3.3 質(zhì)量管控

1）技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際工作需要定期組織制定、更新工藝文件并保證文件處于受控狀態(tài)。

2）關(guān)鍵部件現(xiàn)場(chǎng)拆裝需如實(shí)填寫拆裝記錄表并簽字，如實(shí)記錄拆裝過程保證過程的可追溯性。

3）關(guān)鍵委外部件進(jìn)行質(zhì)量派駐監(jiān)造；不定期對(duì)加工／檢修過程進(jìn)行抽檢。

4）關(guān)鍵委外部件驗(yàn)收由采購、技術(shù)、質(zhì)量聯(lián)合開展，形成驗(yàn)收、整改記錄，要求廠家在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提供簽字、蓋章版整改回復(fù)（整改方式+整改后照片）及加蓋公章的紙質(zhì)與電子版質(zhì)量資料。

5）初驗(yàn)合格后，根據(jù)終檢表對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行維修驗(yàn)收并形成驗(yàn)收、整改記錄。

6）整機(jī)調(diào)試完成后，按照自檢、內(nèi)部驗(yàn)收、外部驗(yàn)收順序逐級(jí)驗(yàn)收，外部驗(yàn)收合格方可移交出廠申請(qǐng)。

7）再制造過沖中做好相關(guān)工作記錄，影響資料留存同時(shí)做好保密工作。

4 再制造效果

經(jīng)過改造升級(jí)、系統(tǒng)恢復(fù)的盾構(gòu)順利通過業(yè)主及專家組驗(yàn)收。如圖5 所示，經(jīng)過組裝及調(diào)試后在琶洲PZH-1 工區(qū)成功應(yīng)用，整機(jī)性能突出，已順利掘進(jìn)84 天，日進(jìn)尺最高14.4m，月最高進(jìn)尺365.4m，平均進(jìn)尺為9.58m／d，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖5 周進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)圖

經(jīng)成本核算，本次再制造投入費(fèi)用約1 700萬元，盾構(gòu)原值9 000 萬元，再制造成本為盾構(gòu)原值的18.9%，節(jié)省生產(chǎn)工期38%，節(jié)約材料56.9%，取得了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，并減少了對(duì)環(huán)境破壞。不同來源盾構(gòu)對(duì)比分析如表4 所示。

表4 不同來源盾構(gòu)對(duì)比分析

5 結(jié)論與建議

1）再制造可使廢舊盾構(gòu)中蘊(yùn)含的價(jià)值得到最大限度的開發(fā)，是企業(yè)節(jié)約成本的新途徑，符合國家綠色制造的發(fā)展方向，對(duì)擁有盾構(gòu)的企業(yè)有益。

2）完善政策法規(guī)，加強(qiáng)政策指引和市場(chǎng)監(jiān)管，建立產(chǎn)品標(biāo)識(shí)管理制度和再制造產(chǎn)品認(rèn)證體系，杜絕不合格翻新產(chǎn)品影響正規(guī)再制造產(chǎn)品的銷售。

3）加強(qiáng)盾構(gòu)部件在制造修復(fù)技術(shù)的攻關(guān)和應(yīng)用，重點(diǎn)巖脊再制造設(shè)計(jì)、部件總成的再制造技術(shù)、甄姬信息化、液壓系統(tǒng)等升級(jí)換代技術(shù)，為盾構(gòu)再制造提供技術(shù)支撐和質(zhì)量保障。

4）建立盾構(gòu)信息大數(shù)據(jù)平臺(tái)，充分發(fā)揮協(xié)同平臺(tái)作用，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)制造企業(yè)、專業(yè)再制造企業(yè)、施工企業(yè)間信息共享與良好合作，構(gòu)建新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系，提高盾構(gòu)的利用率。