盾構(gòu)機再制造全生命周期環(huán)節(jié)質(zhì)量管控

朱兆盛，沈建華（上海隧道工程有限公司，上海 200137）

1 概述

1.1 再制造的意義

盾構(gòu)機能用于在幾乎所有類型的地層和不同的物理條件下開挖隧道。盾構(gòu)機作為一種集機械、液壓、電氣、控制于一體的大型特種設(shè)備，在科技方面占據(jù)很重要的地位，為了我國的科技技術(shù)保密和進步，應(yīng)該對其重復(fù)利用，提高相關(guān)技術(shù)能力和科技水平。盾構(gòu)產(chǎn)品的大量生產(chǎn)、盾構(gòu)法隧道大量應(yīng)用可促使社會經(jīng)濟得以高速增長 ， 企業(yè)獲得良好的經(jīng)濟效益 。但與此同時，也將會使舊盾構(gòu)的數(shù)量迅速增加 。由于盾構(gòu)機運用高強度、高質(zhì)量、高保障性的材料制作，所以盾構(gòu)機的制作成本比較高，在推進了幾個標段之后，就將其報廢，這是對資源的極大浪費，也不符合我國建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟的方向。

早在 20 世紀 90 年代，徐濱士院士就在國內(nèi)首先提出了再制造的概念[1]，盾構(gòu)機在國內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用和制造已有 10多 a，盾構(gòu)機再制造技術(shù)已經(jīng)大范圍推廣，但在全生命周期管理方面的運用，還沒有大范圍實施。作為擁有 60 多 a 盾構(gòu)機設(shè)計、制造和施工使用歷史的上海隧道工程有限公司，在盾構(gòu)機的翻新、維護保養(yǎng)和使用等方面具有豐富的經(jīng)驗。目前公司設(shè)計生產(chǎn)制造盾構(gòu)機 300 多臺，現(xiàn)有 10 m 以上超大直徑盾構(gòu)機 16 臺，其中由海瑞克公司設(shè)計的盾構(gòu)機 9臺，我公司設(shè)計制造的盾構(gòu)機7臺。為了進一步規(guī)范大型盾構(gòu)維護及管理行為，充分延長盾構(gòu)使用壽命，保證盾構(gòu)使用后的質(zhì)量及性能。 如何處理盾構(gòu)制造業(yè)的資源利用 ， 加強盾構(gòu)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量管理以確保盾構(gòu)機最終投入使用 ， 是目前盾構(gòu)機制造發(fā)展過程中不可忽視的重要問題 。在這個全球倡導(dǎo)綠色、健康、安全的時代 ， 盾構(gòu)再制造全生命周期管理勢在必行。

1.2 全生命周期管理

盾構(gòu)機施工工況環(huán)境復(fù)雜，盾構(gòu)機故障率和故障恢復(fù)時間有很高要求，如何掌握盾構(gòu)機在從工程需求、設(shè)備功能選型、設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、運行、施工使用、拆卸、維護保養(yǎng)、翻新改造、失效和改進等全生命周期中的關(guān)鍵信息，從而科學(xué)地管理盾構(gòu)機的備品備件，對降低盾構(gòu)機故障率，縮短隧道施工的建設(shè)周期，減少工程風(fēng)險具有很高的使用價值[2]。如何加強這么多環(huán)節(jié)管控，每個環(huán)節(jié)對盾構(gòu)機進行檢查、記錄、適應(yīng)性控制，精細化管理，密切跟蹤設(shè)備動態(tài)，提前介入設(shè)備性能評估并做好籌劃準備，結(jié)合工程實際案例進行了驗證、預(yù)測和分析，完善更具科學(xué)性的管理模式[3]。

盾構(gòu)機全生命周期管理包括設(shè)計、制造、安裝調(diào)試拆卸、使用、維修保養(yǎng)再制造等多個環(huán)節(jié)管控，其中基于廢舊全斷面隧道掘進機資源循環(huán)利用的制造模式，應(yīng)用新材料、新工藝、新技術(shù)對廢舊全斷面隧道掘進機進行修復(fù)和改造,使其功能、性能、環(huán)保、經(jīng)濟及安全特性不低于原型新機的一系列技術(shù)措施稱為全斷面隧道掘進機再制造[4]。盾構(gòu)的全生命周期分析是包括了從工廠到工地的管理，包括從原料加工到使用后維修保養(yǎng)再制造的全生命周期過程。

2 全生命周期管理在盾構(gòu)再制造環(huán)節(jié)的應(yīng)用

2.1 項目背景

北橫東項目 Ⅷ 標段隧道全長 2.84 km 項目，是以超大直徑盾構(gòu)掘進為主體的土建工程，采用 1 臺 Φ 15.53 m 泥水氣壓平衡盾構(gòu)機—“縱橫號”施工。北橫 Ⅷ 標盾構(gòu)線路如圖 1 所示。

圖1 北橫 Ⅷ 標盾構(gòu)線路圖

該盾構(gòu)原成功應(yīng)用于上海市北橫通道新建工程 Ⅱ 標隧道，盾構(gòu)掘進總里程 6426 m。針對北橫通道 Ⅷ 標段隧道項目的工程特點和難點，對其進行適應(yīng)性再制造，并采取相應(yīng)的針對性措施?；谂f盾構(gòu)機資源循環(huán)利用的制造模式，通過技術(shù)匹配、性能強化、功能優(yōu)化等手段，綜合實際施工需求，對盾構(gòu)機再制造過程進行全生命周期管理，最大程度地提高盾構(gòu)設(shè)備生產(chǎn)的創(chuàng)效能力，可大幅節(jié)約投人成本，縮短施工工期，促進軌道交通建設(shè)。

2.2 盾構(gòu)機適應(yīng)性再制造關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 復(fù)合式切削刀盤

本項目隧道掘進施工區(qū)間地質(zhì)復(fù)雜，穿越特殊地層包括砂性土層、（微）承壓水層，在盾構(gòu)掘進過程中容易引起開挖面失穩(wěn)、盾尾滲漏、管片滲水等問題，控制難度大，對刀盤進行適應(yīng)性再制造，配置復(fù)合式切削刀盤，保證切削直徑15560 mm，開口率 30%，對刀盤中心塊鋼結(jié)構(gòu)、6 根主幅條和 6 個扇形塊進行翻新改制。全新刀具和邊塊的改造和升級，裝有中心刀、刮刀、撕裂刀、先行刀等高耐磨刀具，并在刀盤上設(shè)置了常壓可更換重型貝殼刀和焊接式撕裂刀，以應(yīng)對隧道掘進時會遇到的鋼筋混凝土灌注樁，刀盤示意圖見圖 2。通過磨損監(jiān)測系統(tǒng)進一步跟蹤刀具的磨損狀況，避免了出現(xiàn)刀具過量磨損而沒有及時更換刀具的情況，進而影響了整個工程的質(zhì)量和工期拖延。

圖2 復(fù)合式切削刀盤示意圖

（1）完成切削刀盤的勘驗工作。原應(yīng)用于上海市北橫通道新建工程 Ⅱ 標隧道的 Φ 15.53 m 超大直徑泥水加壓平衡盾構(gòu)機于 2019 年 8 月對完成掘進的 Φ 15.56 m 盾構(gòu)刀盤進行勘驗，勘驗結(jié)果見表 1。

表1 北橫通道 Ⅱ 標隧道掘進完成后 Φ 15.56 m 刀盤勘驗情況

（2）根據(jù)勘驗結(jié)果，確定刀盤修復(fù)和再制造的方案：復(fù)合式切削刀盤修復(fù)和再制造的過程包括：維修直徑 15560 mm刀盤結(jié)構(gòu)，包括刀盤中心塊裂縫修復(fù)，結(jié)構(gòu)加強，刀臂修復(fù)，加固耐磨保護，維修磨損檢測，中心沖洗管路修復(fù)；恢復(fù)刀盤初裝刀，檢查刀具磨損情況，維修保養(yǎng)，采購新刀具更換；翻新刀盤常壓換刀裝置，拆除、更換，重新安裝和測試；吊攀探傷檢測；中心接管翻新；刀盤吊架、刀盤拼裝用擱凳翻新；采購和補缺刀盤工地安裝用備件，刀盤修復(fù)和再制造的步續(xù)以及具體維修保養(yǎng)方案如表 2 所示。

表2 刀盤修復(fù)和再制造的步續(xù)以及具體維修保養(yǎng)方案

（3）切削刀盤修復(fù)和再制造過程加強質(zhì)量管控。復(fù)合式切削刀盤修復(fù)和再制造的過程中進行質(zhì)量控制流程見圖3。刀盤修復(fù)后用水準儀測量所有齒刀水平高度尺寸，所有焊接型貝殼刀焊接后測量焊接式貝殼刀高度、半徑，有邊刮刀半徑與高度尺寸。最后，經(jīng)過質(zhì)量檢驗，復(fù)合式切削刀盤刀具的種類、質(zhì)量、數(shù)量滿足再制造設(shè)計要求。對刀盤進行探傷檢查，刀盤裂紋處進行探傷檢驗，刀盤的結(jié)構(gòu)尺寸、強度、剛度和耐磨保護滿足再制造設(shè)計要求。焊縫質(zhì)量應(yīng)符合GB—T 12467.1—2009《金屬材料熔焊質(zhì)量》的規(guī)定。

圖3 刀盤修復(fù)和再制造質(zhì)量控制流程

2.2.2 主驅(qū)動

主驅(qū)動是盾構(gòu)機關(guān)鍵核心部件，為滿足主驅(qū)動高壓工況長距離施工的性能可靠，對主驅(qū)動進行狀態(tài)評估和適應(yīng)性再制造。

圖 4 為驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，法蘭盤通過機械方式與中心刀盤法蘭面連接。內(nèi)外周兩層特殊的密封系統(tǒng)主要由各自唇形密封和附帶在屏形密封之前組成的腔體中油脂和壓力氣體密封組成，能夠使主驅(qū)動齒輪腔防止泥沙的侵擾。完整可靠的主驅(qū)動密封一方面通過注入并保持一定壓力的潤滑油脂，給主驅(qū)動軸承提供良好的運轉(zhuǎn)環(huán)境；另一方面，帶有一定壓力的潤滑油脂向盾構(gòu)機土倉側(cè)強制擠出，可以有效地防止土倉內(nèi)的泥沙進入主驅(qū)動內(nèi)部，造成部件磨損而失效。若施工過程中因密封損壞或磨損間隙過大等問題而造成主軸承齒輪油泄露或泥沙顆粒進入齒輪箱，引起主軸承或齒輪損壞，導(dǎo)致盾構(gòu)機癱瘓，將給隧道施工工程帶來非常嚴重和不可估量的經(jīng)濟損失。

圖4 驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

（1）刀盤驅(qū)動裝置的勘驗工作。主驅(qū)動拆解勘驗的主要內(nèi)容如表 3 所示。

表3 主驅(qū)動拆解勘驗的主要內(nèi)容

（2）根據(jù)勘驗結(jié)果，確定刀盤驅(qū)動修復(fù)和再制造的方案。對大軸承的勘驗結(jié)果顯示：對滾道面和齒圈進行了探傷，未發(fā)現(xiàn)裂紋；在滾道和滾柱表面發(fā)現(xiàn)銹斑，人工拋光無法去除，這會影響軸承使用壽命。只有在銹跡問題進行修復(fù)后，才能保證該軸承在后續(xù)項目中的適用性。此類軸承的翻新工作，只能在授權(quán)軸承廠家的德國工廠進行，德國廠家鑒于銹蝕情況，對軸承進行機械性的翻新修復(fù)，包括出現(xiàn)銹跡的滾道修復(fù)，以及更換所有滾動結(jié)構(gòu)（滾柱和保持架），對軸承重新組裝并檢測，所有數(shù)據(jù)符合廠家對新軸承的技術(shù)要求。

（3）刀盤驅(qū)動修復(fù)和再制造過程加強質(zhì)量管控。驅(qū)動各部件修復(fù)后重新組裝，組裝過程中進行質(zhì)量控制，質(zhì)量控制流程如圖 5 所示。安裝用緊固件應(yīng)符合鋼結(jié)構(gòu)高強度緊固件的有關(guān)標準，否則需更換。大軸承吊裝于本體內(nèi)，并按要求的扭矩用相應(yīng)的緊固件將其固定。將驅(qū)動減速機吊裝于相應(yīng)孔內(nèi)，并按要求緊固，緊固扭矩應(yīng)符合圖紙規(guī)定。在組裝時注意不得漏裝零件及密封件，組裝后檢查調(diào)整配偶齒輪的側(cè)隙。加注規(guī)定牌號的大軸承潤滑油。組裝完成后進行氣密性檢查。

圖5 刀盤驅(qū)動修復(fù)和再制造質(zhì)量控制流程

2.2.3 總體再制造

本項目盾構(gòu)機適應(yīng)性再制造除關(guān)鍵部件刀盤、主驅(qū)動再制造以外，還包含盾構(gòu)機的拼裝機、推進系統(tǒng)、泥水系統(tǒng)液壓驅(qū)動系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、工業(yè)空氣系統(tǒng)和油脂系統(tǒng)等的整機總體再制造，針對本項目工程特性，對每個系統(tǒng)設(shè)備進行勘驗維修保養(yǎng)針對性改制，確保盾構(gòu)機各設(shè)備性能可靠，滿足隧道掘進施工。北橫通道新建工程Ⅷ標段隧道工程Φ15.53 m 泥水氣平衡盾構(gòu)于 2021 年 7 月中旬開始落實盾構(gòu)機井下安裝，同時將開展對原應(yīng)用于長江隧道的 Φ15.43 m盾構(gòu)維修保養(yǎng)再制造工作滿足上海銀都路越江隧道的推進施工要求。

3 結(jié) 語

隨著全國盾構(gòu)機市場保有量越來越多，盾構(gòu)制造企業(yè)開始關(guān)注盾構(gòu)的全生命周期管理，作為一種新理念和新舉措在盾構(gòu)掘進裝備制造各個環(huán)節(jié)中進行監(jiān)測控制、統(tǒng)籌管理，可以進一步提升高端制造技術(shù)管理水平和產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量。全生命周期管理是產(chǎn)品從出廠到使用到維修保養(yǎng)再制造全過程中的一種系統(tǒng)的、全過程的管理。本文通過分析高端裝備再制造，引入結(jié)合北橫通道Ⅷ標隧道工程項目特點及施工難點風(fēng)險，北橫通道新建工程Ⅷ標段隧道 Φ15.53 m 超大直徑泥水氣平衡盾構(gòu)機的再制造關(guān)鍵技術(shù)(刀盤、主驅(qū)動、拼裝機等)的適應(yīng)性再制造方法，為上海隧道工程有限公司現(xiàn)有大型盾構(gòu)共 16 臺的維護及再制造管理行為，充分延長盾構(gòu)使用壽命，保證盾構(gòu)使用后的質(zhì)量及性能提供了參考及借鑒價值，對推動高端隧道掘進裝備制造的發(fā)展和切實提高盾構(gòu)設(shè)備的利用率有著重要的參考價值和指導(dǎo)意義。