地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造關(guān)鍵技術(shù)

潘海濤

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第六工程有限公司，吉林長(zhǎng)春 130000）

0 引言

城市軌道交通為了進(jìn)一步提高工程安全需要，地鐵隧道管片設(shè)計(jì)厚度增加，表現(xiàn)出擴(kuò)徑的趨勢(shì)[1]。現(xiàn)階段，盾構(gòu)機(jī)出廠后受到自身結(jié)構(gòu)尺寸的制約，只能用于拼裝單一直徑的管片，最終導(dǎo)致設(shè)備無法在更大直徑的隧道施工中進(jìn)行合理的周轉(zhuǎn)使用[2]。采取盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造的技術(shù)確保經(jīng)過改造的設(shè)備可以達(dá)到應(yīng)有的性能，還能夠降低相關(guān)的改造費(fèi)用以及縮短改造周期，以此來促進(jìn)滿足企業(yè)節(jié)約社會(huì)資源的要求[3]。

1 設(shè)備情況及主要改造參數(shù)

DZ209、DZ210 改造前使用在長(zhǎng)沙地鐵3 號(hào)線16 標(biāo)區(qū)間，掘進(jìn)里程均為3.7 km，區(qū)間地質(zhì)主要為中風(fēng)化礫巖、強(qiáng)風(fēng)化礫巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，管片形式均為6000/5400-1500（外徑/內(nèi)徑/-管片寬度，單位為毫米），管片厚度300 mm，改造后設(shè)備滿足管片形式6200/5500-1500（外徑/內(nèi)徑/-管片寬度）。

結(jié)合該設(shè)備情況，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤、盾體、管片拼裝機(jī)、管片吊運(yùn)系統(tǒng)、后配套拖車等部件進(jìn)行改造。

2 改造方案

為滿足管片擴(kuò)徑后的盾構(gòu)隧道推進(jìn)，需使用相應(yīng)掘進(jìn)直徑的盾構(gòu)機(jī)，但如果單純?yōu)楸ＷC直管片直徑要求更換盾構(gòu)機(jī)，或買或租，施工成本會(huì)很高，地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)改造技術(shù)可以對(duì)原有產(chǎn)權(quán)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備進(jìn)行合理的改造，使其滿足施工需求，明顯降低施工成本。

2.1 盾構(gòu)機(jī)改造原則

地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造需要對(duì)盾構(gòu)機(jī)原設(shè)備進(jìn)行必要的改造，同時(shí)還會(huì)對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的增減，經(jīng)過改造后將會(huì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性、效率以及功能等產(chǎn)生直接影響[4]。在進(jìn)行地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)改造時(shí)應(yīng)當(dāng)始終遵守以下兩項(xiàng)改造原則。首先，所設(shè)計(jì)的地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)改造方案應(yīng)當(dāng)具有較高的安全性以及可靠性，經(jīng)過擴(kuò)徑改造后的盾構(gòu)機(jī)不能夠存在質(zhì)量安全方面的隱患，所有的設(shè)計(jì)都應(yīng)當(dāng)確保科學(xué)合理。其次，經(jīng)過改造后的盾構(gòu)機(jī)設(shè)備一定要對(duì)所在施工地的地質(zhì)條件具有高度適應(yīng)性，并且一定要滿足新的管片尺寸拼裝要求。

2.2 刀盤擴(kuò)徑改造方案

刀盤擴(kuò)徑改造方案：①清理刀盤、拆卸取下可后續(xù)利用的配件（刀具、回轉(zhuǎn)接頭、耐磨板、刀座、刀箱等）；②將刀盤面板、輻條板修整到方案圖紙指定尺寸；③新制作大圓環(huán)、面板、環(huán)形筋板、部分背面及連接板，按圖紙鉚焊；④盡量利用原有刀箱刀座定位鉚焊，新制無法利用的刀座；⑤焊接耐磨板、補(bǔ)齊耐磨網(wǎng)格；⑥刀盤整體涂裝、裝配回轉(zhuǎn)接頭、更換所有泡沫噴嘴，更換磨損檢測(cè)器芯。根據(jù)施工地質(zhì)需要，改造后刀盤正面滾刀增加1 把，正面滾刀總數(shù)達(dá)到23 把，其余滾刀數(shù)量不變，可以更好地適應(yīng)地層強(qiáng)度的變化，為盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)提供保障；改造刀盤所需材料包括拼接輻條和大圓環(huán)以及刀箱等零部件。

2.3 盾體擴(kuò)徑改造方案

盾體結(jié)構(gòu)的前盾外徑/板厚、中盾外徑/板厚、盾尾外徑/板厚ZTE6250 參數(shù)分別 為6250/50、6240/40、6230/40；ZTE6410參數(shù)分別為6430/50、6420/40、6410/40。

盾體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需保證盾構(gòu)機(jī)在各種載荷作用下，各大部件能夠安全、可靠的運(yùn)行并發(fā)揮功能，設(shè)計(jì)時(shí)一般都假設(shè)全部荷載作用于盾體的全周，其中尾盾無中心支撐，其強(qiáng)度相對(duì)來說最弱，所以通過計(jì)算尾盾強(qiáng)度是否滿足要求來判斷整體盾體強(qiáng)度是否符合要求。

盾體強(qiáng)度計(jì)算的計(jì)算條件：假設(shè)上載負(fù)重的覆土厚度33 m，尾盾材料Q345B，厚度40 mm。根據(jù)尾盾有限元分析結(jié)果，尾盾的最大應(yīng)力47 N/mm2，最大變形量1.3 mm。尾盾的材料Q345B 的屈服強(qiáng)度是345 MPa，許用應(yīng)力σ=σ/n（n 為安全系數(shù)），經(jīng)查許用應(yīng)力取值210 MPa。由上述計(jì)算可發(fā)現(xiàn)尾盾所受最大應(yīng)力小于Q345B 材料的許用應(yīng)力，盾體結(jié)構(gòu)安全，滿足要求。

重新制作前中盾尾結(jié)構(gòu)，包括兩道“橡膠+緊急氣囊”鉸接形式、更換盾尾刷止?jié){板和撐靴板、利用原有主驅(qū)動(dòng)、液壓、電氣元器件。鉸接密封形式改造前為一道橡膠密封+一道緊急氣囊，改造后為兩道橡膠+緊急氣囊。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程鉸接會(huì)反復(fù)經(jīng)歷多次被動(dòng)伸長(zhǎng)以及回收，橡膠密封在反復(fù)擠壓的狀態(tài)下很容易出現(xiàn)失效的情況。經(jīng)過改造后，鉸接密封兩道橡膠阻止周圍地層的土砂以及地下水等從中盾與盾尾之間的間隙進(jìn)入盾構(gòu)內(nèi)的效果明顯增強(qiáng)，在橡膠密封失效后緊急氣囊仍舊可以促使橡膠密封重新達(dá)到密封效果，但是應(yīng)當(dāng)避免在掘進(jìn)時(shí)使用，避免緊急氣囊被活動(dòng)的鉸接擠破。盾尾密封形式為三道盾尾刷+一道鋼板束，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程鉸接密封與盾尾會(huì)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況，因此在具體的使用過程中，盾構(gòu)機(jī)維保人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)相應(yīng)地調(diào)整鉸接密封的松緊度。

2.4 后配套擴(kuò)徑改造方案

由于洞徑的變化，設(shè)備原有的行走機(jī)構(gòu)不能夠滿足結(jié)構(gòu)對(duì)中要求，故需根據(jù)隧道情況進(jìn)行新增墊塊墊高臺(tái)車行走輪處理。

3 中鐵建大橋局DZ209、DZ210 盾構(gòu)機(jī)改造范圍

中鐵建大橋局DZ209、DZ210 盾構(gòu)機(jī)改造總工期為75 d，其中刀盤改造工期、盾體改造工期、拼裝機(jī)改造工期、后配套改造工期、皮帶機(jī)改造工期以及組裝調(diào)試工期分別為40 d、60 d、5 d、15 d、15 d、25 d。

4 中鐵建大橋局DZ209、DZ210 盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造前后主要參數(shù)

現(xiàn)將中鐵建大橋局DZ209、DZ210 盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造前后主要參數(shù)進(jìn)行總結(jié)，主要包括總體設(shè)計(jì)、刀盤改造、盾體改造、鉸接系統(tǒng)改造以及同步注漿系統(tǒng)改造等，具體的細(xì)目部件以及改造前參數(shù)和改造后參數(shù)如表1 所示。

表1 中鐵建大橋局DZ209、DZ210 盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造前后主要參數(shù)

改造完成后的兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)能滿足管片形式均為6200/5500-1500，達(dá)到可使用管片厚度350 mm，比原來管片直徑增加100 mm的管片施工要求。

5 結(jié)語

綜上所述，地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造關(guān)鍵技術(shù)的重要性越來越突出，施工單位對(duì)盾構(gòu)機(jī)改造方面的投入也在逐漸增大，盾構(gòu)機(jī)改擴(kuò)徑達(dá)到滿足管片改徑施工的需要。通過中鐵建大橋局DZ209、DZ210 盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造表明，在改造過程應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)節(jié)約的原則，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤、盾體以及后配套等進(jìn)行擴(kuò)徑改造，在設(shè)備性能不受影響的基礎(chǔ)上，有效縮短工期，并且在后期調(diào)試中也不會(huì)出現(xiàn)太多系統(tǒng)故障，設(shè)備運(yùn)行有較高的穩(wěn)定性。