超大直徑盾構(gòu)制造工藝優(yōu)化

楊晨平（上海隧道工程有限公司，上海 200137）

超大直徑盾構(gòu)隧道一般應(yīng)用于公路或公路與軌道交通合建項(xiàng)目，其邊界很難界定，20 a 前，直徑 10～11 m 的盾構(gòu)被認(rèn)為是最大的，可以滿足單層 2 車道需求；而近 10 年來，隨著我國城市化進(jìn)程的發(fā)展及交通需求量的增長，14 m及以上直徑是當(dāng)前的主流，可以滿足雙層 4/6 車道或單層 3車道需求。“工欲善其事，必先利其器”，盾構(gòu)設(shè)備是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。盾構(gòu)設(shè)備的選擇需要結(jié)合水文、地質(zhì)、周邊環(huán)境和沿線建(構(gòu))筑物等條件，兼顧設(shè)備的可靠性和技術(shù)先進(jìn)性，滿足工程項(xiàng)目要求。

1 超大直徑盾構(gòu)制作

機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線工程起于虹橋機(jī)場(chǎng)站，經(jīng)七寶站、華涇站、三林南站、張江站、度假區(qū)站、浦東機(jī)場(chǎng)站、規(guī)劃 T 3航站樓站，止于浦東新區(qū)上海東站。全線長 68.6 km，其中地下段總長 56.7 km，含盾構(gòu)區(qū)間 49.7 km，其中進(jìn)行施工的騏躍號(hào)盾構(gòu)機(jī)是一臺(tái)刀盤切削直徑達(dá) 14.05 m，整機(jī)總重約 3 200 t，總長 99 m，的超大直徑盾構(gòu)，由上海隧道工程有限公司機(jī)械制造分公司制造。本盾構(gòu)機(jī)總長約92 m，主機(jī)長度約 13.7 m，滿足隧道最小水平曲線半徑450 m 的掘進(jìn)施工，如圖 1 所示。后配套為 3 節(jié)集成式車架，采用著地式車輪設(shè)計(jì)。

圖1 泥水氣平衡盾構(gòu)總體圖

在該臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的制作過程中，發(fā)現(xiàn)一些由于設(shè)計(jì)或者加工出現(xiàn)的問題，在安裝工程中進(jìn)行工藝的優(yōu)化，順利完成了整個(gè)制造過程。

1.1 刀盤及驅(qū)動(dòng)制造問題及解決方案

刀盤結(jié)構(gòu)采用可常壓換刀技術(shù)，人員不用出艙即可更換刮刀與先行刀。既能提高施工安全性，也提高了施工效率。在進(jìn)行刀盤中心筋板焊接時(shí)，發(fā)現(xiàn)刀盤中心體筋板焊接坡口過大，最大坡口角度達(dá)到 65°，焊接量大，為控制焊接變形 ，在焊接時(shí)需多點(diǎn)對(duì)稱施焊，焊工在焊接過程中相互配合難度相對(duì)較大。為此在加工工藝上進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)行多點(diǎn)對(duì)稱施焊，焊接過程中保證各點(diǎn)勻速焊接，同時(shí)增加對(duì)外形尺寸的檢測(cè)頻次，以保證中心刀盤的焊接變形量在可控范圍內(nèi)。

在進(jìn)行圓弧刮刀定位焊接位置在圈梁上，圓弧刮刀定位時(shí)發(fā)現(xiàn)刀具高度低于理論設(shè)計(jì)值 100 mm。為此在圓弧刮刀兩側(cè)增加貼板墊塊，圓弧刮刀焊接在墊塊上，增加耐磨保護(hù)焊，更換先行刀高度。常壓更換刀具如圖 2 所示。

圖2 常壓更換刀具示意圖

在進(jìn)行可更換刀具裝置的閘門和過度套為螺栓整體固定安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)刀座定位有角度差異，在部分位置，閘門和過度套定位及固定安裝難度大。為此在安裝時(shí)刀盤正面向下，通過工人手動(dòng)固定閘門方式來安裝閘門和固定套。建議閘門與刀座間增加定位固定裝置。

刀盤驅(qū)動(dòng)裝置為刀盤開挖掘進(jìn)提供所需的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，是整個(gè)盾構(gòu)的核心部件。它是由驅(qū)動(dòng)箱體，三排滾柱回轉(zhuǎn)支承，土砂密封圈，內(nèi)外密封環(huán)以及減速電機(jī)等組成，減速電機(jī)采用變頻控制，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。在進(jìn)行刀盤主驅(qū)動(dòng)安裝時(shí)，殼體只安裝底部三個(gè)扇塊，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)還未安裝到位，發(fā)現(xiàn)無法進(jìn)行焊接固定。底部三個(gè)扇塊與驅(qū)動(dòng)的接觸面略小，加上盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)和接收的工作井帶有一定的坡度，考慮到驅(qū)動(dòng)的重心靠前容易造成傾斜。通過工藝優(yōu)化，將定制壓板均布在底部三個(gè)扇塊上，當(dāng)殼體逐步成環(huán)后，在其余扇塊上均布置該壓板，靠調(diào)解螺栓逐漸將驅(qū)動(dòng)壓調(diào)到位。定制定位支架與動(dòng)力箱連接，起到既可以定位又能防驅(qū)動(dòng)傾倒和止轉(zhuǎn)的作用。刀盤驅(qū)動(dòng)裝置示意圖如圖 3 所示。

圖3 刀盤驅(qū)動(dòng)裝置圖

1.2 殼體制作問題匯總

殼體承載盾構(gòu)機(jī)內(nèi)主要設(shè)備，對(duì)外部土體起支護(hù)作用，同時(shí)也將盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部與外部土體隔絕。殼體采用分塊式設(shè)計(jì)滿足安裝和運(yùn)輸?shù)男枨蟆?/p>

攪拌機(jī)布置在氣包倉后隔板底部。攪拌機(jī)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)有傳感器，可以方便判斷攪拌機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。攪拌機(jī)迎渣面焊接有耐磨復(fù)合鋼板，提高攪拌機(jī)的耐磨性能。同時(shí)攪拌機(jī)頂部位置設(shè)計(jì)沖洗管路，有效降低渣土堆積概率。在進(jìn)行攪拌機(jī)安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于套筒制作工藝為焊前金加工，焊后套筒尺寸有變形，為此先制作一根假軸，對(duì)套筒尺寸進(jìn)行測(cè)量，對(duì)套筒超差初進(jìn)行打磨，打磨要求為即要保證攪拌機(jī)安裝尺寸又要保證密封壓密量。攪拌機(jī)及沖洗示意圖如圖 4 所示。

圖4 攪拌機(jī)及沖洗示意圖

中心艙內(nèi)平臺(tái)用于人員的移動(dòng)，以便完成換刀等工作。平臺(tái)具備伸縮功能，平時(shí)為避免干涉中心回轉(zhuǎn)處于縮回狀態(tài)，進(jìn)行刀盤中心刀更換時(shí)，選擇合適的平臺(tái)伸出，配合物料吊機(jī)完成換刀工作。對(duì)于主輻條部分的刀具更換，工作人員可在對(duì)應(yīng)主輻條處于正確位置時(shí)，通過平臺(tái)進(jìn)入刀盤輻條。在進(jìn)行平臺(tái)安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)與扇塊內(nèi)部筋板離得太近，未考慮扇塊內(nèi)走液壓環(huán)管的位置，為此在安裝時(shí)進(jìn)行工藝優(yōu)化，將平臺(tái)與扇塊筋板之間的安裝間離保持在 20 cm 距離。同時(shí)部門機(jī)內(nèi)平臺(tái)樓梯的布置根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，防止人員在上下樓梯時(shí)碰撞結(jié)構(gòu)。

1.3 拼裝機(jī)制作問題

管片拼裝機(jī)安裝在殼體內(nèi)部，為中心回轉(zhuǎn)大平移式，主要作用是管片襯砌的安裝。管片拼裝機(jī)具有 6 個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)正反方向的旋轉(zhuǎn)、前后行走、上下升降、左右擺動(dòng)等動(dòng)作?；剞D(zhuǎn)角度為 ±220°，回轉(zhuǎn)速度為 0～1.5 rpm，采用比例控制系統(tǒng)，控制精度高反應(yīng)靈敏。所有動(dòng)作可無線遙控，便于拼裝司機(jī)觀察和操作。在進(jìn)行管片拼裝機(jī)安裝時(shí)，發(fā)管片拼裝機(jī)下橫梁原位置與泥水管路干涉，泥水管路無法安裝。為此對(duì)管片拼裝機(jī)的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化，管片拼裝機(jī)下橫梁位置下調(diào) 90 mm，修改橫梁位置，同時(shí)反饋給設(shè)計(jì)端進(jìn)行圖紙的修改。拼裝機(jī)圖如圖5所示。

圖5 拼裝機(jī)圖

在安裝拼裝機(jī)平移梁時(shí)，發(fā)現(xiàn)拼裝機(jī)平移梁焊接坡口尺寸過大，焊接量大增加焊接工期，為此進(jìn)行工藝優(yōu)化，對(duì)焊接坡口的尺寸通過技術(shù)部門重新設(shè)計(jì)在安裝拼裝機(jī)平移軸承座制作工藝為先金加工后焊接，發(fā)現(xiàn)焊接過程中會(huì)引起機(jī)加工尺寸變形，最大誤差為 0.3 mm，影響軸承安裝。為此對(duì)軸承座進(jìn)行打磨，使其與設(shè)計(jì)尺寸相符，完成安裝，并在工藝編排上進(jìn)行優(yōu)化，防止熱處理產(chǎn)生的變形影響到安裝。在安裝拼裝機(jī)平移梁中間平臺(tái)蓋板時(shí)，發(fā)現(xiàn)其為焊接式結(jié)構(gòu)，影響電纜鋪設(shè)和檢修。通過工藝優(yōu)化，將焊接式蓋板改為可拆卸手控蓋板，方便后續(xù)安裝。

1.4 車架結(jié)構(gòu)制作問題

車架結(jié)構(gòu)為集成式車架，以 H 型鋼和鋼板拼接而成，總共為 3 節(jié)。車體的橫斷面尺寸可滿足隧道最小水平曲線半徑450 m 的掘進(jìn)施工。車輪采用著地式設(shè)計(jì)，直接行走在管片上。車架內(nèi)部規(guī)劃有完善的逃生通道，與拼裝平臺(tái)人員通道相連。車架內(nèi)部逃生通道路線上，在醒目位置設(shè)置有消防應(yīng)急照明，疏散指示標(biāo)志，便于人員安全快速撤離。

在進(jìn)行 1 號(hào)車架安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)其前段斜支撐，結(jié)構(gòu)不合理，無法安裝。為此與技術(shù)部門溝通，優(yōu)化設(shè)計(jì)并下發(fā)圖紙制作斜撐。在進(jìn)行 2 號(hào)車架欄桿安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)其無踢腳板。欄桿之間間隙過大，為此對(duì)其進(jìn)行工藝優(yōu)化，要求各欄桿之間的開檔控制在 10 cm 以內(nèi)。在安裝 3 號(hào)車架時(shí)，發(fā)現(xiàn)水管卷筒平臺(tái)懸空結(jié)構(gòu)在安裝水管卷筒后有輕微變形，目前水管卷筒內(nèi)還未充滿水。水管卷筒整體已經(jīng)向內(nèi)側(cè)平移了 300 mm。為此優(yōu)化安裝工藝，在 2、3 號(hào)車架交接的位置，2 號(hào)車架上增加支撐平臺(tái)，3 號(hào)車架上增加帶滑塊的支撐立柱。在 3 號(hào)車架安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)分塊可以增加法蘭連接形式，方便拆解運(yùn)輸時(shí)部件運(yùn)輸?shù)母叨燃岸询B。為此優(yōu)化安裝工藝，修改分塊連接形式，優(yōu)化安裝效率在進(jìn)行車架上行車軌道的支座安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)其未焊接在車架結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致支座焊接需要在廠內(nèi)仰焊，無法保證焊接質(zhì)量。為此在工藝布置上進(jìn)行優(yōu)化，在車架上先進(jìn)行仰焊，在拆機(jī)時(shí)將車架結(jié)構(gòu)翻身重新焊接。

1.5 管片運(yùn)輸行車

管片行車為單管片吊機(jī)，運(yùn)行區(qū)間在 2 號(hào)車架內(nèi)，其主要作用是將管片從管片車上吊運(yùn)至喂片機(jī)上。管片行車運(yùn)行區(qū)間軌道沒有鉸接點(diǎn)，軌道面上沒有間隙，不會(huì)出現(xiàn)卡軌、啃軌，有利于降低車輪損毀的概率。管片行車主吊機(jī)起升能力 15 t（不含吊具），主吊機(jī)具有 ±90° 旋轉(zhuǎn)功能。管片行車前部還配有2T小行車，兼具軌道等其他物料的吊運(yùn)功能。

吊機(jī)由四臺(tái)電機(jī)分別對(duì)管片的四個(gè)角進(jìn)行起吊，一次可以吊運(yùn)兩塊管片。原設(shè)計(jì)通過四個(gè)凸輪開關(guān)來控制管片的起吊過程，但是由于起重電機(jī)的控制系統(tǒng)中被沒有加入同步起吊的程序，所以在起吊和放置時(shí)管片的過程中 4 個(gè)吊鉤的長度不同步，會(huì)出現(xiàn)管片傾斜的情況。通過對(duì)系統(tǒng)的分析，進(jìn)行制作工藝的優(yōu)化，將原來系統(tǒng)中管片起吊過程的凸輪開關(guān)改為編碼器，通過編碼器對(duì)起重電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后再程序中換算成起吊高度，并進(jìn)行 4 個(gè)電機(jī)起吊高度比較，加入同步起吊高度的程序，使管片運(yùn)輸行車的起吊及放置變得平穩(wěn)。

3 結(jié) 語

在超大直徑盾構(gòu)的安裝制作工程，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多設(shè)計(jì)不合理，以及加工不到為的情況，這時(shí)候就需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝優(yōu)化，使安裝工作持續(xù)進(jìn)行下去。同時(shí)優(yōu)化的部分反饋到設(shè)計(jì)端進(jìn)行設(shè)計(jì)的修改，避免今后發(fā)生類似的問題。本盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)完成了 1 000 多環(huán)的掘進(jìn)工作，在施工過程中，設(shè)備完好率經(jīng)過統(tǒng)計(jì)高達(dá) 97%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了同類國內(nèi)外產(chǎn)品，顯然在制作過程種的工藝優(yōu)化，同樣可以為提升盾構(gòu)機(jī)的整體技術(shù)水平和高質(zhì)量打好了基礎(chǔ)，有利于響應(yīng)更廣泛的市場(chǎng)需求，增加國內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭力。