土壓平衡盾構(gòu)擴(kuò)徑再制造技術(shù)

李 懷

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司設(shè)備分公司，廣東 廣州 511457）

每個(gè)城市對地鐵隧道的設(shè)計(jì)選型不一，地鐵隧道內(nèi)徑尺寸的影響因素較多，其中最重要的是界限和綜合誤差（測量、施工等各種誤差及結(jié)構(gòu)位移、沉降和變形等）[1]，地鐵隧道內(nèi)徑均在由5 400mm 向5 500mm 甚至更大的尺寸設(shè)計(jì)和選型。因而大量的管片內(nèi)徑為5 400mm（開挖直徑6 280mm）的盾構(gòu)閑置，并且企業(yè)需要不斷新購適合管片類型的盾構(gòu)用于工程建設(shè)，這就造成大量的資產(chǎn)浪費(fèi)和進(jìn)一步擴(kuò)大固定資產(chǎn)采購?fù)度?。亟須找到一種方法解決這個(gè)問題。將這些閑置的和老舊盾構(gòu)經(jīng)擴(kuò)徑改造、再制造應(yīng)用于管片內(nèi)徑5 500mm（開挖直徑6 470mm）的工程項(xiàng)目，不僅盤活了企業(yè)資產(chǎn)，降低了資源浪費(fèi)，減少了固定資產(chǎn)投資，同時(shí)響應(yīng)了國家循環(huán)經(jīng)濟(jì)和綠色發(fā)展號召，也能適應(yīng)新的項(xiàng)目需求，且后續(xù)類似工程項(xiàng)目需求巨大，值得進(jìn)行研究和推廣。

1 盾構(gòu)適應(yīng)性分析

中鐵27 號盾構(gòu)在重慶、成都和合肥多個(gè)地鐵項(xiàng)目使用，累計(jì)掘進(jìn)里程為11.15km，掘進(jìn)里程已經(jīng)超出設(shè)計(jì)壽命里程，但整體機(jī)況尚好，直接報(bào)廢是資源的浪費(fèi)，擬擴(kuò)徑再制造后用于合肥市軌道交通8 號線一期項(xiàng)目施工。如圖1 所示，原配置復(fù)合刀盤，開口率為35%，適應(yīng)本項(xiàng)目開口率需求；適用管片規(guī)格6000/5400-1500mm，擴(kuò)徑再制造后盾構(gòu)需滿足管片規(guī)格6200/5500-1500mm 使用要求。

圖1 擴(kuò)徑改造前刀盤圖紙

對刀盤扭矩、總推力、出渣能力、拼裝機(jī)能力、管片吊運(yùn)、鉸接拖拉力、推進(jìn)速度等參數(shù)進(jìn)行逐一校核，對不能滿足的系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。使其能夠完全適應(yīng)后續(xù)項(xiàng)目和施工。具體需要對刀盤結(jié)構(gòu)、前中尾盾進(jìn)行擴(kuò)徑改造，對推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行分度設(shè)計(jì)改造，拖車結(jié)構(gòu)件、拼裝機(jī)抓舉板適應(yīng)性改造。其他部分和系統(tǒng)無須改造，但需恢復(fù)其性能，本次按照再制造標(biāo)準(zhǔn)對其他系統(tǒng)進(jìn)行再制造。

2 擴(kuò)徑改造方案

2.1 刀盤擴(kuò)徑改造方案

刀盤開挖直徑由原設(shè)計(jì)?6 280mm 擴(kuò)徑為?6 470mm，擴(kuò)徑方案具體措施如下。

1）割除原有刀盤外圈梁、邊刮刀及邊滾刀刀座，重新制作大圓環(huán)；對原有刀盤的輻條及面板按照原走向進(jìn)行焊接延長處理，并與新制刀盤大圓環(huán)焊接成型。

2）將Arm6 輻條上滾刀29#調(diào)整至Arm7輻條上，保持軌跡圓半徑2 298mm 不變。Arm6輻條上原滾刀29#旁設(shè)置滾刀45#，其軌跡半徑為2 720mm。

3）將Arm2輻條上滾刀30#調(diào)整至Arm3輻條上，保持軌跡圓半徑2 374mm 不變。Arm2輻條上原滾刀30#旁設(shè)置滾刀46#，其軌跡圓半徑為2 765mm。

4）刀盤擴(kuò)徑后，原33～44#邊滾刀軌跡向外徑延伸95mm，該批滾刀刀間距不變；重新定位焊接邊滾刀刀座。擴(kuò)徑改造前后刀盤滾刀軌跡如圖2 所示。

圖2 擴(kuò)徑改造前后刀盤滾刀軌跡圖

5）因Arm6、Arm2增加兩把滾刀45#、46#，對Arm6、Arm2上的邊刮刀1#、3#、2#、4#尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

6）在新制大圓環(huán)上按原刀具布置圓環(huán)保護(hù)刀。

7）調(diào)整優(yōu)化泡沫和膨潤土刀盤面板沖刷口。

2.2 前盾包殼擴(kuò)徑改造方案

經(jīng)大量考察類似改造項(xiàng)目，前盾包殼擴(kuò)徑改造后能夠滿足使用需求。具體方案為：按照圖3相關(guān)角度分布進(jìn)行組件拼焊，拼焊組件為弧形鋼板+相關(guān)筋板等組成。擴(kuò)徑殼體材質(zhì)為Q355B，擴(kuò)徑殼體前后兩端設(shè)置加強(qiáng)環(huán)板，擴(kuò)徑殼體與加強(qiáng)環(huán)板之間進(jìn)行焊接，加強(qiáng)環(huán)板與原盾體之間進(jìn)行焊接。擴(kuò)徑殼體上半部分外圓弧板厚度為20mm，下半部分外圓弧板厚度為40mm，內(nèi)部加焊環(huán)向（40mm 厚）與縱向筋板（30mm 厚），保證其整體剛度、強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。始發(fā)架受力處為95mm 圓弧板。擴(kuò)徑后前盾鋼結(jié)構(gòu)外徑為?6 440mm，長度維持不變。

圖3 前盾擴(kuò)徑改造方案分區(qū)圖

2.3 中盾尾盾新制擴(kuò)徑改造方案

為滿足合肥地鐵工程管片規(guī)格?6 200/5 500mm 和22.5°分度需求，需新制尾盾，外徑為?6 420mm，長度不變；另注漿管路、油脂管路、鉸接密封、盾尾密封、盾尾間隙等維持原設(shè)計(jì)。

鑒于利用原中盾進(jìn)行包殼擴(kuò)徑改造后，推進(jìn)油缸中心并未改變，使用后會(huì)產(chǎn)生管片內(nèi)外翻、“喇叭口”等現(xiàn)象，成型管片質(zhì)量差。雖在后續(xù)對推進(jìn)油缸撐靴和球頭進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，限制推進(jìn)油缸行程和分區(qū)油壓等措施后拼裝管片質(zhì)量有很大改觀[2]，但畢竟限制了推進(jìn)的油壓和推進(jìn)行程等，降低了盾構(gòu)適用范圍，本次擴(kuò)徑改造按照22.5°油缸分度新制中盾，外徑?6 430mm，長度維持不變；其他部分設(shè)計(jì)參照原中盾進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置。

2.4 推進(jìn)系統(tǒng)擴(kuò)徑改造方案

新制2 根推進(jìn)油缸及撐靴，將原36°分度推進(jìn)油缸設(shè)計(jì)改造為22.5°分度（圖4、圖5）。重新設(shè)置推進(jìn)分區(qū)布置和連接管線，將多出不使用的分組內(nèi)部部分閥組進(jìn)行封堵，并對控制電路和上位機(jī)程序等進(jìn)行相應(yīng)改造。

圖4 原油缸布置圖

圖5 改造后油缸布置圖

3 擴(kuò)徑再制造設(shè)計(jì)復(fù)核

3.1 刀盤扭矩復(fù)核

刀盤系統(tǒng)擴(kuò)徑再制造前后配置的主參數(shù)如表1 所示。

表1 刀盤擴(kuò)徑再制造前后主參數(shù)

按照GB/T 34651-2017《全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)-土壓平衡盾構(gòu)》5.4.2 規(guī)定可知：土壓平衡盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)單元扭矩系數(shù)α不宜小于18。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)附錄A 裝備扭矩計(jì)算方法-A.2 經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法計(jì)算可知原盾構(gòu)扭矩系數(shù)為

擴(kuò)徑后扭矩系數(shù)計(jì)算為20.38，滿足要求。

3.2 總推力復(fù)核

原盾構(gòu)的推進(jìn)系統(tǒng)基本參數(shù)如表2 所示。

表2 推進(jìn)系統(tǒng)擴(kuò)徑再制造前后基本參數(shù)

按照GB/T 34651-2017《全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)-土壓平衡盾構(gòu)》附錄B-裝備推力計(jì)算方法-B.2 經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法可知，目標(biāo)工程所需盾構(gòu)總推力為

其中，P一般取1 000～1 300kN/m2，計(jì)算總推力小于盾構(gòu)擴(kuò)徑再制造后配置的總推力，且有富余量，滿足后續(xù)項(xiàng)目使用。

3.3 鉸接拖拉力復(fù)核

原盾構(gòu)鉸接系統(tǒng)配置14 根?160/80mm 的鉸接油缸，最大鉸接拖拉力7 340kN。盾構(gòu)擴(kuò)徑再制造后，為減少卡盾尾幾率，并結(jié)合目前6m 級盾構(gòu)上鉸接系統(tǒng)拖拉力均達(dá)到10 000kN 及以上。本次擴(kuò)徑再制造新制14 根?180/80mm 的鉸接油缸，最大鉸接拖拉力為11 430kN。

3.4 管片拼裝機(jī)能力復(fù)核

原盾構(gòu)配置的管片拼裝機(jī)參數(shù)如表3 所示。

表3 拼裝機(jī)主參數(shù)

根據(jù)圖6 得出原管片拼裝機(jī)油缸收回時(shí)距離盾構(gòu)設(shè)計(jì)圓中心線1 850mm，所以管片拼裝機(jī)抓取頭能夠伸出最大距離為3 050mm；后續(xù)項(xiàng)目要求管片拼裝機(jī)抓舉頭伸出距離不小于5 500/2=2 750mm，小于3 050mm，故原管片拼裝機(jī)伸縮油缸配置能滿足要求。

圖6 管片拼裝機(jī)行程原機(jī)配置圖

旋轉(zhuǎn)扭矩，經(jīng)查中鐵裝備和海瑞克廠家管片規(guī)格為?6 200/5500-1500mm 盾構(gòu)拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)扭矩為150kN，與現(xiàn)有配置相同，不需對旋轉(zhuǎn)扭矩進(jìn)行改造。

對于拼裝機(jī)抓取頭尼龍板與管片內(nèi)弧面貼合處尺寸做稍微調(diào)整，保證抓舉穩(wěn)定可靠。

3.5 其他系統(tǒng)復(fù)核

結(jié)構(gòu)部分經(jīng)擴(kuò)徑后，后配套拖車需要增高50mm，具體操作在拖車與輪對結(jié)合面加墊50mm厚鋼板，并可適當(dāng)向管片側(cè)移動(dòng)設(shè)備，擴(kuò)大內(nèi)部走道板行走空間和避免電瓶車編組剮蹭拖車上設(shè)備；另管片輸送裝置上下尼龍板和行走橡膠輪做稍微尺寸調(diào)整，保證擴(kuò)徑后管片完好貼合。

其他系統(tǒng)逐一進(jìn)行了再制造設(shè)計(jì)復(fù)核，并結(jié)合中鐵隧道局集團(tuán)有限公司大量同尺寸級別盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)徑前后，對于螺旋輸送機(jī)、皮帶輸送系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、管片吊機(jī)、泡沫系統(tǒng)、膨潤土系統(tǒng)、電力電氣系統(tǒng)、油脂潤滑系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)以及二次通風(fēng)系統(tǒng)的影響并不大。其余系統(tǒng)仍可以按照原機(jī)配置能力使用。

4 恢復(fù)性再制造方案

因原中鐵27 號盾構(gòu)累計(jì)掘進(jìn)已超10km，除整機(jī)擴(kuò)徑新制部分外部分按照土壓平衡盾構(gòu)再制造標(biāo)準(zhǔn)、全拆全檢恢復(fù)性能的原則，對各系統(tǒng)各個(gè)零部件進(jìn)行拆解、清洗、檢查、評估、修復(fù)和組裝，重新涂裝并進(jìn)行整機(jī)通電負(fù)載調(diào)試。以達(dá)到擴(kuò)徑再制造后盾構(gòu)接近新機(jī)的性能標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 結(jié)構(gòu)部分恢復(fù)性再制造方案

1）對所有結(jié)構(gòu)件噴砂處理外表面油泥、銹跡和殘存的油漆等，更換銹蝕嚴(yán)重和變形嚴(yán)重的附屬結(jié)構(gòu)件。

2）對關(guān)鍵焊縫如刀盤扭腿與法蘭、刀盤主梁、螺旋輸送機(jī)焊縫等進(jìn)行無損探傷檢測，對存在裂紋的進(jìn)行刨開，重新焊接，過程做好焊接工藝控制，保證修復(fù)焊接質(zhì)量。

3）對繼續(xù)使用的刀盤結(jié)構(gòu)件重點(diǎn)檢查磨損、變形和尺寸復(fù)核，并針對問題進(jìn)行堆焊修復(fù)、矯形和恢復(fù)尺寸。

4）根據(jù)地層重新優(yōu)化布置刀具，并對舊刀具、螺栓等進(jìn)行更換。

5）對螺旋輸送機(jī)葉片磨損、筒體壁厚磨損進(jìn)行檢查，堆焊恢復(fù)葉片高度、筒體壁厚等，磨損嚴(yán)重的新制更換。

6）所有結(jié)構(gòu)件按照新機(jī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行涂裝。

4.2 液壓系統(tǒng)恢復(fù)性再制造方案

1）對液壓拼裝機(jī)液壓馬達(dá)、螺旋輸送機(jī)馬達(dá)、液壓泵站液壓泵、液壓閥組閥塊委托專業(yè)液壓維修單位；全部分解，逐件進(jìn)行檢查，更換磨損嚴(yán)重件、密封件，并重新組裝、噴涂和測試；按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)設(shè)定溢流閥、減壓閥、安全閥等壓力和流量等參數(shù)。

2）盾構(gòu)所有推進(jìn)、螺旋輸送機(jī)、管片小車、拼裝機(jī)和后配套拖拉等油缸委托專業(yè)液壓缸廠家進(jìn)行分解；檢查活塞桿、缸筒、活塞、導(dǎo)向套等磨損、變形和損傷情況，并逐根制定恢復(fù)方案；更換所有密封件，完成后組裝，并按新液壓油缸出廠標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)合格后再使用。

3）整機(jī)液壓硬管內(nèi)部酸洗、鈍化后使用，更換所有液壓膠管和接頭。

4）更換液壓油箱熱交換器、蓄能器等。

5）清洗液壓油箱、更換整機(jī)所有液壓油濾芯、損壞的油壓表、溫度表、行程傳感器、溫度傳感器和液位傳感器等。

4.3 動(dòng)力和傳動(dòng)部分恢復(fù)性再制造方案

1）對主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、泵站電機(jī)等所有電機(jī)進(jìn)行絕緣和電阻檢測，并拆檢更換電機(jī)軸承、密封件、損壞的接線端子等；同時(shí)檢查聯(lián)軸器和彈性墊，磨損嚴(yán)重的予以更換。

2）主軸承、拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)軸承委托有資質(zhì)的廠家進(jìn)行檢查，對內(nèi)外圈滾道、內(nèi)外圈滾動(dòng)體硬度、硬化層深度、磨損量、滾動(dòng)體相互差、裂紋等進(jìn)行檢查，對整體跳動(dòng)、軸向徑向游隙進(jìn)行檢查；對不合格件進(jìn)行修復(fù)和更換，修配軸承游隙，保證質(zhì)量。

3）主驅(qū)動(dòng)、螺旋輸送機(jī)和拼裝機(jī)減速機(jī)等行星減速機(jī)委托專業(yè)減速機(jī)廠家對各級齒圈、齒輪、行星架、內(nèi)部軸承和小齒輪等進(jìn)行檢查；對磨損和損壞件進(jìn)行更換，同時(shí)更換密封件；完成后整體測試，盡量做到負(fù)載測試，過程測量冷卻水道密封性，減速機(jī)運(yùn)行溫升、噪音等，合格后繼續(xù)使用；對扭矩限制器進(jìn)行重新標(biāo)定后使用。

4）附屬如砂漿攪拌減速機(jī)、皮帶減速機(jī)、膨潤土罐等減速機(jī)清理內(nèi)部，檢查軸承和齒輪情況，更換損壞件和密封件，重新加注制定規(guī)格型號齒輪油。

4.4 電力電氣系統(tǒng)恢復(fù)性再制造方案

1）整機(jī)變壓器、高壓開關(guān)柜、高壓電纜等高壓部分委托專業(yè)廠家進(jìn)行清洗、檢測、評估和修復(fù)，并出具檢測合格報(bào)告。

2）對整機(jī)動(dòng)力柜、控制柜、開關(guān)柜、開關(guān)箱和插座箱等內(nèi)部清理，逐個(gè)部件檢查，更換損壞件。

3）更換整機(jī)控制電纜、信號電纜、燈具和攝像頭等。

4）更換整機(jī)損壞的流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、接近開關(guān)、計(jì)數(shù)器、電磁閥、土壓傳感器和注漿壓力傳感器等。

4.5 油脂潤滑系統(tǒng)恢復(fù)性再制造方案

1）更換油脂系統(tǒng)老化的盾尾油脂泵、HBW油脂泵和EP2 油脂泵。

2）多點(diǎn)泵、油脂分配閥、氣動(dòng)球閥進(jìn)行拆檢和修復(fù)。

3）齒輪油泵系統(tǒng)更換濾芯、熱交換器。

4.6 其他部分恢復(fù)性再制造方案

1）人艙和保壓系統(tǒng)委托有資質(zhì)的廠家進(jìn)行再制造修復(fù)，更換損壞老化件，按新機(jī)制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維修。

2）空壓機(jī)委托專業(yè)空壓機(jī)維修廠家，對空壓機(jī)泵頭、熱交換器、儲(chǔ)氣桶等進(jìn)行檢測維修，更換油濾、油細(xì)分離器、空氣濾芯和專業(yè)冷卻油等易損件；儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)氣罐壓力表及安全閥標(biāo)定或更換。

3）導(dǎo)向系統(tǒng)重新標(biāo)定合格后使用。

4）氣體監(jiān)測系統(tǒng)有毒有害檢測系統(tǒng)儀器更換使用。

5 擴(kuò)徑改造后使用情況

該盾構(gòu)擴(kuò)徑再制造完成后在合肥地鐵8 號線首個(gè)地鐵區(qū)間龍湖北路站～北城高鐵站項(xiàng)目掘進(jìn)順利，日最高掘進(jìn)30m，月最高掘進(jìn)450m，故障率低，性能與新機(jī)接近；貫通評估設(shè)備各系統(tǒng)功能良好，能夠繼續(xù)使用。

6 結(jié)語

結(jié)合目標(biāo)項(xiàng)目工程地質(zhì)情況，對中鐵27 號盾構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性擴(kuò)徑改造，采取對刀盤新制外圈面板輻條延伸擴(kuò)徑改造和前盾包殼擴(kuò)徑改造方案，中盾和尾盾進(jìn)行新制方案，其他部分均按照再制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行恢復(fù)性再制造，并結(jié)合擴(kuò)徑改造設(shè)計(jì)復(fù)核，充分驗(yàn)證了改造方案的可行性和可靠性；按照此方案進(jìn)行擴(kuò)徑再制造后整機(jī)性能接近于新機(jī)性能。該盾構(gòu)在首個(gè)盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)期間各系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，故障率低，經(jīng)評估各系統(tǒng)性能良好，能夠繼續(xù)施工使用。該臺(tái)套盾構(gòu)擴(kuò)徑再制造改造總體成本為1 400 萬元，為新機(jī)采購成本的30%～40%，大幅度節(jié)約了成本，是企業(yè)盤活固定資產(chǎn)降低固定資產(chǎn)投入的一個(gè)好的解決方案，為類似工程項(xiàng)目提供了一個(gè)好的思路和方法。O