刘成启，曾翔，王龙，刘子琛
中铁工程装备集团（天津）有限公司
摘要：盾构再制造可以解决目前因适应性不佳，导致盾构闲置数量多的现状，从而避免资源浪费，为企业节约成本。以将Φ8m级泥水盾构改造成双通道盾构为例，介绍了工程及设备概况、盾构针对性改造设计、主要部件维修方案，以及再制造后盾构施工应用情况，为泥水盾构再制造提供一定借鉴。
盾构是隧道施工中的重要设备，近年来，需求量不断增加。目前，国内盾构保有量达数千台，由于不同项目对盾构适应性要求不同，导致很多盾构都处于闲置状态。若将闲置的盾构经过适应性改造，并应用于其他项目，不仅可以避免各种资源的浪费，还能为企业节约成本。
针对盾构改造，李方义[1]从主轴承、刀盘刀具、减速机、螺旋输送机、液压系统等系统的损伤形式及目前常用的再制造修复方法等方面，对盾构关键零部件再制造修复技术进行了综述，还分析了激光熔覆、冷焊、喷涂等技术在盾构再制造行业的优势，展望了盾构再制造的发展趋势。潘海涛[2]介绍了地铁隧道用常规盾构扩径改造技术。杨欢欢[3]结合隧道工程概况，详细介绍了盾构各系统改造方案，以及在施工应用中出现的问题。蒲强[4]通过对比分析，对刀盘、泡沫、螺旋输送机等系统进行了改造更新，并且新增了螺旋输送机防喷涌系统、泥饼冲洗装置及二次注浆设备。马传智[5]以中铁装备φ9m级盾构再制造研究为例，详细介绍了盾构再制造的关键点、过程管控措施及经济效益分析，为盾构再制造提供了一定借鉴。段保亮[6]研究了盾构部分关键系统再制造中的状态检测方法、可行性评估、方案优选方法、再制造后性能评估等内容，并进行了相关软件的开发。李森[7]介绍了盾构再制造过程中，刀盘、主驱动、螺旋输送机等核心零部件的成形修复技术，为推动盾构再制造行业发展提供了一定参考。
1工程及设备概况
1.1工程概况
广州白云机场T3交通枢纽轨道交通预留工程，芳白城际东侧盾构井—白云机场站区间隧道为两条单洞单线隧道，右线隧道长度593.723m，左线隧道长度585.084m，隧道顶埋深9.5~24.1m，最小转弯半径640m，最大纵坡25‰，管片规格为φ8500/7700-1600/18.95°，错缝拼接。先后下穿同期施工广河高铁明挖区间、兔岗坑。隧道主要穿越地层为全、强、中风化泥质粉砂岩、中风化泥灰岩、淤泥质土、砂砾、粗砂、可/硬塑性粉质黏土、圆砾、中/微风化石灰岩等，如图1所示。
1.2设备概况
用于珠江三角洲水资源配置工程土建施工B3标段盾构区间线路施工任务的海瑞克盾构为泥水盾构，生产于2020年，已累计掘进3.1km，之后处于存放状态。为满足广州白云机场T3交通枢纽轨道交通预留工程使用，安全、高效地完成本区间施工任务，需对该盾构进行再制造，该设备再制造前后参数对比如表1所示。
2盾构针对性改造
2.1刀盘改造
原刀盘开挖直径φ8650mm，由于管片规格发生变化，原刀盘不满足使用要求，需对原刀盘进行扩径改造。刀盘改造分为新制刀盘及在原刀盘的基础上进行改造。为节约成本，最大程度再利用旧刀盘，对旧刀盘中心块进行周边割除，保留中心区域，新制4块弧形边块，与旧中心块组队焊接。改造后刀盘开挖直径φ8830mm，刀盘配置中心双联滚刀4把，单刃滚刀46把，刮刀98把，边刮刀16组，开口率31%，设置磨损检测点4处，刀盘背部焊接1条主动搅拌棒。正面铺焊耐磨复合钢板，大圆环焊有耐磨合金块，刀盘背部、刀盘支腿及搅拌棒等区域加焊耐磨网格，提高刀盘整体耐磨性能。改造后的刀盘见图2。
2.2盾体改造
2.2.1盾体基本情况
由于管片规格发生变化，故原盾体不能使用，需重新设计制作前盾、中盾及尾盾。为减小推进阻力，盾体设计为梭形结构，前盾直径φ8800mm，中盾直径φ8785mm，尾盾直径φ8770mm。前中盾分为4块，尾盾分为3块。盾体仍采用被动铰接设计，铰接处设置两道铰接密封，并配置紧急气囊装置，在铰接处漏浆等紧急情况下使用，提高盾构施工安全性。盾尾密封刷采用4道钢丝刷+1道止浆板，盾尾油脂共11个点位，每个点位前中后3路，盾尾管片安装间隙35mm，注浆管采取6用6备。
2.2.2泥水仓可视化系统
盾构在掘进过程中，刀盘结泥饼会导致推力增大，推进速度减慢，掘进效率降低。另外，在盾构施工过程中，不可避免地需要人员带压进入泥水仓进行更换刀具或其他作业，在高压、密闭的工作环境下，作业难度及风险性较大。基于以上考虑，前盾增加泥水仓可视化系统，以便实时观察泥水仓内的情况，提高施工质量及安全性，降低施工风险[8]。盾构前隔板开方孔，安装泥水仓可视化系统集成，并做好密封。泥水仓安装摄像头，同时安装照明装置，摄像头采集泥水仓内画面并将图像信号传输至上位机，实现实时监控。另外，泥水仓可视化玻璃周围设置喷嘴，连接盾构用水，当玻璃被泥土覆盖时，使用高压水进行冲洗。泥水仓可视化系统如图3所示。
2.2.3盾尾间隙测量系统
在盾构掘进与拼装过程中，盾尾间隙如果过小，会导致盾尾与管片发生干涉，增加盾构前进的阻力，降低掘进速度，影响施工效率，严重时，盾尾会挤压管片导致其损坏。盾尾间隙如果过大，会导致盾尾密封效果不好，可能会出现盾尾油脂或水泥浆渗漏的现象[9]。因此，增加盾尾间隙测量系统，提高管片拼装效率，辅助盾构操作人员调整盾构掘进姿态，保障盾构施工质量及安全。盾尾间隙测量系统传感器如图4所示。
2.3泥水双通道
原设备为泥水直排盾构，此类盾构的破碎机通常设置在泥水仓底部，一旦破碎不到位，就容易出现滞排现象，并且破碎机损坏时不易维修，给施工带来的影响较大。为解决此问题，在泥水盾构的基础上，增加螺旋输送机，形成泥水双通道模式，破碎机从前盾移至螺旋输送机出渣口下方，与螺旋输送机后闸门连接。正常情况下，泥水仓内的泥浆携带渣土从排浆管排出，经过P2.1泵排至地面泥浆站。当泥水仓排浆口有较大渣土块而出现滞排现象时，启用螺旋输送机，螺旋输送机将泥渣排出到破碎机，经过破碎后再排出洞外。破碎机设置在1号拖车前部，相比原机在泥水仓内，出现故障时维修更为便捷。因原机无螺旋输送机，故需新制，破碎机采用原机旧件，为颚式破碎机。泥水双通道示意图如图5所示。
2.3.1螺旋输送机输送量的计算
螺旋输送机的输送量与其容积、最大转速等有关，计算公式如下：
式中：Iv为螺旋输送机最大出渣量，m³/h；D为螺旋输送机内筒直径，取1120mm；d为螺旋轴直径，取245mm；p为螺距，取700mm；δ为螺旋输送机叶片厚度，取85mm；n为螺旋输送机最大转速，取22r/min。
将以上数值带入公式，得螺旋输送机最大出渣量Iv为761.5m³/h。
2.3.2螺旋输送机的驱动计算校核
螺旋输送机采用液压马达驱动，液压马达选用的是力士乐的A6VM500，其最大转矩为2785N·m，最高转速为2650r/min。
根据JB/T7679—2019《螺旋输送机》可知，螺旋输送机的驱动功率为物料运行时所需功率PH、空载运转时驱动功率PN及倾斜功率Pst之和，即：
物料运行时所需功率PH的计算公式为：
式中：ρ为输送物料的密度，取1.3 t/m³；L为螺旋输送机长度，取16.5mm；g为重力加速度，取9.8m/s²。
计算得物料运行时所需功率PH为355.6kW。
螺旋输送机空载运行时驱动功率PN的计算公式为：
计算得螺旋输送机空载时驱动功率PN为0.92kW。
螺旋输送机的倾斜功率Pst的计算公式为：
式中：H为提升高度，取5.64m。
计算得物料运行时所需功率Pst为15.2kW。
螺旋输送机的驱动功率P=PH+PN+Pst=355.6+0.92+15.2=371.7kW。螺旋输送机的驱动功率就是减速机所需的功率，则减速机所需的转矩T：
式中：P为减速机所需的功率，371.7kW；n为螺旋输送机最大转速，22r/min。
计算得减速机所需的转矩T为161351.6N·m。
螺旋输送机减速机的速比i=89.5，液压马达输出轴所需转矩T0=T/i=161 351.6/89.5=1802.8N·m。选用的A6VM500液压马达最大转矩为2785N·m，所以该液压马达满足驱动要求。
2.4双液注浆系统
双液注浆系统为A液和B液混合，A液为传统砂浆，B液为水玻璃。相比单液注浆，双液注浆具有快速凝固的特点，有利于控制地表沉降[10]。原机无双液注浆系统，故增加1套双液注浆系统，A、B液罐、螺杆泵等设置在2#拖车，在尾盾顶部设置2个双液注浆块，共4路，2用2备。双液注浆系统如图6所示。
2.5其他改造系统
（1）管片拼装机与管片吊机。由于管片规格发生变化，需新制拼装机吸盘和吊机吸盘，并对工作平台进行改造。由于增加螺旋输送机，需去掉拼装机内侧行走平台。除此之外，拼装机与吊机其他部件调用原机。
（2）拖车。螺旋输送机配置前置关节轴承，支撑位置设置在1号拖车前侧，但破碎机、螺旋输送机支撑装置也在1号拖车前侧，安装空间不足。因此，对1号拖车进行加强加长改造。另外，在1号拖车前部增加1组支撑轮对，并配置轮对调向液压系统，其余包胶轮对重复利用。
（3）管片小车。由于1号拖车加长，管片吊机无法正常卸载管片至小车上，故需对管片小车进行加长改造。
（4）泥水循环系统。因盾体新制及新增螺旋输送机，盾体内环流管路需由DN400改为DN350，需全部新制并重新布置。螺旋输送机需配置冲刷管路，所需泥浆泵调用原机P0.2泵。螺旋输送机尾部新增稀释箱，需配置泥水冲刷管路及附件。对1号拖车结构改造后，重新设计及布置1#拖车泥浆管路，其他拖车泥浆管路进行重新定位。
（5）液压系统。因原机刀具磨损检测控制阀组无法将刀检压力传输至上位机，需进行改造升级。新制1套刀检阀组并将刀检压力传输至上位机，操作人员可根据压力判断刀具磨损情况。新增螺旋输送机系统，需配置液压系统，包括螺旋输送机泵组、马达、伸缩液压缸、前后闸门液压缸及对应的控制阀组等元器件。新制1节管片小车，需配置4个举升液压缸及其同步阀组，与原机小车举升油路连接。
（6）流体系统。由于新增螺旋输送机，需增加螺旋输送机驱动、螺旋输送机闸门润滑所需的分配阀等相关元器件。因新增泥水仓可视化系统，需增加泥水仓可视化冲洗等相关元器件。
（7）电气系统。新增刀具磨损检测控制。新增1套螺旋输送机控制系统，包含泵电机组、控制阀组，主控室合适区域增加实体按钮。新增稀释箱控制1套、双液注浆系统控制1套，包含A、B液泵、传感器等。新增润滑系统相关控制，包含螺旋输送机润滑计数等。根据环流系统改造调整并新增相应控制回路，主控室环流面板新制。新增泥水仓可视化系统1套。根据整机改造情况，更换或新增相应电缆。
3盾构其他系统维修
3.1主驱动系统
原主驱动系统配置9组315kW电机驱动，具备主驱动伸缩及防扭功能，满足使用需求，故使用原设备。原机已掘进3.1km，故需对主驱动进行拆解，更换主驱动外4内2唇形密封以及所有拆解部位的O形圈，清理并检查跑道等环件磨损情况。对主驱动箱、各组减速机内齿轮油进行油样检测，判断大齿圈、小齿轮及减速机等磨损情况。对主驱动电机进行检测维修。主驱动组装完成后进行动态保压试验。
3.2整机主要检修部位
（1）回转接头。对回转接头进行拆解，更换唇形密封，对定子、转子等零部件清理，组装完成后进行保压试验。
（2）拼装机。对拼装机进行拆解并清理，更换管线及防护拖链，检修液压马达及减速机，更换齿轮油，对红蓝缸、行走液压缸、微调液压缸进行保压测试，检查拼装机遥控器灵敏度，矫正变形部位。
（3）推进、铰接系统。对推进液压缸、铰接液压缸进行保压，对不合格液压缸进行拆解并更换密封，更换铰接密封、气囊。
（4）人仓、物料仓。更换人仓、物料仓的仓门密封，按要求对人仓、物料仓进行保压，检测各类仪表、安全阀、保压系统、照明等辅助装置。
（5）同步注浆。拆解清理同步注浆泵，更换密封及损坏的零件，更换砂浆罐搅拌轴密封，清理砂浆罐。
（6）液压泵站。清洗液压油箱、硬管，更换液压软管，进行液压泵功能测试和电机检测，更换整机滤芯。
（7）整机结构件变形处恢复，损坏处更换。液压流体软管更换，硬管清洗，使其达到能再次使用水平。查看整机电缆外表面是否损坏，对高压电缆做耐压测试。清理电柜并检测维修，更换损坏配件。
4盾构施工应用情况
4.1盾构分体始发阶段
由于始发井空间有限，设备采取分体始发形式，始发方案为4号拖车与5号拖车断开，且始发阶段不使用5号、6号拖车，待4号拖车完全进入隧道后，拆负环时，再将5号、6号拖车放入井下，并与4号拖车连接，5号、6号拖车上的系统调试完成后，再进行二次始发。
在分体始发阶段，由于1号拖车前部破碎机位置较低，且无法使用斜轮对，若使用管片小车，管片无法通过，故未使用管片小车，导致管片供应较慢，拼装效率较低。另外，泥水环流系统的换管装置设置在6号拖车，而5号、6号拖车未使用，故在延长泥水管路时采用人工方式。
在始发阶段，为控制地表沉降，掘进速度控制在较低水平，10mm/min左右。综合以上几点因素，初期每天掘进控制在1~2环。
4.2盾构正常掘进阶段
在前期掘进过程中，随着拖车进入负环，安装相应的斜轮对，1号、2号及3号拖车前部完全进入负环后，斜轮对也随之全部安装完毕。此时管片小车下井，安装调试管片小车。管片小车安装完成后，管片供应效率提高，拼装效率提高，整体掘进效率有所提升，平均每天掘进3~6环。管片小车安装前后的状态如图7所示。
掘进至100m左右，4号拖车全部进入隧道，开始拆负环，然后5号、6号拖车下井安装并调试。换管效率提高，掘进效率随之提高，平均每天掘进8环以上。
在正常掘进阶段，泥水环流系统虽已设置中心冲刷管路，但在掘进过程中仍出现过刀盘结泥饼现象，影响了盾构掘进效率。为解决此问题，采取了向泥水仓内注入双氧水等措施，暂时缓解了刀盘结泥饼问题，但未能从根本上解决问题。因此，在后续泥水盾构再制造过程中，需考虑如何有效避免及解决刀盘结泥饼问题，如增加刀盘开口率、增加刀盘冲刷管路等。
5结束语
针对新用工程地质条件对盾构进行了改造维修，在保证安全性、适用性的前提下，充分考虑了经济性。对刀盘进行了适应性改造，保留了刀盘中心块，盾体重置设计制造，其他系统检测维修后重复利用，最大程度上节约了成本。此外，在改造过程中，为盾构增加了一些新的系统功能，如：增加了螺旋输送机，改为双通道盾构，可有效解决泥水盾构滞排的问题；增加了同步双液注浆系统，实现浆液快速凝固，避免管片上浮、地表沉降等问题；新增了盾尾间隙测量系统、泥水仓可视化系统，提高了掘进效率、质量及盾构施工安全性。改造后的盾构在施工中表现良好，为以后的泥水盾构再制造积累了丰富的经验。
转载文献来源：中国知网-工程机械
