本文摘要：作者通過這篇交通類論文探討改造盾構(gòu)機(jī)相對新購盾構(gòu)機(jī)節(jié)省了總體設(shè)計制造周期，可以更快的投入工程項目，及時填補(bǔ)建設(shè)項目盾構(gòu)機(jī)缺口，成為建設(shè)工程機(jī)械市場的有益補(bǔ)充。深入研究盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性改造技術(shù)，改造現(xiàn)有閑置盾構(gòu)機(jī)，使之適應(yīng)不同地區(qū)、不同技術(shù)要求
作者通過這篇交通類論文探討改造盾構(gòu)機(jī)相對新購盾構(gòu)機(jī)節(jié)省了總體設(shè)計制造周期，可以更快的投入工程項目，及時填補(bǔ)建設(shè)項目盾構(gòu)機(jī)缺口，成為建設(shè)工程機(jī)械市場的有益補(bǔ)充。深入研究盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性改造技術(shù)，改造現(xiàn)有閑置盾構(gòu)機(jī)，使之適應(yīng)不同地區(qū)、不同技術(shù)要求的建設(shè)項目，從中總結(jié)出一套行之有效的盾構(gòu)機(jī)改造評估方法、技術(shù)方案、實施管理辦法，并將其推廣應(yīng)用，將大大提高盾構(gòu)機(jī)利用率、避免在各個建設(shè)項目中重復(fù)采購盾構(gòu)機(jī)帶來的設(shè)備閑置和浪費(fèi)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
《城市軌道交通研究》創(chuàng)刊于1998年，是我國城市軌道交通領(lǐng)域首家公開發(fā)行的科技刊物，由教育部主管，同濟(jì)大學(xué)主辦，上海市交通運(yùn)輸和港口管 理局、上海鐵路局、上海申通地鐵集團(tuán)有限公司、廣州市地下鐵道總公司、深圳市地鐵集團(tuán)有限公司、長春軌道客車股份有限公司、中鐵第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公 司、中鐵三局集團(tuán)有限公司、中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司、上海工程技術(shù)大學(xué)等單位協(xié)辦。
【摘要】我國各地地質(zhì)條件差別較大，投入各地軌道交通建設(shè)項目的盾構(gòu)機(jī)技術(shù)規(guī)格各有不同，項目建設(shè)間隙期存在大量設(shè)備閑置。因此，研究盾構(gòu)機(jī)在不同城市軌道交通項目施工的設(shè)備改造技術(shù)，提高設(shè)備利用率十分必要。本文通過對近年來本公司利用原用于上海軌道交通建設(shè)的日本三菱盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性改造技術(shù)的介紹，總結(jié)其成功應(yīng)用于天津軌道交通6號線工程建設(shè)的一些經(jīng)驗，以期為今后的軌道交通建設(shè)工作帶來有益的幫助。
【關(guān)鍵詞】軌道交通;盾構(gòu)機(jī);改造技術(shù)
1概述
近年來，為改善城市人口密集區(qū)域的交通環(huán)境，提高城市生態(tài)質(zhì)量，盾構(gòu)法地鐵隧道工程日益增多。尤其是2014年以來，全國各地紛紛制訂了城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃，其中大型城市建設(shè)高峰期對隧道施工用盾構(gòu)機(jī)的需求很大，上海軌道交通2010年世博會前建設(shè)高峰期曾同時投入100多臺盾構(gòu)機(jī)施工，2016年以后又將迎來新一輪建設(shè)高峰。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)作為軌道交通建設(shè)過程中的一個環(huán)節(jié)，單個區(qū)間施工周期大約是3-6個月，而整個軌道交通項目建設(shè)大致需要2-3年，在同一個城市即使在區(qū)間線路之間進(jìn)行計劃調(diào)劑，盾構(gòu)機(jī)也不可避免的發(fā)生較長時間閑置。國內(nèi)其它一些城市的軌道交通建設(shè)對盾構(gòu)機(jī)的需求也有類似情況，一方面維護(hù)閑置的設(shè)備需要耗費(fèi)大量人力物力，另一方面進(jìn)口、制造新設(shè)備消耗大量資金和材料，同時造成更大規(guī)模的設(shè)備閑置。因此研究盾構(gòu)機(jī)在不同地區(qū)、不同城市的適應(yīng)性改造方案，實施盾構(gòu)機(jī)改造工作非常必要，是當(dāng)前大規(guī)模建設(shè)階段的迫切任務(wù)。
上海地鐵盾構(gòu)設(shè)備工程有限公司通過對天津軌道交通建設(shè)市場調(diào)研以及對公司現(xiàn)有閑置盾構(gòu)機(jī)情況分析，決定對4臺原應(yīng)用于上海軌道交通建設(shè)，暫無施工計劃的∮6340外徑三菱盾構(gòu)機(jī)實施改造，使之服務(wù)于天津軌道交通建設(shè)。
2天津軌道交通6號線工程盾構(gòu)機(jī)改造技術(shù)
2.1天津軌道交通6號線工程盾構(gòu)機(jī)改造目標(biāo)
為滿足天津地區(qū)軌道交通工程地質(zhì)條件及區(qū)間隧道施工要求，針對上海地鐵盾構(gòu)設(shè)備工程有限公司三菱盾構(gòu)機(jī)型進(jìn)行改造。天津軌道交通地下區(qū)間隧道施工要求為襯砌外徑?6200mm，內(nèi)徑?5500，寬度1500mm，封頂塊搭接2/3，通用管片拼裝，隧道最小施工曲率半徑225m。
通過研究天津軌道交通6號線招標(biāo)文件技術(shù)要求，以及天津地區(qū)合作施工單位對盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)技術(shù)要求，比對上海地鐵三菱盾構(gòu)機(jī)技術(shù)規(guī)格，確認(rèn)以下主要改造目標(biāo)：
�、傩枰黾鱼q接功能，滿足小曲率半徑線路施工;
�、谛枰黾油羵}內(nèi)螺旋機(jī)前閘門及配套操作控制系統(tǒng);
�、坌枰黾勇菪龣C(jī)伸縮功能，具備螺旋機(jī)故障檢修條件;
�、苄枰匦屡渲猛七M(jìn)千斤頂，滿足1.5米寬度通用管片錯縫拼裝施工。
2.2盾構(gòu)改造的技術(shù)路線
確定盾構(gòu)機(jī)改造目標(biāo)后需要明確設(shè)備改造工作的技術(shù)路線，以便選擇改造方案和實施方法。經(jīng)過對技術(shù)可靠性、工程進(jìn)度對改造工作的工期要求、設(shè)備改造的成本、目標(biāo)市場形勢等多方面因素研究，得出對于原有設(shè)備適應(yīng)性改造項目的技術(shù)路線是最大限度利用原有盾構(gòu)機(jī)的零部件、采用成熟可靠的盾構(gòu)機(jī)技術(shù)，以較短的改造周期、較低的成本，快速具備針對目標(biāo)市場的競爭優(yōu)勢。
2.3新增盾構(gòu)鉸接功能的設(shè)計和實現(xiàn)
2.3.1盾構(gòu)鉸接形式的選擇
地鐵隧道施工用軟土盾構(gòu)機(jī)常用鉸接形式主要分為主動鉸接和被動鉸接兩種形式。主動式鉸接系統(tǒng)采用幾組可以單獨控制的鉸接千斤頂來調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)鉸接前段和鉸接后段的相對角度;被動式鉸接系統(tǒng)采用一組千斤頂聯(lián)系盾構(gòu)鉸接前段和鉸接后段，可以調(diào)節(jié)鉸接前后端的相對距離，鉸接后段可以在盾構(gòu)鉸接前段和管片之間被動擺動一定角度，以保證盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎時的盾尾間隙。主動式盾構(gòu)鉸接系統(tǒng)和被動式盾構(gòu)鉸接系統(tǒng)的主要區(qū)別對比見表1。
主動式鉸接 被動式鉸接
主推進(jìn)千斤頂安裝固定位置 千斤頂掛接于鉸接后段，與盾尾保持平行 千斤頂由底座固定于鉸接前段，與盾構(gòu)鉸接前段平行
盾構(gòu)開挖直徑 盾尾不需要額外擺動空間，盾構(gòu)開挖直徑不需要增加 鉸接操作時，盾尾需要與主推進(jìn)千斤頂保持?jǐn)[動空間，因此盾構(gòu)開挖直徑需要放大
鉸接千斤頂配置 鉸接千斤頂需要傳遞大部分主推進(jìn)千斤頂推力，需要與盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)千斤頂匹配選型，千斤頂及固定結(jié)構(gòu)所占空間大 鉸接千斤頂僅承受鉸接后段盾構(gòu)殼體牽引力，千斤頂及固定結(jié)構(gòu)所占空間小
鉸接千斤頂控制系統(tǒng) 需要多個分區(qū)的液壓電控系統(tǒng)，可主動控制盾構(gòu)機(jī)鉸接時的方向、角度 只需要不分區(qū)域的伸縮控制和壓力、行程保護(hù)，盾構(gòu)鉸接角度、方向由盾構(gòu)推進(jìn)時鉸接前段與已成環(huán)管片之間的偏差決定，鉸接系統(tǒng)被動適應(yīng)
注漿管形式 一般采用外置式同步注漿管 可以采用內(nèi)置式同步注漿管
表1主動式鉸接系統(tǒng)和被動式鉸接系統(tǒng)對比
由表1比較項目可知，主動式鉸接和被動式鉸接都能達(dá)到調(diào)節(jié)或補(bǔ)償盾構(gòu)鉸接前段與鉸接后段偏轉(zhuǎn)角度的功能，主動式鉸接系統(tǒng)由于可以直接設(shè)定盾構(gòu)鉸接角度，操作性能比較優(yōu)越;被動式鉸接系統(tǒng)功能簡單，易于維護(hù)。我們對兩種改造方案分別進(jìn)行了初步設(shè)計和成本核算，最終決定采用被動式盾構(gòu)鉸接方案。
2.3.2盾構(gòu)鉸接結(jié)構(gòu)設(shè)計
在原盾構(gòu)機(jī)支承環(huán)和盾尾之間新增盾殼鉸接副，鉸接千斤頂采用14個，行程190mm，最大鉸接角度1.5°，鉸接千斤頂安裝于推進(jìn)千斤頂之間的空隙位置。
2.3.3盾構(gòu)鉸接密封系統(tǒng)的設(shè)計
2.3.3.1盾構(gòu)鉸接密封系統(tǒng)的設(shè)計條件
根據(jù)原盾構(gòu)土沙密封系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和改造盾構(gòu)使用目標(biāo)項目水土條件，我們選擇本改造項目鉸接密封系統(tǒng)設(shè)計最大承壓為1Mpa。密封系統(tǒng)的工作環(huán)境為EP2潤滑油脂、泥沙、水。
2.3.3.2盾構(gòu)鉸接主密封材料選擇
盾構(gòu)機(jī)土沙密封常用材料有橡膠和聚氨酯彈性體材料。兩種材料的主要性能比較見表2。
橡膠密封 聚氨酯密封
耐磨性能 表面硬度低，耐磨性較差 表面硬度高，耐磨性好
彈性 彈性較小，密封補(bǔ)償量大時需要填充其他材料彈性體 彈性好，壓縮自恢復(fù)性強(qiáng)，適合補(bǔ)償量大的密封件
耐熱性 可達(dá)120゜C 適用溫度<90゜C
耐油脂性能 較好 好
耐水性能 好 較好
表2兩種密封材料主要性能對比
考慮盾構(gòu)鉸接系統(tǒng)具有運(yùn)動速度慢、溫升低、密封彈性補(bǔ)償變化量大等特點，鉸接系統(tǒng)主密封采用聚氨酯材料，以保證較好的使用效果。
2.3.3.3盾構(gòu)鉸接主密封結(jié)構(gòu)設(shè)計
鉸接系統(tǒng)密封采用鉸接前后段乘插結(jié)構(gòu)，鉸接前段外套，鉸接后段內(nèi)插。主密封件為兩件環(huán)向唇型密封，每件寬度為75.8mm，自由狀態(tài)總高度為 47mm。兩件主密封件由三道環(huán)向壓板固定在鉸接后段內(nèi)插部分外環(huán)面。鉸接主密封安裝面和密封配合面均采用機(jī)加工保證配合精度和表面光潔度。每件主密封帶兩道唇型齒，兩道主密封共四道唇型齒全部單向安裝，導(dǎo)向方向為向盾構(gòu)外部土沙方向。兩道主密封之間的壓板位置設(shè)置6個密封油脂注入口，環(huán)向等分布置。鉸接密封結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1天津改造盾構(gòu)鉸接密封
2.3.3.4盾構(gòu)鉸接主密封在極限工況下的效果
鉸接密封在施工過程中需要承受相應(yīng)深度土層的水土壓力，并保證一定的使用壽命，因此必須對各種工況下密封的有效性進(jìn)行驗證。根據(jù)鉸接主密封件制造單位提供的理論計算和實驗驗證數(shù)據(jù)，本項目采用的聚氨酯唇型密封承受1Mpa水土壓力時最小有效壓密量為5mm。據(jù)此對改造盾構(gòu)鉸接系統(tǒng)各工況密封壓密量進(jìn)行分析。
�、湃鐖D1，鉸接系統(tǒng)未偏轉(zhuǎn)，處于初始狀態(tài)時，主密封的壓密量為17mm，遠(yuǎn)大于密封件最小壓密量要求，可以滿足密封性能。
�、迫鐖D2，鉸接系統(tǒng)達(dá)到最大設(shè)計鉸接偏轉(zhuǎn)角度1.5°時，偏轉(zhuǎn)方向上彈性補(bǔ)償變化最大的位置上密封壓密量最小值為9.4mm，大于密封件最小壓密量要求，且尚有一定的磨耗裕量。
圖2最大設(shè)計鉸接角度時的密封壓密情況
2.3.4改制盾構(gòu)鉸接系統(tǒng)的盾構(gòu)結(jié)構(gòu)配套改造
增加被動式鉸接系統(tǒng)后，盾構(gòu)盾尾與管片之間需增加擺動間隙，直徑需要略為擴(kuò)大，外徑為6400mm。原盾構(gòu)盾尾經(jīng)多次使用，已經(jīng)變形，且考慮采用內(nèi)置式注漿管，故新制盾尾。盾尾選用Q345鋼板材質(zhì)，厚度為45mm內(nèi)嵌4套內(nèi)置式注漿管組件。
為保證被動式鉸接后段自由擺動，盾構(gòu)刀盤至支承環(huán)外徑為6410mm，略大于盾尾。原切口環(huán)結(jié)構(gòu)保留，外圈貼板30mm厚，貼板為注漿管預(yù)留開孔，并開塞焊工藝孔，調(diào)配四周開槽型孔塞焊。原支承環(huán)結(jié)構(gòu)保留改造，切除后段與盾尾相連部分，外圈貼板30mm厚，開塞焊工藝孔，調(diào)配四周開槽型孔塞焊;后端再焊接加裝鉸接副前段外圈。原刀盤盤體結(jié)構(gòu)保留，外圈貼30mm厚板，依據(jù)切口環(huán)改造加工實際最大直徑作為刀盤開挖直徑基本尺寸，依據(jù)刀盤開挖直徑，將周邊刀墊高，最外圈標(biāo)準(zhǔn)刀(包括單把及雙把刀具)及保護(hù)刀進(jìn)行調(diào)整移位，以保證全斷面切削。
2.4改造盾構(gòu)土倉前閘門功能的設(shè)計和實現(xiàn)
天津地區(qū)地下水豐富、且地質(zhì)變化較大，曾經(jīng)發(fā)生過螺旋輸送機(jī)阻塞和噴涌的事故。為防范此類風(fēng)險，天津地區(qū)軌道交通施工盾構(gòu)機(jī)需要增設(shè)螺旋機(jī)土倉側(cè)前閘門，以備緊急狀況下抽出螺桿，關(guān)閉前閘門。
新增螺旋機(jī)前閘門采用旋轉(zhuǎn)開閉方式，由旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動，最大開啟角度為78°，關(guān)閉時可完全覆蓋螺旋機(jī)進(jìn)土口，打開時對進(jìn)土口無遮擋。
2.5改造盾構(gòu)伸縮螺旋機(jī)功能的設(shè)計和實現(xiàn)
為配合新增螺旋機(jī)前閘門工作，方便螺旋機(jī)阻塞物排除，還需改造盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)，使之具備螺桿伸縮功能。螺旋機(jī)原螺桿及驅(qū)動部分留用，螺槽中段部分割除，中間接入新制伸縮裝置。螺旋機(jī)伸縮部件采用內(nèi)外套接乘插結(jié)構(gòu)，近土端設(shè)置兩道環(huán)向土沙密封，遠(yuǎn)土端設(shè)置同心導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌分片式尼龍導(dǎo)套。螺旋機(jī)伸縮裝置總行程400mm，改造后的螺旋機(jī)在正常施工狀態(tài)下螺桿伸入土倉150mm。
2.6改造盾構(gòu)通用管片推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)
天津軌道交通隧道管片規(guī)格為1500mm環(huán)寬，通用管片錯縫拼裝，楔子塊搭接2/3插入，拼裝時千斤頂最小行程為2000mm。原上海軌道交通隧道施工用管片規(guī)格為1200mm環(huán)寬，通縫拼裝，封頂塊1/2搭接插入，頂部長千斤頂行程為2150mm，其余千斤頂行程為1350mm;考慮一定的拼裝間隙，改造盾構(gòu)可以選用2150mm行程千斤頂。改造后的盾構(gòu)機(jī)全部采用長行程千斤頂，行程2150mm，共22個，底座安裝全部按原盾構(gòu)長行程千斤頂位置，圓周布置位置不變。推進(jìn)千斤頂改造方案明確后，對盾構(gòu)拼裝機(jī)行程進(jìn)行復(fù)核，拼裝架需后移850mm(即平移行程后移)，以滿足天津規(guī)格管片施工操作。
3天津軌道交通6號線工程盾構(gòu)機(jī)改造應(yīng)用效果和展望
上海地鐵盾構(gòu)設(shè)備工程有限公司于2014年5月完成4臺原用于上海軌道交通建設(shè)的閑置盾構(gòu)改造，改造的盾構(gòu)機(jī)充分利用原有設(shè)備及部件，改造部分技術(shù)成熟、性能先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實用，并且滿足實際施工中對盾構(gòu)設(shè)備安全可靠、檢修方便的要求。4臺改造盾構(gòu)機(jī)投入天津軌道交通建設(shè)市場后，具有明顯競爭優(yōu)勢，一舉獲得3個標(biāo)段，6個區(qū)間隧道施工任務(wù)。至2014年底首個區(qū)間隧道掘進(jìn)施工已經(jīng)順利完成。
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