本文摘要：作者通過這篇交通類論文探討改造盾構機相對新購盾構機節(jié)省了總體設計制造周期，可以更快的投入工程項目，及時填補建設項目盾構機缺口，成為建設工程機械市場的有益補充。深入研究盾構機適應性改造技術，改造現(xiàn)有閑置盾構機，使之適應不同地區(qū)、不同技術要求
作者通過這篇交通類論文探討改造盾構機相對新購盾構機節(jié)省了總體設計制造周期，可以更快的投入工程項目，及時填補建設項目盾構機缺口，成為建設工程機械市場的有益補充。深入研究盾構機適應性改造技術，改造現(xiàn)有閑置盾構機，使之適應不同地區(qū)、不同技術要求的建設項目，從中總結(jié)出一套行之有效的盾構機改造評估方法、技術方案、實施管理辦法，并將其推廣應用，將大大提高盾構機利用率、避免在各個建設項目中重復采購盾構機帶來的設備閑置和浪費，具有明顯的經(jīng)濟效益。
《城市軌道交通研究》創(chuàng)刊于1998年，是我國城市軌道交通領域首家公開發(fā)行的科技刊物，由教育部主管，同濟大學主辦，上海市交通運輸和港口管 理局、上海鐵路局、上海申通地鐵集團有限公司、廣州市地下鐵道總公司、深圳市地鐵集團有限公司、長春軌道客車股份有限公司、中鐵第三勘察設計院集團有限公 司、中鐵三局集團有限公司、中鐵第四勘察設計院集團有限公司、上海工程技術大學等單位協(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項目的盾構機技術規(guī)格各有不同，項目建設間隙期存在大量設備閑置。因此，研究盾構機在不同城市軌道交通項目施工的設備改造技術，提高設備利用率十分必要。本文通過對近年來本公司利用原用于上海軌道交通建設的日本三菱盾構機適應性改造技術的介紹，總結(jié)其成功應用于天津軌道交通6號線工程建設的一些經(jīng)驗，以期為今后的軌道交通建設工作帶來有益的幫助。
【關鍵詞】軌道交通;盾構機;改造技術
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規(guī)劃，其中大型城市建設高峰期對隧道施工用盾構機的需求很大，上海軌道交通2010年世博會前建設高峰期曾同時投入100多臺盾構機施工，2016年以后又將迎來新一輪建設高峰。盾構隧道掘進作為軌道交通建設過程中的一個環(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大致需要2-3年，在同一個城市即使在區(qū)間線路之間進行計劃調(diào)劑，盾構機也不可避免的發(fā)生較長時間閑置。國內(nèi)其它一些城市的軌道交通建設對盾構機的需求也有類似情況，一方面維護閑置的設備需要耗費大量人力物力，另一方面進口、制造新設備消耗大量資金和材料，同時造成更大規(guī)模的設備閑置。因此研究盾構機在不同地區(qū)、不同城市的適應性改造方案，實施盾構機改造工作非常必要，是當前大規(guī)模建設階段的迫切任務。
上海地鐵盾構設備工程有限公司通過對天津軌道交通建設市場調(diào)研以及對公司現(xiàn)有閑置盾構機情況分析，決定對4臺原應用于上海軌道交通建設，暫無施工計劃的∮6340外徑三菱盾構機實施改造，使之服務于天津軌道交通建設。
2天津軌道交通6號線工程盾構機改造技術
2.1天津軌道交通6號線工程盾構機改造目標
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，針對上海地鐵盾構設備工程有限公司三菱盾構機型進行改造。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號線招標文件技術要求，以及天津地區(qū)合作施工單位對盾構機的相關技術要求，比對上海地鐵三菱盾構機技術規(guī)格，確認以下主要改造目標：
①需要增加鉸接功能，滿足小曲率半徑線路施工;
②需要增加土倉內(nèi)螺旋機前閘門及配套操作控制系統(tǒng);
③需要增加螺旋機伸縮功能，具備螺旋機故障檢修條件;
④需要重新配置推進千斤頂，滿足1.5米寬度通用管片錯縫拼裝施工。
2.2盾構改造的技術路線
確定盾構機改造目標后需要明確設備改造工作的技術路線，以便選擇改造方案和實施方法。經(jīng)過對技術可靠性、工程進度對改造工作的工期要求、設備改造的成本、目標市場形勢等多方面因素研究，得出對于原有設備適應性改造項目的技術路線是最大限度利用原有盾構機的零部件、采用成熟可靠的盾構機技術，以較短的改造周期、較低的成本，快速具備針對目標市場的競爭優(yōu)勢。
2.3新增盾構鉸接功能的設計和實現(xiàn)
2.3.1盾構鉸接形式的選擇
地鐵隧道施工用軟土盾構機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)盾構機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鉸接前段和管片之間被動擺動一定角度，以保證盾構機轉(zhuǎn)彎時的盾尾間隙。主動式盾構鉸接系統(tǒng)和被動式盾構鉸接系統(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，與盾構鉸接前段平行
盾構開挖直徑 盾尾不需要額外擺動空間，盾構開挖直徑不需要增加 鉸接操作時，盾尾需要與主推進千斤頂保持擺動空間，因此盾構開挖直徑需要放大
鉸接千斤頂配置 鉸接千斤頂需要傳遞大部分主推進千斤頂推力，需要與盾構機推進千斤頂匹配選型，千斤頂及固定結(jié)構所占空間大 鉸接千斤頂僅承受鉸接后段盾構殼體牽引力，千斤頂及固定結(jié)構所占空間小
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)，可主動控制盾構機鉸接時的方向、角度 只需要不分區(qū)域的伸縮控制和壓力、行程保護，盾構鉸接角度、方向由盾構推進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
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到調(diào)節(jié)或補償盾構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)由于可以直接設定盾構鉸接角度，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。我們對兩種改造方案分別進行了初步設計和成本核算，最終決定采用被動式盾構鉸接方案。
2.3.2盾構鉸接結(jié)構設計
在原盾構機支承環(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千斤頂之間的空隙位置。
2.3.3盾構鉸接密封系統(tǒng)的設計
2.3.3.1盾構鉸接密封系統(tǒng)的設計條件
根據(jù)原盾構土沙密封系統(tǒng)設計標準和改造盾構使用目標項目水土條件，我們選擇本改造項目鉸接密封系統(tǒng)設計最大承壓為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盾構鉸接主密封材料選擇
盾構機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，密封補償量大時需要填充其他材料彈性體 彈性好，壓縮自恢復性強，適合補償量大的密封件
耐熱性 可達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
考慮盾構鉸接系統(tǒng)具有運動速度慢、溫升低、密封彈性補償變化量大等特點，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盾構鉸接主密封結(jié)構設計
鉸接系統(tǒng)密封采用鉸接前后段乘插結(jié)構，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，導向方向為向盾構外部土沙方向。兩道主密封之間的壓板位置設置6個密封油脂注入口，環(huán)向等分布置。鉸接密封結(jié)構見圖1。
圖1天津改造盾構鉸接密封
2.3.3.4盾構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)此對改造盾構鉸接系統(tǒng)各工況密封壓密量進行分析。
⑴如圖1，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，遠大于密封件最小壓密量要求，可以滿足密封性能。
⑵如圖2，鉸接系統(tǒng)達到最大設計鉸接偏轉(zhuǎn)角度1.5°時，偏轉(zhuǎn)方向上彈性補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最大設計鉸接角度時的密封壓密情況
2.3.4改制盾構鉸接系統(tǒng)的盾構結(jié)構配套改造
增加被動式鉸接系統(tǒng)后，盾構盾尾與管片之間需增加擺動間隙，直徑需要略為擴大，外徑為6400mm。原盾構盾尾經(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，盾構刀盤至支承環(huán)外徑為6410mm，略大于盾尾。原切口環(huán)結(jié)構保留，外圈貼板30mm厚，貼板為注漿管預留開孔，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，最外圈標準刀(包括單把及雙把刀具)及保護刀進行調(diào)整移位，以保證全斷面切削。
2.4改造盾構土倉前閘門功能的設計和實現(xiàn)
天津地區(qū)地下水豐富、且地質(zhì)變化較大，曾經(jīng)發(fā)生過螺旋輸送機阻塞和噴涌的事故。為防范此類風險，天津地區(qū)軌道交通施工盾構機需要增設螺旋機土倉側(cè)前閘門，以備緊急狀況下抽出螺桿，關閉前閘門。
新增螺旋機前閘門采用旋轉(zhuǎn)開閉方式，由旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動，最大開啟角度為78°，關閉時可完全覆蓋螺旋機進土口，打開時對進土口無遮擋。
2.5改造盾構伸縮螺旋機功能的設計和實現(xiàn)
為配合新增螺旋機前閘門工作，方便螺旋機阻塞物排除，還需改造盾構螺旋輸送機，使之具備螺桿伸縮功能。螺旋機原螺桿及驅(qū)動部分留用，螺槽中段部分割除，中間接入新制伸縮裝置。螺旋機伸縮部件采用內(nèi)外套接乘插結(jié)構，近土端設置兩道環(huán)向土沙密封，遠土端設置同心導向結(jié)構，內(nèi)嵌分片式尼龍導套。螺旋機伸縮裝置總行程400mm，改造后的螺旋機在正常施工狀態(tài)下螺桿伸入土倉150mm。
2.6改造盾構通用管片推進系統(tǒng)的設計和實現(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，改造盾構可以選用2150mm行程千斤頂。改造后的盾構機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長行程千斤頂位置，圓周布置位置不變。推進千斤頂改造方案明確后，對盾構拼裝機行程進行復核，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號線工程盾構機改造應用效果和展望
上海地鐵盾構設備工程有限公司于2014年5月完成4臺原用于上海軌道交通建設的閑置盾構改造，改造的盾構機充分利用原有設備及部件，改造部分技術成熟、性能先進、結(jié)構簡單、經(jīng)濟實用，并且滿足實際施工中對盾構設備安全可靠、檢修方便的要求。4臺改造盾構機投入天津軌道交通建設市場后，具有明顯競爭優(yōu)勢，一舉獲得3個標段，6個區(qū)間隧道施工任務。至2014年底首個區(qū)間隧道掘進施工已經(jīng)順利完成。
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