交通类论文轨道交通工程盾构机改造技术

　　作者通过这篇交通类论文探讨改造盾构机相对新购盾构机节省了总体设计制造周期，可以更快的投入工程项目，及时填补建设项目盾构机缺口，成为建设工程机械市场的有益补充。深入研究盾构机适应性改造技术，改造现有闲置盾构机，使之适应不同地区、不同技术要求的建设项目，从中总结出一套行之有效的盾构机改造评估方法、技术方案、实施管理办法，并将其推广应用，将大大提高盾构机利用率、避免在各个建设项目中重复采购盾构机带来的设备闲置和浪费，具有明显的经济效益。

　　《城市轨道交通研究》创刊于1998年，是我国城市轨道交通领域首家公开发行的科技刊物，由教育部主管，同济大学主办，上海市交通运输和港口管 理局、上海铁路局、上海申通地铁集团有限公司、广州市地下铁道总公司、深圳市地铁集团有限公司、长春轨道客车股份有限公司、中铁第三勘察设计院集团有限公 司、中铁三局集团有限公司、中铁第四勘察设计院集团有限公司、上海工程技术大学等单位协办。

　　【摘要】我国各地地质条件差别较大，投入各地轨道交通建设项目的盾构机技术规格各有不同，项目建设间隙期存在大量设备闲置。因此，研究盾构机在不同城市轨道交通项目施工的设备改造技术，提高设备利用率十分必要。本文通过对近年来本公司利用原用于上海轨道交通建设的日本三菱盾构机适应性改造技术的介绍，总结其成功应用于天津轨道交通6号线工程建设的一些经验，以期为今后的轨道交通建设工作带来有益的帮助。

　　【关键词】轨道交通;盾构机;改造技术

　　1概述

　　近年来，为改善城市人口密集区域的交通环境，提高城市生态质量，盾构法地铁隧道工程日益增多。尤其是2014年以来，全国各地纷纷制订了城市轨道交通建设规划，其中大型城市建设高峰期对隧道施工用盾构机的需求很大，上海轨道交通2010年世博会前建设高峰期曾同时投入100多台盾构机施工，2016年以后又将迎来新一轮建设高峰。盾构隧道掘进作为轨道交通建设过程中的一个环节，单个区间施工周期大约是3-6个月，而整个轨道交通项目建设大致需要2-3年，在同一个城市即使在区间线路之间进行计划调剂，盾构机也不可避免的发生较长时间闲置。国内其它一些城市的轨道交通建设对盾构机的需求也有类似情况，一方面维护闲置的设备需要耗费大量人力物力，另一方面进口、制造新设备消耗大量资金和材料，同时造成更大规模的设备闲置。因此研究盾构机在不同地区、不同城市的适应性改造方案，实施盾构机改造工作非常必要，是当前大规模建设阶段的迫切任务。

　　上海地铁盾构设备工程有限公司通过对天津轨道交通建设市场调研以及对公司现有闲置盾构机情况分析，决定对4台原应用于上海轨道交通建设，暂无施工计划的∮6340外径三菱盾构机实施改造，使之服务于天津轨道交通建设。

　　2天津轨道交通6号线工程盾构机改造技术

　　2.1天津轨道交通6号线工程盾构机改造目标

　　为满足天津地区轨道交通工程地质条件及区间隧道施工要求，针对上海地铁盾构设备工程有限公司三菱盾构机型进行改造。天津轨道交通地下区间隧道施工要求为衬砌外径?6200mm，内径?5500，宽度1500mm，封顶块搭接2/3，通用管片拼装，隧道最小施工曲率半径225m。

　　通过研究天津轨道交通6号线招标文件技术要求，以及天津地区合作施工单位对盾构机的相关技术要求，比对上海地铁三菱盾构机技术规格，确认以下主要改造目标：

　　①需要增加铰接功能，满足小曲率半径线路施工;

　　②需要增加土仓内螺旋机前闸门及配套操作控制系统;

　　③需要增加螺旋机伸缩功能，具备螺旋机故障检修条件;

　　④需要重新配置推进千斤顶，满足1.5米宽度通用管片错缝拼装施工。

　　2.2盾构改造的技术路线

　　确定盾构机改造目标后需要明确设备改造工作的技术路线，以便选择改造方案和实施方法。经过对技术可靠性、工程进度对改造工作的工期要求、设备改造的成本、目标市场形势等多方面因素研究，得出对于原有设备适应性改造项目的技术路线是最大限度利用原有盾构机的零部件、采用成熟可靠的盾构机技术，以较短的改造周期、较低的成本，快速具备针对目标市场的竞争优势。

　　2.3新增盾构铰接功能的设计和实现

　　2.3.1盾构铰接形式的选择

　　地铁隧道施工用软土盾构机常用铰接形式主要分为主动铰接和被动铰接两种形式。主动式铰接系统采用几组可以单独控制的铰接千斤顶来调节盾构机铰接前段和铰接后段的相对角度;被动式铰接系统采用一组千斤顶联系盾构铰接前段和铰接后段，可以调节铰接前后端的相对距离，铰接后段可以在盾构铰接前段和管片之间被动摆动一定角度，以保证盾构机转弯时的盾尾间隙。主动式盾构铰接系统和被动式盾构铰接系统的主要区别对比见表1。

　　主动式铰接 被动式铰接

　　主推进千斤顶安装固定位置 千斤顶挂接于铰接后段，与盾尾保持平行 千斤顶由底座固定于铰接前段，与盾构铰接前段平行

　　盾构开挖直径 盾尾不需要额外摆动空间，盾构开挖直径不需要增加 铰接操作时，盾尾需要与主推进千斤顶保持摆动空间，因此盾构开挖直径需要放大

　　铰接千斤顶配置 铰接千斤顶需要传递大部分主推进千斤顶推力，需要与盾构机推进千斤顶匹配选型，千斤顶及固定结构所占空间大 铰接千斤顶仅承受铰接后段盾构壳体牵引力，千斤顶及固定结构所占空间小

　　铰接千斤顶控制系统 需要多个分区的液压电控系统，可主动控制盾构机铰接时的方向、角度 只需要不分区域的伸缩控制和压力、行程保护，盾构铰接角度、方向由盾构推进时铰接前段与已成环管片之间的偏差决定，铰接系统被动适应

　　注浆管形式 一般采用外置式同步注浆管 可以采用内置式同步注浆管

　　表1主动式铰接系统和被动式铰接系统对比

　　由表1比较项目可知，主动式铰接和被动式铰接都能达到调节或补偿盾构铰接前段与铰接后段偏转角度的功能，主动式铰接系统由于可以直接设定盾构铰接角度，操作性能比较优越;被动式铰接系统功能简单，易于维护。我们对两种改造方案分别进行了初步设计和成本核算，最终决定采用被动式盾构铰接方案。

　　2.3.2盾构铰接结构设计

　　在原盾构机支承环和盾尾之间新增盾壳铰接副，铰接千斤顶采用14个，行程190mm，最大铰接角度1.5°，铰接千斤顶安装于推进千斤顶之间的空隙位置。

　　2.3.3盾构铰接密封系统的设计

　　2.3.3.1盾构铰接密封系统的设计条件

　　根据原盾构土沙密封系统设计标准和改造盾构使用目标项目水土条件，我们选择本改造项目铰接密封系统设计最大承压为1Mpa。密封系统的工作环境为EP2润滑油脂、泥沙、水。

　　2.3.3.2盾构铰接主密封材料选择

　　盾构机土沙密封常用材料有橡胶和聚氨酯弹性体材料。两种材料的主要性能比较见表2。

　　橡胶密封 聚氨酯密封

　　耐磨性能 表面硬度低，耐磨性较差 表面硬度高，耐磨性好

　　弹性 弹性较小，密封补偿量大时需要填充其他材料弹性体 弹性好，压缩自恢复性强，适合补偿量大的密封件

　　耐热性 可达120゜C 适用温度<90゜C

　　耐油脂性能 较好 好

　　耐水性能 好 较好

　　表2两种密封材料主要性能对比

　　考虑盾构铰接系统具有运动速度慢、温升低、密封弹性补偿变化量大等特点，铰接系统主密封采用聚氨酯材料，以保证较好的使用效果。

　　2.3.3.3盾构铰接主密封结构设计

　　铰接系统密封采用铰接前后段乘插结构，铰接前段外套，铰接后段内插。主密封件为两件环向唇型密封，每件宽度为75.8mm，自由状态总高度为 47mm。两件主密封件由三道环向压板固定在铰接后段内插部分外环面。铰接主密封安装面和密封配合面均采用机加工保证配合精度和表面光洁度。每件主密封带两道唇型齿，两道主密封共四道唇型齿全部单向安装，导向方向为向盾构外部土沙方向。两道主密封之间的压板位置设置6个密封油脂注入口，环向等分布置。铰接密封结构见图1。

　　图1天津改造盾构铰接密封

　　2.3.3.4盾构铰接主密封在极限工况下的效果

　　铰接密封在施工过程中需要承受相应深度土层的水土压力，并保证一定的使用寿命，因此必须对各种工况下密封的有效性进行验证。根据铰接主密封件制造单位提供的理论计算和实验验证数据，本项目采用的聚氨酯唇型密封承受1Mpa水土压力时最小有效压密量为5mm。据此对改造盾构铰接系统各工况密封压密量进行分析。

　　⑴如图1，铰接系统未偏转，处于初始状态时，主密封的压密量为17mm，远大于密封件最小压密量要求，可以满足密封性能。

　　⑵如图2，铰接系统达到最大设计铰接偏转角度1.5°时，偏转方向上弹性补偿变化最大的位置上密封压密量最小值为9.4mm，大于密封件最小压密量要求，且尚有一定的磨耗裕量。

　　图2最大设计铰接角度时的密封压密情况

　　2.3.4改制盾构铰接系统的盾构结构配套改造

　　增加被动式铰接系统后，盾构盾尾与管片之间需增加摆动间隙，直径需要略为扩大，外径为6400mm。原盾构盾尾经多次使用，已经变形，且考虑采用内置式注浆管，故新制盾尾。盾尾选用Q345钢板材质，厚度为45mm内嵌4套内置式注浆管组件。

　　为保证被动式铰接后段自由摆动，盾构刀盘至支承环外径为6410mm，略大于盾尾。原切口环结构保留，外圈贴板30mm厚，贴板为注浆管预留开孔，并开塞焊工艺孔，调配四周开槽型孔塞焊。原支承环结构保留改造，切除后段与盾尾相连部分，外圈贴板30mm厚，开塞焊工艺孔，调配四周开槽型孔塞焊;后端再焊接加装铰接副前段外圈。原刀盘盘体结构保留，外圈贴30mm厚板，依据切口环改造加工实际最大直径作为刀盘开挖直径基本尺寸，依据刀盘开挖直径，将周边刀垫高，最外圈标准刀(包括单把及双把刀具)及保护刀进行调整移位，以保证全断面切削。

　　2.4改造盾构土仓前闸门功能的设计和实现

　　天津地区地下水丰富、且地质变化较大，曾经发生过螺旋输送机阻塞和喷涌的事故。为防范此类风险，天津地区轨道交通施工盾构机需要增设螺旋机土仓侧前闸门，以备紧急状况下抽出螺杆，关闭前闸门。

　　新增螺旋机前闸门采用旋转开闭方式，由旋转轴驱动，最大开启角度为78°，关闭时可完全覆盖螺旋机进土口，打开时对进土口无遮挡。

　　2.5改造盾构伸缩螺旋机功能的设计和实现

　　为配合新增螺旋机前闸门工作，方便螺旋机阻塞物排除，还需改造盾构螺旋输送机，使之具备螺杆伸缩功能。螺旋机原螺杆及驱动部分留用，螺槽中段部分割除，中间接入新制伸缩装置。螺旋机伸缩部件采用内外套接乘插结构，近土端设置两道环向土沙密封，远土端设置同心导向结构，内嵌分片式尼龙导套。螺旋机伸缩装置总行程400mm，改造后的螺旋机在正常施工状态下螺杆伸入土仓150mm。

　　2.6改造盾构通用管片推进系统的设计和实现

　　天津轨道交通隧道管片规格为1500mm环宽，通用管片错缝拼装，楔子块搭接2/3插入，拼装时千斤顶最小行程为2000mm。原上海轨道交通隧道施工用管片规格为1200mm环宽，通缝拼装，封顶块1/2搭接插入，顶部长千斤顶行程为2150mm，其余千斤顶行程为1350mm;考虑一定的拼装间隙，改造盾构可以选用2150mm行程千斤顶。改造后的盾构机全部采用长行程千斤顶，行程2150mm，共22个，底座安装全部按原盾构长行程千斤顶位置，圆周布置位置不变。推进千斤顶改造方案明确后，对盾构拼装机行程进行复核，拼装架需后移850mm(即平移行程后移)，以满足天津规格管片施工操作。

　　3天津轨道交通6号线工程盾构机改造应用效果和展望

　　上海地铁盾构设备工程有限公司于2014年5月完成4台原用于上海轨道交通建设的闲置盾构改造，改造的盾构机充分利用原有设备及部件，改造部分技术成熟、性能先进、结构简单、经济实用，并且满足实际施工中对盾构设备安全可靠、检修方便的要求。4台改造盾构机投入天津轨道交通建设市场后，具有明显竞争优势，一举获得3个标段，6个区间隧道施工任务。至2014年底首个区间隧道掘进施工已经顺利完成。

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