上海地鐵三菱盾構(gòu)再制造技術(shù)研究

史海舟（上海地鐵盾構(gòu)設(shè)備工程有限公司，上海 200031)

為了滿足地鐵建設(shè)的需要，通過采用再制造技術(shù)，利用原盾構(gòu)結(jié)構(gòu)件和零部件，使其恢復(fù)性能和指標，達到節(jié)約成本、循環(huán)利用的目的。本文主要介紹了上海地鐵盾構(gòu)設(shè)備工程有限公司對原Φ6 340mm三菱盾構(gòu)進行再制造，通過再制造達到原盾構(gòu)的主要技術(shù)性能，從而滿足上海軌道交通區(qū)間隧道的各項施工條件。

1 三菱盾構(gòu)再制造關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合上海地鐵施工要求，針對三菱盾構(gòu)的刀盤結(jié)構(gòu)、刀盤驅(qū)動、盾構(gòu)切口環(huán)、管片拼裝機、螺旋輸送機等多個方面提出再制造盾構(gòu)技術(shù)規(guī)格，通過研究利用部件檢測和改造技術(shù)，開展系統(tǒng)匹配設(shè)計，達到利用資源、節(jié)能減排、降低建設(shè)投資的目標。

盾構(gòu)在施工過程中會遇到各種不同地層，作為關(guān)鍵部位的刀盤的性能直接關(guān)系到隧道施工的成敗、開挖效率以及盾構(gòu)使用壽命。為了提高刀盤表面的耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫和抗疲勞等性能，可以運用表面工程技術(shù)和激光再制造技術(shù)。同時為了判斷機械零部件的缺陷情況，可以運用超聲波探傷技術(shù)來確定該零部件的實際狀況，確定具體再制造方案。

1.1 表面工程技術(shù)

通過傳統(tǒng)電鍍、熱噴涂或電噴涂工藝技術(shù)實現(xiàn)零件關(guān)鍵工作面的細微尺寸、粗糙度、硬度等性能的改進。其中熱噴涂技術(shù)具有附著力強、涂層厚度便于控制、在盾構(gòu)機土沙密封摩擦面的修復(fù)中具有較大應(yīng)用前景。

1.2 超聲波探傷

超聲探傷對于盾構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件本體、透焊的連接焊縫質(zhì)量缺陷都有較高的識別率。因此，在新制結(jié)構(gòu)件和再制造結(jié)構(gòu)件質(zhì)量控制中得到廣泛應(yīng)用。

1.3 激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)能夠形成優(yōu)于基體材料性能的熔敷層。采用激光顯微仿形熔覆技術(shù)修復(fù)和強化零件表面，能賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞等性能。這種技術(shù)可以應(yīng)用于盾構(gòu)的刀盤、螺旋機系統(tǒng)的再制造之中。

2 三菱盾構(gòu)再制造技術(shù)研究

2.1 刀盤及刀盤驅(qū)動再制造

刀盤的再制造技術(shù)是盾構(gòu)再制造的重點和難點。刀盤在盾構(gòu)推進過程中容易發(fā)生變形、開裂、磨損等問題，刀盤外形輪廓的幾何形狀難以維持，修復(fù)難度較大。三菱盾構(gòu)刀盤及刀具示意圖見圖 1。

圖1 三菱盾構(gòu)刀盤

刀盤的再制造，首先采用超聲波探傷對結(jié)構(gòu)焊縫與應(yīng)力集中點進行檢查，確保無內(nèi)在隱患；同時，刀盤的開挖直徑從Φ6 340mm擴大到Φ6 750 mm，經(jīng)設(shè)計校核，采取了箱體外接，新做盤緣結(jié)構(gòu)，把刀盤開口率控制在 40% 左右，對刀具進行了重新布置。

刀盤驅(qū)動系統(tǒng)主要由回轉(zhuǎn)軸承、驅(qū)動變速箱、驅(qū)動馬達等組成。其中回轉(zhuǎn)軸承價格昂貴且主要依靠進口，但該部件設(shè)計余量較大。

對盾構(gòu)回轉(zhuǎn)軸承的三維檢測是通過激光跟蹤儀來實現(xiàn)的。激光跟蹤儀通過靜態(tài)測量和動態(tài)測量相結(jié)合來獲得所測面的偏差（如圖 2），通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型分析計算得出相關(guān)面的平面度、圓柱度、垂直度、平行度等數(shù)值，最終得到盾構(gòu)回轉(zhuǎn)軸承的三維檢測數(shù)據(jù)。

圖2 外圈反推力滾道面測量點偏差

根據(jù)盾構(gòu)回轉(zhuǎn)軸承的三維檢測結(jié)果，結(jié)合超聲波探傷、著色探傷以及表面硬度檢測，對回轉(zhuǎn)軸承各零部件進行表面處理、更換密封件。

2.2 盾構(gòu)切口環(huán)再制造

受隧道外徑的放大，在考慮切口環(huán)結(jié)構(gòu)時需研究與原利用部件的接口設(shè)計。利用原盾構(gòu)刀盤回轉(zhuǎn)軸承和刀盤驅(qū)動組再制造盾構(gòu)切口環(huán)組件主要有以下 3 種方案：

（1）僅利用原刀盤回轉(zhuǎn)軸承和 6 個驅(qū)動組，刀盤驅(qū)動箱、切口環(huán)等全部結(jié)構(gòu)件重新設(shè)計制造。

（2）利用原刀盤驅(qū)動總成，將刀盤驅(qū)動箱體連同回轉(zhuǎn)軸承、刀盤驅(qū)動組整體從切口環(huán)上分離出來，經(jīng)檢測、修復(fù)后安裝到與之匹配的新制盾構(gòu)切口環(huán)上。

（3）將原盾構(gòu)機切口環(huán)整體經(jīng)檢測、評估、維修后，通過環(huán)向包覆新制圓弧鋼板外殼、焊接、機加工等工藝，整體再制造成新盾構(gòu)切口環(huán)組件。

3 種盾構(gòu)切口環(huán)組件再制造方案效果比較見表 1。

表1 3種盾構(gòu)切口環(huán)組件再制造方案效果比較

經(jīng)分析比較，由表 1 可知，三菱盾構(gòu)切口環(huán)再制造優(yōu)選方案選方案 2。

為實施該方案需要對原切口環(huán)結(jié)構(gòu)進行充分評估，主要分析以下關(guān)鍵參數(shù)：

（1）原刀盤驅(qū)動箱體結(jié)構(gòu)件工作負載及繼續(xù)使用風(fēng)險分析。原盾構(gòu)刀盤驅(qū)動箱體結(jié)構(gòu)需結(jié)合工況負載和局部應(yīng)力分布情況進行分析。根據(jù)三菱盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)歷史施工數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該盾構(gòu)已完成項目實際驅(qū)動負載最大值約為設(shè)計值的 80%，平均負載約為 40%。根據(jù)負載情況對原盾構(gòu)刀盤驅(qū)動箱體進行校核，較大應(yīng)力點的負載均在材料許用應(yīng)力以內(nèi)，且有較大富余，故該結(jié)構(gòu)件可以繼續(xù)安全使用。

（2）原刀盤驅(qū)動箱體結(jié)構(gòu)件現(xiàn)狀評估。原刀盤驅(qū)動箱體結(jié)構(gòu)件目測無明顯缺陷，采用超聲波探傷，未發(fā)現(xiàn)重大缺陷。拆卸前利用激光掃描儀對原切口環(huán)進行掃描，擬合得出原切口環(huán)外圓面三維坐標，并與中心軸線進行校核，以回轉(zhuǎn)軸承安裝面為基準，在刀盤驅(qū)動箱體與切口環(huán)連接位置設(shè)定基準，便于后續(xù)安裝。

（3）新制切口環(huán)結(jié)構(gòu)件和刀盤驅(qū)動箱體二次安裝定位。根據(jù)再制造盾構(gòu)設(shè)計要求和原盾構(gòu)刀盤驅(qū)動箱體拆卸清理后安裝面實測尺寸，制作新切口環(huán)結(jié)構(gòu)件，新制切口環(huán)結(jié)構(gòu)件經(jīng)驗收合格后，與刀盤驅(qū)動箱體依據(jù)預(yù)留定位基準進行測繪調(diào)校，最后焊接定位并檢驗焊縫質(zhì)量。

2.3 拼裝機再制造

拼裝機是掘進過程中裝配隧道管片的機械手。結(jié)合上海新線項目的特點，需對拼裝機實施六自由度動作功能改造，增加平面回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)功能。

2.4 螺旋輸送機再制造

螺旋輸送機通過調(diào)節(jié)排渣速度控制土艙及開挖面壓力。由于螺桿葉片的磨損使得葉片與筒體內(nèi)徑間隙過大，影響出土效率；原螺桿焊接位置容易斷開造成故障，需對螺旋輸送機螺桿連接形式進行改造。

螺旋機螺桿的檢測與修復(fù)：外形直線度應(yīng)符合圖紙的技術(shù)要求，葉片外圓和端面按要求堆焊耐磨層，葉片焊縫探傷。

螺旋機筒體的檢測與修復(fù)：檢查筒體內(nèi)壁磨損情況，筒體內(nèi)表面按要求堆焊硬質(zhì)合金層，更換殼體法蘭連接處的密封圈。

螺旋機出土閘門的檢測與修復(fù)：檢查出土閘門板和滑槽的平面度、平行度，雙油缸控制的還需作工作的同步性檢查。

3 結(jié) 語

再制造技術(shù)也稱綠色再制造技術(shù)，是先進制造技術(shù)的一個重要組成部分和發(fā)展方向。盾構(gòu)再制造的本質(zhì)是修復(fù)，但它不是簡單的維修。再制造的內(nèi)核是采用制造業(yè)的模式搞維修，是一種高科技含量的修復(fù)術(shù)，而且是一種產(chǎn)業(yè)化的修復(fù)，因而再制造是維修發(fā)展的高級階段，是對傳統(tǒng)維修概念的一種提升和改寫。通過對三菱盾構(gòu)再制造技術(shù)開展探索和研究，形成了一套行之有效的盾構(gòu)再制造技術(shù)方案，滿足了上海軌道交通建設(shè)高峰期間對盾構(gòu)的需求，同時積累了大量寶貴經(jīng)驗，為今后在基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)推廣綠色經(jīng)濟和循環(huán)經(jīng)濟做了有益的嘗試。