舊盾構(gòu)機(jī)再利用關(guān)鍵問題研究

羅淑儀，馬子皓，王俊彬，黃威然

（1、廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣州510010；2、廣東省國(guó)際工程咨詢有限公司 廣州510095）

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)20 年代，我國(guó)已經(jīng)成國(guó)際上最大的盾構(gòu)生產(chǎn)基地和最大的市場(chǎng)，盾構(gòu)機(jī)的數(shù)量直線上升。在城市實(shí)施經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，就要把資源與環(huán)境保護(hù)納入城市建設(shè)的規(guī)劃中去［1］。2000年，國(guó)內(nèi)僅10 余臺(tái)盾構(gòu)機(jī)。至2019 年間，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我們應(yīng)用盾構(gòu)機(jī)累計(jì)接近2 000 臺(tái)，是2000 年的200倍［2］。按照國(guó)家和地方政府規(guī)劃的軌道交通、鐵路、公路、水利、電力、石化、綜合管廊等工程的建設(shè)規(guī)模，預(yù)計(jì)未來10 年內(nèi)盾構(gòu)市場(chǎng)需求累計(jì)會(huì)突破萬臺(tái)。這么大量的需求，完全靠新盾構(gòu)機(jī)供給，不僅制造速度難以滿足，也會(huì)造成極高的設(shè)備閑置和產(chǎn)能浪費(fèi)，舊盾構(gòu)機(jī)再利用越來越受到重視，應(yīng)用也越來越普遍。

通常，盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件主軸承的設(shè)計(jì)壽命約10 000 h 工作時(shí)間［3］，在單獨(dú)的一個(gè)項(xiàng)目中一般不會(huì)超出。從經(jīng)濟(jì)、節(jié)能上考慮，應(yīng)該將舊盾構(gòu)機(jī)再利用。在國(guó)內(nèi)的盾構(gòu)施工實(shí)際應(yīng)用中，也很少有盾構(gòu)機(jī)僅使用一次就報(bào)廢的，往往會(huì)涉及到多個(gè)項(xiàng)目的應(yīng)用。

舊盾構(gòu)機(jī)再利用，涉及到盾構(gòu)機(jī)的維修改造或再制造等系列問題。復(fù)合地層工況復(fù)雜，使得舊盾構(gòu)再利用面臨的問題更多，因舊盾構(gòu)設(shè)備老化、維修保養(yǎng)不當(dāng)、零部件損壞等原因，發(fā)生過不少的工程事故，嚴(yán)重的需要中途解體吊出（見圖1、圖2）［4］。

圖1 盾構(gòu)機(jī)大軸承進(jìn)泥失效Fig.1 Failure of Main Bearing of TBM

圖2 盾構(gòu)機(jī)大齒輪崩齒Fig.2 Large Gear Tooth Breakage of TBM

因此，在舊盾構(gòu)投入到下一工程前，需對(duì)其機(jī)況、性能、功能等進(jìn)行適應(yīng)性及可靠性評(píng)審，保障下一工程順利推進(jìn)。

1 舊盾構(gòu)機(jī)再利用可靠性評(píng)審

1.1 基本流程

舊盾構(gòu)機(jī)再利用評(píng)審基本流程包括：承包商、盾構(gòu)制造商的勘驗(yàn)和評(píng)估；承包商根據(jù)前期結(jié)果制定的維修改造方案；業(yè)主組織專家進(jìn)行適應(yīng)性和可靠性評(píng)審；根據(jù)評(píng)審結(jié)果進(jìn)行后續(xù)的跟蹤檢查。

適應(yīng)性是指：根據(jù)擬用項(xiàng)目的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及設(shè)計(jì)線路等條件，論證舊盾構(gòu)機(jī)的選型、各種參數(shù)、配置的合理性和適應(yīng)性。

可靠性是指：主要指整機(jī)和部件是否齊備、完好和可靠，維修方案是否可行［5］。

1.2 評(píng)估前的勘驗(yàn)注意事項(xiàng)

⑴在熱機(jī)情況下（上一標(biāo)段盾構(gòu)到達(dá)前的50～100 環(huán)）抽取主軸承齒輪油、減速箱齒輪油、螺旋機(jī)減速箱齒輪油、液壓油（包括各油箱和泵體）等油樣，做油樣檢測(cè)。檢測(cè)項(xiàng)目應(yīng)包括油品的理化指標(biāo)分析、光譜分析及鐵譜分析。其目的是了解主軸承內(nèi)部金屬部件是否出現(xiàn)異常磨損，或損壞、主軸承密封是否失效。

⑵刀盤及螺旋輸送機(jī)等鋼結(jié)構(gòu)的超聲波無損探傷。其目的是了解刀盤和螺旋輸送機(jī)是否有開裂或裂隙。

⑵對(duì)盾構(gòu)機(jī)的所有部件的現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)的勘驗(yàn)、拍照。

⑷ 準(zhǔn)備舊盾構(gòu)機(jī)的使用履歷，包括項(xiàng)目的時(shí)間、地點(diǎn)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特點(diǎn)、事故或故障等。

⑸ 評(píng)估結(jié)論分為兩部分：一是工程適應(yīng)性評(píng)價(jià)，即盾構(gòu)機(jī)對(duì)將要掘進(jìn)區(qū)間的地質(zhì)適應(yīng)性、施工風(fēng)險(xiǎn)和施工重難點(diǎn)分析，以及盾構(gòu)機(jī)的優(yōu)化改造。二是盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的可用程度評(píng)估，即盾構(gòu)機(jī)再利用的可靠性。

2 舊盾構(gòu)再利用關(guān)鍵部件問題

再利用的盾構(gòu)機(jī)加工和性能提升是維修和改造的2個(gè)核心內(nèi)容［6］。

加工主要用表面工程等先進(jìn)技術(shù)使達(dá)到物理壽命或要報(bào)廢的產(chǎn)品性能恢復(fù)，甚至超過新品［7］。

性能提升主要通過技術(shù)改造、局部更新，特別是通過使用新材料、新技術(shù)和新工藝等，改善產(chǎn)品技術(shù)性能，延長(zhǎng)使用壽命。

在舊盾構(gòu)機(jī)再利用的問題上，盾構(gòu)機(jī)涉及部件還有許多，主軸承只是盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件中的其中1個(gè)，有經(jīng)驗(yàn)的承包商會(huì)制定有針對(duì)性的維修改造方案，使舊盾構(gòu)機(jī)能順利完成下一工程的施工任務(wù)。

2.1 盾構(gòu)機(jī)主軸承

2.1.1 盾構(gòu)機(jī)主軸承理論壽命

地鐵盾構(gòu)機(jī)主軸承的設(shè)計(jì)壽命一般為10 000 h。通常在重載、偏載、荷載等條件下，實(shí)際工作中盾構(gòu)機(jī)主軸承的壽命容易出現(xiàn)較大的變化。實(shí)際工程中，某些盾構(gòu)機(jī)由于管理（保養(yǎng)）得當(dāng)，使得使用壽命超過該極限；也有因管理（保養(yǎng)）不當(dāng)，使用壽命小于該極限的案例存在。

德國(guó)的“羅特艾德（Rothe Erde）”為盾構(gòu)機(jī)主軸承的主要制造商，該廠對(duì)主軸承的設(shè)計(jì)壽命引進(jìn)了載荷譜（load spectrum）概念［8］，即傳動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際工作中，受到的載荷是變化的，體現(xiàn)為主推力、扭矩和速度（轉(zhuǎn)數(shù)）是變化的，不同檔位所使用的頻繁程度，即每檔所用時(shí)間也不相同，三者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，即為載荷譜［9］。也就是說，要根據(jù)不同荷載工況的工作時(shí)間比例來估算主軸承壽命，因此，壽命10 000 h不是恒久不變的。

根據(jù)羅特艾德網(wǎng)站資料試算了某軸承壽命轉(zhuǎn)數(shù)，試算中，模擬2種不同的工況。工況1模擬1臺(tái)長(zhǎng)期在紅層中使用的盾構(gòu)，工況2 模擬在花崗巖上軟下硬地層使用的盾構(gòu)，結(jié)果如表1所示。

表1 組合工況1、工況2Tab.1 Combined Working Condition 1 and Condition 2

通過計(jì)算出來的壽命轉(zhuǎn)數(shù)換算成對(duì)應(yīng)的軸承額定工作時(shí)間。組合工況的不同，對(duì)應(yīng)的額定軸承壽命也應(yīng)不同，試算2種工況壽命相差33%。因此，在實(shí)際的工程中某些盾構(gòu)機(jī)軸承使用壽命超過設(shè)計(jì)壽命，但也有小于設(shè)計(jì)壽命的情況，并不能盲目認(rèn)為未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的軸承一定能繼續(xù)投入使用。

實(shí)際工程中，部分承包商不重視掘進(jìn)過程數(shù)據(jù)的記錄和統(tǒng)計(jì)，軸承工作時(shí)間無法精確提供，因此往往按照每掘進(jìn)1 m 工作1 h 來推算主軸承壽命。因?yàn)槭┕すr不同，這樣的估算也會(huì)造成誤差。如廣州地鐵六號(hào)線二期某區(qū)間曾使用過的2 臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，完成掘進(jìn)9 km多后，主軸承油樣檢測(cè)沒有發(fā)現(xiàn)問題。但考慮到下一區(qū)間盾構(gòu)隧道長(zhǎng)2 800 m，且有花崗巖球狀風(fēng)化體和花崗巖巖面凸起等復(fù)雜情況，建設(shè)管理者要求盾構(gòu)機(jī)進(jìn)廠拆檢檢查。拆檢結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中1臺(tái)大齒圈貫穿裂紋，另1 臺(tái)大齒圈發(fā)現(xiàn)20 多道細(xì)裂紋（見圖3、圖4），主軸承無法繼續(xù)使用。

圖3 齒根細(xì)小裂紋Fig.3 Fine Crack at the Bottom

圖4 貫穿與半貫穿裂紋Fig.4 Through and Semi-through Crack

2.1.3 盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封的使用壽命

盾構(gòu)機(jī)主軸承設(shè)計(jì)時(shí)，其密封的使用壽命要短于主軸承以及襯套的使用壽命。在整個(gè)盾構(gòu)機(jī)主軸承的壽命周期中，一般需要更換1～2次內(nèi)外密封。

在實(shí)際工程實(shí)踐中，由于地質(zhì)環(huán)境的不同及對(duì)設(shè)備維護(hù)的不同，主軸承密封的壽命一般按照3 000～5 000 h控制。

2.1.4 已更換過主軸承的盾構(gòu)機(jī)壽命評(píng)估

目前，我國(guó)地下工程市場(chǎng)中舊盾構(gòu)機(jī)的數(shù)量非常大，為了節(jié)約成本，有些承包商把接近或已經(jīng)達(dá)到10 000 h 的盾構(gòu)機(jī)更換新主軸承，然后繼續(xù)使用。這樣的盾構(gòu)機(jī)是否可以繼續(xù)使用（見圖5）？

圖5 主軸承磨損破壞曲線Fig.5 Wear Failure Curve of Main Bearing

因?yàn)槲覈?guó)還沒有舊盾構(gòu)機(jī)完成設(shè)計(jì)壽命后是否報(bào)廢的相關(guān)規(guī)定，可根據(jù)工程的一事一議的具體情況具體處理。原則上，要比一般的舊盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過更嚴(yán)格的評(píng)估和審查。如果采用換主軸承的方案，相應(yīng)的也需更換大量其他的舊部件。在此情況下，首先要考慮是否更換新盾構(gòu)機(jī)會(huì)獲得更好的性價(jià)比。廣州地鐵相關(guān)管理辦法規(guī)定，更換了主軸承的盾構(gòu)機(jī)使用壽命（通常稱為再制造盾構(gòu)機(jī)）按新盾構(gòu)機(jī)壽命的70%計(jì)算。

2.2 刀盤、刀具問題

盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具的地層適應(yīng)能力決定著工程施工的成敗，刀盤改造是盾構(gòu)再利用的重點(diǎn)。近年來，在刀盤、刀具的改造方面，有許多成功的經(jīng)驗(yàn)可借鑒。

You’re not half as clever us you think you are.你遠(yuǎn)不是自己想象的那么聰明。

2.2.1 刀盤開口率的選擇

刀盤切削下來的渣土通過刀盤的開口槽流往土倉，刀盤的開口率可根據(jù)地質(zhì)條件、開挖面的穩(wěn)定性和挖掘效率來決定。相對(duì)而言，開口率越大，渣土流動(dòng)性越好，刀盤扭矩越小，但開口率越大，布置的刀具越少，刀盤本體剛度越低，支撐開挖面的穩(wěn)定性越不利。

2.2.2 刀盤耐磨處理

刀盤在巖層中掘進(jìn)時(shí)，正面及周邊很容易磨損，特別是在石英含量高、巖石強(qiáng)度高、軟硬不均地層中。如果刀具磨損后，沒有及時(shí)更換，或刀具掉落后，在刀盤前方與刀具、刀盤不停相互作用，可能會(huì)造成還在刀盤上的刀具快速撞擊損壞，甚至還可能造成刀盤焊縫斷裂，刀盤變形及磨損。磨損后的刀盤，在地下修補(bǔ)不但周期長(zhǎng)、困難大，而且風(fēng)險(xiǎn)也很高。因此，為預(yù)防此類極端事件的發(fā)生，盾構(gòu)機(jī)制造時(shí)刀盤需作相應(yīng)的耐磨保護(hù)處理。其主要內(nèi)容如下：①在刀盤面板焊HA?DOX耐磨條，如圖6所示；②刀盤邊緣弧形區(qū)域焊耐磨板，如圖7a 所示；③在滾刀兩側(cè)設(shè)置耐磨保護(hù)塊，如圖7b 所示；④在刮刀，特別是邊緣刮刀背后設(shè)置防碰撞保護(hù)塊，如圖8a 所示；⑤刀盤面板設(shè)置磨損檢測(cè)裝置，如圖8b所示，一旦發(fā)生磨損，可以及時(shí)報(bào)警。

2.3 螺旋輸送機(jī)維修和改造

圖6 刀盤面耐磨條Fig.6 Abrasion Strip of Cutting Wheel

圖7 刀盤邊緣焊耐磨板及滾刀側(cè)耐磨保護(hù)塊Fig.7 Abrasion Strip of Cutting Wheel and Protective Block for cutter

土撫摩平衡盾構(gòu)機(jī)中，螺旋輸送機(jī)也是一個(gè)容易出故障的部件，如中原地區(qū)某區(qū)間掘進(jìn)地層為較均一的粗砂和圓礫地層，但由于螺軸和螺葉設(shè)計(jì)過于單薄，而且沒有設(shè)計(jì)耐磨塊，最終導(dǎo)致螺旋機(jī)的螺軸和螺葉斷裂（見圖9）。

圖8 防碰撞保護(hù)塊及刀盤面板磨損檢查裝置Fig.8 Protective Block for Cutter and Wear-checking Device for Cutting Wheel

圖9 螺旋軸頭部斷裂及螺旋軸與螺葉斷口Fig.9 Spiral Shaft Head Broken，Spiral Shaft and Screw Blade Fracture

因此，在復(fù)合地層螺旋輸送機(jī)改造方面應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

⑴復(fù)合地層中，螺旋輸送機(jī)直徑和出渣粒徑要根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于存在大量較大塊體的地段，可以考慮采用帶式螺旋輸送機(jī)。

⑵對(duì)于長(zhǎng)距離軟弱不均，或水頭壓力大的地質(zhì)條件，如果選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，應(yīng)優(yōu)先選擇雙螺旋結(jié)構(gòu)、雙閘門。

⑶6.0～6.5 m 直徑的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，螺旋輸送機(jī)扭矩應(yīng)不低于200 kN·m。

⑷螺旋輸送機(jī)應(yīng)設(shè)置添加劑注入口，必要時(shí)對(duì)渣土進(jìn)行改良。

⑸單螺旋輸送機(jī)應(yīng)具備螺旋軸可伸縮功能，并在螺旋軸前端配置前閘門。

⑹葉片需做耐磨處理。

⑺螺旋輸送機(jī)筒體應(yīng)具備良好的耐磨能力。

⑻為防止供電系統(tǒng)故障情況下閘門無法關(guān)閉，繼而造成開挖面水土直接涌入隧道甚至造成塌陷，系統(tǒng)要設(shè)有應(yīng)急儲(chǔ)能器，作為緊急關(guān)閉閘門的動(dòng)力源。

⑼在螺旋輸送機(jī)筒體上預(yù)留應(yīng)急法蘭盤，增設(shè)球閥，若出現(xiàn)持續(xù)噴涌現(xiàn)象，無法按正?；謴?fù)施工時(shí)，可通過在法蘭盤上外接保壓泵，恢復(fù)施工。

⑽螺旋輸送機(jī)筒體上、中、下部均應(yīng)設(shè)置可供快速開啟和關(guān)閉的應(yīng)急檢查門，當(dāng)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象時(shí)可以開啟檢查、修理。

3 新舊盾構(gòu)機(jī)施工效率比較案例

廣州地鐵六號(hào)線一期工程新舊盾構(gòu)掘進(jìn)工效對(duì)比。

3.1 施工3標(biāo)工程概況［10］

施工3 標(biāo)包括海珠廣場(chǎng)站～一德路站、一德路站～文化公園站、文化公園站～黃沙站3個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，左線長(zhǎng)度為2 442.262 m，右線長(zhǎng)度為2 458.464 m。采用2臺(tái)新的S377 和S390 復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)，區(qū)間線路最小曲線半徑250 m，最大埋深約25.2～28.6 m，最大縱坡3%。

本區(qū)間沿線第四系土層覆蓋于基巖之上，下伏基巖為白堊系（K）紅層，巖性主要為泥鈣質(zhì)膠結(jié)的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖，部分風(fēng)化巖有溶蝕小孔洞。盾構(gòu)隧道幾乎都在＜7＞、＜8＞、＜9＞巖層中穿越，各類巖層占比如圖10所示。

圖10 主要地層所占比例統(tǒng)計(jì)Fig.10 The Stratigraphic Proportion of the Shield Interval

3.2 施工4標(biāo)工程概況

本工程由海珠廣場(chǎng)站～北京路站～越秀南站～東湖站吊出井盾構(gòu)區(qū)間隧道雙線總長(zhǎng)為3 564.21 m，左、右線線型基本一致。右線采用海瑞克S244 復(fù)合式舊土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，左線采用三菱1638#復(fù)合式舊土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

本標(biāo)段盾構(gòu)機(jī)穿越的地層與3 標(biāo)相差不大，都在白堊系＜7＞、＜8＞、＜9＞巖層中掘進(jìn)，如圖11所示。

3.3 掘進(jìn)效率對(duì)比

4 臺(tái)盾構(gòu)機(jī)參數(shù)差異不大。但S244 的掘進(jìn)效率最低，如表2所示。

圖11 左、右線隧道洞身地層情況統(tǒng)計(jì)Fig.11 Stratigraphic Proportion of the Shield Interval between Left and Right Tunnels

表2 掘進(jìn)工期Tab.2 Excavating Schedule

3.4 施工4標(biāo)日掘進(jìn)效率低原因分析

從表2 中可看到施工4 標(biāo)左右線掘進(jìn)效率較低，特別是右線的S244盾構(gòu)機(jī)，分析其效率低的原因可歸結(jié)以下2點(diǎn)：

3.4.1 盾構(gòu)機(jī)本身及其配套設(shè)備的故障較多

主要集中體現(xiàn)為盾構(gòu)雙軌梁和管片拼裝機(jī)故障多。據(jù)統(tǒng)計(jì)右線1～200 環(huán)中盾構(gòu)機(jī)及其配套設(shè)備的故障時(shí)間約400 h。由于配套的設(shè)備也陳舊，與之帶來的故障也多。

3.4.2 盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性稍差

渣土改良系統(tǒng)由于系統(tǒng)老舊，沒有使用多管多泵泡沫系統(tǒng)及自動(dòng)注入功能，從而使得掘進(jìn)過程中刀盤結(jié)泥餅及噴涌現(xiàn)象時(shí)而發(fā)生。

上述案例中，舊盾構(gòu)機(jī)雖然攤銷費(fèi)用較少，但是頻繁的設(shè)備故障，使掘進(jìn)工效降低，掘進(jìn)時(shí)間延長(zhǎng)，反而增加了管理成本。一些設(shè)備原件的老舊，使得無法達(dá)到原出廠設(shè)備功能的要求，也很容易造成掘進(jìn)困難。

4 結(jié)論

⑴盾構(gòu)機(jī)作為一種大型工程機(jī)械，由于設(shè)備價(jià)格高，在固定資產(chǎn)攤銷上，使用時(shí)間越短，施工成本占比越高，如果輕易報(bào)廢，必將造成巨大的成本浪費(fèi)，盾構(gòu)機(jī)再利用從防止產(chǎn)能浪費(fèi)方面應(yīng)該被鼓勵(lì)。

⑵再利用并不等于永久可以循環(huán)再用，對(duì)于盾構(gòu)主軸承這一關(guān)鍵部件，不應(yīng)單純地以達(dá)到10 000 h作為軸承壽命終點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)工況一事一議，謹(jǐn)慎評(píng)審，特別是對(duì)于接近壽命極限的盾構(gòu)機(jī)。

⑶刀盤、刀具、螺旋機(jī)在再利用過程中，可適當(dāng)增加耐磨塊和磨損檢裝置，減少損壞，增長(zhǎng)使用壽命。

⑷使用舊盾構(gòu)雖然攤銷費(fèi)用較少，但是頻繁的設(shè)備故障使掘進(jìn)工效降低，“帶病工作”反而拖延了工期，增加了管理成本。改造不到位或不當(dāng)甚至?xí)斐啥軜?gòu)掘進(jìn)困難，因此在下一標(biāo)段實(shí)施前，進(jìn)行維修改造方案的適應(yīng)性評(píng)審非常有必要。