地鐵盾構(gòu)機改造技術(shù)研究與實踐

陳招偉 錢 超 王振坤

中國葛洲壩集團市政工程有限公司 湖北 宜昌 443002

隨著我國城市化進程的飛速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加快，城市人口密度持續(xù)增高，導(dǎo)致城市交通壓力劇增，對軌道交通的運載能力提出了更高的要求。列車的運載容量及運行速率不斷提升，相應(yīng)的隧道斷面直徑不斷增大，北京、上海、深圳、廣州、成都、武漢等城市在地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道斷面設(shè)計上均進行了不同程度的擴徑。

盾構(gòu)機是針對項目工程條件進行的專項設(shè)計，在通用性方面有一定的局限性，尤其在工程地質(zhì)、隧道斷面等方面，城市軌道交通盾構(gòu)區(qū)間斷面的變化將進一步影響盾構(gòu)的通用性，勢必造成工程建設(shè)的工期和成本增加。針對這一情況，對于管片外徑相近的盾構(gòu)隧道，很有必要對盾構(gòu)機擴徑改造技術(shù)進行探討和研究[1]。

1 工程概況

武漢市軌道交通某標(biāo)段施工范圍包含“三站四區(qū)間”，車站采用明挖順筑法施工，區(qū)間為雙線隧道，采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道管片外徑為6 200 mm。隧道洞身沿線穿越地層主要為淤泥，粉質(zhì)黏土，全風(fēng)化泥巖，強風(fēng)化、中風(fēng)化泥巖，中風(fēng)化石灰?guī)r等。依照施工部署，標(biāo)段全線投入10臺盾構(gòu)機，其中2個盾構(gòu)區(qū)間采用適應(yīng)管片外徑為6 000 mm的土壓平衡盾構(gòu)機，共投入3臺，1臺華遂通盾構(gòu)機、2臺中鐵裝備盾構(gòu)機（型號及規(guī)格相同）。

2 盾構(gòu)改造方案

盾構(gòu)機擴徑改造方案由施工方組織專家評審，通過專家評審會論證，1臺華遂通盾構(gòu)機采用新制刀盤＋新制盾殼法改造方案，2臺中鐵裝備盾構(gòu)機采用刀盤改造＋包殼法改造方案。盾構(gòu)機擴徑改造前后的主要參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)機改造前后主要參數(shù)

3 新制法改造方案

3.1新制刀盤

針對地層中存在大范圍CFG樁的情況，新制刀盤采用輻條＋面板式設(shè)計，支撐方式為中心支撐，刀盤上安裝滾刀、切刀、刮刀和保徑刀等。刀盤鋼結(jié)構(gòu)采用Q345C高強度鋼板焊接而成。新制刀盤設(shè)計有4個中心進渣土口、12個大尺寸正面進渣口，刀盤開口率39%，有利于進渣；刀盤上安設(shè)5道泡沫和膨潤土管路，刀盤隔板上安設(shè)1個高壓沖水口，有利于加強渣土改良，同時有效防止結(jié)“泥餅”；刀盤設(shè)有2個磨損檢測裝置，部分區(qū)域焊接耐磨板及耐磨網(wǎng)進行針對性的耐磨保護。改造前后刀盤如圖1所示。

圖1 改造前后刀盤示意

3.2盾體內(nèi)部裝置拆卸

將盾體翻轉(zhuǎn)豎向放置于馬凳上架空，將尾盾內(nèi)部拼裝機拆除；將中盾內(nèi)部推進油缸、鉸接油缸、液壓控制設(shè)備、電氣設(shè)備等全部裝置拆除，分離中盾與中折盾；拆除前盾內(nèi)部全部裝置。盾體內(nèi)部裝置拆除后進行維護保養(yǎng)，妥善封存以備在新制盾體上安裝，通過精密測量確保設(shè)備安裝尺寸精度。

3.3新制盾體

由于管片外徑擴增至6 200 mm，新制盾體直徑相應(yīng)增大。改造前后前盾、中盾、尾盾尺寸對比詳見表2。

表2 盾體改造前后外徑參數(shù)

3.3.1 前盾

新制前盾整體直徑增加，結(jié)構(gòu)形式不變，保證前大后小的趨勢。為確保盾體內(nèi)部裝置安裝位置協(xié)調(diào)統(tǒng)一，前盾長度加長200 mm。

盾體土倉底部增加錐板，以便出土，減少土倉底部土體堆積，同時增加切口部位殼體的結(jié)構(gòu)強度。

盾體間連接法蘭增加凸臺和密封槽，盾體間連接由原來的螺栓＋焊接密封改為螺栓＋密封條密封。

3.3.2 中盾

新制中盾整體直徑增加，結(jié)構(gòu)形式不變，保證前大后小的趨勢。法蘭形式改造同前盾。推進油缸安裝位置外移，油缸球頭中心分布于長5 850 mm的圓周上，重新制作撐靴及靴套以匹配新管片。

3.3.3 尾盾

尾盾內(nèi)部空間保證寬30 mm管片拼裝間隙，注漿塊采用內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)；注漿、油脂管路分布不變；盾尾采用3道鋼絲刷密封，1道止?jié){板。

3.4管片拼裝機改造

管片結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致管片單塊質(zhì)量增加，需提高管片拼裝機的提升能力，滿足單塊質(zhì)量5 t的拼裝要求；增加拼裝機的配重塊質(zhì)量，保證拼裝機的穩(wěn)定性；拼裝機抓舉臂增設(shè)軸向延伸裝置，使其具備洞內(nèi)更換2道盾尾刷的能力。

3.5盾體裝配

將原盾體內(nèi)部拆卸下來的裝置及設(shè)備安裝至相應(yīng)的位置，恢復(fù)其完整的系統(tǒng)功能。

3.6后配套臺車改造

由于管片內(nèi)徑發(fā)生變化，將后配套臺車車輪通過墊鋼板進行加高處理，墊高后的臺車結(jié)構(gòu)中心與隧道結(jié)構(gòu)中心重合。

3.7組裝調(diào)試

對盾構(gòu)機進行整機組裝并按照盾構(gòu)機出廠調(diào)試驗收方案進行通電調(diào)試驗收，各項功能及指標(biāo)符合要求。

4 包殼法改造方案

4.1刀盤擴徑

原刀盤為輻條＋面板式復(fù)合刀盤，通過在原刀盤外周加焊耐磨鋼板及耐磨環(huán)，將刀盤外徑擴增至6 450 mm，通過重新調(diào)整刀具布置方案，在達(dá)到開挖半徑6 470 mm要求的同時，保障刀盤具有足夠的圍巖切削能力。

具體實施方法：檢測刀盤關(guān)鍵焊縫、外形尺寸；刨去原刀盤外周、刀盤面板外緣處的耐磨材料，打磨平整；刨去原安裝在外周的刀具及刀座；取出超挖刀；在刀盤外周裝焊2圈HARDOX500的耐磨鋼板以及1環(huán)耐磨環(huán)，刀盤結(jié)構(gòu)外徑擴增至6 450 mm；重新調(diào)整邊緣滾刀的布置方案，增加邊緣滾刀的數(shù)量，調(diào)整其切削軌跡線，使刀盤開挖直徑達(dá)到6 470 mm，調(diào)整邊緣刮刀、撕裂刀、滾刀的數(shù)量及位置，使其切削軌跡符合設(shè)計要求。

4.2前、中盾盾體包殼

對前盾、中盾進行包殼處理，即在前盾、中盾外周通過焊接鋼肋條和弧形鋼板，使其外徑擴增至設(shè)計要求，改造前后前盾、中盾、尾盾尺寸對比詳見表3。

表3 改造前后前、中盾外徑參數(shù)

首先將鋼材加工成寬30 mm、高75 mm，長度與前盾、中盾盾體長度一致的鋼肋條；其次將鋼肋條打坡口，按照290 mm間隔均勻焊接于前盾、中盾整個外圈；然后將厚20 mm鋼板通過卷板機加工成外徑與改造后尺寸匹配的弧形鋼板，將弧形鋼板切分成弧長290 mm的扇形板；最后將扇形板加焊在鋼肋條上，形成一個整體的外包鋼環(huán)，將前盾、中盾外徑擴增至設(shè)計要求。

4.3新制尾盾

尾盾內(nèi)部空間需保證留有寬30 mm的管片拼裝間隙，注漿塊采用內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)；注漿、油脂管路分布不變；盾尾采用3道鋼絲刷密封，1道止?jié){板。

4.4拼裝機改造

原管片拼裝機提升能力滿足管片單塊質(zhì)量增加的需求，不做處理，對拼裝機的配重塊質(zhì)量進行適當(dāng)調(diào)整，保證拼裝機具備足夠的穩(wěn)定性能。

4.5組裝調(diào)試

對盾構(gòu)機進行組裝并按照盾構(gòu)機出廠調(diào)試驗收方案進行通電調(diào)試驗收，各項功能及指標(biāo)符合要求。

5 改造方案對比分析

5.1工期對比

新制法改造方案需要拆卸盾體內(nèi)部全部裝置及設(shè)備，新制刀盤及全部殼體，在新殼體內(nèi)安裝拆卸下來的裝置及設(shè)備，最后進行整機組裝調(diào)試，改造工期為5個月；包殼法改造方案對刀盤、前盾、中盾進行擴徑改造，僅新制尾盾，最后整機組裝調(diào)試，改造工期1.5個月。

5.2成本對比

新制法改造方案主要工作內(nèi)容為刀盤及全部盾體拆卸并重裝盾體內(nèi)部全部裝置及設(shè)備，更新鉸接密封，新購刀具，改造花費合計585萬元；包殼法改造方案主要工作內(nèi)容為刀盤擴徑、前中盾包殼、新制尾盾、新購部分刀具，改造花費合計128萬元。

5.3適應(yīng)性對比

新制法改造方案有2套殼體和刀盤，通過盾體內(nèi)部裝置及設(shè)備拆裝，既能適用直徑6 000 mm管片的軟土地層，又能適用直徑6 200 mm管片的土質(zhì)及軟巖地層，適用范圍較改造前大；包殼法改造方案改造后適用直徑6 200 mm管片的軟巖地層，適用范圍較改造前不變。

5.4性能對比

通過新制法改造后的華遂通盾構(gòu)機盾體整體性高，盾體外徑與盾體長度比例協(xié)調(diào)，鉸接角度及轉(zhuǎn)彎能力較原來不變，推進油缸中心與管片受力中心基本重合，受力情況較好；包殼法改造后的中鐵裝備盾構(gòu)機由于盾體長度未做調(diào)整，整體協(xié)調(diào)性較改造前低，盾體真圓度較改造前低，盾構(gòu)鉸接度較改造前小，盾構(gòu)機轉(zhuǎn)彎能力較改造前弱，推進油缸中心與管片中心存在一定偏差。

5.5使用情況對比分析

以上2種改造方案的盾構(gòu)機都圓滿地完成了區(qū)間掘進任務(wù)，華遂通盾構(gòu)機掘進2.2 km，中鐵裝備盾構(gòu)機掘進2.4 km，使用情況滿足改造設(shè)計要求。2種方案綜合對比情況詳見表4。

表4 改造方案綜合對比

采用包殼法改造的盾構(gòu)機試掘進過程中出現(xiàn)管片真圓度不足、管片內(nèi)破損的情況。經(jīng)分析，主要原因為推進油缸中心與管片中心偏差過大，管片受力不均，經(jīng)更換撐靴后情況得到改善。

6 結(jié)語

改造后的盾構(gòu)機都完成了區(qū)間隧道掘進任務(wù)，證明擴徑改造方案可行。相較租賃或者新購盾構(gòu)設(shè)備，擴徑改造盾構(gòu)方案大大降低了施工成本。對2種改造方案進行比較分析，包殼法具有改造成本低、改造周期短的優(yōu)點，但是改造后盾構(gòu)整體性及協(xié)調(diào)性較改造前有所下降；新制法具有盾構(gòu)適應(yīng)性高、整體性和協(xié)調(diào)性較好的優(yōu)點，相較包殼法，其改造成本更高，改造周期更長。

在方案論證可行的前提下，針對掘進壽命不長的老舊機型，推薦采用包殼法進行改造；對需要提高適應(yīng)性，掘進壽命余量較大，成色較新的機型，則推薦采用新制法進行改造。