地鐵隧道盾構機擴徑改造關鍵技術

李劍彤

（宏潤建設集團股份有限公司，上海市 200235）

地鐵隧道盾構機擴徑改造關鍵技術

李劍彤

（宏潤建設集團股份有限公司，上海市 200235）

以某公司1、4、5號（上隧863）盾構為基礎，全面闡述了在上海軌道交通建設中，為適應不同管片隧道而進行的盾構機擴徑改造的目的、方案、計算和效益分析。

地鐵隧道；盾構機；擴徑改造；計算和效益分析

0 引言

隨著我國城市建設的發展，地鐵以其安全、快速、高效等特點在城市交通中發揮了越來越大的作用。為了進一步提高地鐵的客運量并確保消防和安全的需要，各城市在地鐵隧道的設計上都有擴徑的趨勢。

依據《上海市軌道交委交通區間隧道斷面調整方案研究》的論證報告，明確在上海軌道交通建設中采用A型車區間隧道結構外徑由6 200 mm調整為6 600 mm，詳見表1。

表1 隧道結構調整前后對比表

根據隧道斷面調整前后管片參數的對比，主要的變化有管片外徑、管片內徑、管片重量等。某公司現有的盾構外徑6 340 mm，為適應上海軌道交通的新施工要求，本著節約社會資源、環境友好型的企業需求，有必要對現有盾構進行擴徑改造，挖掘潛力，在保證工程安全的前提下充分發揮設備的能力。

1 改造依據與原則

（1）改造依據：上海軌道交通建設盾構大修改造、大修改進技術規格書“；外徑6.6 m（內徑5.9 m）鋼筋混凝土管片模版圖”；原盾構技術規格書；相關國家地方規范及標準。

（2）改造原則：設備技術指標應滿足淺覆土盾構大修改造、大修改進相關技術要求；應遵循技術成熟、性能先進、結構簡單、經濟實用的原則，并滿足安全可靠、檢修方便等要求；充分利用原有設備及部件，盡量避免因個別部件改造而連鎖引起其他設備改造。

2 改造內容

（1）管片外徑增大引起的盾構機改造項目：加大刀盤直徑；加大盾體直徑；增大盾構推力；提高主驅動扭矩；提高拼裝機回轉能力。

（2）管片內徑增大引起的盾構機改造項目：增加拼裝半徑；提高車架高度。

（3）管片重量增加引起的盾構機改造項目：加大拼裝機提升力；提高拼裝機回轉能力。

3 改造方案

3.1 刀盤改造方案

（1）加大刀盤直徑：刨除原刀盤外圈板上的刀具及耐磨堆焊層，用Q345鋼材新制加大的刀盤外圈板，并焊接在原刀盤外圈上，將刀盤外圈直徑加大至6 750 mm，再參照原刀盤，在加大的刀盤外圈板上焊接周邊刀具及耐磨堆焊層，將刀盤開挖直徑加大至6 770 mm。

（2）外移仿形刀：將原仿形刀拆下，并在刀盤半徑方向向外移動200 mm后重新焊接固定。

（3）加裝刀具：因刀盤直徑加大，應增加相應的盾構刀具，包括16把主切削刀和2把先行貝殼刀。

刀盤改造及刀具布置詳見圖1。

圖1 刀盤改造及刀具布置圖

3.2 盾體改造方案

（1）加大前盾直徑：前盾改造采用新制的方案。先用厚45 mm的Q345鋼板新制外徑6 760 mm的前盾鋼結構，再將從原前盾上拆下的主驅動及液壓件、電氣件，重新組裝到新制的前盾上。

（2）加大中盾直徑：中盾改造同樣采用新制的方案。先用厚45 mm的Q345鋼板新制外徑6 760 mm的中盾鋼結構，再將從原中盾上拆下的液壓件、電氣件，重新組裝到新制的中盾上。

（3）加大盾尾直徑：盾尾改造同樣采用新制的方案。用厚45 mm的Q345鋼板新制外徑6 760 mm的盾尾鋼結構，盾尾間隙35 mm。

盾體改造及油缸分布詳見圖2。

圖2 盾體改造及油缸分布圖(單位：mm)

3.3 推進系統改造方案

（1）系統參數

推進系統參數如表2所示。

表2 推進系統參數配置

（2）增加推進油缸：由于盾構外徑增大，盾構的正面阻力及周邊摩擦力都將增加。為了保證盾構推進順利，應增加推進油缸數量（i）。P改=F（n+i）/（D2/4）≥110 T/m2，得i≥4.2個。考慮到油缸數量最好偶數對稱分布，故取i=6個，計算得P改=115.4 T/m2

（3）新增油缸分布：新增6個油缸采用原863盾構的備用推進油缸，行程2 150 mm。為了增加盾構底部推力，在盾構管片拱底塊位置增加4個油缸，在管片兩標準塊位置各增加1個油缸，改造后盾構推進油缸分布如圖2。

（4）推進速度校核：由于新增6個推進油缸會降低盾構推進速度，所以要對盾構推進速度進行校核，看改造后盾構推進速度是否滿足≥6 cm/min的要求。

V改=Q/（πd2/4）/(n+i)=9.4 cm/min≥6 cm/min，滿足要求。

3.4 主驅動改造方案

由于盾構刀盤直徑增大、刀具增多，刀盤主驅動的扭矩也應相應提高。本次主驅動改造采用增加驅動馬達和提高工作油壓兩種方案同步進行。

（1）系統參數

主驅動系統參數如表3所示。

表3 主驅動系統參數配置

（2）增加驅動馬達：由于原主驅動沒有預留備用驅動馬達安裝位置，所以要新制驅動馬達動力箱。由于結構尺寸的限制，只能在原有9個驅動馬達的基礎上增加1個，并將驅動馬達按圖3重新排列。

（3）提高額定油壓：為了滿足改造后盾構主驅動扭矩系數α≥16的要求，還需同時將原額定壓力p提高至額定壓力P。

α=T原×（N/n）×（P/p）/D3≥16，得 P≥30.6 MPa，改造后主驅動額定壓力P取31 MPa。

扭矩系數：α=T原×（N/n）× (P/p)/D3=16.2。

（4）動力箱有限元分析

已知條件：動力箱材料為Q345B；主軸承橫向力（土壓0.4 MPa）為1 470 T；馬達安裝孔轉矩為65.56 kN·m×10個；主軸承豎向力約100 T；刀盤傾覆力矩約128 T·m。利用計算機軟件進行分析結果如圖4，圖5所示。

圖3 主驅動改造方案圖(單位：mm)

圖4 有效組合應力云圖

圖5 結構變形圖

應力分析結果：最大應力為118 MPa，鋼材屈服強度為345 MPa，安全系數為345/118=2.9，動力箱結構強度可滿足要求。最大位移為0.76 mm，變形小，動力箱結構變形可以滿足要求。

3.5 拼裝機改造方案

（1）系統參數

拼裝機參數如表4所示。

（2）提高拼裝機回轉能力：由于空間及系統限制，拼裝機無法增加回轉馬達數量及油壓，故本次改造通過增加回轉配重30 kN來提高拼裝機回轉能力。

拼裝機回轉能力系數 k=T輸出/T需=T1× η/i/[F1L1+F2L2–（F3+30）L3]=1.6＞1，故改造后可滿足要求。

（3）增加拼裝半徑：通過新制拼裝頭或在拼裝頭與兩個拼裝導桿的連接法蘭中間各加裝一塊200 mm厚的中間法蘭，將拼裝頭外移200 mm，使拼裝機滿足內徑5 900 mm管片的拼裝。拼裝機改造如圖6所示。

（4）校核拼裝機提升能力：拼裝機提升能力系數：k=Fmax/F需=F5×2/（F1+F2+F4）=1.6＞1，故原拼裝機提升油缸提升能力滿足要求。

3.6 車架改造

本次改造通過在車架結構與車架輪子間增加200 mm的墊塊來抬高車架，消除因隧道內徑增大引起的車架與主機的軸線偏心。

3.7 其他改造

為了滿足申通文件的其它要求，盾構還需進行以下系統改造，如表5所示。

表4 拼裝機參數配置

圖6 拼裝機改造圖(單位：mm)

表5 其他系統項目改造

4 結語

通過本次盾構機擴徑改造實施表明，改造過程應盡可能的保留原盾構部件，同時盡量使用已有備件，該項改造總費用約700萬元，與目前上海新制地鐵盾構最低價2 650萬相比，具有很高的經濟效益。盾構機擴徑改造后經過技術評估，該盾構能夠滿足在3個區間（約3 km）隧道施工中不大修，完全能夠滿足設備安全使用要求以及成本控制要求。目前該盾構機已成功完成上海軌道交通17號線7標的1個區間推進作業，該項目隧道結構同時被評為上海市優質結構，經設備檢測反映盾構機各項技術指標良好，可以繼續使用。

U455.3

B

1009-7716（2017）08-0320-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.100

2017-05-05

李劍彤（1972-），男，江蘇興化人，高級工程師，主要從事軌道交通關鍵技術研究與項目實施。