地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造關(guān)鍵技術(shù)

李劍彤

（宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海市 200235）

地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造關(guān)鍵技術(shù)

李劍彤

（宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海市 200235）

以某公司1、4、5號(hào)（上隧863）盾構(gòu)為基礎(chǔ)，全面闡述了在上海軌道交通建設(shè)中，為適應(yīng)不同管片隧道而進(jìn)行的盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造的目的、方案、計(jì)算和效益分析。

地鐵隧道；盾構(gòu)機(jī)；擴(kuò)徑改造；計(jì)算和效益分析

0 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，地鐵以其安全、快速、高效等特點(diǎn)在城市交通中發(fā)揮了越來越大的作用。為了進(jìn)一步提高地鐵的客運(yùn)量并確保消防和安全的需要，各城市在地鐵隧道的設(shè)計(jì)上都有擴(kuò)徑的趨勢(shì)。

依據(jù)《上海市軌道交委交通區(qū)間隧道斷面調(diào)整方案研究》的論證報(bào)告，明確在上海軌道交通建設(shè)中采用A型車區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)外徑由6 200 mm調(diào)整為6 600 mm，詳見表1。

表1 隧道結(jié)構(gòu)調(diào)整前后對(duì)比表

根據(jù)隧道斷面調(diào)整前后管片參數(shù)的對(duì)比，主要的變化有管片外徑、管片內(nèi)徑、管片重量等。某公司現(xiàn)有的盾構(gòu)外徑6 340 mm，為適應(yīng)上海軌道交通的新施工要求，本著節(jié)約社會(huì)資源、環(huán)境友好型的企業(yè)需求，有必要對(duì)現(xiàn)有盾構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)徑改造，挖掘潛力，在保證工程安全的前提下充分發(fā)揮設(shè)備的能力。

1 改造依據(jù)與原則

（1）改造依據(jù)：上海軌道交通建設(shè)盾構(gòu)大修改造、大修改進(jìn)技術(shù)規(guī)格書“；外徑6.6 m（內(nèi)徑5.9 m）鋼筋混凝土管片模版圖”；原盾構(gòu)技術(shù)規(guī)格書；相關(guān)國(guó)家地方規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。

（2）改造原則：設(shè)備技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足淺覆土盾構(gòu)大修改造、大修改進(jìn)相關(guān)技術(shù)要求；應(yīng)遵循技術(shù)成熟、性能先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)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(shè)備及部件，盡量避免因個(gè)別部件改造而連鎖引起其他設(shè)備改造。

2 改造內(nèi)容

（1）管片外徑增大引起的盾構(gòu)機(jī)改造項(xiàng)目：加大刀盤直徑；加大盾體直徑；增大盾構(gòu)推力；提高主驅(qū)動(dòng)扭矩；提高拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)能力。

（2）管片內(nèi)徑增大引起的盾構(gòu)機(jī)改造項(xiàng)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(gòu)機(jī)改造項(xiàng)目：加大拼裝機(jī)提升力；提高拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)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(dòng)200 mm后重新焊接固定。

（3）加裝刀具：因刀盤直徑加大，應(yīng)增加相應(yīng)的盾構(gòu)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(jié)構(gòu)，再將從原前盾上拆下的主驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(jìn)系統(tǒng)改造方案

（1）系統(tǒng)參數(shù)

推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)配置

（2）增加推進(jìn)油缸：由于盾構(gòu)外徑增大，盾構(gòu)的正面阻力及周邊摩擦力都將增加。為了保證盾構(gòu)推進(jìn)順利，應(yīng)增加推進(jìn)油缸數(shù)量（i）。P改=F（n+i）/（D2/4）≥110 T/m2，得i≥4.2個(gè)。考慮到油缸數(shù)量最好偶數(shù)對(duì)稱分布，故取i=6個(gè)，計(jì)算得P改=115.4 T/m2

（3）新增油缸分布：新增6個(gè)油缸采用原863盾構(gòu)的備用推進(jìn)油缸，行程2 150 mm。為了增加盾構(gòu)底部推力，在盾構(gòu)管片拱底塊位置增加4個(gè)油缸，在管片兩標(biāo)準(zhǔn)塊位置各增加1個(gè)油缸，改造后盾構(gòu)推進(jìn)油缸分布如圖2。

（4）推進(jìn)速度校核：由于新增6個(gè)推進(jìn)油缸會(huì)降低盾構(gòu)推進(jìn)速度，所以要對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)速度進(jìn)行校核，看改造后盾構(gòu)推進(jìn)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(qū)動(dòng)改造方案

由于盾構(gòu)刀盤直徑增大、刀具增多，刀盤主驅(qū)動(dòng)的扭矩也應(yīng)相應(yīng)提高。本次主驅(qū)動(dòng)改造采用增加驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和提高工作油壓兩種方案同步進(jìn)行。

（1）系統(tǒng)參數(shù)

主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。

表3 主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)配置

（2）增加驅(qū)動(dòng)馬達(dá)：由于原主驅(qū)動(dòng)沒有預(yù)留備用驅(qū)動(dòng)馬達(dá)安裝位置，所以要新制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)動(dòng)力箱。由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，只能在原有9個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的基礎(chǔ)上增加1個(gè)，并將驅(qū)動(dòng)馬達(dá)按圖3重新排列。

（3）提高額定油壓：為了滿足改造后盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)扭矩系數(shù)α≥16的要求，還需同時(shí)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(qū)動(dòng)額定壓力P取31 MPa。

扭矩系數(shù)：α=T原×（N/n）× (P/p)/D3=16.2。

（4）動(dòng)力箱有限元分析

已知條件：動(dòng)力箱材料為Q345B；主軸承橫向力（土壓0.4 MPa）為1 470 T；馬達(dá)安裝孔轉(zhuǎn)矩為65.56 kN·m×10個(gè)；主軸承豎向力約100 T；刀盤傾覆力矩約128 T·m。利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析結(jié)果如圖4，圖5所示。

圖3 主驅(qū)動(dòng)改造方案圖(單位：mm)

圖4 有效組合應(yīng)力云圖

圖5 結(jié)構(gòu)變形圖

應(yīng)力分析結(jié)果：最大應(yīng)力為118 MPa，鋼材屈服強(qiáng)度為345 MPa，安全系數(shù)為345/118=2.9，動(dòng)力箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可滿足要求。最大位移為0.76 mm，變形小，動(dòng)力箱結(jié)構(gòu)變形可以滿足要求。

3.5 拼裝機(jī)改造方案

（1）系統(tǒng)參數(shù)

拼裝機(jī)參數(shù)如表4所示。

（2）提高拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)能力：由于空間及系統(tǒng)限制，拼裝機(jī)無法增加回轉(zhuǎn)馬達(dá)數(shù)量及油壓，故本次改造通過增加回轉(zhuǎn)配重30 kN來提高拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)能力。

拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)能力系數(shù) 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(gè)拼裝導(dǎo)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(jī)滿足內(nèi)徑5 900 mm管片的拼裝。拼裝機(jī)改造如圖6所示。

（4）校核拼裝機(jī)提升能力：拼裝機(jī)提升能力系數(shù)：k=Fmax/F需=F5×2/（F1+F2+F4）=1.6＞1，故原拼裝機(jī)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(jié)構(gòu)與車架輪子間增加200 mm的墊塊來抬高車架，消除因隧道內(nèi)徑增大引起的車架與主機(jī)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(gòu)還需進(jìn)行以下系統(tǒng)改造，如表5所示。

表4 拼裝機(jī)參數(shù)配置

圖6 拼裝機(jī)改造圖(單位：mm)

表5 其他系統(tǒng)項(xiàng)目改造

4 結(jié)語

通過本次盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造實(shí)施表明，改造過程應(yīng)盡可能的保留原盾構(gòu)部件，同時(shí)盡量使用已有備件，該項(xiàng)改造總費(fèi)用約700萬元，與目前上海新制地鐵盾構(gòu)最低價(jià)2 650萬相比，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造后經(jīng)過技術(shù)評(píng)估，該盾構(gòu)能夠滿足在3個(gè)區(qū)間（約3 km）隧道施工中不大修，完全能夠滿足設(shè)備安全使用要求以及成本控制要求。目前該盾構(gòu)機(jī)已成功完成上海軌道交通17號(hào)線7標(biāo)的1個(gè)區(qū)間推進(jìn)作業(yè)，該項(xiàng)目隧道結(jié)構(gòu)同時(shí)被評(píng)為上海市優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)，經(jīng)設(shè)備檢測(cè)反映盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)良好，可以繼續(xù)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(jí)工程師，主要從事軌道交通關(guān)鍵技術(shù)研究與項(xiàng)目實(shí)施。