地鐵盾構機改造技術研究與實踐

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展，城市基礎設施建設不斷加快，城市人口密度持續增高，導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區間隧道斷面設計上均進行了不同程度的擴徑。

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

1 工程概況

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

2 盾構改造方案

盾構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臺華遂通盾構機采用新制刀盤＋新制盾殼法改造方案，2臺中鐵裝備盾構機采用刀盤改造＋包殼法改造方案。盾構機擴徑改造前后的主要參數如表1所示。

表1 盾構機改造前后主要參數

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。刀盤鋼結構采用Q345C高強度鋼板焊接而成。新制刀盤設計有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5道泡沫和膨潤土管路，刀盤隔板上安設1個高壓沖水口，有利于加強渣土改良，同時有效防止結“泥餅”；刀盤設有2個磨損檢測裝置，部分區域焊接耐磨板及耐磨網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盾體內部裝置拆卸

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

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

3.3.1 前盾

新制前盾整體直徑增加，結構形式不變，保證前大后小的趨勢。為確保盾體內部裝置安裝位置協調統一，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構強度。

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，結構形式不變，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

尾盾內部空間保證寬30 mm管片拼裝間隙，注漿塊采用內嵌式結構；注漿、油脂管路分布不變；盾尾采用3道鋼絲刷密封，1道止漿板。

3.4管片拼裝機改造

管片結構的改變導致管片單塊質量增加，需提高管片拼裝機的提升能力，滿足單塊質量5 t的拼裝要求；增加拼裝機的配重塊質量，保證拼裝機的穩定性；拼裝機抓舉臂增設軸向延伸裝置，使其具備洞內更換2道盾尾刷的能力。

3.5盾體裝配

將原盾體內部拆卸下來的裝置及設備安裝至相應的位置，恢復其完整的系統功能。

3.6后配套臺車改造

由于管片內徑發生變化，將后配套臺車車輪通過墊鋼板進行加高處理，墊高后的臺車結構中心與隧道結構中心重合。

3.7組裝調試

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

4 包殼法改造方案

4.1刀盤擴徑

原刀盤為輻條＋面板式復合刀盤，通過在原刀盤外周加焊耐磨鋼板及耐磨環，將刀盤外徑擴增至6 450 mm，通過重新調整刀具布置方案，在達到開挖半徑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環耐磨環，刀盤結構外徑擴增至6 450 mm；重新調整邊緣滾刀的布置方案，增加邊緣滾刀的數量，調整其切削軌跡線，使刀盤開挖直徑達到6 470 mm，調整邊緣刮刀、撕裂刀、滾刀的數量及位置，使其切削軌跡符合設計要求。

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

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，將前盾、中盾外徑擴增至設計要求。

4.3新制尾盾

尾盾內部空間需保證留有寬30 mm的管片拼裝間隙，注漿塊采用內嵌式結構；注漿、油脂管路分布不變；盾尾采用3道鋼絲刷密封，1道止漿板。

4.4拼裝機改造

原管片拼裝機提升能力滿足管片單塊質量增加的需求，不做處理，對拼裝機的配重塊質量進行適當調整，保證拼裝機具備足夠的穩定性能。

4.5組裝調試

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

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部全部裝置及設備，新制刀盤及全部殼體，在新殼體內安裝拆卸下來的裝置及設備，最后進行整機組裝調試，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容為刀盤及全部盾體拆卸并重裝盾體內部全部裝置及設備，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適應性對比

新制法改造方案有2套殼體和刀盤，通過盾體內部裝置及設備拆裝，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機盾體整體性高，盾體外徑與盾體長度比例協調，鉸接角度及轉彎能力較原來不變，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機由于盾體長度未做調整，整體協調性較改造前低，盾體真圓度較改造前低，盾構鉸接度較改造前小，盾構機轉彎能力較改造前弱，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種改造方案的盾構機都圓滿地完成了區間掘進任務，華遂通盾構機掘進2.2 km，中鐵裝備盾構機掘進2.4 km，使用情況滿足改造設計要求。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機試掘進過程中出現管片真圓度不足、管片內破損的情況。經分析，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，經更換撐靴后情況得到改善。

6 結語

改造后的盾構機都完成了區間隧道掘進任務，證明擴徑改造方案可行。相較租賃或者新購盾構設備，擴徑改造盾構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、改造周期短的優點，但是改造后盾構整體性及協調性較改造前有所下降；新制法具有盾構適應性高、整體性和協調性較好的優點，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。