地鐵隧道盾構機擴徑改造關鍵技術

潘海濤

（中鐵建大橋工程局集團第六工程有限公司，吉林長春 130000）

0 引言

城市軌道交通為了進一步提高工程安全需要，地鐵隧道管片設計厚度增加，表現(xiàn)出擴徑的趨勢[1]。現(xiàn)階段，盾構機出廠后受到自身結構尺寸的制約，只能用于拼裝單一直徑的管片，最終導致設備無法在更大直徑的隧道施工中進行合理的周轉使用[2]。采取盾構機擴徑改造的技術確保經(jīng)過改造的設備可以達到應有的性能，還能夠降低相關的改造費用以及縮短改造周期，以此來促進滿足企業(yè)節(jié)約社會資源的要求[3]。

1 設備情況及主要改造參數(shù)

DZ209、DZ210 改造前使用在長沙地鐵3 號線16 標區(qū)間，掘進里程均為3.7 km，區(qū)間地質(zhì)主要為中風化礫巖、強風化礫巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖、強風化泥質(zhì)粉砂巖，管片形式均為6000/5400-1500（外徑/內(nèi)徑/-管片寬度，單位為毫米），管片厚度300 mm，改造后設備滿足管片形式6200/5500-1500（外徑/內(nèi)徑/-管片寬度）。

結合該設備情況，對盾構機刀盤、盾體、管片拼裝機、管片吊運系統(tǒng)、后配套拖車等部件進行改造。

2 改造方案

為滿足管片擴徑后的盾構隧道推進，需使用相應掘進直徑的盾構機，但如果單純?yōu)楸ＷC直管片直徑要求更換盾構機，或買或租，施工成本會很高，地鐵隧道盾構機改造技術可以對原有產(chǎn)權盾構機設備進行合理的改造，使其滿足施工需求，明顯降低施工成本。

2.1 盾構機改造原則

地鐵隧道盾構機擴徑改造需要對盾構機原設備進行必要的改造，同時還會對部分設備進行相應的增減，經(jīng)過改造后將會對盾構機的適應性、效率以及功能等產(chǎn)生直接影響[4]。在進行地鐵隧道盾構機改造時應當始終遵守以下兩項改造原則。首先，所設計的地鐵隧道盾構機改造方案應當具有較高的安全性以及可靠性，經(jīng)過擴徑改造后的盾構機不能夠存在質(zhì)量安全方面的隱患，所有的設計都應當確保科學合理。其次，經(jīng)過改造后的盾構機設備一定要對所在施工地的地質(zhì)條件具有高度適應性，并且一定要滿足新的管片尺寸拼裝要求。

2.2 刀盤擴徑改造方案

刀盤擴徑改造方案：①清理刀盤、拆卸取下可后續(xù)利用的配件（刀具、回轉接頭、耐磨板、刀座、刀箱等）；②將刀盤面板、輻條板修整到方案圖紙指定尺寸；③新制作大圓環(huán)、面板、環(huán)形筋板、部分背面及連接板，按圖紙鉚焊；④盡量利用原有刀箱刀座定位鉚焊，新制無法利用的刀座；⑤焊接耐磨板、補齊耐磨網(wǎng)格；⑥刀盤整體涂裝、裝配回轉接頭、更換所有泡沫噴嘴，更換磨損檢測器芯。根據(jù)施工地質(zhì)需要，改造后刀盤正面滾刀增加1 把，正面滾刀總數(shù)達到23 把，其余滾刀數(shù)量不變，可以更好地適應地層強度的變化，為盾構機的正常掘進提供保障；改造刀盤所需材料包括拼接輻條和大圓環(huán)以及刀箱等零部件。

2.3 盾體擴徑改造方案

盾體結構的前盾外徑/板厚、中盾外徑/板厚、盾尾外徑/板厚ZTE6250 參數(shù)分別 為6250/50、6240/40、6230/40；ZTE6410參數(shù)分別為6430/50、6420/40、6410/40。

盾體結構設計需保證盾構機在各種載荷作用下，各大部件能夠安全、可靠的運行并發(fā)揮功能，設計時一般都假設全部荷載作用于盾體的全周，其中尾盾無中心支撐，其強度相對來說最弱，所以通過計算尾盾強度是否滿足要求來判斷整體盾體強度是否符合要求。

盾體強度計算的計算條件：假設上載負重的覆土厚度33 m，尾盾材料Q345B，厚度40 mm。根據(jù)尾盾有限元分析結果，尾盾的最大應力47 N/mm2，最大變形量1.3 mm。尾盾的材料Q345B 的屈服強度是345 MPa，許用應力σ=σ/n（n 為安全系數(shù)），經(jīng)查許用應力取值210 MPa。由上述計算可發(fā)現(xiàn)尾盾所受最大應力小于Q345B 材料的許用應力，盾體結構安全，滿足要求。

重新制作前中盾尾結構，包括兩道“橡膠+緊急氣囊”鉸接形式、更換盾尾刷止?jié){板和撐靴板、利用原有主驅(qū)動、液壓、電氣元器件。鉸接密封形式改造前為一道橡膠密封+一道緊急氣囊，改造后為兩道橡膠+緊急氣囊。盾構機掘進過程鉸接會反復經(jīng)歷多次被動伸長以及回收，橡膠密封在反復擠壓的狀態(tài)下很容易出現(xiàn)失效的情況。經(jīng)過改造后，鉸接密封兩道橡膠阻止周圍地層的土砂以及地下水等從中盾與盾尾之間的間隙進入盾構內(nèi)的效果明顯增強，在橡膠密封失效后緊急氣囊仍舊可以促使橡膠密封重新達到密封效果，但是應當避免在掘進時使用，避免緊急氣囊被活動的鉸接擠破。盾尾密封形式為三道盾尾刷+一道鋼板束，盾構機掘進過程鉸接密封與盾尾會存在相對運動的情況，因此在具體的使用過程中，盾構機維保人員應當根據(jù)盾構姿態(tài)相應地調(diào)整鉸接密封的松緊度。

2.4 后配套擴徑改造方案

由于洞徑的變化，設備原有的行走機構不能夠滿足結構對中要求，故需根據(jù)隧道情況進行新增墊塊墊高臺車行走輪處理。

3 中鐵建大橋局DZ209、DZ210 盾構機改造范圍

中鐵建大橋局DZ209、DZ210 盾構機改造總工期為75 d，其中刀盤改造工期、盾體改造工期、拼裝機改造工期、后配套改造工期、皮帶機改造工期以及組裝調(diào)試工期分別為40 d、60 d、5 d、15 d、15 d、25 d。

4 中鐵建大橋局DZ209、DZ210 盾構機擴徑改造前后主要參數(shù)

現(xiàn)將中鐵建大橋局DZ209、DZ210 盾構機擴徑改造前后主要參數(shù)進行總結，主要包括總體設計、刀盤改造、盾體改造、鉸接系統(tǒng)改造以及同步注漿系統(tǒng)改造等，具體的細目部件以及改造前參數(shù)和改造后參數(shù)如表1 所示。

表1 中鐵建大橋局DZ209、DZ210 盾構機擴徑改造前后主要參數(shù)

改造完成后的兩臺盾構機能滿足管片形式均為6200/5500-1500，達到可使用管片厚度350 mm，比原來管片直徑增加100 mm的管片施工要求。

5 結語

綜上所述，地鐵隧道盾構機擴徑改造關鍵技術的重要性越來越突出，施工單位對盾構機改造方面的投入也在逐漸增大，盾構機改擴徑達到滿足管片改徑施工的需要。通過中鐵建大橋局DZ209、DZ210 盾構機擴徑改造表明，在改造過程應當堅持安全性、可靠性、經(jīng)濟節(jié)約的原則，對盾構機刀盤、盾體以及后配套等進行擴徑改造，在設備性能不受影響的基礎上，有效縮短工期，并且在后期調(diào)試中也不會出現(xiàn)太多系統(tǒng)故障，設備運行有較高的穩(wěn)定性。