韓鳳宏

(中鐵十三局集團有限公司，長春 130033)

0 引言

隨著地下空間的開發(fā)，采用盾構(gòu)技術(shù)掘進隧道的方法已經(jīng)建立并正在不斷完善［1］。盾構(gòu)法施工與其他傳統(tǒng)的地下工程施工方法一樣，最終目標是完成一個特定的地下工程(如地下隧道)，但不同之處在于盾構(gòu)法采用了特殊的施工工具——盾構(gòu)機［2］。盾構(gòu)施工的油脂類消耗材料在施工成本中占有較大的比重，一般每掘進1延m要消耗上千元油脂，其中主要是潤滑脂、HBW脂、盾尾密封脂3種油脂的消耗［3－4］。分析和研究盾構(gòu)施工中消耗的潤滑脂、HBW脂、盾尾密封脂材料是降低盾構(gòu)施工成本中不可忽視的環(huán)節(jié)。不同廠家、不同型式的盾構(gòu)機在油脂的消耗上是有一定差別的［5］，現(xiàn)分別以深圳地鐵使用的法馬通NTU032.1盾構(gòu)機和廣州地鐵、成都地鐵的海瑞克S266和S366盾構(gòu)機為例從設(shè)計上和實際的使用中針對以上3種油脂的消耗進行比較分析，并從盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)上進行比較和分析。

1 海瑞克盾構(gòu)機與法馬通盾構(gòu)機在設(shè)計上的油脂消耗量比較

1.1 成都用海瑞克S366盾構(gòu)機油脂的設(shè)計消耗量

1.1.1 潤滑脂的設(shè)計消耗量

潤滑脂先用氣動泵供到多點泵，再通過多點泵上的每個柱塞泵送到相應(yīng)的供油點，其中主驅(qū)動外密封的3道唇形密封中，只有1個腔室中注入了潤滑油脂，另1個腔室設(shè)計成了漏油檢測腔室。油脂量的控制采用的是注脂量控制方式，沒有壓力控制。潤滑脂設(shè)計消耗量計算如下:

1)主驅(qū)動。內(nèi)密封為人工注入6÷24=0.25cm3/h，外密封為泵入150×8=1 200 cm3/h。

2)螺旋輸送機。1#螺旋機為80×8+2×6=652 cm3/h，再加上手動2×50÷7÷24=0.595 cm3/h;2#螺旋機為80×8+1.5×4+6×9=646cm3/h，球鉸密封為6×9=54 cm3/h。

3)旋轉(zhuǎn)接頭。旋轉(zhuǎn)接頭油道和泡沫通道的密封處為5×50=250 cm3/h，旋轉(zhuǎn)接頭處軸承輔助人工為0.03～0.06 cm3/h。

4)鉸接密封。輔助人工為6×50÷24=12.5cm3/h。

5)泵入和人工注入量。刀盤旋轉(zhuǎn)時泵入為1 200+ 652+646+250+54=2 802 cm3/h，刀盤旋轉(zhuǎn)時人工注入為0.25+0.595+12.5+0.06=13.41 cm3/h。

6)泵入和人工注入總合計。2 802+13.41=2 815.41 cm3/h。

1.1.2 HBW脂的設(shè)計消耗量

HBW脂通過氣動注脂泵分8路注到主驅(qū)動密封前。注脂量為6.2×8×60=2 976 cm3/h。

1.1.3 盾尾密封脂的設(shè)計消耗量

盾尾密封脂通過氣動注脂泵分12路注入到3道盾尾刷組合成的2道腔室中。設(shè)計上正常掘進消耗約35 kg/環(huán)(1.5 m)=26 923 cm3/環(huán)=17 949 cm3/m。

1.2 廣州用海瑞克S266盾構(gòu)機油脂的設(shè)計消耗量

1.2.1 潤滑脂的設(shè)計消耗量

廣州用海瑞克S266盾構(gòu)機潤滑脂的注入原理與控制模式與成都用海瑞克S366盾構(gòu)機相同。潤滑脂設(shè)計消耗量計算如下:

1)主驅(qū)動。內(nèi)密封為手動注入30÷7÷24=0.179 cm3/h，外密封為自動注入6×160 cm3/h=960 cm3/h。

2)螺旋輸送機。自動注入50×8=400 cm3/h，手動注入2×50÷7÷24=0.595 cm3/h。

3)旋轉(zhuǎn)接頭。旋轉(zhuǎn)接頭油道和泡沫通道的密封處為5×30=150 cm3/h，旋轉(zhuǎn)接頭處軸承輔助人工為0.03～0.06 cm3/h。

4)鉸接密封。輔助人工為6×50÷24=12.5cm3/h。

5)泵入和人工注脂量。刀盤旋轉(zhuǎn)泵入為960+ 400+150=1 510cm3/h，刀盤旋轉(zhuǎn)人工注入為0.179+ 0.595+0.06+12.5=13.33 cm3/h。

6)泵入和人工注入總合計。1 510+13.33=1 523.33 cm3/h。

1.2.2 HBW脂設(shè)計消耗量

海瑞克S266盾構(gòu)機未設(shè)計此系統(tǒng)。海瑞克盾構(gòu)機的主驅(qū)動密封處設(shè)計安裝有帶硬表面的軸承保護套，具體結(jié)構(gòu)見圖1。此軸承保護套磨損后可以調(diào)節(jié)、可更換。保護套的檢查、調(diào)節(jié)可以在盾構(gòu)施工中進入土倉中進行檢查和調(diào)節(jié)，也可以在盾構(gòu)施工結(jié)束后刀盤和主驅(qū)動解體后進行，軸承保護套的更換必須在刀盤和主驅(qū)動解體后進行。根據(jù)使用經(jīng)驗檢查和調(diào)節(jié)的頻率可以在一個盾構(gòu)項目結(jié)束后進行。

1.2.3 盾尾密封脂設(shè)計消耗量

盾尾密封脂通過氣動注脂泵分12路注入到3道盾尾刷組合成的2道腔室中。正常掘進大約消耗35 kg/環(huán)=26 923 cm3/環(huán)=17 949 cm3/m。

圖1 主驅(qū)動外密封結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sealing structure of main drive

1.3 深圳用法馬通NTU032.1盾構(gòu)機的設(shè)計消耗量

1.3.1 潤滑脂的設(shè)計消耗量

潤滑脂通過氣動泵供到相應(yīng)管路的油脂分配器上，再送到相應(yīng)的供油點;其中主驅(qū)動的內(nèi)、外密封的3道唇形密封構(gòu)成的2個腔室中都注入了潤滑脂。潤滑脂注入量的控制采用了壓力和油量雙重控制方式。潤滑脂設(shè)計消耗量計算如下:

1)主驅(qū)動。內(nèi)密封(里側(cè)和外側(cè)分別有3路注入)注潤滑脂量為18×60=1 080 cm3/h，外密封(里側(cè)和外側(cè)分別有3路注入)注潤滑脂量為27×60=1 620 cm3/h。

2)旋轉(zhuǎn)接頭。2條管路注入，潤滑脂注入量為2×0.1×60=12 cm3/h。

3)鉸接密封。共分為6根注入管路。在鉸接回收模式下，潤滑脂注入量為6 000 cm3/h;在掘進模式下，潤滑脂注入量為100 cm3/h。

4)螺旋輸送機。在伸縮的模式下，潤滑脂注入量為20×60=1200cm3/h;在掘進模式下，潤滑脂注入量為20 cm3/h。

5)合計消耗量。刀盤旋轉(zhuǎn)掘進模式下泵入為1 080+1 620+12+100+20=2 832 cm3/h。

鉸接回收模式和螺旋伸縮模式是在施工中很少使用的2種狀態(tài)(計算時不計入)。

1.3.2 HBW脂設(shè)計消耗量

HBW脂通過氣動注脂泵注到主驅(qū)動密封和旋轉(zhuǎn)接頭前。HBW脂設(shè)計消耗量計算如下:

1)主驅(qū)動。外密封分6路，注脂量6×20×60=7200 cm3/h;內(nèi)密封分為4路，注脂量4×22×60=5 280 cm3/h。

2)旋轉(zhuǎn)接頭處。分出1路，注脂量22×60=1 320 cm3/h。

3)合計消耗量。刀盤旋轉(zhuǎn)泵入為7 200+5 280+ 1 320=13 800 cm3/h，根據(jù)設(shè)計圖平均消耗量為140 cm3/min=8 400 cm3/h。

1.3.3 盾尾密封脂的設(shè)計消耗量

具體計算如下:

1)盾尾刷處。盾尾密封脂通過氣動注脂泵分12路注入到3道盾尾刷組合成的2道腔室中，盾構(gòu)機以8 cm/min速度掘進，盾尾脂消耗2 L/min=37.5 L/環(huán)(1.5 m管片)。

2)鉸接密封處。布設(shè)管路分為4路，在鉸接模式下消耗量為1 L/12 h。

3)安全門密封。共設(shè)有1根管路，在安全門開/關(guān)的模式下消耗量為1 L/24 h。

4)螺旋機伸縮節(jié)密封。共設(shè)有1根管路，在螺旋輸送機伸/縮的模式下消耗量為1 L/24 h。

1.4 海瑞克 S266盾構(gòu)機、S366盾構(gòu)機、法馬通NTU032.1盾構(gòu)機的設(shè)計消耗量比較

根據(jù)以上分析計算得出海瑞克和法馬通盾構(gòu)機設(shè)計消耗情況如表1。

表1 盾構(gòu)機油脂設(shè)計消耗比照表Table 1 Comparison and contrast among different shields in terms of designed grease consumption quantity

2 海瑞克S266盾構(gòu)機與法馬通NTU032.1盾構(gòu)機的實際消耗情況比較

深圳地鐵2號線東延線土建2223標段蓮花山站—福田站區(qū)間的左右線采用的是盾構(gòu)法施工，2條線的水文地質(zhì)條件相似，地表情況也相近。左線盾構(gòu)施工使用的是用新出廠的法馬通NTU032.1盾構(gòu)機，而右線使用的是已經(jīng)完成過4個盾構(gòu)項目合計掘進里程已超過8 km的海瑞克S266舊盾構(gòu)機。2條線2臺盾構(gòu)機實際消耗的3種油脂情況見表2和表3，2種型式盾構(gòu)機消耗油脂的比較見表4。

表2 蓮花山站—福田站區(qū)間左、右線盾構(gòu)消耗油脂比較表Table 2 Comparison and contrast of grease consumption quantity:case study on shields for left tube and right tube from Lianhuashan Stationto Futian Station

表3 盾構(gòu)機消耗每桶油脂實際和設(shè)計上能掘進的環(huán)數(shù)比較表Table 3 Comparison and contrast between actual rings and designed rings per barrel of grease

從以上數(shù)據(jù)及表2，3，4中可得出如下結(jié)論:

1)在同樣地層、地貌和施工條件下，在盾尾脂的消耗上法馬通NTU032.1盾構(gòu)機是海瑞克S266盾構(gòu)機的1.68倍，設(shè)計上是1.39倍;在潤滑脂的消耗上法馬通NTU032.1盾構(gòu)機是海瑞克S266盾構(gòu)機的2.724倍，設(shè)計上是其1.86倍。

2)法馬通NTU032.1盾構(gòu)機每掘進1環(huán)需消耗HBW脂7kg，而海瑞克S266盾構(gòu)機根本就不使用HBW脂。

3)從表3中可看出，盾尾脂和HBW脂的實際消耗小于設(shè)計消耗，說明在實際的使用中可能存在2種情況:一是盾構(gòu)司機根據(jù)實際的使用狀況加強了對盾尾脂和HBW脂的消耗控制，二是也可能存在2種油脂注入量不足的問題。因此要加強此2種油脂的注入監(jiān)控管理。從表3中還可看出潤滑油脂的實際消耗量大于設(shè)計消耗量，說明潤滑油脂在使用管理上可能存在問題，如人工注入油脂管理不善，浪費嚴重或者存在著過量注入的現(xiàn)象。

表4 實際和設(shè)計上法馬通NTU032.1/海瑞克S266油脂消耗量之比Table 4 Comparison and contrast between NFM shield and Herrenknecht shield in terms of actual grease consumption and designed grease consumption

3 海瑞克S266、S366盾構(gòu)機與法馬通NTU032.1盾構(gòu)機的油脂消耗差異性分析

3.1 結(jié)構(gòu)差異對比分析［6－7］

3.1.1 海瑞克S266、S366盾構(gòu)機

3.1.1.1 主驅(qū)動密封和潤滑

1)結(jié)構(gòu)圖。見圖2(a)。

2)結(jié)構(gòu)特點。①海瑞克S266盾構(gòu)機主軸承直徑是2 600 mm，海瑞克S366盾構(gòu)機主軸承直徑是3 000 mm。②有3道唇形外密封，2道唇形內(nèi)密封，分別只有1個腔室需要注潤滑脂;S366盾構(gòu)機設(shè)計有HBW和EP2 2種密封和潤滑系統(tǒng);S266盾構(gòu)機只有EP2密封潤滑系統(tǒng)。③設(shè)計有磨損超限滑動保護套，可以實現(xiàn)減少潤滑脂的消耗量，當(dāng)保護套磨損量大影響密封時更換保護套。

3)消耗分析。①內(nèi)、外密封只在1個密封腔室中注潤滑脂，另1個腔室作為判別密封好壞的漏油檢測腔室，由于注入的腔室數(shù)少，油脂消耗小。②內(nèi)密封不暴露在土倉中，不受土倉壓力及渣土的影響，可減少油脂消耗。③磨損超限后可更換滑動保護套，提高主軸承的壽命，可減少注入潤滑脂及時更換滑動保護套。④S266盾構(gòu)機沒有HBW密封脂系統(tǒng)，S366盾構(gòu)機的HBW脂系統(tǒng)只對外密封進行充注，內(nèi)密封不充注，消耗量小。⑤只采用注脂量控制模式，注脂消耗量小。

3.1.1.2 螺旋輸送機

1)結(jié)構(gòu)圖。見圖2(b)。

2)結(jié)構(gòu)特點。①螺旋輸送機驅(qū)動采用球鉸形支撐連接方式，螺旋軸可以自由擺動，有利于螺旋軸的受力和力的傳遞。②潤滑密封方式與主驅(qū)動的密封潤滑方式相同。

3)消耗分析。由于球鉸處和輸出軸處都同時需要注潤滑脂，油脂的消耗量較法馬通盾構(gòu)機要大。

3.1.1.3 旋轉(zhuǎn)接頭

1)結(jié)構(gòu)圖。見圖2(c)。

2)結(jié)構(gòu)特點。①旋轉(zhuǎn)接頭不暴露在土倉里，直接連到刀盤背面，不需要注HBW密封脂。②單獨設(shè)有5根油脂管分注到旋轉(zhuǎn)接頭的泡沫密封管處。

3)消耗分析。①只需注入少量潤滑脂進行旋轉(zhuǎn)接頭的潤滑和泡沫腔室密封用。②旋轉(zhuǎn)接頭處泡沫腔室的注脂密封管路是各自獨立的，一處泡沫密封出現(xiàn)問題不會影響其他注脂系統(tǒng)的使用。

3.1.1.4 盾尾密封系統(tǒng)

1)結(jié)構(gòu)圖。見圖2(d)。

2)結(jié)構(gòu)特點。①盾尾刷焊接在尾盾鋼環(huán)的臺下，可通過鋼環(huán)構(gòu)成的臺有效地保證管片拼裝上后尾刷能構(gòu)成有效的密封腔室。②盾尾的結(jié)構(gòu)保證了盾尾刷厚度可達到30 mm左右，可有效保證形成的密封腔室的有效性。

3)消耗分析。①盾尾刷焊在鋼環(huán)臺下，容易構(gòu)成有效的密封腔室。②盾尾刷厚鋼絲、多密封、效果好，可減少油脂的消耗量。

3.1.2 法馬通NTU032.1盾構(gòu)機

3.1.2.1 主驅(qū)動密封和潤滑

1)結(jié)構(gòu)圖。見圖3(a)。

2)結(jié)構(gòu)特點。①主軸承直徑3 000 mm，主軸承的內(nèi)、外密封全部暴露在土倉中。②有內(nèi)、外3道唇形外密封，對構(gòu)成的2個腔室全部進行注脂潤滑，同時主軸承設(shè)有水冷卻系統(tǒng)，對內(nèi)、外密封進行冷卻。③有HBW和EP2 2種密封和潤滑系統(tǒng)。④油脂的注入采用了壓力控制和注脂量雙重控制。

3)消耗分析。①內(nèi)、外密封的2個腔室中都注潤滑脂，注入的腔室數(shù)較海瑞克機器要多，油脂消耗量大。②內(nèi)、外密封都暴露在土倉中，受土倉壓力及渣土的影響，為保護主軸承需加大油脂注入量。③沒有磨損超限保護套，為確保主軸承的使用壽命和可靠運行，在設(shè)計上內(nèi)、外密封的迷宮處都注有HBW脂，油脂消耗上較海瑞克機器大。④為提高主軸承壽命，在唇形密封較軟的條件下為確?？煽棵芊饧皾櫥目煽客瑫r采用了注脂量和注脂壓力2種控制模式，在油脂的消耗上較海瑞克機器大。

3.1.2.2 螺旋輸送機

1)結(jié)構(gòu)圖。見圖3(b)。

2)結(jié)構(gòu)特點。①螺旋輸送機驅(qū)動采用2個圓錐滾子軸承支撐傳動軸的方式，螺旋軸呈懸臂支出狀態(tài)。②潤滑密封方式與主驅(qū)動的密封采用3道唇形密封的潤滑方式相同，但不用HBW密封脂。

3)消耗分析。只有軸承處注潤滑脂，因而油脂消耗量小。

3.1.2.3 旋轉(zhuǎn)接頭

1)結(jié)構(gòu)圖。見圖3(c)。

2)結(jié)構(gòu)特點。①旋轉(zhuǎn)接頭伸到土倉里，直接與渣土互相接觸，即要注HBW脂又要注潤滑脂。②只設(shè)有2根油脂管路接到1個油脂腔中，再分到泡沫密封腔的4個注脂點處。

3)消耗分析。①為封住土倉內(nèi)的渣土需要注入較多的潤滑脂和HBW脂。②泡沫腔室的注脂密封管路是并聯(lián)設(shè)置的，一旦有一處密封不嚴就會造成全部的注脂系統(tǒng)失效或密封脂消耗量大增。

圖2 海瑞克HRKS266、S366盾構(gòu)機油脂消耗部位結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of grease comsunption parts of Herrenknecrt shield

3.1.2.4 盾尾密封系統(tǒng)

1)結(jié)構(gòu)圖。見圖3(d)。

2)結(jié)構(gòu)特點。①盾尾刷焊接在尾盾鋼環(huán)的臺上，管片拼裝上后直接壓到尾刷上，易將盾尾刷壓平，構(gòu)成的密封腔室效果差，不易保壓和易產(chǎn)生漏漿。②盾尾的結(jié)構(gòu)決定了盾尾刷厚度只能達到25 mm左右，尾刷薄鋼絲少，構(gòu)成的密封腔室的有效性比海瑞克機器差，油脂消耗量較海瑞克大。

3)消耗分析。①盾尾刷焊在鋼環(huán)臺上，不易構(gòu)成有效的密封腔室。②盾尾刷薄鋼絲、少密封、效果差，加大了油脂的消耗量。

圖3 法馬通NTU032.1盾構(gòu)機油脂消耗部位結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of grease comsunption parts of NFM shield

3.2 小結(jié)

1)法馬通盾構(gòu)機與海瑞克盾構(gòu)機在油脂消耗上的差異性是由2種盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)型式的差異性所決定的。

2)從2種盾構(gòu)機在油脂消耗部位在結(jié)構(gòu)上的差異性可看出法馬通盾構(gòu)機油脂消耗量較海瑞克盾構(gòu)機油脂消耗量要大。

4 結(jié)論與建議

通過以上對海瑞克S266和S366盾構(gòu)機與法馬通NTU032.1盾構(gòu)機的分析和對比可得出如下結(jié)論及建議:

1)同機型和同規(guī)格的法馬通盾構(gòu)機與海瑞克盾構(gòu)機相比在潤滑脂、盾尾密封脂、HBW潤滑密封脂上的消耗都高，這些油脂消耗高的原因是由2種機型的盾構(gòu)機不同的結(jié)構(gòu)特點所決定的。

2)在實際使用法馬通盾構(gòu)機和海瑞克盾構(gòu)機中要充分了解這2種盾構(gòu)機的特點，將消耗控制在合理的范圍內(nèi)，不要片面追求降低油脂的消耗而出現(xiàn)不必要的失誤和損失。

3)本文對盾構(gòu)機的油脂消耗進行了對比分析，雖然還沒有全面地反映出2種盾構(gòu)機的綜合性價比指標，但可為生產(chǎn)、設(shè)計和使用盾構(gòu)機的單位提供一定的借鑒和指導(dǎo)，也為系統(tǒng)地分析和研究盾構(gòu)機從一個方面進行了積極的探索和嘗試。

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