羅淑儀，馬子皓，王俊彬，黃威然

（1、廣州軌道交通建設監(jiān)理有限公司 廣州510010；2、廣東省國際工程咨詢有限公司 廣州510095）

0 引言

進入21 世紀20 年代，我國已經成國際上最大的盾構生產基地和最大的市場，盾構機的數(shù)量直線上升。在城市實施經濟社會的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，就要把資源與環(huán)境保護納入城市建設的規(guī)劃中去［1］。2000年，國內僅10 余臺盾構機。至2019 年間，據統(tǒng)計，我們應用盾構機累計接近2 000 臺，是2000 年的200倍［2］。按照國家和地方政府規(guī)劃的軌道交通、鐵路、公路、水利、電力、石化、綜合管廊等工程的建設規(guī)模，預計未來10 年內盾構市場需求累計會突破萬臺。這么大量的需求，完全靠新盾構機供給，不僅制造速度難以滿足，也會造成極高的設備閑置和產能浪費，舊盾構機再利用越來越受到重視，應用也越來越普遍。

通常，盾構機的關鍵部件主軸承的設計壽命約10 000 h 工作時間［3］，在單獨的一個項目中一般不會超出。從經濟、節(jié)能上考慮，應該將舊盾構機再利用。在國內的盾構施工實際應用中，也很少有盾構機僅使用一次就報廢的，往往會涉及到多個項目的應用。

舊盾構機再利用，涉及到盾構機的維修改造或再制造等系列問題。復合地層工況復雜，使得舊盾構再利用面臨的問題更多，因舊盾構設備老化、維修保養(yǎng)不當、零部件損壞等原因，發(fā)生過不少的工程事故，嚴重的需要中途解體吊出（見圖1、圖2）［4］。

圖1 盾構機大軸承進泥失效Fig.1 Failure of Main Bearing of TBM

圖2 盾構機大齒輪崩齒Fig.2 Large Gear Tooth Breakage of TBM

因此，在舊盾構投入到下一工程前，需對其機況、性能、功能等進行適應性及可靠性評審，保障下一工程順利推進。

1 舊盾構機再利用可靠性評審

1.1 基本流程

舊盾構機再利用評審基本流程包括：承包商、盾構制造商的勘驗和評估；承包商根據前期結果制定的維修改造方案；業(yè)主組織專家進行適應性和可靠性評審；根據評審結果進行后續(xù)的跟蹤檢查。

適應性是指：根據擬用項目的工程地質、水文地質及設計線路等條件，論證舊盾構機的選型、各種參數(shù)、配置的合理性和適應性。

可靠性是指：主要指整機和部件是否齊備、完好和可靠，維修方案是否可行［5］。

1.2 評估前的勘驗注意事項

⑴在熱機情況下（上一標段盾構到達前的50～100 環(huán)）抽取主軸承齒輪油、減速箱齒輪油、螺旋機減速箱齒輪油、液壓油（包括各油箱和泵體）等油樣，做油樣檢測。檢測項目應包括油品的理化指標分析、光譜分析及鐵譜分析。其目的是了解主軸承內部金屬部件是否出現(xiàn)異常磨損，或損壞、主軸承密封是否失效。

⑵刀盤及螺旋輸送機等鋼結構的超聲波無損探傷。其目的是了解刀盤和螺旋輸送機是否有開裂或裂隙。

⑵對盾構機的所有部件的現(xiàn)狀進行詳細的勘驗、拍照。

⑷ 準備舊盾構機的使用履歷，包括項目的時間、地點、工程地質和水文地質特點、事故或故障等。

⑸ 評估結論分為兩部分：一是工程適應性評價，即盾構機對將要掘進區(qū)間的地質適應性、施工風險和施工重難點分析，以及盾構機的優(yōu)化改造。二是盾構機設備的可用程度評估，即盾構機再利用的可靠性。

2 舊盾構再利用關鍵部件問題

再利用的盾構機加工和性能提升是維修和改造的2個核心內容［6］。

加工主要用表面工程等先進技術使達到物理壽命或要報廢的產品性能恢復，甚至超過新品［7］。

性能提升主要通過技術改造、局部更新，特別是通過使用新材料、新技術和新工藝等，改善產品技術性能，延長使用壽命。

在舊盾構機再利用的問題上，盾構機涉及部件還有許多，主軸承只是盾構機關鍵部件中的其中1個，有經驗的承包商會制定有針對性的維修改造方案，使舊盾構機能順利完成下一工程的施工任務。

2.1 盾構機主軸承

2.1.1 盾構機主軸承理論壽命

地鐵盾構機主軸承的設計壽命一般為10 000 h。通常在重載、偏載、荷載等條件下，實際工作中盾構機主軸承的壽命容易出現(xiàn)較大的變化。實際工程中，某些盾構機由于管理（保養(yǎng)）得當，使得使用壽命超過該極限；也有因管理（保養(yǎng)）不當，使用壽命小于該極限的案例存在。

德國的“羅特艾德（Rothe Erde）”為盾構機主軸承的主要制造商，該廠對主軸承的設計壽命引進了載荷譜（load spectrum）概念［8］，即傳動系統(tǒng)在實際工作中，受到的載荷是變化的，體現(xiàn)為主推力、扭矩和速度（轉數(shù)）是變化的，不同檔位所使用的頻繁程度，即每檔所用時間也不相同，三者之間對應關系，即為載荷譜［9］。也就是說，要根據不同荷載工況的工作時間比例來估算主軸承壽命，因此，壽命10 000 h不是恒久不變的。

根據羅特艾德網站資料試算了某軸承壽命轉數(shù)，試算中，模擬2種不同的工況。工況1模擬1臺長期在紅層中使用的盾構，工況2 模擬在花崗巖上軟下硬地層使用的盾構，結果如表1所示。

表1 組合工況1、工況2Tab.1 Combined Working Condition 1 and Condition 2

通過計算出來的壽命轉數(shù)換算成對應的軸承額定工作時間。組合工況的不同，對應的額定軸承壽命也應不同，試算2種工況壽命相差33%。因此，在實際的工程中某些盾構機軸承使用壽命超過設計壽命，但也有小于設計壽命的情況，并不能盲目認為未達到設計壽命的軸承一定能繼續(xù)投入使用。

實際工程中，部分承包商不重視掘進過程數(shù)據的記錄和統(tǒng)計，軸承工作時間無法精確提供，因此往往按照每掘進1 m 工作1 h 來推算主軸承壽命。因為施工工況不同，這樣的估算也會造成誤差。如廣州地鐵六號線二期某區(qū)間曾使用過的2 臺盾構機，完成掘進9 km多后，主軸承油樣檢測沒有發(fā)現(xiàn)問題。但考慮到下一區(qū)間盾構隧道長2 800 m，且有花崗巖球狀風化體和花崗巖巖面凸起等復雜情況，建設管理者要求盾構機進廠拆檢檢查。拆檢結果發(fā)現(xiàn)其中1臺大齒圈貫穿裂紋，另1 臺大齒圈發(fā)現(xiàn)20 多道細裂紋（見圖3、圖4），主軸承無法繼續(xù)使用。

圖3 齒根細小裂紋Fig.3 Fine Crack at the Bottom

圖4 貫穿與半貫穿裂紋Fig.4 Through and Semi-through Crack

2.1.3 盾構機主驅動密封的使用壽命

盾構機主軸承設計時，其密封的使用壽命要短于主軸承以及襯套的使用壽命。在整個盾構機主軸承的壽命周期中，一般需要更換1～2次內外密封。

在實際工程實踐中，由于地質環(huán)境的不同及對設備維護的不同，主軸承密封的壽命一般按照3 000～5 000 h控制。

2.1.4 已更換過主軸承的盾構機壽命評估

目前，我國地下工程市場中舊盾構機的數(shù)量非常大，為了節(jié)約成本，有些承包商把接近或已經達到10 000 h 的盾構機更換新主軸承，然后繼續(xù)使用。這樣的盾構機是否可以繼續(xù)使用（見圖5）？

圖5 主軸承磨損破壞曲線Fig.5 Wear Failure Curve of Main Bearing

因為我國還沒有舊盾構機完成設計壽命后是否報廢的相關規(guī)定，可根據工程的一事一議的具體情況具體處理。原則上，要比一般的舊盾構機經過更嚴格的評估和審查。如果采用換主軸承的方案，相應的也需更換大量其他的舊部件。在此情況下，首先要考慮是否更換新盾構機會獲得更好的性價比。廣州地鐵相關管理辦法規(guī)定，更換了主軸承的盾構機使用壽命（通常稱為再制造盾構機）按新盾構機壽命的70%計算。

2.2 刀盤、刀具問題

盾構機刀盤、刀具的地層適應能力決定著工程施工的成敗，刀盤改造是盾構再利用的重點。近年來，在刀盤、刀具的改造方面，有許多成功的經驗可借鑒。

You’re not half as clever us you think you are.你遠不是自己想象的那么聰明。

2.2.1 刀盤開口率的選擇

刀盤切削下來的渣土通過刀盤的開口槽流往土倉，刀盤的開口率可根據地質條件、開挖面的穩(wěn)定性和挖掘效率來決定。相對而言，開口率越大，渣土流動性越好，刀盤扭矩越小，但開口率越大，布置的刀具越少，刀盤本體剛度越低，支撐開挖面的穩(wěn)定性越不利。

2.2.2 刀盤耐磨處理

刀盤在巖層中掘進時，正面及周邊很容易磨損，特別是在石英含量高、巖石強度高、軟硬不均地層中。如果刀具磨損后，沒有及時更換，或刀具掉落后，在刀盤前方與刀具、刀盤不停相互作用，可能會造成還在刀盤上的刀具快速撞擊損壞，甚至還可能造成刀盤焊縫斷裂，刀盤變形及磨損。磨損后的刀盤，在地下修補不但周期長、困難大，而且風險也很高。因此，為預防此類極端事件的發(fā)生，盾構機制造時刀盤需作相應的耐磨保護處理。其主要內容如下：①在刀盤面板焊HA?DOX耐磨條，如圖6所示；②刀盤邊緣弧形區(qū)域焊耐磨板，如圖7a 所示；③在滾刀兩側設置耐磨保護塊，如圖7b 所示；④在刮刀，特別是邊緣刮刀背后設置防碰撞保護塊，如圖8a 所示；⑤刀盤面板設置磨損檢測裝置，如圖8b所示，一旦發(fā)生磨損，可以及時報警。

2.3 螺旋輸送機維修和改造

圖6 刀盤面耐磨條Fig.6 Abrasion Strip of Cutting Wheel

圖7 刀盤邊緣焊耐磨板及滾刀側耐磨保護塊Fig.7 Abrasion Strip of Cutting Wheel and Protective Block for cutter

土撫摩平衡盾構機中，螺旋輸送機也是一個容易出故障的部件，如中原地區(qū)某區(qū)間掘進地層為較均一的粗砂和圓礫地層，但由于螺軸和螺葉設計過于單薄，而且沒有設計耐磨塊，最終導致螺旋機的螺軸和螺葉斷裂（見圖9）。

圖8 防碰撞保護塊及刀盤面板磨損檢查裝置Fig.8 Protective Block for Cutter and Wear-checking Device for Cutting Wheel

圖9 螺旋軸頭部斷裂及螺旋軸與螺葉斷口Fig.9 Spiral Shaft Head Broken，Spiral Shaft and Screw Blade Fracture

因此，在復合地層螺旋輸送機改造方面應注意以下幾點：

⑴復合地層中，螺旋輸送機直徑和出渣粒徑要根據地質情況進行調整，對于存在大量較大塊體的地段，可以考慮采用帶式螺旋輸送機。

⑵對于長距離軟弱不均，或水頭壓力大的地質條件，如果選用土壓平衡盾構機，應優(yōu)先選擇雙螺旋結構、雙閘門。

⑶6.0～6.5 m 直徑的土壓平衡盾構機，螺旋輸送機扭矩應不低于200 kN·m。

⑷螺旋輸送機應設置添加劑注入口，必要時對渣土進行改良。

⑸單螺旋輸送機應具備螺旋軸可伸縮功能，并在螺旋軸前端配置前閘門。

⑹葉片需做耐磨處理。

⑺螺旋輸送機筒體應具備良好的耐磨能力。

⑻為防止供電系統(tǒng)故障情況下閘門無法關閉，繼而造成開挖面水土直接涌入隧道甚至造成塌陷，系統(tǒng)要設有應急儲能器，作為緊急關閉閘門的動力源。

⑼在螺旋輸送機筒體上預留應急法蘭盤，增設球閥，若出現(xiàn)持續(xù)噴涌現(xiàn)象，無法按正?；謴褪┕r，可通過在法蘭盤上外接保壓泵，恢復施工。

⑽螺旋輸送機筒體上、中、下部均應設置可供快速開啟和關閉的應急檢查門，當出現(xiàn)卡死現(xiàn)象時可以開啟檢查、修理。

3 新舊盾構機施工效率比較案例

廣州地鐵六號線一期工程新舊盾構掘進工效對比。

3.1 施工3標工程概況［10］

施工3 標包括海珠廣場站～一德路站、一德路站～文化公園站、文化公園站～黃沙站3個盾構區(qū)間，左線長度為2 442.262 m，右線長度為2 458.464 m。采用2臺新的S377 和S390 復合式盾構機，區(qū)間線路最小曲線半徑250 m，最大埋深約25.2～28.6 m，最大縱坡3%。

本區(qū)間沿線第四系土層覆蓋于基巖之上，下伏基巖為白堊系（K）紅層，巖性主要為泥鈣質膠結的泥巖、泥質粉砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖，部分風化巖有溶蝕小孔洞。盾構隧道幾乎都在＜7＞、＜8＞、＜9＞巖層中穿越，各類巖層占比如圖10所示。

圖10 主要地層所占比例統(tǒng)計Fig.10 The Stratigraphic Proportion of the Shield Interval

3.2 施工4標工程概況

本工程由海珠廣場站～北京路站～越秀南站～東湖站吊出井盾構區(qū)間隧道雙線總長為3 564.21 m，左、右線線型基本一致。右線采用海瑞克S244 復合式舊土壓平衡盾構機，左線采用三菱1638#復合式舊土壓平衡盾構機。

本標段盾構機穿越的地層與3 標相差不大，都在白堊系＜7＞、＜8＞、＜9＞巖層中掘進，如圖11所示。

3.3 掘進效率對比

4 臺盾構機參數(shù)差異不大。但S244 的掘進效率最低，如表2所示。

圖11 左、右線隧道洞身地層情況統(tǒng)計Fig.11 Stratigraphic Proportion of the Shield Interval between Left and Right Tunnels

表2 掘進工期Tab.2 Excavating Schedule

3.4 施工4標日掘進效率低原因分析

從表2 中可看到施工4 標左右線掘進效率較低，特別是右線的S244盾構機，分析其效率低的原因可歸結以下2點：

3.4.1 盾構機本身及其配套設備的故障較多

主要集中體現(xiàn)為盾構雙軌梁和管片拼裝機故障多。據統(tǒng)計右線1～200 環(huán)中盾構機及其配套設備的故障時間約400 h。由于配套的設備也陳舊，與之帶來的故障也多。

3.4.2 盾構機適應性稍差

渣土改良系統(tǒng)由于系統(tǒng)老舊，沒有使用多管多泵泡沫系統(tǒng)及自動注入功能，從而使得掘進過程中刀盤結泥餅及噴涌現(xiàn)象時而發(fā)生。

上述案例中，舊盾構機雖然攤銷費用較少，但是頻繁的設備故障，使掘進工效降低，掘進時間延長，反而增加了管理成本。一些設備原件的老舊，使得無法達到原出廠設備功能的要求，也很容易造成掘進困難。

4 結論

⑴盾構機作為一種大型工程機械，由于設備價格高，在固定資產攤銷上，使用時間越短，施工成本占比越高，如果輕易報廢，必將造成巨大的成本浪費，盾構機再利用從防止產能浪費方面應該被鼓勵。

⑵再利用并不等于永久可以循環(huán)再用，對于盾構主軸承這一關鍵部件，不應單純地以達到10 000 h作為軸承壽命終點，應根據盾構機工況一事一議，謹慎評審，特別是對于接近壽命極限的盾構機。

⑶刀盤、刀具、螺旋機在再利用過程中，可適當增加耐磨塊和磨損檢裝置，減少損壞，增長使用壽命。

⑷使用舊盾構雖然攤銷費用較少，但是頻繁的設備故障使掘進工效降低，“帶病工作”反而拖延了工期，增加了管理成本。改造不到位或不當甚至會造成盾構掘進困難，因此在下一標段實施前，進行維修改造方案的適應性評審非常有必要。