羅淑儀，馬子皓，王俊彬，黃威然

（1、廣州軌道交通建設(shè)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(jīng)成國際上最大的盾構(gòu)生產(chǎn)基地和最大的市場，盾構(gòu)機的數(shù)量直線上升。在城市實施經(jīng)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(shè)的規(guī)劃中去［1］。2000年，國內(nèi)僅10 余臺盾構(gòu)機。至2019 年間，據(jù)統(tǒng)計，我們應(yīng)用盾構(gòu)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(shè)規(guī)模，預(yù)計未來10 年內(nèi)盾構(gòu)市場需求累計會突破萬臺。這么大量的需求，完全靠新盾構(gòu)機供給，不僅制造速度難以滿足，也會造成極高的設(shè)備閑置和產(chǎn)能浪費，舊盾構(gòu)機再利用越來越受到重視，應(yīng)用也越來越普遍。

通常，盾構(gòu)機的關(guān)鍵部件主軸承的設(shè)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(jīng)濟、節(jié)能上考慮，應(yīng)該將舊盾構(gòu)機再利用。在國內(nèi)的盾構(gòu)施工實際應(yīng)用中，也很少有盾構(gòu)機僅使用一次就報廢的，往往會涉及到多個項目的應(yīng)用。

舊盾構(gòu)機再利用，涉及到盾構(gòu)機的維修改造或再制造等系列問題。復(fù)合地層工況復(fù)雜，使得舊盾構(gòu)再利用面臨的問題更多，因舊盾構(gòu)設(shè)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(gòu)機大軸承進泥失效Fig.1 Failure of Main Bearing of TBM

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

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

1 舊盾構(gòu)機再利用可靠性評審

1.1 基本流程

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

適應(yīng)性是指：根據(jù)擬用項目的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及設(shè)計線路等條件，論證舊盾構(gòu)機的選型、各種參數(shù)、配置的合理性和適應(yīng)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(gòu)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(yīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)機的使用履歷，包括項目的時間、地點、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特點、事故或故障等。

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

2 舊盾構(gòu)再利用關(guān)鍵部件問題

再利用的盾構(gòu)機加工和性能提升是維修和改造的2個核心內(nèi)容［6］。

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

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

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

2.1 盾構(gòu)機主軸承

2.1.1 盾構(gòu)機主軸承理論壽命

地鐵盾構(gòu)機主軸承的設(shè)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(gòu)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(gòu)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(gòu)機主軸承的主要制造商，該廠對主軸承的設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)關(guān)系，即為載荷譜［9］。也就是說，要根據(jù)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(jù)羅特艾德網(wǎng)站資料試算了某軸承壽命轉(zhuǎn)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(gòu)，工況2 模擬在花崗巖上軟下硬地層使用的盾構(gòu)，結(jié)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(zhuǎn)數(shù)換算成對應(yīng)的軸承額定工作時間。組合工況的不同，對應(yīng)的額定軸承壽命也應(yīng)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(gòu)機軸承使用壽命超過設(shè)計壽命，但也有小于設(shè)計壽命的情況，并不能盲目認為未達到設(shè)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(jù)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(gòu)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(gòu)隧道長2 800 m，且有花崗巖球狀風(fēng)化體和花崗巖巖面凸起等復(fù)雜情況，建設(shè)管理者要求盾構(gòu)機進廠拆檢檢查。拆檢結(jié)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(gòu)機主驅(qū)動密封的使用壽命

盾構(gòu)機主軸承設(shè)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(gòu)機主軸承的壽命周期中，一般需要更換1～2次內(nèi)外密封。

在實際工程實踐中，由于地質(zhì)環(huán)境的不同及對設(shè)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(gòu)機壽命評估

目前，我國地下工程市場中舊盾構(gòu)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(jīng)達到10 000 h 的盾構(gòu)機更換新主軸承，然后繼續(xù)使用。這樣的盾構(gòu)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(gòu)機完成設(shè)計壽命后是否報廢的相關(guān)規(guī)定，可根據(jù)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(gòu)機經(jīng)過更嚴格的評估和審查。如果采用換主軸承的方案，相應(yīng)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(gòu)機會獲得更好的性價比。廣州地鐵相關(guān)管理辦法規(guī)定，更換了主軸承的盾構(gòu)機使用壽命（通常稱為再制造盾構(gòu)機）按新盾構(gòu)機壽命的70%計算。

2.2 刀盤、刀具問題

盾構(gòu)機刀盤、刀具的地層適應(yīng)能力決定著工程施工的成敗，刀盤改造是盾構(gòu)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(jīng)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(jù)地質(zhì)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(fēng)險也很高。因此，為預(yù)防此類極端事件的發(fā)生，盾構(gòu)機制造時刀盤需作相應(yīng)的耐磨保護處理。其主要內(nèi)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(cè)設(shè)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(shè)置防碰撞保護塊，如圖8a 所示；⑤刀盤面板設(shè)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(cè)耐磨保護塊Fig.7 Abrasion Strip of Cutting Wheel and Protective Block for cutter

土撫摩平衡盾構(gòu)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(shè)計過于單薄，而且沒有設(shè)計耐磨塊，最終導(dǎo)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(fù)合地層螺旋輸送機改造方面應(yīng)注意以下幾點：

⑴復(fù)合地層中，螺旋輸送機直徑和出渣粒徑要根據(jù)地質(zhì)情況進行調(diào)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(zhì)條件，如果選用土壓平衡盾構(gòu)機，應(yīng)優(yōu)先選擇雙螺旋結(jié)構(gòu)、雙閘門。

⑶6.0～6.5 m 直徑的土壓平衡盾構(gòu)機，螺旋輸送機扭矩應(yīng)不低于200 kN·m。

⑷螺旋輸送機應(yīng)設(shè)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(shè)有應(yīng)急儲能器，作為緊急關(guān)閉閘門的動力源。

⑼在螺旋輸送機筒體上預(yù)留應(yīng)急法蘭盤，增設(shè)球閥，若出現(xiàn)持續(xù)噴涌現(xiàn)象，無法按正?；謴?fù)施工時，可通過在法蘭盤上外接保壓泵，恢復(fù)施工。

⑽螺旋輸送機筒體上、中、下部均應(yīng)設(shè)置可供快速開啟和關(guān)閉的應(yīng)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(gòu)機施工效率比較案例

廣州地鐵六號線一期工程新舊盾構(gòu)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(gòu)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(fù)合式盾構(gòu)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(zhì)膠結(jié)的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖，部分風(fēng)化巖有溶蝕小孔洞。盾構(gòu)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(gòu)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(fù)合式舊土壓平衡盾構(gòu)機，左線采用三菱1638#復(fù)合式舊土壓平衡盾構(gòu)機。

本標段盾構(gòu)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(gòu)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(gòu)機，分析其效率低的原因可歸結(jié)以下2點：

3.4.1 盾構(gòu)機本身及其配套設(shè)備的故障較多

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

3.4.2 盾構(gòu)機適應(yīng)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(jié)泥餅及噴涌現(xiàn)象時而發(fā)生。

上述案例中，舊盾構(gòu)機雖然攤銷費用較少，但是頻繁的設(shè)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(shè)備原件的老舊，使得無法達到原出廠設(shè)備功能的要求，也很容易造成掘進困難。

4 結(jié)論

⑴盾構(gòu)機作為一種大型工程機械，由于設(shè)備價格高，在固定資產(chǎn)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(gòu)機再利用從防止產(chǎn)能浪費方面應(yīng)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(gòu)主軸承這一關(guān)鍵部件，不應(yīng)單純地以達到10 000 h作為軸承壽命終點，應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)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(gòu)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(gòu)雖然攤銷費用較少，但是頻繁的設(shè)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?xí)斐啥軜?gòu)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(yīng)性評審非常有必要。