陳招偉 錢 超 王振坤

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)市政工程有限公司 湖北 宜昌 443002

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加快，城市人口密度持續(xù)增高，導(dǎo)致城市交通壓力劇增，對(duì)軌道交通的運(yùn)載能力提出了更高的要求。列車的運(yùn)載容量及運(yùn)行速率不斷提升，相應(yīng)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(gòu)區(qū)間隧道斷面設(shè)計(jì)上均進(jìn)行了不同程度的擴(kuò)徑。

盾構(gòu)機(jī)是針對(duì)項(xiàng)目工程條件進(jìn)行的專項(xiàng)設(shè)計(jì)，在通用性方面有一定的局限性，尤其在工程地質(zhì)、隧道斷面等方面，城市軌道交通盾構(gòu)區(qū)間斷面的變化將進(jìn)一步影響盾構(gòu)的通用性，勢(shì)必造成工程建設(shè)的工期和成本增加。針對(duì)這一情況，對(duì)于管片外徑相近的盾構(gòu)隧道，很有必要對(duì)盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造技術(shù)進(jìn)行探討和研究[1]。

1 工程概況

武漢市軌道交通某標(biāo)段施工范圍包含“三站四區(qū)間”，車站采用明挖順筑法施工，區(qū)間為雙線隧道，采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)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(zhì)黏土，全風(fēng)化泥巖，強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化泥巖，中風(fēng)化石灰?guī)r等。依照施工部署，標(biāo)段全線投入10臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，其中2個(gè)盾構(gòu)區(qū)間采用適應(yīng)管片外徑為6 000 mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，共投入3臺(tái)，1臺(tái)華遂通盾構(gòu)機(jī)、2臺(tái)中鐵裝備盾構(gòu)機(jī)（型號(hào)及規(guī)格相同）。

2 盾構(gòu)改造方案

盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造方案由施工方組織專家評(píng)審，通過(guò)專家評(píng)審會(huì)論證，1臺(tái)華遂通盾構(gòu)機(jī)采用新制刀盤＋新制盾殼法改造方案，2臺(tái)中鐵裝備盾構(gòu)機(jī)采用刀盤改造＋包殼法改造方案。盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造前后的主要參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)機(jī)改造前后主要參數(shù)

3 新制法改造方案

3.1新制刀盤

針對(duì)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(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)采用Q345C高強(qiáng)度鋼板焊接而成。新制刀盤設(shè)計(jì)有4個(gè)中心進(jìn)渣土口、12個(gè)大尺寸正面進(jìn)渣口，刀盤開(kāi)口率39%，有利于進(jìn)渣；刀盤上安設(shè)5道泡沫和膨潤(rùn)土管路，刀盤隔板上安設(shè)1個(gè)高壓沖水口，有利于加強(qiáng)渣土改良，同時(shí)有效防止結(jié)“泥餅”；刀盤設(shè)有2個(gè)磨損檢測(cè)裝置，部分區(qū)域焊接耐磨板及耐磨網(wǎng)進(jìn)行針對(duì)性的耐磨保護(hù)。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(nèi)部裝置拆卸

將盾體翻轉(zhuǎn)豎向放置于馬凳上架空，將尾盾內(nèi)部拼裝機(jī)拆除；將中盾內(nèi)部推進(jìn)油缸、鉸接油缸、液壓控制設(shè)備、電氣設(shè)備等全部裝置拆除，分離中盾與中折盾；拆除前盾內(nèi)部全部裝置。盾體內(nèi)部裝置拆除后進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，妥善封存以備在新制盾體上安裝，通過(guò)精密測(cè)量確保設(shè)備安裝尺寸精度。

3.3新制盾體

由于管片外徑擴(kuò)增至6 200 mm，新制盾體直徑相應(yīng)增大。改造前后前盾、中盾、尾盾尺寸對(duì)比詳見(jiàn)表2。

表2 盾體改造前后外徑參數(shù)

3.3.1 前盾

新制前盾整體直徑增加，結(jié)構(gòu)形式不變，保證前大后小的趨勢(shì)。為確保盾體內(nèi)部裝置安裝位置協(xié)調(diào)統(tǒng)一，前盾長(zhǎng)度加長(zhǎng)200 mm。

盾體土倉(cāng)底部增加錐板，以便出土，減少土倉(cāng)底部土體堆積，同時(shí)增加切口部位殼體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

盾體間連接法蘭增加凸臺(tái)和密封槽，盾體間連接由原來(lái)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(jié)構(gòu)形式不變，保證前大后小的趨勢(shì)。法蘭形式改造同前盾。推進(jìn)油缸安裝位置外移，油缸球頭中心分布于長(zhǎng)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(nèi)部空間保證寬30 mm管片拼裝間隙，注漿塊采用內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)；注漿、油脂管路分布不變；盾尾采用3道鋼絲刷密封，1道止?jié){板。

3.4管片拼裝機(jī)改造

管片結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致管片單塊質(zhì)量增加，需提高管片拼裝機(jī)的提升能力，滿足單塊質(zhì)量5 t的拼裝要求；增加拼裝機(jī)的配重塊質(zhì)量，保證拼裝機(jī)的穩(wěn)定性；拼裝機(jī)抓舉臂增設(shè)軸向延伸裝置，使其具備洞內(nèi)更換2道盾尾刷的能力。

3.5盾體裝配

將原盾體內(nèi)部拆卸下來(lái)的裝置及設(shè)備安裝至相應(yīng)的位置，恢復(fù)其完整的系統(tǒng)功能。

3.6后配套臺(tái)車改造

由于管片內(nèi)徑發(fā)生變化，將后配套臺(tái)車車輪通過(guò)墊鋼板進(jìn)行加高處理，墊高后的臺(tái)車結(jié)構(gòu)中心與隧道結(jié)構(gòu)中心重合。

3.7組裝調(diào)試

對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行整機(jī)組裝并按照盾構(gòu)機(jī)出廠調(diào)試驗(yàn)收方案進(jìn)行通電調(diào)試驗(yàn)收，各項(xiàng)功能及指標(biāo)符合要求。

4 包殼法改造方案

4.1刀盤擴(kuò)徑

原刀盤為輻條＋面板式復(fù)合刀盤，通過(guò)在原刀盤外周加焊耐磨鋼板及耐磨環(huán)，將刀盤外徑擴(kuò)增至6 450 mm，通過(guò)重新調(diào)整刀具布置方案，在達(dá)到開(kāi)挖半徑6 470 mm要求的同時(shí)，保障刀盤具有足夠的圍巖切削能力。

具體實(shí)施方法：檢測(cè)刀盤關(guān)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(huán)耐磨環(huán)，刀盤結(jié)構(gòu)外徑擴(kuò)增至6 450 mm；重新調(diào)整邊緣滾刀的布置方案，增加邊緣滾刀的數(shù)量，調(diào)整其切削軌跡線，使刀盤開(kāi)挖直徑達(dá)到6 470 mm，調(diào)整邊緣刮刀、撕裂刀、滾刀的數(shù)量及位置，使其切削軌跡符合設(shè)計(jì)要求。

4.2前、中盾盾體包殼

對(duì)前盾、中盾進(jìn)行包殼處理，即在前盾、中盾外周通過(guò)焊接鋼肋條和弧形鋼板，使其外徑擴(kuò)增至設(shè)計(jì)要求，改造前后前盾、中盾、尾盾尺寸對(duì)比詳見(jiàn)表3。

表3 改造前后前、中盾外徑參數(shù)

首先將鋼材加工成寬30 mm、高75 mm，長(zhǎng)度與前盾、中盾盾體長(zhǎng)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(gè)外圈；然后將厚20 mm鋼板通過(guò)卷板機(jī)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(zhǎng)290 mm的扇形板；最后將扇形板加焊在鋼肋條上，形成一個(gè)整體的外包鋼環(huán)，將前盾、中盾外徑擴(kuò)增至設(shè)計(jì)要求。

4.3新制尾盾

尾盾內(nèi)部空間需保證留有寬30 mm的管片拼裝間隙，注漿塊采用內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)；注漿、油脂管路分布不變；盾尾采用3道鋼絲刷密封，1道止?jié){板。

4.4拼裝機(jī)改造

原管片拼裝機(jī)提升能力滿足管片單塊質(zhì)量增加的需求，不做處理，對(duì)拼裝機(jī)的配重塊質(zhì)量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證拼裝機(jī)具備足夠的穩(wěn)定性能。

4.5組裝調(diào)試

對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行組裝并按照盾構(gòu)機(jī)出廠調(diào)試驗(yàn)收方案進(jìn)行通電調(diào)試驗(yàn)收，各項(xiàng)功能及指標(biāo)符合要求。

5 改造方案對(duì)比分析

5.1工期對(duì)比

新制法改造方案需要拆卸盾體內(nèi)部全部裝置及設(shè)備，新制刀盤及全部殼體，在新殼體內(nèi)安裝拆卸下來(lái)的裝置及設(shè)備，最后進(jìn)行整機(jī)組裝調(diào)試，改造工期為5個(gè)月；包殼法改造方案對(duì)刀盤、前盾、中盾進(jìn)行擴(kuò)徑改造，僅新制尾盾，最后整機(jī)組裝調(diào)試，改造工期1.5個(gè)月。

5.2成本對(duì)比

新制法改造方案主要工作內(nèi)容為刀盤及全部盾體拆卸并重裝盾體內(nèi)部全部裝置及設(shè)備，更新鉸接密封，新購(gòu)刀具，改造花費(fèi)合計(jì)585萬(wàn)元；包殼法改造方案主要工作內(nèi)容為刀盤擴(kuò)徑、前中盾包殼、新制尾盾、新購(gòu)部分刀具，改造花費(fèi)合計(jì)128萬(wàn)元。

5.3適應(yīng)性對(duì)比

新制法改造方案有2套殼體和刀盤，通過(guò)盾體內(nèi)部裝置及設(shè)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(zhì)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(duì)比

通過(guò)新制法改造后的華遂通盾構(gòu)機(jī)盾體整體性高，盾體外徑與盾體長(zhǎng)度比例協(xié)調(diào)，鉸接角度及轉(zhuǎn)彎能力較原來(lái)不變，推進(jìn)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(gòu)機(jī)由于盾體長(zhǎng)度未做調(diào)整，整體協(xié)調(diào)性較改造前低，盾體真圓度較改造前低，盾構(gòu)鉸接度較改造前小，盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎能力較改造前弱，推進(jìn)油缸中心與管片中心存在一定偏差。

5.5使用情況對(duì)比分析

以上2種改造方案的盾構(gòu)機(jī)都圓滿地完成了區(qū)間掘進(jìn)任務(wù)，華遂通盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)2.2 km，中鐵裝備盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)2.4 km，使用情況滿足改造設(shè)計(jì)要求。2種方案綜合對(duì)比情況詳見(jiàn)表4。

表4 改造方案綜合對(duì)比

采用包殼法改造的盾構(gòu)機(jī)試掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)管片真圓度不足、管片內(nèi)破損的情況。經(jīng)分析，主要原因?yàn)橥七M(jìn)油缸中心與管片中心偏差過(guò)大，管片受力不均，經(jīng)更換撐靴后情況得到改善。

6 結(jié)語(yǔ)

改造后的盾構(gòu)機(jī)都完成了區(qū)間隧道掘進(jìn)任務(wù)，證明擴(kuò)徑改造方案可行。相較租賃或者新購(gòu)盾構(gòu)設(shè)備，擴(kuò)徑改造盾構(gòu)方案大大降低了施工成本。對(duì)2種改造方案進(jìn)行比較分析，包殼法具有改造成本低、改造周期短的優(yōu)點(diǎn)，但是改造后盾構(gòu)整體性及協(xié)調(diào)性較改造前有所下降；新制法具有盾構(gòu)適應(yīng)性高、整體性和協(xié)調(diào)性較好的優(yōu)點(diǎn)，相較包殼法，其改造成本更高，改造周期更長(zhǎng)。

在方案論證可行的前提下，針對(duì)掘進(jìn)壽命不長(zhǎng)的老舊機(jī)型，推薦采用包殼法進(jìn)行改造；對(duì)需要提高適應(yīng)性，掘進(jìn)壽命余量較大，成色較新的機(jī)型，則推薦采用新制法進(jìn)行改造。