地铁盾构机改造技术研究与实践

地铁盾构机改造技术研究与实践

万坤坤

广州轨道交通建设监理有限公司 510010

摘要：随着我国城市化进程的飞速发展，城市基础设施建设不断加快，城市人口密度持续增高，导致城市交通压力剧增，对轨道交通的运载能力提出了更高的要求。列车的运载容量及运行速率不断提升，相应的隧道断面直径不断增大，城市在地铁盾构区间隧道断面设计上均进行了不同程度的扩径。结合某地铁盾构机扩径改造实例，对比分析新制法、包壳法2种盾构机的扩径方法，通过对改造工期、改造成本等方面进行对比分析，为后续盾构机扩径改造方法的选取提供参考。

关键词：地铁盾构；扩径改造；新制盾壳法；包壳法

引言

盾构机是针对项目工程条件进行的专项设计，在通用性方面有一定的局限性，尤其在工程地质、隧道断面等方面，城市轨道交通盾构区间断面的变化将进一步影响盾构的通用性，势必造成工程建设的工期和成本增加。针对这一情况，对于管片外径相近的盾构隧道，很有必要对盾构机扩径改造技术进行探讨和研究。

1盾构掘进的工序管理

1.1土压力的管理

在正式掘进时期，参考相近地层及试验段试掘进过程中的成功经验，控制掘进参数，优化施工工艺，并控制好地面沉降。推进时，注意管控好推进里程，把施工测量得到的数据跟计算出来的三维坐标相校准，在此基础上合理调整盾构姿态。盾构在掘进过程中据此取得平衡压力的设定值，在实际施工的时候，应综合考虑盾构所在位置的埋深大小、土层情况、地下水位情况以及地表监测结果来适当调整。

1.2开挖土的管理

1.2.1出土运输方法

随着技术研究的深入，现阶段的出土运输方法较多，较为常见的有如下几种：（1）轨道输送。适用于各类性状的土砂运输场景，是应用较为广泛的方法。不过运土车需要接替装土，所以可能会出现溜车事故、土砂掉出等问题。（2）泵送输送。根据运输工作量，在工作井外适配合规格的泥浆泵，连接一条稳定可靠的管路用于高效运输土砂。（3）皮带输送机运输。在工程量较大的盾构施工中，皮带输送机输送是优质的方法，其具有连续运行、稳定性好、输送能力强等多重优势。硬件配置方面，分别在始发井和地面两处安装合适规格的皮带输送机，并以施工进度为准灵活调控，随盾构掘进的持续推进而同步延伸。

1.2.2开挖土量的管理

常见方法有如下两种：一是重量管理，细分为多种形式，包含龙门吊称重系统、检测运土车重量等；二是容积管理法，例如螺旋输送机转数推算方法以及盾构机排土量自动测量系统。在实际施工中盾构机排土量自动测量系统激光雷达将扫面测量数据通过通信线缆传输到数据处理PC机,滚动计数器将单位时间内的滚动次数结合主动轮的直径计算出皮带的运动速度，通过通信线缆传输到数据处理PC机;数据处理PC机包括处理器,存储器和无线模块,数据处理PC机通过无线模块将经过处理器处理的数据发送到盾构上位机;盾构上位机通过显示器将出土量数据及渣土温度显示出来。

2新制法改造方案

2.1新制刀盘

针对地层中存在大范围CFG桩的情况，新制刀盘采用辐条＋面板式设计，支撑方式为中心支撑，刀盘上安装滚刀、切刀、刮刀和保径刀等。刀盘钢结构采用Q345C高强度钢板焊接而成。新制刀盘设计有4个中心进渣土口、12个大尺寸正面进渣口，刀盘开口率39%，有利于进渣；刀盘上安设5道泡沫和膨润土管路，刀盘隔板上安设1个高压冲水口，有利于加强渣土改良，同时有效防止结“泥饼”；刀盘设有2个磨损检测装置，部分区域焊接耐磨板及耐磨网进行针对性的耐磨保护。

2.2盾体内部装置拆卸

将盾体翻转竖向放置于马凳上架空，将尾盾内部拼装机拆除；将中盾内部推进油缸、铰接油缸、液压控制设备、电气设备等全部装置拆除，分离中盾与中折盾；拆除前盾内部全部装置。盾体内部装置拆除后进行维护保养，妥善封存以备在新制盾体上安装，通过精密测量确保设备安装尺寸精度。

2.3新制盾体

2.3.1前盾

新制前盾整体直径增加，结构形式不变，保证前大后小的趋势。为确保盾体内部装置安装位置协调统一，前盾长度加长200mm。盾体土仓底部增加锥板，以便出土，减少土仓底部土体堆积，同时增加切口部位壳体的结构强度。盾体间连接法兰增加凸台和密封槽，盾体间连接由原来的螺栓＋焊接密封改为螺栓＋密封条密封。

2.3.2中盾

新制中盾整体直径增加，结构形式不变，保证前大后小的趋势。法兰形式改造同前盾。推进油缸安装位置外移，油缸球头中心分布于长5850mm的圆周上，重新制作撑靴及靴套以匹配新管片。

2.3.3尾盾

尾盾内部空间保证宽30mm管片拼装间隙，注浆块采用内嵌式结构；注浆、油脂管路分布不变；盾尾采用3道钢丝刷密封，1道止浆板。

3包壳法改造方案

3.1刀盘扩径

原刀盘为辐条＋面板式复合刀盘，通过在原刀盘外周加焊耐磨钢板及耐磨环，将刀盘外径扩增至6450mm，通过重新调整刀具布置方案，在达到开挖半径6470mm要求的同时，保障刀盘具有足够的围岩切削能力。具体实施方法：检测刀盘关键焊缝、外形尺寸；刨去原刀盘外周、刀盘面板外缘处的耐磨材料，打磨平整；刨去原安装在外周的刀具及刀座；取出超挖刀；在刀盘外周装焊2圈HARDOX500的耐磨钢板以及1环耐磨环，刀盘结构外径扩增至6450mm；重新调整边缘滚刀的布置方案，增加边缘滚刀的数量，调整其切削轨迹线，使刀盘开挖直径达到6470mm，调整边缘刮刀、撕裂刀、滚刀的数量及位置，使其切削轨迹符合设计要求。

3.2新制尾盾

尾盾内部空间需保证留有宽30mm的管片拼装间隙，注浆块采用内嵌式结构；注浆、油脂管路分布不变；盾尾采用3道钢丝刷密封，1道止浆板。

3.4拼装机改造

原管片拼装机提升能力满足管片单块质量增加的需求，不做处理，对拼装机的配重块质量进行适当调整，保证拼装机具备足够的稳定性能。

3.4组装调试

对盾构机进行组装并按照盾构机出厂调试验收方案进行通电调试验收，各项功能及指标符合要求。

5改造方案对比分析

5.1工期对比

新制法改造方案需要拆卸盾体内部全部装置及设备，新制刀盘及全部壳体，在新壳体内安装拆卸下来的装置及设备，最后进行整机组装调试，改造工期为5个月；包壳法改造方案对刀盘、前盾、中盾进行扩径改造，仅新制尾盾，最后整机组装调试，改造工期1.5个月。

5.2成本对比

新制法改造方案主要工作内容为刀盘及全部盾体拆卸并重装盾体内部全部装置及设备，更新铰接密封，新购刀具，改造花费合计585万元；包壳法改造方案主要工作内容为刀盘扩径、前中盾包壳、新制尾盾、新购部分刀具，改造花费合计128万元。

5.3适应性对比

新制法改造方案有2套壳体和刀盘，通过盾体内部装置及设备拆装，既能适用直径6000mm管片的软土地层，又能适用直径6200mm管片的土质及软岩地层，适用范围较改造前大；包壳法改造方案改造后适用直径6200mm管片的软岩地层，适用范围较改造前不变。

结束语

改造后的盾构机都完成了区间隧道掘进任务，证明扩径改造方案可行。相较租赁或者新购盾构设备，扩径改造盾构方案大大降低了施工成本。对2种改造方案进行比较分析，包壳法具有改造成本低、改造周期短的优点，但是改造后盾构整体性及协调性较改造前有所下降；新制法具有盾构适应性高、整体性和协调性较好的优点，相较包壳法，其改造成本更高，改造周期更长。

参考文献

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