地铁隧道盾构机扩径改造关键技术

李剑彤

（宏润建设集团股份有限公司，上海市 200235）

地铁隧道盾构机扩径改造关键技术

李剑彤

（宏润建设集团股份有限公司，上海市 200235）

以某公司1、4、5号（上隧863）盾构为基础，全面阐述了在上海轨道交通建设中，为适应不同管片隧道而进行的盾构机扩径改造的目的、方案、计算和效益分析。

地铁隧道；盾构机；扩径改造；计算和效益分析

0 引言

随着我国城市建设的发展，地铁以其安全、快速、高效等特点在城市交通中发挥了越来越大的作用。为了进一步提高地铁的客运量并确保消防和安全的需要，各城市在地铁隧道的设计上都有扩径的趋势。

依据《上海市轨道交委交通区间隧道断面调整方案研究》的论证报告，明确在上海轨道交通建设中采用A型车区间隧道结构外径由6 200 mm调整为6 600 mm，详见表1。

表1 隧道结构调整前后对比表

根据隧道断面调整前后管片参数的对比，主要的变化有管片外径、管片内径、管片重量等。某公司现有的盾构外径6 340 mm，为适应上海轨道交通的新施工要求，本着节约社会资源、环境友好型的企业需求，有必要对现有盾构进行扩径改造，挖掘潜力，在保证工程安全的前提下充分发挥设备的能力。

1 改造依据与原则

（1）改造依据：上海轨道交通建设盾构大修改造、大修改进技术规格书“；外径6.6 m（内径5.9 m）钢筋混凝土管片模版图”；原盾构技术规格书；相关国家地方规范及标准。

（2）改造原则：设备技术指标应满足浅覆土盾构大修改造、大修改进相关技术要求；应遵循技术成熟、性能先进、结构简单、经济实用的原则，并满足安全可靠、检修方便等要求；充分利用原有设备及部件，尽量避免因个别部件改造而连锁引起其他设备改造。

2 改造内容

（1）管片外径增大引起的盾构机改造项目：加大刀盘直径；加大盾体直径；增大盾构推力；提高主驱动扭矩；提高拼装机回转能力。

（2）管片内径增大引起的盾构机改造项目：增加拼装半径；提高车架高度。

（3）管片重量增加引起的盾构机改造项目：加大拼装机提升力；提高拼装机回转能力。

3 改造方案

3.1 刀盘改造方案

（1）加大刀盘直径：刨除原刀盘外圈板上的刀具及耐磨堆焊层，用Q345钢材新制加大的刀盘外圈板，并焊接在原刀盘外圈上，将刀盘外圈直径加大至6 750 mm，再参照原刀盘，在加大的刀盘外圈板上焊接周边刀具及耐磨堆焊层，将刀盘开挖直径加大至6 770 mm。

（2）外移仿形刀：将原仿形刀拆下，并在刀盘半径方向向外移动200 mm后重新焊接固定。

（3）加装刀具：因刀盘直径加大，应增加相应的盾构刀具，包括16把主切削刀和2把先行贝壳刀。

刀盘改造及刀具布置详见图1。

图1 刀盘改造及刀具布置图

3.2 盾体改造方案

（1）加大前盾直径：前盾改造采用新制的方案。先用厚45 mm的Q345钢板新制外径6 760 mm的前盾钢结构，再将从原前盾上拆下的主驱动及液压件、电气件，重新组装到新制的前盾上。

（2）加大中盾直径：中盾改造同样采用新制的方案。先用厚45 mm的Q345钢板新制外径6 760 mm的中盾钢结构，再将从原中盾上拆下的液压件、电气件，重新组装到新制的中盾上。

（3）加大盾尾直径：盾尾改造同样采用新制的方案。用厚45 mm的Q345钢板新制外径6 760 mm的盾尾钢结构，盾尾间隙35 mm。

盾体改造及油缸分布详见图2。

图2 盾体改造及油缸分布图(单位：mm)

3.3 推进系统改造方案

（1）系统参数

推进系统参数如表2所示。

表2 推进系统参数配置

（2）增加推进油缸：由于盾构外径增大，盾构的正面阻力及周边摩擦力都将增加。为了保证盾构推进顺利，应增加推进油缸数量（i）。P改=F（n+i）/（D2/4）≥110 T/m2，得i≥4.2个。考虑到油缸数量最好偶数对称分布，故取i=6个，计算得P改=115.4 T/m2

（3）新增油缸分布：新增6个油缸采用原863盾构的备用推进油缸，行程2 150 mm。为了增加盾构底部推力，在盾构管片拱底块位置增加4个油缸，在管片两标准块位置各增加1个油缸，改造后盾构推进油缸分布如图2。

（4）推进速度校核：由于新增6个推进油缸会降低盾构推进速度，所以要对盾构推进速度进行校核，看改造后盾构推进速度是否满足≥6 cm/min的要求。

V改=Q/（πd2/4）/(n+i)=9.4 cm/min≥6 cm/min，满足要求。

3.4 主驱动改造方案

由于盾构刀盘直径增大、刀具增多，刀盘主驱动的扭矩也应相应提高。本次主驱动改造采用增加驱动马达和提高工作油压两种方案同步进行。

（1）系统参数

主驱动系统参数如表3所示。

表3 主驱动系统参数配置

（2）增加驱动马达：由于原主驱动没有预留备用驱动马达安装位置，所以要新制驱动马达动力箱。由于结构尺寸的限制，只能在原有9个驱动马达的基础上增加1个，并将驱动马达按图3重新排列。

（3）提高额定油压：为了满足改造后盾构主驱动扭矩系数α≥16的要求，还需同时将原额定压力p提高至额定压力P。

α=T原×（N/n）×（P/p）/D3≥16，得 P≥30.6 MPa，改造后主驱动额定压力P取31 MPa。

扭矩系数：α=T原×（N/n）× (P/p)/D3=16.2。

（4）动力箱有限元分析

已知条件：动力箱材料为Q345B；主轴承横向力（土压0.4 MPa）为1 470 T；马达安装孔转矩为65.56 kN·m×10个；主轴承竖向力约100 T；刀盘倾覆力矩约128 T·m。利用计算机软件进行分析结果如图4，图5所示。

图3 主驱动改造方案图(单位：mm)

图4 有效组合应力云图

图5 结构变形图

应力分析结果：最大应力为118 MPa，钢材屈服强度为345 MPa，安全系数为345/118=2.9，动力箱结构强度可满足要求。最大位移为0.76 mm，变形小，动力箱结构变形可以满足要求。

3.5 拼装机改造方案

（1）系统参数

拼装机参数如表4所示。

（2）提高拼装机回转能力：由于空间及系统限制，拼装机无法增加回转马达数量及油压，故本次改造通过增加回转配重30 kN来提高拼装机回转能力。

拼装机回转能力系数 k=T输出/T需=T1× η/i/[F1L1+F2L2–（F3+30）L3]=1.6＞1，故改造后可满足要求。

（3）增加拼装半径：通过新制拼装头或在拼装头与两个拼装导杆的连接法兰中间各加装一块200 mm厚的中间法兰，将拼装头外移200 mm，使拼装机满足内径5 900 mm管片的拼装。拼装机改造如图6所示。

（4）校核拼装机提升能力：拼装机提升能力系数：k=Fmax/F需=F5×2/（F1+F2+F4）=1.6＞1，故原拼装机提升油缸提升能力满足要求。

3.6 车架改造

本次改造通过在车架结构与车架轮子间增加200 mm的垫块来抬高车架，消除因隧道内径增大引起的车架与主机的轴线偏心。

3.7 其他改造

为了满足申通文件的其它要求，盾构还需进行以下系统改造，如表5所示。

表4 拼装机参数配置

图6 拼装机改造图(单位：mm)

表5 其他系统项目改造

4 结语

通过本次盾构机扩径改造实施表明，改造过程应尽可能的保留原盾构部件，同时尽量使用已有备件，该项改造总费用约700万元，与目前上海新制地铁盾构最低价2 650万相比，具有很高的经济效益。盾构机扩径改造后经过技术评估，该盾构能够满足在3个区间（约3 km）隧道施工中不大修，完全能够满足设备安全使用要求以及成本控制要求。目前该盾构机已成功完成上海轨道交通17号线7标的1个区间推进作业，该项目隧道结构同时被评为上海市优质结构，经设备检测反映盾构机各项技术指标良好，可以继续使用。

U455.3

B

1009-7716（2017）08-0320-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.100

2017-05-05

李剑彤（1972-），男，江苏兴化人，高级工程师，主要从事轨道交通关键技术研究与项目实施。