旧盾构机再利用关键问题研究

罗淑仪，马子皓，王俊彬，黄威然

（1、广州轨道交通建设监理有限公司 广州510010；2、广东省国际工程咨询有限公司 广州510095）

0 引言

进入21 世纪20 年代，我国已经成国际上最大的盾构生产基地和最大的市场，盾构机的数量直线上升。在城市实施经济社会的可持续发展战略，就要把资源与环境保护纳入城市建设的规划中去［1］。2000年，国内仅10 余台盾构机。至2019 年间，据统计，我们应用盾构机累计接近2 000 台，是2000 年的200倍［2］。按照国家和地方政府规划的轨道交通、铁路、公路、水利、电力、石化、综合管廊等工程的建设规模，预计未来10 年内盾构市场需求累计会突破万台。这么大量的需求，完全靠新盾构机供给，不仅制造速度难以满足，也会造成极高的设备闲置和产能浪费，旧盾构机再利用越来越受到重视，应用也越来越普遍。

通常，盾构机的关键部件主轴承的设计寿命约10 000 h 工作时间［3］，在单独的一个项目中一般不会超出。从经济、节能上考虑，应该将旧盾构机再利用。在国内的盾构施工实际应用中，也很少有盾构机仅使用一次就报废的，往往会涉及到多个项目的应用。

旧盾构机再利用，涉及到盾构机的维修改造或再制造等系列问题。复合地层工况复杂，使得旧盾构再利用面临的问题更多，因旧盾构设备老化、维修保养不当、零部件损坏等原因，发生过不少的工程事故，严重的需要中途解体吊出（见图1、图2）［4］。

图1 盾构机大轴承进泥失效Fig.1 Failure of Main Bearing of TBM

图2 盾构机大齿轮崩齿Fig.2 Large Gear Tooth Breakage of TBM

因此，在旧盾构投入到下一工程前，需对其机况、性能、功能等进行适应性及可靠性评审，保障下一工程顺利推进。

1 旧盾构机再利用可靠性评审

1.1 基本流程

旧盾构机再利用评审基本流程包括：承包商、盾构制造商的勘验和评估；承包商根据前期结果制定的维修改造方案；业主组织专家进行适应性和可靠性评审；根据评审结果进行后续的跟踪检查。

适应性是指：根据拟用项目的工程地质、水文地质及设计线路等条件，论证旧盾构机的选型、各种参数、配置的合理性和适应性。

可靠性是指：主要指整机和部件是否齐备、完好和可靠，维修方案是否可行［5］。

1.2 评估前的勘验注意事项

⑴在热机情况下（上一标段盾构到达前的50～100 环）抽取主轴承齿轮油、减速箱齿轮油、螺旋机减速箱齿轮油、液压油（包括各油箱和泵体）等油样，做油样检测。检测项目应包括油品的理化指标分析、光谱分析及铁谱分析。其目的是了解主轴承内部金属部件是否出现异常磨损，或损坏、主轴承密封是否失效。

⑵刀盘及螺旋输送机等钢结构的超声波无损探伤。其目的是了解刀盘和螺旋输送机是否有开裂或裂隙。

⑵对盾构机的所有部件的现状进行详细的勘验、拍照。

⑷ 准备旧盾构机的使用履历，包括项目的时间、地点、工程地质和水文地质特点、事故或故障等。

⑸ 评估结论分为两部分：一是工程适应性评价，即盾构机对将要掘进区间的地质适应性、施工风险和施工重难点分析，以及盾构机的优化改造。二是盾构机设备的可用程度评估，即盾构机再利用的可靠性。

2 旧盾构再利用关键部件问题

再利用的盾构机加工和性能提升是维修和改造的2个核心内容［6］。

加工主要用表面工程等先进技术使达到物理寿命或要报废的产品性能恢复，甚至超过新品［7］。

性能提升主要通过技术改造、局部更新，特别是通过使用新材料、新技术和新工艺等，改善产品技术性能，延长使用寿命。

在旧盾构机再利用的问题上，盾构机涉及部件还有许多，主轴承只是盾构机关键部件中的其中1个，有经验的承包商会制定有针对性的维修改造方案，使旧盾构机能顺利完成下一工程的施工任务。

2.1 盾构机主轴承

2.1.1 盾构机主轴承理论寿命

地铁盾构机主轴承的设计寿命一般为10 000 h。通常在重载、偏载、荷载等条件下，实际工作中盾构机主轴承的寿命容易出现较大的变化。实际工程中，某些盾构机由于管理（保养）得当，使得使用寿命超过该极限；也有因管理（保养）不当，使用寿命小于该极限的案例存在。

德国的“罗特艾德（Rothe Erde）”为盾构机主轴承的主要制造商，该厂对主轴承的设计寿命引进了载荷谱（load spectrum）概念［8］，即传动系统在实际工作中，受到的载荷是变化的，体现为主推力、扭矩和速度（转数）是变化的，不同档位所使用的频繁程度，即每档所用时间也不相同，三者之间对应关系，即为载荷谱［9］。也就是说，要根据不同荷载工况的工作时间比例来估算主轴承寿命，因此，寿命10 000 h不是恒久不变的。

根据罗特艾德网站资料试算了某轴承寿命转数，试算中，模拟2种不同的工况。工况1模拟1台长期在红层中使用的盾构，工况2 模拟在花岗岩上软下硬地层使用的盾构，结果如表1所示。

表1 组合工况1、工况2Tab.1 Combined Working Condition 1 and Condition 2

通过计算出来的寿命转数换算成对应的轴承额定工作时间。组合工况的不同，对应的额定轴承寿命也应不同，试算2种工况寿命相差33%。因此，在实际的工程中某些盾构机轴承使用寿命超过设计寿命，但也有小于设计寿命的情况，并不能盲目认为未达到设计寿命的轴承一定能继续投入使用。

实际工程中，部分承包商不重视掘进过程数据的记录和统计，轴承工作时间无法精确提供，因此往往按照每掘进1 m 工作1 h 来推算主轴承寿命。因为施工工况不同，这样的估算也会造成误差。如广州地铁六号线二期某区间曾使用过的2 台盾构机，完成掘进9 km多后，主轴承油样检测没有发现问题。但考虑到下一区间盾构隧道长2 800 m，且有花岗岩球状风化体和花岗岩岩面凸起等复杂情况，建设管理者要求盾构机进厂拆检检查。拆检结果发现其中1台大齿圈贯穿裂纹，另1 台大齿圈发现20 多道细裂纹（见图3、图4），主轴承无法继续使用。

图3 齿根细小裂纹Fig.3 Fine Crack at the Bottom

图4 贯穿与半贯穿裂纹Fig.4 Through and Semi-through Crack

2.1.3 盾构机主驱动密封的使用寿命

盾构机主轴承设计时，其密封的使用寿命要短于主轴承以及衬套的使用寿命。在整个盾构机主轴承的寿命周期中，一般需要更换1～2次内外密封。

在实际工程实践中，由于地质环境的不同及对设备维护的不同，主轴承密封的寿命一般按照3 000～5 000 h控制。

2.1.4 已更换过主轴承的盾构机寿命评估

目前，我国地下工程市场中旧盾构机的数量非常大，为了节约成本，有些承包商把接近或已经达到10 000 h 的盾构机更换新主轴承，然后继续使用。这样的盾构机是否可以继续使用（见图5）？

图5 主轴承磨损破坏曲线Fig.5 Wear Failure Curve of Main Bearing

因为我国还没有旧盾构机完成设计寿命后是否报废的相关规定，可根据工程的一事一议的具体情况具体处理。原则上，要比一般的旧盾构机经过更严格的评估和审查。如果采用换主轴承的方案，相应的也需更换大量其他的旧部件。在此情况下，首先要考虑是否更换新盾构机会获得更好的性价比。广州地铁相关管理办法规定，更换了主轴承的盾构机使用寿命（通常称为再制造盾构机）按新盾构机寿命的70%计算。

2.2 刀盘、刀具问题

盾构机刀盘、刀具的地层适应能力决定着工程施工的成败，刀盘改造是盾构再利用的重点。近年来，在刀盘、刀具的改造方面，有许多成功的经验可借鉴。

You’re not half as clever us you think you are.你远不是自己想象的那么聪明。

2.2.1 刀盘开口率的选择

刀盘切削下来的渣土通过刀盘的开口槽流往土仓，刀盘的开口率可根据地质条件、开挖面的稳定性和挖掘效率来决定。相对而言，开口率越大，渣土流动性越好，刀盘扭矩越小，但开口率越大，布置的刀具越少，刀盘本体刚度越低，支撑开挖面的稳定性越不利。

2.2.2 刀盘耐磨处理

刀盘在岩层中掘进时，正面及周边很容易磨损，特别是在石英含量高、岩石强度高、软硬不均地层中。如果刀具磨损后，没有及时更换，或刀具掉落后，在刀盘前方与刀具、刀盘不停相互作用，可能会造成还在刀盘上的刀具快速撞击损坏，甚至还可能造成刀盘焊缝断裂，刀盘变形及磨损。磨损后的刀盘，在地下修补不但周期长、困难大，而且风险也很高。因此，为预防此类极端事件的发生，盾构机制造时刀盘需作相应的耐磨保护处理。其主要内容如下：①在刀盘面板焊HA⁃DOX耐磨条，如图6所示；②刀盘边缘弧形区域焊耐磨板，如图7a 所示；③在滚刀两侧设置耐磨保护块，如图7b 所示；④在刮刀，特别是边缘刮刀背后设置防碰撞保护块，如图8a 所示；⑤刀盘面板设置磨损检测装置，如图8b所示，一旦发生磨损，可以及时报警。

2.3 螺旋输送机维修和改造

图6 刀盘面耐磨条Fig.6 Abrasion Strip of Cutting Wheel

图7 刀盘边缘焊耐磨板及滚刀侧耐磨保护块Fig.7 Abrasion Strip of Cutting Wheel and Protective Block for cutter

土抚摩平衡盾构机中，螺旋输送机也是一个容易出故障的部件，如中原地区某区间掘进地层为较均一的粗砂和圆砾地层，但由于螺轴和螺叶设计过于单薄，而且没有设计耐磨块，最终导致螺旋机的螺轴和螺叶断裂（见图9）。

图8 防碰撞保护块及刀盘面板磨损检查装置Fig.8 Protective Block for Cutter and Wear-checking Device for Cutting Wheel

图9 螺旋轴头部断裂及螺旋轴与螺叶断口Fig.9 Spiral Shaft Head Broken，Spiral Shaft and Screw Blade Fracture

因此，在复合地层螺旋输送机改造方面应注意以下几点：

⑴复合地层中，螺旋输送机直径和出渣粒径要根据地质情况进行调整，对于存在大量较大块体的地段，可以考虑采用带式螺旋输送机。

⑵对于长距离软弱不均，或水头压力大的地质条件，如果选用土压平衡盾构机，应优先选择双螺旋结构、双闸门。

⑶6.0～6.5 m 直径的土压平衡盾构机，螺旋输送机扭矩应不低于200 kN·m。

⑷螺旋输送机应设置添加剂注入口，必要时对渣土进行改良。

⑸单螺旋输送机应具备螺旋轴可伸缩功能，并在螺旋轴前端配置前闸门。

⑹叶片需做耐磨处理。

⑺螺旋输送机筒体应具备良好的耐磨能力。

⑻为防止供电系统故障情况下闸门无法关闭，继而造成开挖面水土直接涌入隧道甚至造成塌陷，系统要设有应急储能器，作为紧急关闭闸门的动力源。

⑼在螺旋输送机筒体上预留应急法兰盘，增设球阀，若出现持续喷涌现象，无法按正常恢复施工时，可通过在法兰盘上外接保压泵，恢复施工。

⑽螺旋输送机筒体上、中、下部均应设置可供快速开启和关闭的应急检查门，当出现卡死现象时可以开启检查、修理。

3 新旧盾构机施工效率比较案例

广州地铁六号线一期工程新旧盾构掘进工效对比。

3.1 施工3标工程概况［10］

施工3 标包括海珠广场站～一德路站、一德路站～文化公园站、文化公园站～黄沙站3个盾构区间，左线长度为2 442.262 m，右线长度为2 458.464 m。采用2台新的S377 和S390 复合式盾构机，区间线路最小曲线半径250 m，最大埋深约25.2～28.6 m，最大纵坡3%。

本区间沿线第四系土层覆盖于基岩之上，下伏基岩为白垩系（K）红层，岩性主要为泥钙质胶结的泥岩、泥质粉砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩，部分风化岩有溶蚀小孔洞。盾构隧道几乎都在＜7＞、＜8＞、＜9＞岩层中穿越，各类岩层占比如图10所示。

图10 主要地层所占比例统计Fig.10 The Stratigraphic Proportion of the Shield Interval

3.2 施工4标工程概况

本工程由海珠广场站～北京路站～越秀南站～东湖站吊出井盾构区间隧道双线总长为3 564.21 m，左、右线线型基本一致。右线采用海瑞克S244 复合式旧土压平衡盾构机，左线采用三菱1638#复合式旧土压平衡盾构机。

本标段盾构机穿越的地层与3 标相差不大，都在白垩系＜7＞、＜8＞、＜9＞岩层中掘进，如图11所示。

3.3 掘进效率对比

4 台盾构机参数差异不大。但S244 的掘进效率最低，如表2所示。

图11 左、右线隧道洞身地层情况统计Fig.11 Stratigraphic Proportion of the Shield Interval between Left and Right Tunnels

表2 掘进工期Tab.2 Excavating Schedule

3.4 施工4标日掘进效率低原因分析

从表2 中可看到施工4 标左右线掘进效率较低，特别是右线的S244盾构机，分析其效率低的原因可归结以下2点：

3.4.1 盾构机本身及其配套设备的故障较多

主要集中体现为盾构双轨梁和管片拼装机故障多。据统计右线1～200 环中盾构机及其配套设备的故障时间约400 h。由于配套的设备也陈旧，与之带来的故障也多。

3.4.2 盾构机适应性稍差

渣土改良系统由于系统老旧，没有使用多管多泵泡沫系统及自动注入功能，从而使得掘进过程中刀盘结泥饼及喷涌现象时而发生。

上述案例中，旧盾构机虽然摊销费用较少，但是频繁的设备故障，使掘进工效降低，掘进时间延长，反而增加了管理成本。一些设备原件的老旧，使得无法达到原出厂设备功能的要求，也很容易造成掘进困难。

4 结论

⑴盾构机作为一种大型工程机械，由于设备价格高，在固定资产摊销上，使用时间越短，施工成本占比越高，如果轻易报废，必将造成巨大的成本浪费，盾构机再利用从防止产能浪费方面应该被鼓励。

⑵再利用并不等于永久可以循环再用，对于盾构主轴承这一关键部件，不应单纯地以达到10 000 h作为轴承寿命终点，应根据盾构机工况一事一议，谨慎评审，特别是对于接近寿命极限的盾构机。

⑶刀盘、刀具、螺旋机在再利用过程中，可适当增加耐磨块和磨损检装置，减少损坏，增长使用寿命。

⑷使用旧盾构虽然摊销费用较少，但是频繁的设备故障使掘进工效降低，“带病工作”反而拖延了工期，增加了管理成本。改造不到位或不当甚至会造成盾构掘进困难，因此在下一标段实施前，进行维修改造方案的适应性评审非常有必要。