天津地铁11号线泥水平衡盾构机技术改造措施

蔡伟
（中交一航局城市交通工程有限公司，天津 300457）

摘　要：本文针对天津地铁进行泥水平衡盾构法施工的具体施工技术以及施工环境需要，提出了对于既有条件下的盾构设备进行改造措施，以全面保障盾构设备能够充分发挥既定的施工性能要求，全面提高盾构施工中的安全性、高效性、质量保障性。
盾构法隧道施工技术在地铁建设的过程中受到了广泛的应用，全面提升了工程的施工速度，提升了工程建设品质，只有通过选择适合的盾构技术和设备，才能充分适应工程建设的需要，满足施工要求。

1  工程概述
天津地铁 11 号线 TJ-06 标共计 2 个盾构区间。盾构区间线路自环宇道站始发后沿环宇路向东行进，至雪莲南路小里程端接收。后盾构机转运至雪莲南路大里程端进行二次始发，向招远路站推进，在招远路站接收。两个区间线路全长 2.5km，最小转弯半径 R=600m，最大坡度 24‰，最大覆土厚度 19.7m。
2  改造适用性分析
2.1  改造原因
我单位在天津地铁施工运用一台自有盾构机。该设备来源采用两台盾构机组合维修、改造的总体思路，以 IHI425盾构机为主体，使用 IHI437 后配套台车进行组合维修、改造。IHI425 盾构机、IHI437 盾构机是公司 2008 年采购的两台盾构设备，厂家为日本中和物产株式会社。采购时间接近，机器型号类似，主要系统部件可以通用。IHI437 盾构机刚刚完成北京地铁施工任务且工况良好，因直径尺寸问题无法满足天津地铁施工要求，故采用与 IHI425 盾构机组合方式进行维修、改造，满足天津地铁盾构项目要求。将两台盾构机剩余部分作为今后施工中备件机，一旦在盾构机掘进过程中出现配件问题，可立即从备件机中拆解安装，以达到保证现场施工进度的目的。改造前的盾构机设备基本工况情况，见表 1。

2.2  需要改造的部分
（1）刀盘驱动装置。刀盘改造的内容包括了主驱动密封更换、驱动单独拆解驱动减速器及齿轮油更换。
（2）人行闸。增加各舱室的独立视频监控系统，自动消防喷淋系统和作业环境有害气体实时检测系统。
（3）铰接系统。铰接前后部位拆解，更换铰接密封。
（4）同步注浆系统。重布外置式注浆改造，保证注浆管四备四用。
（5）螺旋机。螺旋机增加前闸门；增加滑动伸缩功能；后闸门增加为双闸门，并具备紧急自动闭合功能。
（6）皮带机。皮带输送机增加螺杆微调装置。
（7）台车。增加防撞装置，原有下部丝杠连接，改成顶部钢板销轴连接的形式。
（8）盾尾油脂。盾尾油脂注入系统实现单泵单腔注入，同时，在每个盾尾注入口出口处增加压力传感器，监测出口盾尾油脂注入压力。
（9）加泥系统。将原胶管挤压泵更改为螺杆泵。同时，需对原加泥箱进行改造，降低加泥箱高度。
（10）电气系统。PLC 程序相应更新、更换模块，盾构机操作室操作盘功能恢复。
2.3  维修改造目标
盾构机经过系统性的全面改造之后，要求能够更加适应天津地铁施工中的各项客观施工条件，提高盾构机施工过程中的安全性，能够有效地提高施工效率，同时，又能够确保施工质量满足技术和规范要求，全面提升施工技术水平。

3  天津地铁 11 号线泥水平衡盾构机改造技术
3.1  泥水平衡盾构机改造
（1）刀盘驱动装置。
刀盘驱动装置的重新组装注意要点为：装上密封隔舱；将大轴承吊装于壳体上，并按要求的扭矩用相应的紧固件将其固定；驱动壳体吊装，并按要求的扭矩用相应的紧固件将其固定；将各电机驱动总成吊装于各相应孔内，并按要求紧固；在组装时，注意不得漏装零件及密封件；待主机总装时，将驱动装置总成装入切口环内，并在其内腔注入相应牌号的油脂；待盾构总装完成后进行驱动装置的调试。
（2）螺旋输送机。
对现有螺旋机进行升级改造，增加前闸门及伸缩功能装置，并增加相关电控液控装置和程序，拆检相关叶片轴及驱动装置，核算相关结构参数。为更有效地保证相关改造性能参数符合要求，需对螺旋机系统进行全面的计算。
①螺旋机输送量核算
螺旋机输送量：

式中，Ds 为螺旋机叶片外径（m）；ds 为螺旋机叶片轴外径（m）；ts 为螺旋机叶片螺距（m）；ns 为螺旋机转速（m）；Rs 为综合系数（通常取 0.8）。
由图可知，该螺旋机叶片外径 0.71m，考虑最大通过粒径该螺旋机叶片轴外径为 0.19m，因此，综上可计算螺旋机输送量：

 ∴ 满足出土要求。
②增加螺旋机前置闸门，加装双缸驱动式伸缩装置并配有导向柱防扭功能。
③螺旋机伸缩对螺旋机腔体进行改造，加装套筒及伸缩油缸增加一道后闸门装置。
④外形检查，包括其是否发生变形、弯曲，需要调整的部分要确保修复到位。对于耐磨层的厚度进行检查，厚度较薄的要进行堆焊，补充厚度。检查筒体的磨损情况，堆焊必要的磨损层，更换相应的密封圈。排土口位置要充分检查，防止堵塞。对驱动装置进行拆解检查，损坏构件及时更换，更换齿轮油，检修后对驱动装置执行空载性能测试，保障其功能性良好。
（3）盾尾密封油脂系统。
因为天津地铁施工中存在部分中、重度液化砂土地质环境的土层，因此，盾构改造通过在盾尾处增设油脂注入系统，全面实现了单泵单腔注入。通过压力传感器检查注浆压力，进而提供注浆量控制的必要参数，保障油脂始终能够被有效地注入指定位置。油脂泵以及压力传感器同步安装，对于连接管道的密封性进行检查，各个仪表原件的性能充分进行检查，调试合格后投入使用。
（4）人行闸。
通过增设舱室的安全、消防系统设备，全面提升施工中的设备以及人员安全保护能力。主要的设备系统包括：监控系统、自动消防喷淋系统、有害气体识别监控系统等，对于各个系统的电器元件、管道线路进行全面检查，对于灵敏度不足、损害破损的部分进行全面的更换和修复。
（5）皮带机系统。
皮带机张紧系统的功能实现主要是通过底梁导轨上的丝杠张紧结构，以螺母控制丝杠滑动，实现皮带前后的移动能力，实现皮带机张紧。对托辊、挡轮、辊筒、皮带进行全面的检查，更换损坏构件。
（6）台车连接装置改造。
将原有台车间的连接模式进行必要的更改，之前的连接方式是丝杠螺纹连接模式，这种方式的台车连接不方便，并且可能会受到较多的锈蚀影响，通过将台车连接方式改为销轴销孔拉杆，有效地提高了其连接效率，有利于防锈维护的开展。
（7）加泥系统升级改造。
原加泥系统采用立式搅拌箱，并配备 2 台排量 350L/min 胶管挤压泵。按需将原胶管挤压泵更改为螺杆泵。本次拟采用 4 台排量 180L/min 螺杆泵，该泵最大压力 1.2MPa，配备定子测温保护功能。同时，需对原加泥箱进行改造，降低加泥箱高度，布置加泥泵于箱体底部。另外，加泥系统需新增 2 路管路及流量测量系统。同时，对控制系统进行改造，实现加泥系统操作室触摸屏精准控制。
（8）电气系统。
对电气系统的各个组成构件进行充分的检查，包括电动机、动力柜、操作柜、张出台、接线箱、主开关、接触器等，确保气性能良好，满足使用。传感器、仪表组件要通电检验。
3.2  改造后盾构机保障优势分析
改造后的泥水平衡盾构机，在多个指标参数方面都表现出了突出的优势特点，有力地提高了盾构在施工过程中的安全性、高效性，确保工程施工能够更好地满足质量要求。
（1）原有的注浆管道注浆效果不理想，主要是单液注浆的方式不能有效地满足施工需要，当经过加固区段，因为加固区段的土层经过了硬化或者强度处理，导致这种注浆方式难以有效地适应全路线的连续施工作业需求，并且在这些特殊施工区域不能得到良好的施工效果，改造后，将原有的外置注浆枪设备去掉，改造成为多管路的注浆设备，提高了在施工过程中的注浆流量以及流量的控制能力，同时，将注浆管的整体高度降低，有利于提高注浆的实际效果以及特殊土层的处理能力，注浆管能够快速准确地达到目标注浆效果。
（2）提高原有盾构机的施工耐磨性，通过在盾构机的外壳以及其他与土层直接接触的位置，进行耐磨堆焊施工，将磨损部位转移到堆焊位置，显著提高了盾构机相应位置的长期使用能力，提高了盾构机的施工性能质量。
（3）通过改进增加皮带张紧装置，能够有效使皮带始终处于良好的紧力状态下，始终保障盾构的皮带传送效果，减少了皮带的无功功率发生，充分提高了盾构机的工作效率。
（4）两台盾构机品牌一致，机型接近，大部分配件通用。因此，IHI437 盾构机将作为备件机，为改造后的 IHI425 提供配件支持，充分保证设备正常运转。
（5）增加螺旋机闸门，将目前的闸门增加为双闸门，这样的改装有效地提高了闸门的闭合能力，当闸门接到系统的关闭命令后，双闸门的加装能够有效地提高闸门的成功关闭率，有效地确保了施工工作中的安全，双缸驱动式伸缩装置的改造能够有效地实现滑动伸缩的能力，同时，配备的导向柱还能提高其抗扭能力，有力地提高了盾构机的适用能力。

4  结语
通过对泥水平衡盾构技术设备的改造，旨在满足地铁施工要求，同时，提高闲置设备使用效率，有效地避免国有资产闲置浪费。同时，降低了施工成本，有效提高施工效率和质量水平。在技术改造的过程中也要充分保障各种改造手段科学合理，引入第三方专业单位进行改造验收，并出具鉴定报告，使改造效果始终能够达到既定目标的要求。
参考文献：中国知网

（来源：中天重工）