雙圓改成單圓盾構機的主要技術措施與應用

陳佳璋

上海市第二市政工程有限公司,上海

1 概述

從日本“IHI”重工引進的 Φ 6520 mm 雙圓盾構機,經上海軌道交通4、6號線隧道施工使用,雖有一次掘進形成雙向隧道、工期周期縮短的優點,但在群樓密集和各種地下管線較多的地區使用,因地表沉降較大等因素,受到限制、因此,雙圓盾構將退出在上海的應用。

引進一臺新盾構的價格,日本制造的約為人民幣3000萬元,歐盟制造的價更高。把在上海棄用的雙圓盾構,采取合理的技術改造措施后,改成兩臺單圓盾構是可行的,而使每臺改制費用控制在人民幣1000萬元左右,其經濟和社會效益十分顯著。

2 主要技術措施

1、設計、制造盾構新殼體：如圖1所示,雙圓盾構的殼體是“眼鏡型”的。其外徑為 Φ 6520 mm,且切口環和支撐環的殼體是左右拼裝結構。新設計的單圓盾構殼體的整圓切口環、支撐環和盾尾的外徑為 Φ 6340 mm,長度分別為 2845 mm,2820 mm,2230 mm(見圖2),并充分考慮了它們的強度與剛度。

2、原刀盤的改進

圖1 雙圓盾構正視圖Fig.1 The double-circular shied front view

雙圓盾構分左、右兩個扇形條幅式的刀盤,切削直徑為 Φ 6520 mm。改進后的刀盤切削直徑為Φ 6350 mm,結構尺寸的改進見圖3：①4根主幅條改成6根(見圖3);②在仿形刀的2根主幅條中間截開,去除多余長度以適應切削直徑的變動,而仿形刀的安裝結構不變(見圖4);③無仿形刀的2根主幅條截去外周多余長度(見圖4);④檢查受損刀具數量,并及時更換或修復;⑤新增幅條上的主切削刀和貝殼刀;⑥為增強切削土層的適應性,在刀盤周邊配置4把強化刀;⑦刀盤外圈用耐磨合金材料堆焊與外圈保護刀予以保護(見圖5、圖6、圖7);⑧重新布置刀盤攪拌片。

圖2 1-切口環,2-驅動裝置,3-支撐環,4-盾尾,5-行星減速器Fig.2 1-slotted ring,2-driver,3-retaining ring,4-shield tail,5-planetary reducer

3、刀盤驅動裝置的參數分析

刀盤由13臺電動機通過減速比為186.7的行星齒輪減速器和回轉支承(減速比為9.4)來驅動。今與相似直徑的單圓盾構驅動參數的分析、比較見表1。

圖3 新刀盤Fig.3 New culterhead

圖4 原刀盤的改進Fig.4 Original cutter improvement

圖5 刀盤外圈Fig.5 Cutter outer ring

圖6 外圈保護刀Outer ring protective cutter

圖7 強化刀g.7 Uprated cutter

由表內數據可見,Φ 6.34 m盾構(本方案)與Φ 6.14 m盾構(用于北京軌交10號線)相比較,反映盾構能力的刀盤驅動轉矩與轉速是能滿足使用要求的。

4、拼裝機的改進

單圓盾構所用的管片與雙圓盾構的管片是不同的。因此雙圓盾構所用的單臂管片、中柱管片拼裝機及管片頂升裝置均不能在單圓盾構中使用,但對雙圓機原有的盤體、油馬達、行星減速器及大齒圈等驅動裝置可予利用,改成適用于懸壁梁結構的單圓盾構通用管片拼裝機。拼裝機驅動裝置的主要參數分析與比較,見表2。由表內數據可見,Φ 6.34 m與Φ 6.14 m盾構,所用油馬達為同一型號,但使用工作壓力不同,公稱排量與輸出轉矩也接近。因此,改成單圓盾構后,拼裝工況能滿足要求。

表1 單圓盾構機刀盤驅動參數分析Table 1 Single-circular shield cutter drive parameter analysis

5、液壓推進系統的改進

①為節約成本,原則上充分利用原有的液壓元件。但在重裝時,對元件進行清洗、油漆、重新調試、安裝。從實際使用結果看,這樣做是合理的、成功的。

②關于液壓推進系統,作了較大的改進。按照Φ 6340 mm單圓盾構工作時土壓的分布是較深區域大于較淺區域。為了平衡各區域的推進力,將上、下、左、右4個區域的油缸配置,由原來各區域均為4個缸,改成上區3個缸,下區為5個缸,左、右2區不變仍為各4缸(見圖8)。經油缸配置變動后,各區域的推進力與其土壓相匹配,而各區域的調控壓力、即減壓閥的二次壓力,基本上相差不大。在直線推進時,總壓力可往下調,達到節能的目的。當需要向上或向下,向左或向右調控掘進方向時,減壓閥的二次壓力的變化亦相對減小。有利于總壓力的下降,使液壓控制系統更合理和方便。

③在仿形刀的液壓系統上,有一個累積式流量計,用于測定仿形刀的位置。該流量計以往由日本進口,價格昂貴。本次改用自行研制的流量計,使用可靠、方便,而價格僅為進口的1/3。

表2 Table 2

④原雙圓盾構中拆下的液壓元件作如下處理：凡完好的,清洗調試后作備件;少量已損壞的,或污染嚴重、銹蝕、磨損的予以報廢。

⑤液壓推進系統的原有一個閥組設計并不先進,也不合理。如用插裝閥、電磁球閥(小型)、液動閥、單向閥、小濾芯等組成,是非標準件,即復雜,制造又困難,估計是日本“IHI”公司 20年前的設計。現在隨著液壓技術的進步,已大量使用大流量密封性好的電磁球閥在推進系統中,使其結構標準化,方便維修與更換。另外一種平衡閥也是同樣情況。由于這次修改時間緊迫,這進一步的改進,留待日后進行。

6、電氣設備及控制系統的改進

原雙圓盾構的強電設備均為日本進口,這次改進時一臺盾構機沿用了原有電氣設備。另一臺采用了國產的高低壓柜,柜里邊配備了國產的高壓開關和變壓器以及低壓總開關,電氣設備已經全部國產化。在自動控制方面,原日本進口盾構機的控制方式已經陳舊,有多個PLC主站控制多個機械、液壓及氣動系統,站間控制點較多且聯絡接線繁多,安裝調試復雜,系統維護很麻煩。這次我們做了改進,采用了PLC的主從站控制方式,由一個PLC主站控制有12個遠程I/O模塊組成的從站,主站設置在盾構機主控制柜里,從站直接布置在各個獨立的機械、液壓,氣動等系統設備旁邊的電氣控制分柜里。采用了CC—LINK通信方式。這樣布局合理,使得設備安裝調試檢測與系統維護都很方便。另外控制系統的傳感器也基本實現了國產化。

3 在杭州地鐵施工中的應用

該兩臺盾構機改制后分別于今年6、7月份陸續在杭州軌交二號線的掘進施工中應用,到9月初,第一臺盾構掘進了570 m,第二臺盾構掘進了290 m。盾構機刀盤切土順暢,開挖面的土壓平衡控制良好,地表的沉降控制在施工規定的范圍內。刀盤轉矩在3000～5000 KN.m之間,而刀盤油壓在 25 MPa～32 M Pa之間。管片拼裝機動作準確到位,工作正常。推進系統最大油壓為34 M Pa,最大總推力為3400噸。盾構機掘進速度為4～6 cm/min。盾構機4個分區油壓調節控制良好使機器糾偏自如,操作性能好,機器運行正常。符合改制的各項技術指標及要求。

[1]汽車工程設計手冊[M].設計篇.北京：人民交通出版社,2001.

[2]肖超勝,陸華忠,云 皓.豐田汽車維修手冊[M].底盤新技術新結構.長春：吉林科學技術出版社,1996.