泥水盾構破碎機油缸的優化改進

司馬少坤，王又增

（1.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001；2.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

泥水盾構是利用泥漿循環系統將刀盤開挖的渣土、砂石等排至洞外。通常氣墊平衡式泥水盾構氣墊倉底部，排漿管的前部設置有破碎機，對刀盤開挖下的巖石等進行破碎，以滿足排漿泵抽漿粒徑需求。

破碎機主要有兩個功能，一是破碎功能（圖1），對較大渣石進行破碎至需要粒徑；二是攪拌功能，對氣墊倉底部渣漿進行充分攪拌，防止渣漿在氣墊倉底部淤積沉淀。

圖1 破碎機工作狀態示例圖

若破碎機出現故障，刀盤開挖的大塊巖石不能滿足出渣要求，而且渣漿在氣墊倉底部淤積風險較大，強行推進或者破碎機故障沒有被發現的話，就會造成排漿管進口堵塞或者排漿泵葉輪損壞，致使整個環流系統癱瘓，盾構被迫停機。

對于巖石地層或者上軟下硬地層區間段，沒有破碎機的破碎，盾構很難推進。破碎機主要由油缸、鄂板、油管等組成。在實際工況中，破碎機油缸易出現問題，而且修復比較困難。

破碎機油缸在環流系統或整個泥水盾構中具有舉足輕重的地位。

1 工況介紹

氣墊倉顎式破碎機安裝在氣墊倉底部（圖2），泥水盾構在施工時氣墊倉為半倉壓縮空氣半倉渣漿，顎式破碎機包括油缸長期浸泡在泥漿及砂礫中（圖3），破碎機油缸長期在這種惡劣工況中伸縮擺動。正常工作時，破碎機油缸每分鐘連續伸縮2～3 次；若是渣土礫石堆積，則會增加破碎機油缸伸縮的阻力，渣土礫石的蠕動或者長期浸沒在渣土礫石堆中伸縮，破碎機油缸很容易被外部介質劃傷，影響油缸的密封（圖4），進而導致油缸密封失效漏油和液壓油的污染，加劇整個破碎機系統失效，導致整個施工掘進癱瘓。

圖2 破碎機布置圖

圖3 破碎機油缸工況

圖4 破碎機油缸失效（劃傷，漏油）

隨著經濟發展和隧道建設的需求，超長距離、超高硬度巖石等復雜隧道逐步呈現，破碎機油缸的工況也更加惡劣，在現有1～3km 標段已經出現破碎機失效的情況，嚴重制約了泥水盾構的施工進度。

2 現有技術

破碎機油缸由于長期工作在特殊工況下，油缸的壽命和可靠性對施工進度影響很大。現階段，處理破碎機油缸故障[3～4]和延長破碎機壽命技術措施和手段有限。

在較長距離盾構段施工時，要分階段或者根據盾構段地質的復雜程度定期進入氣墊倉進行破碎機油缸檢修或維護，常用處理方法是工人進倉維修或者在倉內更換油缸，甚至需要專業人員進入充斥有壓縮空氣的氣墊倉進行檢修和維保作業，作業人員勞動強度大，而且具有一定的風險。

國內很多學者針對泥水盾構破碎機油缸改進提出很多改進措施。例如，張寧川等人改變倉內破碎機油缸布置并增加油缸連桿，意在減少油缸與濃渣漿接觸；楊愛軍等人設計一種泥水盾構破碎機，改變破碎機的工作方式，采用單油缸設計并且油管外置；程永亮等人設計一種泥水盾構碎石裝置，把缸套和油管置在倉外，油缸桿置于倉內。上述這些設計和改進在一定程度上改善了破碎機的工況，提高了破碎機系統工作的可靠性，但是沒有改善油缸桿浸沒氣墊倉渣漿的工況，另外受空間和結構限制，實現難度大，而且實現成本較高。

3 改進措施

3.1 增加防護套

破碎機油缸主要由油桿和缸套組成，油缸桿和缸套的移動副在渣漿環境中工作，油缸桿表面易出現劃痕、密封易出現劃傷。針對這種失效，在缸套外面設計防護套（圖5），缸套外表面進行精加工、鍍鉻硬化表面處理，達到油缸桿同等表面效果。防護套設計有高承壓油缸密封，防護套及密封和原有缸套形成新的移動副。防護套的存在，避免惡劣工況直接和油缸桿接觸，提高了油缸的工作壽命。

圖5 防護套改進示例圖

防護套及密封和缸套形成的移動副作為油缸桿的防護，即使缸套外表面劃傷或新移動副密封損傷，外界渣石也不會直接接觸油缸桿，原有油缸密封劃傷失效的概率較低。

3.2 倉外監測

通常油缸密封監測很難，很多油缸密封失效后，無法高壓工作，至此才得知油缸密封失效，無法做到提前預判。

防護套及密封和缸套形成一個密閉腔體，在油缸上設計通氣孔并通過管道連接至倉外（圖6）。在定期維修保養中，往密閉腔體通入壓縮空氣并進行保壓測試，通過壓降值可以直觀判斷密封的密閉程度，有利于做到提前監測，事前預判。

圖6 密閉性監測原理圖

4 改進效果

此優化改進僅增加油缸防護套、密封及部分監測管路，占用的空間很小，在現有盾構設備和新設計盾構中容易實現，成本較低。

增加防護套、密封等舉措，有效防止油缸桿劃傷及密封失效，此優化改進比普通破碎機油缸延壽至少1 倍以上，降低了破碎機故障概率和維保的頻率。在同等地質盾構段，減少了帶壓工作的時間，減輕了作業人員帶壓工作的強度，提高了泥水盾構施工的效率，降低了帶壓維修設備風險和次生風險，對保障施工的高效性和安全性具有重要意義。