直徑9m級土壓平衡盾構再制造升級實踐與分析

馬傳智，李 坤，趙新合，鐘慶豐，陳良武

（中鐵工程裝備集團技術服務有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構作為隧道施工領域的高端智能裝備，廣泛用于地鐵工程、城市綜合管廊、鐵路及公路隧道、引水隧道等工程。據統計，至2019 年底，我國盾構保有量已超過2 000 臺套，且仍以平均每年300 臺套的速度增長。隨著盾構掘進里程及使用年限的增加，市場上的盾構產品有30%將面臨大修和報廢，且實際應用中盾構僅使用一次就報廢的工況很少，往往會涉及多個項目，盾構再制造前景廣闊，將逐步成為行業新興的組成部分。

1 盾構再制造

“再制造”概念于20 世紀90 年代被提出，是利用高新技術對有剩余壽命的報廢零部件進行專業化修復、性能升級，獲得技術性能和質量上不低于甚至超過原機新品的水平再制造產品的過程，有利于降低成本、降低資源和能源消耗、減少環境污染，是制造產業鏈的延伸，能以最小的投入實現最大的產出效益。新造盾構機與再制造盾構機能源消耗比較如表1 所示。

表1 新造盾構與再制造盾構能源消耗比較（單位：t）

1.1 盾構再制造原則總體方案設計

盾構作為集機、電、液、光、傳感和信息于一體的大型高精尖裝備，具有結構復雜、零部件種類多、數量大等特點，其再制造應遵循以下基本原則。

1）滿足適應性條件下，綜合考慮技術、經濟性和節能環保等因素，堅持節能環保優先原則，降低成本和對環境的負面影響。

2）根據產品附加值不同，實行分級管理，高附加值零部件以修復和性能提升為主，低附加值零部件以更換為主。

3）多元并舉，合作開展再制造。外圍零部件可選用合作開發或委外加工的模式。

4）技術創新，結合產品制造優勢，開展技術攻關，研發新技術，開發具有自主知識產權的技術和產品，提高企業競爭軟實力。

5）基于上述原則，盾構再制造過程中零部件分擔比例如圖1 所示。

圖1 盾構再制造過程零部件的分擔比例

1.2 盾構再制造流程

由于盾構配置情況、作業環境及使用工況不同，在對盾構進行再制造時需要結合設計圖紙、設備履歷、動靜態評估報告、維修保養記錄等進行全面評估分析，清楚地了解盾構的狀況，再綜合擬用項目地質資料及調入地盾構管理要求，得出最佳的再制造方案，經專家論證評審通過后開始再制造工作，通過設備驗收保障其性能、參數達到再制造要求，其主要工作流程如圖2 所示。

圖2 再制造工作流程圖

1.3 盾構再制造關鍵技術

運用盾構評估技術結合盾構施工工況、歷維修保養等因素，對盾構整機狀況做出判定，預估盾構剩余壽命，判定盾構再制造的必要性。綜合再制造適用性技術對將要掘進區間的地質適應性、施工風險和施工重難點分析，做出工程適應性評價并利用現行的技術對盾構系統進行升級改造，提高盾構可靠性。

1）整機機況評估技術 綜合運用油液檢測、振動檢測、整機性能檢測等方法對整機進行機況判定。

2）剩余壽命綜合評估技術 利用整機機況評估技術，結合盾構歷史故障及處理方法、效果，評估判斷整機剩余壽命。

3）再制造綜合必要評估技術 運用整機機況評估和關鍵核心部件和剩余壽命綜合評估技術，評估盾構再制造的必要性：以掘進里程大于等于10km 進行判定。

4）再制造適用性技術 根據擬使用項目的設計線路、水文、工程地質等條件，評估論證舊盾構的選型、設備配置及參數的合理性，保證盾構的適應性。

2 案例實踐

2.1 設備概況

中鐵450 號盾構由北京城建于2018 年4 月20 日～2019 年1 月23 日北京市軌道交通新機場線一期工程土建06 標磁各莊站-1#區間風井掘進2 712m。

再制造改造后將用于珠三角城際琶洲支線PZH-1 標，貝崗公園明挖段-大學城東站區間里程左線DK4+550-DK5+774 距離約1 222.395m，右線YDK4+550-YDK5+774 距離約1 221.762m。掘進區間里程約2 444m，主要地質全風化混合巖、強風化混合巖、泥質砂巖地層，局部中風化軟硬不均地層。

2.2 功能改造與提升方案

為滿足珠三角城際琶洲支線盾構適應性需求，安全、優質、高效地完成本標段施工任務提供設備保障，需對盾構進行擴徑再制造。

2.2.1 改造前后技術參數對比（表2）

表2 改造前后技術參數對比表

2.2.2 各系統分析

1）開挖直徑變大，新制刀盤 刀盤開挖直徑為?9 130mm，采用6 主梁+6 面板+6 扭腿的結構形式，刀盤開口率33%（中心開口率38%），開口分布均勻，刀盤同時具備軟土、硬巖掘進的能力。刀盤刀具設計考慮了硬、軟巖刀具可進行互換，刀盤既可安裝撕裂刀，也可安裝滾刀；刀盤初裝刀為19 寸單刃滾刀（可安裝20 寸刀圈）。改造前后刀盤方案對比如圖3 所示。

圖3 改造前后刀盤方案對比圖

2）擴徑改造，新制盾體 盾體設計是采用外置注漿管，主要適用于軟土地層。新項目主要是復合地層，需對原盾體系統進行再制造。由于管片分度發生變化，由原22 個點位變為19 個點位，中盾需要重新制作，前盾分塊位置、鉸接座子布置和筋板布置全部不合適，需要重新布置。再制造方案為整套盾體全部重新制作，包括前盾、中盾和尾盾，注漿管采用內置式注漿管。新制盾體直徑為?9090mm／?9075mm／?9060mm。

3）管片拼裝機 原管片拼裝機適應管片規格 為?8800mm／?7900mm-1600／16.3°，由 于新項目管片內徑和分度發生變化，真空吸盤結構不再適用，需新制真空吸盤適應管片規格?8800mm／?8000mm-1800／12.8°。

4）管片吊機 原管片吊機結構形式為鏈輪+鏈條結構，起吊重量為4×5t，抓取形式為真空吸盤結構。原管片吊機能力滿足新項目使用需求；由于管片規格發生變化，原吊機真空吸盤不再適用，需新制真空吸盤，其余部件可重復利用。

5）推進系統和鉸接系統 原推進油缸布置對應原項目管片22 個螺栓孔，新項目管片為19 個連接螺栓。使用于新項目時，存在局部點位不能拼裝和推進油缸撐靴存在騎縫現象。重復利用原推進系統，對原推進油缸進行重新分組、布置，推進油缸分組為6+8+3+4+3+4，如圖4 所示。

圖4 推進油缸分組示意圖

3 過程管理要點

3.1 設備評估及方案管控

設備評估有動態評估和靜態評估兩種。為保證評估的準確，需對以下方面加強管控。

1）油樣抽取一般在熱機狀態進行，不得停機一段時間后抽取。

2）承包商應如實提供盾構的履歷，包括項目名稱、地點、時間、水文、地質情況及故障處理、維修保養記錄等。

3）刀盤、盾體等鋼結構需委托有專業資質的廠家進行無損探傷。

4）對盾構部件的現狀進行詳細的檢修并拍照留檔。

5）再制造方案需尊徐行業改造原則并滿足項目使用要求；方案評審時需機械和地質方面專家參加。

3.2 生產分級管理

根據系統的重要程度及對設備的影響，將盾構各系統分為一級維修項、二級維修項、三級維修項三級，進行分級管理（表3）。

表3 分級管理定義與項目分類

3.3 質量管控

1）技術人員根據實際工作需要定期組織制定、更新工藝文件并保證文件處于受控狀態。

2）關鍵部件現場拆裝需如實填寫拆裝記錄表并簽字，如實記錄拆裝過程保證過程的可追溯性。

3）關鍵委外部件進行質量派駐監造；不定期對加工／檢修過程進行抽檢。

4）關鍵委外部件驗收由采購、技術、質量聯合開展，形成驗收、整改記錄，要求廠家在規定時間內提供簽字、蓋章版整改回復（整改方式+整改后照片）及加蓋公章的紙質與電子版質量資料。

5）初驗合格后，根據終檢表對關鍵系統進行維修驗收并形成驗收、整改記錄。

6）整機調試完成后，按照自檢、內部驗收、外部驗收順序逐級驗收，外部驗收合格方可移交出廠申請。

7）再制造過沖中做好相關工作記錄，影響資料留存同時做好保密工作。

4 再制造效果

經過改造升級、系統恢復的盾構順利通過業主及專家組驗收。如圖5 所示，經過組裝及調試后在琶洲PZH-1 工區成功應用，整機性能突出，已順利掘進84 天，日進尺最高14.4m，月最高進尺365.4m，平均進尺為9.58m／d，達到了預期目標。

圖5 周進尺統計圖

經成本核算，本次再制造投入費用約1 700萬元，盾構原值9 000 萬元，再制造成本為盾構原值的18.9%，節省生產工期38%，節約材料56.9%，取得了良好的社會、經濟效益，并減少了對環境破壞。不同來源盾構對比分析如表4 所示。

表4 不同來源盾構對比分析

5 結論與建議

1）再制造可使廢舊盾構中蘊含的價值得到最大限度的開發，是企業節約成本的新途徑，符合國家綠色制造的發展方向，對擁有盾構的企業有益。

2）完善政策法規，加強政策指引和市場監管，建立產品標識管理制度和再制造產品認證體系，杜絕不合格翻新產品影響正規再制造產品的銷售。

3）加強盾構部件在制造修復技術的攻關和應用，重點巖脊再制造設計、部件總成的再制造技術、甄姬信息化、液壓系統等升級換代技術，為盾構再制造提供技術支撐和質量保障。

4）建立盾構信息大數據平臺，充分發揮協同平臺作用，實現盾構制造企業、專業再制造企業、施工企業間信息共享與良好合作，構建新的產業發展體系，提高盾構的利用率。