鉸接滑筒式連續(xù)掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)外滑筒制造關(guān)鍵技術(shù)研究＊

王 輝 ，王開強(qiáng) ，孫 慶 ，王志云 ，朱曉冬 ，馮文強(qiáng) ，邢朋飛 ，王 暢 ，鄭志遠(yuǎn) ，趙永強(qiáng)

（1.中建三局集團(tuán)有限公司，湖北，武漢 430000；2.中建三局科創(chuàng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，湖北，武漢 430100）

0 引言

近年來，城市地鐵盾構(gòu)隧道工程飛速發(fā)展，加快施工速度、降低工程造價(jià)逐漸成為發(fā)展趨勢[1-2]。目前常規(guī)盾構(gòu)機(jī)采用盾構(gòu)掘進(jìn)與管片拼裝交替進(jìn)行的模式，施工效率無法得到提升。日本提出“管片同步拼推”的盾構(gòu)機(jī)連續(xù)掘進(jìn)理念，即盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)管片拼裝。相較常規(guī)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)拼裝交替進(jìn)行的模式，連續(xù)掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)與拼裝同步進(jìn)行，大幅縮短施工時(shí)間，并降低施工成本。基于盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)管片同步拼裝理念，國內(nèi)外研究人員陸續(xù)開發(fā)出長行程油缸工法、格構(gòu)式油缸工法、雙油缸同步掘進(jìn)工法、F-NAVI盾構(gòu)工法和LoseZero工法，但這些工法在盾構(gòu)姿態(tài)控制、小曲線轉(zhuǎn)彎方面存在明顯不足，實(shí)際應(yīng)用工程較少。僅長行程油缸工法和LoseZero工法（部分同步拼裝）在大盾構(gòu)施工中尚有部分應(yīng)用。為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本文開展一種鉸接滑筒式連續(xù)掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)的研究工作。相較常規(guī)盾構(gòu)機(jī)，鉸接滑筒式連續(xù)掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)制造的重難點(diǎn)主要體現(xiàn)在內(nèi)外滑筒，本文主要介紹鉸接滑筒式連續(xù)掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)外滑筒制造關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 內(nèi)外滑筒結(jié)構(gòu)及制造難點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

常規(guī)盾構(gòu)施工中，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)完成后，開始拼裝管片，掘進(jìn)與拼裝分步進(jìn)行。鉸接滑筒式連續(xù)掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)是在常規(guī)盾構(gòu)前盾及中盾之間增加一節(jié)鉸接式滑筒結(jié)構(gòu)，新增雙級(jí)螺旋輸送機(jī)，如圖1所示，鉸接式滑筒結(jié)構(gòu)包括外滑筒、內(nèi)滑筒、鉸接環(huán)、導(dǎo)向及密封裝置、推進(jìn)油缸、前鉸接油缸、鉸接密封。外滑筒通過法蘭及螺栓與常規(guī)盾構(gòu)前盾連接，外滑筒與內(nèi)滑筒之間設(shè)置有導(dǎo)向及密封裝置，在伸縮滑動(dòng)過程中，能夠避免周圍土體進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部，保證施工安全；外滑筒及鉸接環(huán)之間布置推進(jìn)油缸，通過推進(jìn)油缸來推動(dòng)外滑筒及內(nèi)滑筒前后滑動(dòng)距離1 500mm（一環(huán)管片寬度）；內(nèi)滑筒與鉸接環(huán)之間通過前鉸接油缸及鉸接密封連接，二者能夠?qū)崿F(xiàn)一定角度的相對(duì)擺動(dòng)，配合推進(jìn)油缸分區(qū)控制可實(shí)現(xiàn)同步施工時(shí)調(diào)向糾偏等功能；鉸接環(huán)通過法蘭及螺栓與常規(guī)盾構(gòu)中盾連接。掘進(jìn)時(shí)，推進(jìn)油缸伸出推動(dòng)刀盤和前盾向前掘進(jìn)，中盾和尾盾不動(dòng)，可進(jìn)行管片的拼裝；復(fù)位時(shí)，刀盤和前盾不動(dòng)，拼裝油缸伸出推動(dòng)中盾和尾盾向前復(fù)位；重復(fù)上述過程實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)與管片拼裝同步施工。

圖1 鉸接滑筒式連續(xù)掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 制造難點(diǎn)

針對(duì)鉸接滑筒式連續(xù)掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)外滑筒結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求進(jìn)行分析，主要存在以下制造難點(diǎn)。

2）常規(guī)盾構(gòu)的盾體為拼焊件，只起支撐防護(hù)作用，其驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)較低（表面粗糙度最高要求RA6.3，圓度≤5mm）。本文中外滑筒內(nèi)壁表面粗糙度要求RA1.6，圓度≤1mm，且外滑筒為薄壁大直徑筒體結(jié)構(gòu)，無內(nèi)部支撐，筒體變形控制難度大，加工要求高，需研究大直徑筒體變形控制措施及表面拋光技術(shù)，解決外滑筒大直徑筒體加工變形控制難度大及表面粗糙度要求高的問題。

3）為防止滑動(dòng)密封失效，內(nèi)滑筒支撐裝置不僅要求承載能力高，而且需要具有自潤滑、耐磨、防腐等性能，同時(shí)內(nèi)滑筒支撐裝置的加工公差既要滿足滑動(dòng)密封壓縮量要求，又要滿足內(nèi)外滑筒裝配要求。

4）由于內(nèi)外滑筒的裝配最小間隙為1mm，且內(nèi)滑筒的重量達(dá)48t，裝配過程中內(nèi)滑筒下降不平穩(wěn)容易卡滯并損傷滑動(dòng)密封。需設(shè)計(jì)特殊的裝配工裝，保證內(nèi)滑筒下降過程的平穩(wěn)性及同步性，確保裝配質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，解決內(nèi)外滑筒大直徑小間隙長距離的裝配難題。

2 外滑筒制造關(guān)鍵技術(shù)

2.1 外滑筒內(nèi)襯鑲嵌不銹鋼材質(zhì)選擇

外滑筒內(nèi)壁表面硬度要求HRC28-35，同時(shí)內(nèi)壁要求防腐蝕，采用的方案是外滑筒外側(cè)為低碳合金鋼Q345B，外滑筒內(nèi)側(cè)內(nèi)襯鑲嵌不銹鋼，需要不銹鋼的材質(zhì)滿足外滑筒內(nèi)壁硬度和防腐蝕要求。

綜合對(duì)比一系列材質(zhì)的力學(xué)性能、防腐性能及焊接性能，結(jié)合成本、市場貨源及工期等，選擇超低碳馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo，該材質(zhì)具有良好的強(qiáng)度、韌性、可焊性及耐磨耐腐蝕性能，屈服強(qiáng)度710MPa，硬度接近HRC30，滿足外滑筒硬度及防腐蝕等技術(shù)要求。

2.2 外滑筒內(nèi)襯鑲嵌不銹鋼焊接

如圖2所示，在內(nèi)襯鑲嵌不銹鋼04Cr13Ni5Mo上每隔300mm加工1個(gè)塞焊孔，共計(jì)660個(gè)塞焊孔，鉆孔后分別拼焊成1/3圓筒，再分別進(jìn)行卷圓，用樣板檢查圓度≤2mm。

圖2 塞焊孔加工

如圖3所示，外側(cè)Q345B筒體法蘭面朝下，通過千斤頂及夾緊工裝裝配三段不銹鋼圓筒，塞焊連接外側(cè)Q345B筒體。

圖3 不銹鋼筒體裝配

不銹鋼與外側(cè)筒體通過多次焊接工藝評(píng)定，按照焊接工藝評(píng)定報(bào)告進(jìn)行焊接，焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度100～200℃，采用小電流、對(duì)稱、多層多道焊接。對(duì)焊縫進(jìn)行UT探傷，符合NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測第3部分：超聲檢測》Ⅱ級(jí)要求，進(jìn)行硬度檢測，母材硬度為HRC29.8－30.3，焊縫硬度為HRC30.2－31.2，滿足技術(shù)要求。

2.3 外滑筒內(nèi)襯鑲嵌不銹鋼熱處理

按圖4熱處理工藝曲線進(jìn)行退火除應(yīng)力。將筒體內(nèi)支撐打開釋放應(yīng)力后再重新連接。將工件緩慢加熱至315℃后，以每小時(shí)60℃的速度加熱至565～595℃，然后爐內(nèi)保溫3.5～4.0h；工件隨爐冷卻至315℃，冷卻速度根據(jù)法蘭厚度確定為80℃/h，當(dāng)爐內(nèi)溫度到達(dá)315℃時(shí)，開爐拖出工件自然冷卻至室溫[3]。

圖4 熱處理工藝曲線

2.4 外滑筒內(nèi)襯鑲嵌不銹鋼機(jī)加工

外滑筒內(nèi)襯鑲嵌不銹鋼04Cr13Ni5Mo板厚18mm，機(jī)加工完后理論余留8mm耐磨不銹鋼層，通過外滑筒雙層撐圓工裝及粗車-半精車-精車-高精度砂輪拋光工藝，解決外滑筒大直徑筒體加工變形控制難度大及表面粗糙度要求高的問題。

3 內(nèi)滑筒制造關(guān)鍵技術(shù)

3.1 內(nèi)滑筒MC尼龍支撐裝置

為防止滑動(dòng)密封失效，內(nèi)滑筒支撐裝置不僅要求承載能力高，而且需具有自潤滑、耐磨、防腐等性能。

MC尼龍又稱澆鑄尼龍，具有重量輕、強(qiáng)度高、自潤滑、耐磨、防腐，絕緣等獨(dú)特性能，是應(yīng)用廣泛的工程塑料，幾乎遍布所有的工業(yè)領(lǐng)域[4]。因此，MC尼龍可滿足內(nèi)滑筒支撐裝置材質(zhì)要求。

3.2 內(nèi)滑筒MC尼龍支撐裝置公差控制

內(nèi)滑筒MC尼龍支撐裝置分塊拼成整圓后再整體機(jī)加工外圓，保證內(nèi)滑筒的外圓圓度精度，綜合確定MC尼龍支撐裝置在不同位置對(duì)應(yīng)不同加工公差，如圖5所示，內(nèi)滑筒MC尼龍支撐裝置的加工公差既保證了盡量小，滿足滑動(dòng)密封壓縮量要求，又通過整體外圓加工及不同位置公差控制來滿足內(nèi)外滑筒裝配要求。

圖5 MC尼龍支撐裝置

4 內(nèi)外滑筒裝配關(guān)鍵技術(shù)

4.1 裝配方案

圖6 吊裝方案

4.2 外滑筒激光找平劃線

通過外滑筒激光找平劃線，保證內(nèi)外滑筒裝配時(shí)的水平度及分度精度。

4.3 外滑筒內(nèi)徑尺寸復(fù)核

通過高精度內(nèi)徑千分尺復(fù)核外滑筒內(nèi)徑尺寸，防止因吊裝等原因?qū)е峦饣矁?nèi)徑尺寸變形。

4.4 內(nèi)外滑筒裝配

采用花籃螺絲精確調(diào)整內(nèi)滑筒吊裝精度，按劃線位置核對(duì)內(nèi)外滑動(dòng)分度位置，在內(nèi)滑筒MC尼龍支撐板及滑動(dòng)密封涂抹油脂，保證內(nèi)滑筒靠自身重力緩慢平穩(wěn)裝配到位。

5 結(jié)語

本文主要介紹鉸接滑筒式連續(xù)掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)外滑筒制造關(guān)鍵技術(shù)研究，解決內(nèi)外滑筒制造過程中難點(diǎn)：內(nèi)外滑筒大直徑長距離往復(fù)滑動(dòng)中高硬度及防腐蝕要求、外滑筒大直徑筒體加工變形控制難度大及表面粗糙度要求高的問題、內(nèi)滑筒支撐裝置材質(zhì)及加工公差控制問題、內(nèi)外滑筒大直徑小間隙長距離的裝配難題。文中措施及過程控制措施可對(duì)后續(xù)鉸接滑筒式連續(xù)掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)的開發(fā)、進(jìn)一步優(yōu)化及應(yīng)用提供參考。