楊晨平（上海隧道工程有限公司，上海 200137）

超大直徑盾構隧道一般應用于公路或公路與軌道交通合建項目，其邊界很難界定，20 a 前，直徑 10～11 m 的盾構被認為是最大的，可以滿足單層 2 車道需求；而近 10 年來，隨著我國城市化進程的發(fā)展及交通需求量的增長，14 m及以上直徑是當前的主流，可以滿足雙層 4/6 車道或單層 3車道需求。“工欲善其事，必先利其器”，盾構設備是項目成敗的關鍵。盾構設備的選擇需要結合水文、地質、周邊環(huán)境和沿線建(構)筑物等條件，兼顧設備的可靠性和技術先進性，滿足工程項目要求。

1 超大直徑盾構制作

機場聯(lián)絡線工程起于虹橋機場站，經(jīng)七寶站、華涇站、三林南站、張江站、度假區(qū)站、浦東機場站、規(guī)劃 T 3航站樓站，止于浦東新區(qū)上海東站。全線長 68.6 km，其中地下段總長 56.7 km，含盾構區(qū)間 49.7 km，其中進行施工的騏躍號盾構機是一臺刀盤切削直徑達 14.05 m，整機總重約 3 200 t，總長 99 m，的超大直徑盾構，由上海隧道工程有限公司機械制造分公司制造。本盾構機總長約92 m，主機長度約 13.7 m，滿足隧道最小水平曲線半徑450 m 的掘進施工，如圖 1 所示。后配套為 3 節(jié)集成式車架，采用著地式車輪設計。

圖1 泥水氣平衡盾構總體圖

在該臺盾構機的制作過程中，發(fā)現(xiàn)一些由于設計或者加工出現(xiàn)的問題，在安裝工程中進行工藝的優(yōu)化，順利完成了整個制造過程。

1.1 刀盤及驅動制造問題及解決方案

刀盤結構采用可常壓換刀技術，人員不用出艙即可更換刮刀與先行刀。既能提高施工安全性，也提高了施工效率。在進行刀盤中心筋板焊接時，發(fā)現(xiàn)刀盤中心體筋板焊接坡口過大，最大坡口角度達到 65°，焊接量大，為控制焊接變形 ，在焊接時需多點對稱施焊，焊工在焊接過程中相互配合難度相對較大。為此在加工工藝上進行改進，進行多點對稱施焊，焊接過程中保證各點勻速焊接，同時增加對外形尺寸的檢測頻次，以保證中心刀盤的焊接變形量在可控范圍內。

在進行圓弧刮刀定位焊接位置在圈梁上，圓弧刮刀定位時發(fā)現(xiàn)刀具高度低于理論設計值 100 mm。為此在圓弧刮刀兩側增加貼板墊塊，圓弧刮刀焊接在墊塊上，增加耐磨保護焊，更換先行刀高度。常壓更換刀具如圖 2 所示。

圖2 常壓更換刀具示意圖

在進行可更換刀具裝置的閘門和過度套為螺栓整體固定安裝時，發(fā)現(xiàn)刀座定位有角度差異，在部分位置，閘門和過度套定位及固定安裝難度大。為此在安裝時刀盤正面向下，通過工人手動固定閘門方式來安裝閘門和固定套。建議閘門與刀座間增加定位固定裝置。

刀盤驅動裝置為刀盤開挖掘進提供所需的轉動扭矩，是整個盾構的核心部件。它是由驅動箱體，三排滾柱回轉支承，土砂密封圈，內外密封環(huán)以及減速電機等組成，減速電機采用變頻控制，實現(xiàn)無極調速。在進行刀盤主驅動安裝時，殼體只安裝底部三個扇塊，此時的驅動還未安裝到位，發(fā)現(xiàn)無法進行焊接固定。底部三個扇塊與驅動的接觸面略小，加上盾構機在始發(fā)和接收的工作井帶有一定的坡度，考慮到驅動的重心靠前容易造成傾斜。通過工藝優(yōu)化，將定制壓板均布在底部三個扇塊上，當殼體逐步成環(huán)后，在其余扇塊上均布置該壓板，靠調解螺栓逐漸將驅動壓調到位。定制定位支架與動力箱連接，起到既可以定位又能防驅動傾倒和止轉的作用。刀盤驅動裝置示意圖如圖 3 所示。

圖3 刀盤驅動裝置圖

1.2 殼體制作問題匯總

殼體承載盾構機內主要設備，對外部土體起支護作用，同時也將盾構機內部與外部土體隔絕。殼體采用分塊式設計滿足安裝和運輸?shù)男枨蟆?/p>

攪拌機布置在氣包倉后隔板底部。攪拌機采用液壓馬達驅動，設計有傳感器，可以方便判斷攪拌機運轉狀態(tài)。攪拌機迎渣面焊接有耐磨復合鋼板，提高攪拌機的耐磨性能。同時攪拌機頂部位置設計沖洗管路，有效降低渣土堆積概率。在進行攪拌機安裝時，發(fā)現(xiàn)由于套筒制作工藝為焊前金加工，焊后套筒尺寸有變形，為此先制作一根假軸，對套筒尺寸進行測量，對套筒超差初進行打磨，打磨要求為即要保證攪拌機安裝尺寸又要保證密封壓密量。攪拌機及沖洗示意圖如圖 4 所示。

圖4 攪拌機及沖洗示意圖

中心艙內平臺用于人員的移動，以便完成換刀等工作。平臺具備伸縮功能，平時為避免干涉中心回轉處于縮回狀態(tài)，進行刀盤中心刀更換時，選擇合適的平臺伸出，配合物料吊機完成換刀工作。對于主輻條部分的刀具更換，工作人員可在對應主輻條處于正確位置時，通過平臺進入刀盤輻條。在進行平臺安裝時，發(fā)現(xiàn)平臺設計時與扇塊內部筋板離得太近，未考慮扇塊內走液壓環(huán)管的位置，為此在安裝時進行工藝優(yōu)化，將平臺與扇塊筋板之間的安裝間離保持在 20 cm 距離。同時部門機內平臺樓梯的布置根據(jù)實際情況進行優(yōu)化，防止人員在上下樓梯時碰撞結構。

1.3 拼裝機制作問題

管片拼裝機安裝在殼體內部，為中心回轉大平移式，主要作用是管片襯砌的安裝。管片拼裝機具有 6 個自由度，實現(xiàn)正反方向的旋轉、前后行走、上下升降、左右擺動等動作?；剞D角度為 ±220°，回轉速度為 0～1.5 rpm，采用比例控制系統(tǒng)，控制精度高反應靈敏。所有動作可無線遙控，便于拼裝司機觀察和操作。在進行管片拼裝機安裝時，發(fā)管片拼裝機下橫梁原位置與泥水管路干涉，泥水管路無法安裝。為此對管片拼裝機的安裝位置進行優(yōu)化，管片拼裝機下橫梁位置下調 90 mm，修改橫梁位置，同時反饋給設計端進行圖紙的修改。拼裝機圖如圖5所示。

圖5 拼裝機圖

在安裝拼裝機平移梁時，發(fā)現(xiàn)拼裝機平移梁焊接坡口尺寸過大，焊接量大增加焊接工期，為此進行工藝優(yōu)化，對焊接坡口的尺寸通過技術部門重新設計在安裝拼裝機平移軸承座制作工藝為先金加工后焊接，發(fā)現(xiàn)焊接過程中會引起機加工尺寸變形，最大誤差為 0.3 mm，影響軸承安裝。為此對軸承座進行打磨，使其與設計尺寸相符，完成安裝，并在工藝編排上進行優(yōu)化，防止熱處理產生的變形影響到安裝。在安裝拼裝機平移梁中間平臺蓋板時，發(fā)現(xiàn)其為焊接式結構，影響電纜鋪設和檢修。通過工藝優(yōu)化，將焊接式蓋板改為可拆卸手控蓋板，方便后續(xù)安裝。

1.4 車架結構制作問題

車架結構為集成式車架，以 H 型鋼和鋼板拼接而成，總共為 3 節(jié)。車體的橫斷面尺寸可滿足隧道最小水平曲線半徑450 m 的掘進施工。車輪采用著地式設計，直接行走在管片上。車架內部規(guī)劃有完善的逃生通道，與拼裝平臺人員通道相連。車架內部逃生通道路線上，在醒目位置設置有消防應急照明，疏散指示標志，便于人員安全快速撤離。

在進行 1 號車架安裝時，發(fā)現(xiàn)其前段斜支撐，結構不合理，無法安裝。為此與技術部門溝通，優(yōu)化設計并下發(fā)圖紙制作斜撐。在進行 2 號車架欄桿安裝時，發(fā)現(xiàn)其無踢腳板。欄桿之間間隙過大，為此對其進行工藝優(yōu)化，要求各欄桿之間的開檔控制在 10 cm 以內。在安裝 3 號車架時，發(fā)現(xiàn)水管卷筒平臺懸空結構在安裝水管卷筒后有輕微變形，目前水管卷筒內還未充滿水。水管卷筒整體已經(jīng)向內側平移了 300 mm。為此優(yōu)化安裝工藝，在 2、3 號車架交接的位置，2 號車架上增加支撐平臺，3 號車架上增加帶滑塊的支撐立柱。在 3 號車架安裝時，發(fā)現(xiàn)部分結構分塊可以增加法蘭連接形式，方便拆解運輸時部件運輸?shù)母叨燃岸询B。為此優(yōu)化安裝工藝，修改分塊連接形式，優(yōu)化安裝效率在進行車架上行車軌道的支座安裝時，發(fā)現(xiàn)其未焊接在車架結構上，導致支座焊接需要在廠內仰焊，無法保證焊接質量。為此在工藝布置上進行優(yōu)化，在車架上先進行仰焊，在拆機時將車架結構翻身重新焊接。

1.5 管片運輸行車

管片行車為單管片吊機，運行區(qū)間在 2 號車架內，其主要作用是將管片從管片車上吊運至喂片機上。管片行車運行區(qū)間軌道沒有鉸接點，軌道面上沒有間隙，不會出現(xiàn)卡軌、啃軌，有利于降低車輪損毀的概率。管片行車主吊機起升能力 15 t（不含吊具），主吊機具有 ±90° 旋轉功能。管片行車前部還配有2T小行車，兼具軌道等其他物料的吊運功能。

吊機由四臺電機分別對管片的四個角進行起吊，一次可以吊運兩塊管片。原設計通過四個凸輪開關來控制管片的起吊過程，但是由于起重電機的控制系統(tǒng)中被沒有加入同步起吊的程序，所以在起吊和放置時管片的過程中 4 個吊鉤的長度不同步，會出現(xiàn)管片傾斜的情況。通過對系統(tǒng)的分析，進行制作工藝的優(yōu)化，將原來系統(tǒng)中管片起吊過程的凸輪開關改為編碼器，通過編碼器對起重電機的旋轉角度進行計數(shù)，然后再程序中換算成起吊高度，并進行 4 個電機起吊高度比較，加入同步起吊高度的程序，使管片運輸行車的起吊及放置變得平穩(wěn)。

3 結 語

在超大直徑盾構的安裝制作工程，會發(fā)現(xiàn)很多設計不合理，以及加工不到為的情況，這時候就需要根據(jù)經(jīng)驗進行工藝優(yōu)化，使安裝工作持續(xù)進行下去。同時優(yōu)化的部分反饋到設計端進行設計的修改，避免今后發(fā)生類似的問題。本盾構機已經(jīng)完成了 1 000 多環(huán)的掘進工作，在施工過程中，設備完好率經(jīng)過統(tǒng)計高達 97%，遠遠超過了同類國內外產品，顯然在制作過程種的工藝優(yōu)化，同樣可以為提升盾構機的整體技術水平和高質量打好了基礎，有利于響應更廣泛的市場需求，增加國內外市場的競爭力。